CN101285138B

CN101285138B - 无铅易切削磷黄铜合金及其制造方法

Info

Publication number: CN101285138B
Application number: CN2008101108198A
Authority: CN
Inventors: 许传凯; 胡振青; 章四琪
Original assignee: Xiamen Lota International Co Ltd
Current assignee: Xiamen Bailuda High-tech New Material Co.,Ltd.
Priority date: 2008-06-11
Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2028-06-11
Also published as: CA2639301C; ATE547541T1; CN101285138A; EP2133438A1; PL2133438T3; EP2133438B1; CA2639301A1; US20090311126A1

Abstract

本发明提供了一种无铅易切削磷黄铜合金。本发明依据磷在铜中的固溶度随温度降低而迅速减小并与铜形成脆性金属间化合物 Cu ₃P 的特性，选择磷为保证合金具有优良切削性能的主要合金元素。铜和锌两者的总量大于 97.0( 重量％ )但不等于 99.5( 重量％ ) ，锌大于 35.0( 重量％ ) ，磷为 0.4 ～ 1.6( 重量％ )，至少二种选自铝、硅、锑、锡、稀土元素、钛和硼组的其它元素为 0.005 ～ 0.6( 重量％ ) ，余量为杂质，其中的锌含量大于35.0( 重量％ )。本发明还提供了一种无铅易切削磷黄铜合金的制备方法。本发明的合金具有优良的切削性能、铸造性能、焊接性能、抗脱锌腐蚀性能、成型性能和力学性能。适合于需要切削加工的零部件和锻件、铸件，尤其适合于需要切削加工、磨削加工( 抛光 ) 、焊接和电镀的锻件和低压铸造的铸件，如供水系统用水龙头、阀体、管套，以及对耐磨性和致密性也有高要求的棒材、线材。

Description

无铅易切削磷黄铜合金及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种磷黄铜合金，特别是涉及一种适用于供水系统锻件或铸件的无铅易切削磷黄铜合金及其制造方法。

背景技术

含铅的黄铜合金材料因其具有优异的切削性能、热冷加工成型性能和生产成本较低，现在仍作为许多制品的结构材料而被广泛使用。但铅黄铜在生产和使用过程中铅对环境会造成污染，对人体会造成伤害问题，已引起人们的高度关注，因而包括铅黄铜在内的含铅材料的应用，日益受到严格的限制。为应对这一挑战，近几年来，国内国外积极研究开发无铅易切削黄铜合金。已研究开发的铋黄铜和碲黄铜是目前切削性能最接近铅黄铜的两种无铅黄铜合金，但铋资源稀少，价格昂贵(20万元/吨)，碲更稀少、更昂贵(200万元/吨)，因而以铋、碲代铅非长久之计。与铜形成脆性金属间化合物的元素代铅来制造无铅易切削铜合金的思路，为寻求代铅元素开拓了新视野。以锑代铅的锑黄铜，已获国内和美国专利授予权，开始棒材和线材商品化生产。国内外还对硅黄铜进行研究和改进，使其切削性能有所提高。国外还有人采用熔铸方法，研究石墨/铜合金基复合材料，但石墨加入工艺难度大，尚无进展。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，特别是铅对环境的污染问题，本发明依据磷在铜中的固溶度随温度降低而迅速减小并与铜形成脆性金属间化合物Cu3P的特性，选择磷作为保证合金具有优良切削性能的主要合金元素。

本发明的目的是提供一种磷黄铜合金，该合金解决了现有技术的上述问题。

本发明的另一个目的是提供一种具有优异的切削性能、铸造性能、冷热加工成型性能、耐腐蚀性能，并且对环境无污染的无铅磷黄铜合金。

本发明的再一个目的是提供一种特别适用于供水系统锻件或铸件的无铅易切削磷黄铜合金。

本发明的再一个目的是提供一种磷黄铜合金及其制造方法。

本发明的目的是通过下述途径达到的。

本发明提供了一种无铅易切削磷黄铜合金，其特征在于，铜和锌两者的总量大于97.0(重量％)但不等于99.5(重量％)，锌大于35.0(重量％)，磷为0.4～1.6(重量％)，铝、硅、锑、钛和硼、锡和/或稀土元素的其它元素为0.005～0.6(重量％)，余量为杂质。

本发明的无铅易切削磷黄铜合金中，磷的含量优选为0.5～1.35(重量％)，更优选为0.5～0.9(重量％)，最优选为0.5～0.8(重量％)。其中的其它元素优选为铝、硅、锑、钛和硼。

本发明无铅易切削磷合金的相组成主要是α相、β相，还含有少量的Cu₃P。

上述合金中，铅作为杂质，其含量不大于0.02重量％，杂质铁不大于0.05重量％。

上述合金中，磷是除锌以外的主要合金元素，其有益作用是：与铜形成的脆性金属间化合物Cu₃P，促使切屑断裂而使合金具有易切削性；脱氧以改善合金的铸造性能和焊接性能；提高合金的抗脱锌腐蚀性能。磷的有害作用是：与铜形成的脆性Cu₃P，易集聚在晶界上，降低合金的室温下的塑性，不利于冷加工成型。

所述其它元素中，稀土元素、钛和硼都具有脱氧和细化晶粒作用，稀土元素还与磷等合金元素形成金属间合金化合物进入晶内，使晶界上Cu₃P数量减少、集聚程度降低。三者的加入量小于0.02重量％。

铝和硅具有脱氧、固溶强化和提高合金耐蚀性的作用，过多则增加氧化渣量，于铸造性能不利，硅过多还会产生又脆又硬的γ相，降低塑性。三者含量控制在0.1～0.5重量％范围内为宜。添加少量锡主要是为了改善抗脱锌腐蚀性能，锑象锡一样也有改善黄铜抗脱锌腐蚀作用，同时对切削性能有益。

本发明合金的特点在于，合金相组成主要是α相、β相和Cu₃P，磷是保证合金易切削的主要合金元素。，锑也是重要的合金元素，加入锑可以形成少量的脆性铜锑金属间化合物，对切削性能的提高起补充作用；多元合金化，使基本晶粒细化，使金属间化合物细化并弥散分布于晶内和晶界，降低它们对塑性的不利影响。

本发明无铅易切削磷黄铜合金的制造方法，包括用覆盖剂保护在大气气氛中熔炼，在995～1030℃出炉浇铸。

具体而言，本发明无铅易切削磷合金的制备方法是：用覆盖剂保护在大气气氛中进行熔炼，在980～1000℃浇铸，铸锭在550～700℃温度下用大挤压比(大于30)进行挤压，在570～710℃温度下锻造成锻件，铸锭重熔在990～1010℃温度下低压铸造成铸件。

本发明采用的工艺路线的优点在于：由铸锭而不是挤压棒直接热锻，降低生产成本；铸锭重熔便于低压铸造时成分的控制；大挤压比挤压，使Cu₃P等金属间化合物进一步细化和弥散均匀分布，进一步降低它们对冷塑性的不良影响，进一步发挥它们对切削性能的有益作用。

如上所述，本发明的无铅易切削磷黄铜合金，以磷代铅，通过多元合金化、晶粒细化、大的加工变形量和热处理，使Cu₃P呈细小颗粒状弥散分布于晶内和晶界来保证合金具有优良的切削性能，耐蚀性能和力学性能，尤其是具有优异的铸造性能和热成型性能。该合金适合于需要切削加工的零部件、锻件和铸件，特别适合于需要切削加工、磨削加工(抛光)、焊接和电镀的供水系统用的锻件和铸件。在该合金研制阶段，利用直径37mm、高60mm铸锭，在570～700℃温度范围内不同温度下，锻造供水系统用结构复杂的阀体70件，一次性模锻成型成品率达98.6％，表明该合金热加工成型性能非常好，铸锭低压铸造工艺性能优良。

附图说明：

图1是实施例1-3的车屑照片。

图2是实施例4-8的车屑照片。

图3是实施例9和10的车屑照片。

图4是用于对比的铅黄铜C36000的车屑照片。

具体实施方式

按照表1中实施例1-10的合金成分制备合金。合金铸锭一部分用于锻造，一部分用重熔低压铸造，一部分用于挤压棒材。进行了切削性能、铸造性能、脱锌腐蚀、力学性能检测。铸锭锻造温度为570～700℃，挤压温度为560～680℃，低压铸造温度980～1000℃，消除应力退火温度为350～450℃。

表1无铅易切削磷黄铜合金成分(重量％)

性能检测结果

1、切削性能

评价材料的切削性能有多项指标和方法，本发明采用测定切削阻力和观察对比车屑形貌的方法来确定切削性能。试样为半硬状态。采用相同的车刀、相同的进刀量(0.6mm)和相同的切削速度的条件下，测定铅黄铜C36000和发明合金的切削阻力，由此计算出发明合金的相对切削率：

C36000切削阻力

发明合金的切削阻力

根据图1，实施例1-3的切削率≥80％，实施例4-6的切削率≥85％，实施例7-9的切削率≥90％，C36000的切削率为100％，各种情况下的车屑进刀量为0.6mm。

2、脱锌腐蚀

考虑到本发明的磷黄铜将大量用于低压铸造的铸件，检测试样取铸态，对比铅黄铜C36000为消除应力，退火状态。结果如表2所示。

表2无铅易切削磷黄铜合金脱锌腐蚀结果

3、铸造性能

评价合金铸造性能有多项指标。本发明采用铸造合金体收缩、圆筒形、条形和圆圈形标准试样，来评价无铅易切削磷黄铜合金的铸造性能。体收缩试样集中缩孔表面光滑、底部无肉眼可见缩松为优，用“○”表示，集中缩孔表面光滑、底部肉眼可见缩松高度小于5mm为良，用“△”表示，集中缩孔表面较光滑、底部肉眼可见缩松高度大于5mm为差，用“×”表示。各合金条形试样线收缩率均不大于1.5％。圆筒形试样用来评价缩裂情况，无肉眼可见裂纹为优，用“○”表示，有肉眼可见裂纹为差，用“×”表示。圆圈形试样用来评价合金的流动性。各合金熔体出炉温度1000℃，结果如表3所示，表明磷黄铜合金铸造性能优异。

表3无铅易切削磷黄铜合金铸造性能

4、力学性能

试样为半硬状态，规格ф6棒材，结果如表4所示。

表4无铅易切削磷黄铜合金室温力学性能

5、应力腐蚀性能

试样取自挤压棒、锻件和铸件，按国家标准进行应力腐蚀实验，各个合金试样表面无裂纹。

Claims

1.一种无铅易切削磷黄铜合金，其特征在于，铜和锌两者的总量大于97.0(重量％)但不等于99.5(重量％)，锌大于35.0(重量％)，磷为0.4～1.6(重量％)，其他元素为0.005～0.6(重量％)，余量为杂质，所述其他元素为铝、硅、锑、钛和硼，以及可选的锡和可选的稀土元素。

2.根据权利要求1的无铅易切削磷黄铜合金，其特征在于，其中的磷为0.5～1.35(重量％)。

3.根据权利要求2的无铅易切削磷黄铜合金，其特征在于，其中的磷为0.5～0.9(重量％)。

4.根据权利要求3的无铅易切削磷黄铜合金，其特征在于，其中的磷为0.5～0.8(重量％)。

5.根据权利要求1-4任一项的无铅易切削磷黄铜合金，其特征在于，其杂质中的铅含量小于0.02(重量％)，铁含量小于0.05(重量％)。

6.根据权利要求1的无铅易切削磷黄铜合金的制造方法，包括用覆盖剂保护在大气气氛中熔炼，在995～1030℃出炉浇铸。