CN101343703A - 一种适合重力铸造的无铅环保青铜合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适合重力铸造的无铅环保青铜合金材料，该合金材料的化学元素组成如下：铅：≤0.1％；铝：≤0.005％；铁：≤0.15％；锌：6.0％～8.0％；锡：4.0％～6.0％；铋：1.0％～3.0％；镍：≤1.0％；磷：≤0.05％；硅：≤0.01％；砷：≤0.25％；余量为铜和不可避免的杂质。本发明的青铜合金材料含铅量大大降低，符合环保健康的要求，同时有具备优良的铸造性能，适合铸造特别是大规模的重力铸造，在洁具行业具有广泛的应用前景。

Description

一种适合重力铸造的无铅环保青铜合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种青铜合金，尤其涉及一种具有优异铸造性能、耐腐蚀性能、后续机加工性能的无铅易切削的无铅环保青铜合金材料。它们特别适用于供水系统铸件、阀件等，是有利于人类健康与环境保护的金属材料，也是目前广泛应用的会引起对人体和环境有恶劣影响的铅黄铜和含铅青铜的优良替代品。

背景技术

铸造青铜容易制造复杂形状铸件，青铜铸件的产品耐蚀性、耐压性耐磨性等性能良好，部分用于供水系统铸件、阀件等。铸造锡青铜有优良的耐蚀性，特别是在大气、淡水、海水、碱性溶液和过热的蒸汽中。因为锡青铜显微组织中的α和δ相有相近的电极电位，所以微电池作用甚微。另外，铸造锡青铜表面能形成致密的SnO₂薄膜，有很好的保护作用，因此在泵、阀、给排水管路和船舶设备方面有着广泛的用途，尤其以美国牌号C83600、C84400及相似成分的牌号高铅青铜生产、用量最大。铸造锡青铜虽然较黄铜的价格昂贵，但铸造性能突出，特别是在洁具行业的高档龙头的应用最广泛。利用锡青铜可以使铸造出的龙头壁更薄，更加光洁。更重要的一点是，特别适合大规模的重力铸造。

然而铅及其化合物是17种严重危害人类寿命与自然环境的化学物质之一，合金中的铅在使用过程中极易从基体中侵出或脱出，工业废气品中的铅则渗入地下水系统，各种形式的铅通过各种途径进入动物或人的食物链，危害人类健康，影响环境。近年来世界各国的医学专家已发现含铅铜合金对人类健康和环境卫生构成了威胁，欧盟、美国、日本、中国等医学机构均已做出了含铅铜合金对人类环境造成危害的报告。鉴于铅对人类健康环境的危害性，美国、日本、欧盟各国相继出台了对含铅铜合金应用的政府限令，中国政府也出台了与国际限令相一致的《电子信息产品污染防治管理办法》等强制性法规，对铜合金中的铅含量(其中电子信息产品铅的含量必须小于0.1％)和在饮用水中铅的浸出量(日本必须小于0.01mg/L，美国必须小于0.0011％)分别作出了严格控制的限令，并将不断减少其中的铅含量，含铅铜合金的应用正面临着严格的限制和挑战，而且前景将愈来愈严峻，因此开发无铅黄铜和无铅青铜来替代饮水系统中的水龙头、水表等用途的铅黄铜和含铅青铜成为了当今金属材料行业所面临的重大课题，也是响应世界循环经济(EHS计划)要求的重要工作。

针对上述情况，现有技术中开发了无铅铜合金。中国专利申请200680014456.7的《青铜类低铅合金》中提指出了一系列的青铜类合金，其目的在于提供一种改善青铜类合金在高温下的拉伸强度，并降低了其铅元素含量的合金。该类青铜合金在复合环保要求的前提下，确保其高温拉伸性能。但上述青铜类低铅合金确保了高温拉伸性能，再应用在铸造特别是重力铸造当中会出现众多的铸造缺陷，较含铅青铜的铸造性能大幅度降低，影响了其在金属成型行业的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种适合重力铸造的无铅环保青铜合金材料以及制备该种青铜合金的方法。利用本发明的无铅环保青铜合金材料以达到降低铅含量，符合环保健康的要求，同时要使其具备优良的铸造性能，特别是符合大规模的重力铸造的性能要求。

本发明提出的技术方案如下：

一种适合重力铸造的无铅环保青铜合金材料，该合金材料的化学元素组成如下：

元素    质量百分比

铅：    ≤0.1％

铝：    ≤0.005％

铁：    ≤0.15％

锌：    6.0％～8.0％

锡：    4.0％～6.0％

铋：    1.0％～3.0％

镍：    ≤1.0％

磷：    ≤0.05％

硅：    ≤0.01％

砷：    ≤0.25％

余量为铜和不可避免的杂质。

作为一种优化方案，该合金材料的化学元素组成如下：

元素    质量百分比

铅：    ≤0.08％

铝：    ≤0.004％

铁：    ≤0.13％

锌：    6.5％～7.5％

锡：    4.5％～5.5％

铋：    1.5％～2.5％

镍：    ≤0.8％

磷：    ≤0.04％

硅：    ≤0.008％

砷：    ≤0.2％

余量为铜和不可避免的杂质。

一种制备上述的一种适合重力铸造的无铅环保青铜合金材料的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

铜+锡+木炭→熔化→添加铜铋合金→搅拌→锌、搅拌均匀→P-Cu→精炼→取样，炉前分析，成分调整→捞渣，静置→出炉浇注，

第一步，预热工频感应炉，选用阴极铜、电解锡、向工频感应炉中加料；

第二步，逐步加热工频感应炉，熔化各原料；

第三步，添加铜铋中间合金；

第四步，进行充分搅拌后添加锌，使合金熔液混合均匀；

第五步，添加精炼剂，并再次搅拌均匀；

第六步，充分搅拌后对合金熔液取样分析，成份调整，直至符合上述成份要求；

第七步，静置，捞渣，在1100～1200℃保温，静置20分钟后清理熔液底部或顶部的杂质；

第八步，升温到1240～1300℃，出炉浇注。

所述第三步铜铋中间合金中铋的质量百分比为：10％～30％。

所述第五步中精炼剂的质量百分比组成：萤石33％、碳酸钙42％、冰晶石25％、氧化锰10％。

所述第六步中分析的内容包括：

①成分分析，分析后调整元素比例；

②金相晶粒检测与流动性试验，如没达到要求则需再次添加所述的精炼剂。

相对于现有技术，上述技术方案带来了如下技术效果：

第一、本发明的青铜合金材料降低了铅含量，使得其铅含量低于0.1％，符合国家对铅含量的强制性要求，由于本发明的青铜合金主要应用在水龙头等洁具行业中，对人体健康影响大，则其合金中铅元素的含量大大超出传统青铜合金的含量标准。

第二、在符合环保健康标准的基础上，本发明利用铋元素代替铅元素，控制其含量以及与其他元素的配合量，使其具备优良的铸造性能，无论是流动性、还是铸件的表面光洁度以及晶粒大小和均匀程度都符合洁具特别是高档洁具的品质要求。

第三、本发明的青铜合金较现有技术的青铜合金更利于重力铸造，重力铸造中对合金熔液的流动性要求比普通铸造高得多，代表了洁具行业铸造的趋势，本发明的青铜合金最突出的是合金熔液的流动性大大提高，保证了青铜重力铸造的质量和成品率。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来对本发明的适合重力铸造的无铅环保青铜合金材料及其制备方法做进一步的详细说明，但不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明适合重力铸造的无铅环保青铜合金材料总的成份构成要求如下：

元素    质量百分比

铅：    ≤0.1％

铝：    ≤0.005％

铁：    ≤0.15％

锌：    6.0％～8.0％

锡：    4.0％～6.0％

铋：    1.0％～3.0％

镍：    ≤1.0％

磷：    ≤0.05％

硅：    ≤0.01％

砷：    ≤0.25％

余量为铜和不可避免的杂质。

在上述成份要求的前提下，作为一种优化配置达到更好的技术效果，提出如下方案：

元素    质量百分比

铅：    ≤0.08％

铝：    ≤0.004％

铁：    ≤0.13％

锌：    6.5％～7.5％

锡：    4.5％～5.5％

铋：    1.5％～2.5％

镍：    ≤0.8％

磷：    ≤0.04％

硅：    ≤0.008％

砷：    ≤0.2％

余量为铜和不可避免的杂质。

制备上述适合重力铸造的无铅环保青铜，方法包括如下步骤：

铜+锡+木炭→熔化→添加铜铋合金→搅拌→锌、搅拌均匀→P-Cu→精炼→取样，炉前分析，成分调整→捞渣，静置→出炉浇注，

第一步，预热工频感应炉，选用阴极铜、电解锡、向工频感应炉中加料；

第二步，逐步加热工频感应炉，熔化各原料；

第三步，添加铜铋中间合金，其中铋的质量百分比为10％～30％；

第四步，进行充分搅拌，添加小块的锌并搅拌使得合金熔液混合均匀；

第五步，添加精炼剂，并再次搅拌均匀，该精炼剂的质量百分比组成：萤石33％、碳酸钙42％、冰晶石25％、氧化锰10％；

第六步，充分搅拌后在取样分析，成份调整，直至符合上述铸造性能要求；

第七步，静置，捞渣，在1100～1200℃保温，静置20分钟后清理熔液底部或顶部的杂质，使得合金熔液净化；

第八步，升温到1240～1300℃时出炉浇注。

所述第六步中分析的内容包括：

①成分分析，采用光谱仪分析各元素比例，若未达到要求则添加相应的原料；

②金相晶粒检测与流动性试验，如没达到要求添加上述的精炼剂，金相晶粒检测采用金相显微镜观察测算，流动性试验是将合金熔液流经圆筒的内壁测算流线的长度。

在具体实践中，选用了如下三个突出的成份配比来制造出符合实践应用的无铅青铜合金锭。表格中元素含量为质量百分比。

元素	铅	铝	铁	锌	锡	铋	镍	磷	硅	砷	铜和杂质
												实施例一	0.1	0.005	0.15	8.0	4.0	1.0	1.0	0.05	0.01	0.25	81.435
实施例二	0.08	0.004	0.12	7.0	5.0	2.0	0.8	0.04	0.01	0.22	84.726
												实施例三	0.06	0.005	0.10	6.0	6.0	3.0	0.5	0.04	0.008	0.20	84.087

与现有技术中的锡青铜合金的铸造性能比较，试验结果如下：

通过上述试验结果以及实际生产实践，可以知道本发明的适合重力铸造的无铅环保青铜合金材料具备有优良的铸造性能，同时较现有锡青铜大大降低了铅的含量，符合环保健康的要求。

Claims (6)

1.一种适合重力铸造的无铅环保青铜合金材料，其特征在于，该合金材料的化学元素组成如下：

元素     质量百分比

铅：     ≤0.1％

铝：     ≤0.005％

铁：     ≤0.15％

锌：     6.0％～8.0％

锡：     4.0％～6.0％

铋：     1.0％～3.0％

镍：     ≤1.0％

磷：     ≤0.05％

硅：     ≤0.01％

砷：     ≤0.25％

余量为铜和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的适合重力铸造的无铅环保青铜合金材料，其特征在于，该合金材料的化学元素组成如下：

元素     质量百分比

铅：     ≤0.08％

铝：     ≤0.004％

铁：     ≤0.13％

锌：     6.5％～7.5％

锡：     4.5％～5.5％

铋：     1.5％～2.5％

镍：     ≤0.8％

磷：     ≤0.04％

硅：     ≤0.008％

砷：     ≤0.2％

余量为铜和不可避免的杂质。

3.一种制备权利要求1或权利要求2所述的适合重力铸造的无铅环保青铜合金材料的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步，预热工频感应炉，选用阴极铜、电解锡和木炭向工频感应炉中加料，木炭覆盖于阴极铜和电解锡上；

第二步，逐步加热工频感应炉，熔化所加的各原料；

第三步，添加铜铋中间合金；

第四步，进行充分搅拌后添加锌，使合金熔液混合均匀；

第五步，添加精炼剂，并再次搅拌均匀；

第六步，充分搅拌后对合金熔液取样分析，成份调整，直至符合上述成份要求；

第七步，静置，捞渣，在1100～1200℃保温，静置20分钟后清理熔液底部或顶部的杂质；

第八步，升温到1240～1300℃，出炉浇注。

4.根据权利要求3所述的适合重力铸造的无铅环保青铜合金材料的方法，其特征在于，所述第三步铜铋中间合金中铋的质量百分比为：10％～30％。

5.根据权利要求3或4所述的适合重力铸造的无铅环保青铜合金材料的方法，其特征在于，所述第五步中精炼剂的质量百分比组成：萤石33％、碳酸钙42％、冰晶石25％、氧化锰10％。

6.根据权利要求3所述的适合重力铸造的无铅环保青铜合金材料的方法，其特征在于，所述第六步中分析的内容包括：

①成分分析，分析后调整元素比例；

②金相晶粒检测与流动性试验，如没达到要求则需再次添加所述的精炼剂。