CN101343704A - 一种适合重力铸造的无铅环保铋黄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铋黄铜合金材料，该合金材料的化学元素组成如下：铜：57％～63％；铅：≤0.1％；铝：0.2％～0.65％；铁：≤0.5％；锡：0.1％～3.0％；铋：0.4％～3.0％；镍：≤0.5％；余量为锌和不可避免的杂质。本发明的黄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铋黄铜合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种不含铅的黄铜合金，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环保黄铜合金材料。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的优良替代品。

背景技术

铅黄铜具有优异的机械性能和物理性能以及良好的铸造性能和切削性能，且价格低廉，因而广泛应用于仪器仪表、电子、电器、日用五金、饮用水系统等，其中尤以Hpb59-1的生产、应用量最大。

然而铅及其化合物是1 7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黄铜合金。现有技术中涉及的无铅黄铜合金主要有德国公司的中国专利申请200410004292.2，200410004293.7中分别公开了一种《无铅铜合金及其应用》，涉及基于铜-锌-锡的无铅铜合金，其组分主要包括60％至70％的铜、0.5至3.5％的锡和其他粘结性元素：0.01％至0.5％铁和/或钴、0.01％至0.5％的镍、0.01至0.5％的锰和/或硅，余量为锌和不可避免的杂质。另外还可选择性地加入最高达3％的镁、最高达0.2％的磷以及最高达0.5％的银、铝、砷、锑、钛、锆。该类无铅铜合金主要应用在电工学和通信技术中的接点、销钉和紧固元件中。还可以用在运输或存储液体或者气体的容器，特别是制冷技术中的容器或者卫生工程中的管道、上水道配件、龙头延长管、管子连接器和阀。上述合金材料兼顾了作为塑性合金、轧制合金或者铸造合金的诸多用途，却造成实践应用过程中的实际缺点。例如在铸造过程中往往流动性不佳，铸件光洁度不够，晶粒排列不是特别均匀。若应用在重力铸造当中，会出现更多的铸造缺陷，造成铸件成品率下降，影响铸件作为高档产品的应用。

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铋黄铜合金材料以及制备该种铋黄铜合金的方法。利用本发明的无铅环保黄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铋黄铜合金材料，该合金材料的化学元素组成如下：

元素    质量百分比

铜：    57％～63％

铅：    ≤0.1％

铝：    0.2％～0.65％

铁：    ≤0.5％

锡：    0.1％～3.0％

铋：    0.4％～3.0％

镍：    ≤0.5％

余量为锌和不可避免的杂质。

作为上述黄铜合金材料的优化方案，该合金材料的化学元素组成如下：

元素    质量百分比

铜：    58％～61％

铅：    ≤0.08％

铝：    0.3％～0.5％

铁：    ≤0.5％

锡：    0.5％～2.5％

铋：    0.5％～2.8％

镍：    ≤0.5％

余量为锌和不可避免的杂质。

一种制备上述适合重力铸造的无铅环保黄铜合金材料的方法，该方法包括如下步骤：

铜→熔化→添加铜铋中间合金→搅拌→锌、铝、锡→搅拌→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，向工频感应炉中加料；

第二步，逐步加热工频感应炉，熔化铜；

第三步，添加铜铋中间合金；

第四步，进行充分搅拌添加锌、锡、铝，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；

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，950～980℃保温，静置20分钟使杂质沉淀或浮起，净化合金熔液；

第八步，在1050℃下出炉浇注。

所述第三步的铜铋中间合金中铋元素所占的质量百分比为10％～30％。

所述第五步的精炼剂的组成及质量百分比含量为：硅砂54％、苏打40％、冰晶石6％。

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，如没达到要求添加精炼剂；

③镜面检测，检测硬质点。

相对于现有技术，上述技术方案带来了如下技术效果：

第一、本发明的黄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、本发明的黄铜合金较现有技术的黄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，本发明的黄铜合金最突出的是合金熔液的流动性大大提高，保证了黄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黄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黄铜合金材料总的成份构成要求如下：

元素    质量百分比

铜：    57％～63％

铅：    ≤0.1％

铝：    0.2％～0.65％

铁：    ≤0.5％

锡：    0.1％～3.0％

铋：    0.4％～3.0％

镍：    ≤0.5％

余量为锌和不可避免的杂质。

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：

铜：    58％～61％

铅：    ≤0.08％

铝：    0.3％～0.5％

铁：    ≤0.5％

锡：    0.5％～2.5％

铋：    0.5％～2.8％

镍：    ≤0.5％

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黄铜合金材料的方法，该方法包括如下步骤：

铜→熔化→添加铜铋中间合金→搅拌→锌、铝、锡→搅拌→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，向工频感应炉中加料；

第二步，逐步加热工频感应炉，熔化阴极铜；

第三步，添加铜铋中间合金，铋元素所占的质量百分比为10％～30％；

第四步，进行充分搅拌添加锌、锡、铝，使得合金熔液混合均匀；

第五步，添加精炼剂并再次搅拌，所述精炼剂的质量百分比为：硅砂54％、苏打40％、冰晶石6％；

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，950～980℃保温，静置20分钟使杂质沉淀或浮起，达到合金熔液净化的目的；

第八步，升温至1050℃，出炉浇注。

所述第六步中分析的内容包括：①利用光谱仪进行成分分析，分析后调整元素比例。②金相晶粒检测与流动性试验，如没达到要求添加精炼剂，金相晶粒检测利用金相显微镜，流动性试验是将熔液流过圆筒内壁查看其流线长度。③镜面检测，检测硬质点。

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

元素	铜	铅	铝	铁	锡	铋	镍	锌和杂质
									实施例一	57	0.1	0.2	0.5	0.1	0.4	0.5	41.18
实施例二	63	0.01	0.65	0.1	3.0	3.0	0.3	29.92
									实施例三	60	0.02	0.5	0.4	2.5	2.5	0.4	33.664

与现有技术中的黄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黄铜合金材料具备有优良的铸造性能，同时较现有黄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铋黄铜合金材料，其特征在于，该合金材料的化学组成如下：

元素     质量百分比

铜：     57％～63％

铅：     ≤0.1％

铝：     0.2％～0.65％

铁：     ≤0.5％

锡：     0.1％～3.0％

铋：     0.4％～3.0％

镍：     ≤0.5％

余量为锌和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的，一种适合重力铸造的无铅环保铋黄铜合金材料，其特征在于，该合金材料的化学组成如下：

元素     质量百分比

铜：     58％～61％

铅：     ≤0.08％

铝：     0.3％～0.5％

铁：     ≤0.5％

锡：     0.5％～2.5％

铋：     0.5％～2.8％

镍：     ≤0.5％

余量为锌和不可避免的杂质。

3.一种制备权利要求1或权利要求2所述的一种适合重力铸造的无铅环保铋黄铜合金材料的方法，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，向工频感应炉中加料；

第二步，逐步加热工频感应炉，熔化阴极铜；

第三步，添加铜铋中间合金；

第四步，进行充分搅拌添加锌、锡、铝，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；

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，950～980℃保温，静置20分钟使杂质沉淀或浮起，净化合金熔液；

第八步，在1050℃下出炉浇注。

4.根据权利要求3所述的一种适合重力铸造的无铅环保铋黄铜合金材料的方法，其特征在于，所述第三步的铜铋中间合金中铋元素所占的质量百分比为10％～30％。

5.根据权利要求3或4所述的一种适合重力铸造的无铅环保铋黄铜合金材料的方法，其特征在于，所述第五步的精炼剂的组成及质量百分比含量为：硅砂54％、苏打40％、冰晶石6％。

6.根据权利要求3所述的一种适合重力铸造的无铅环保铋黄铜合金材料的方法，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，如没达到要求添加精炼剂；

③镜面检测，检测硬质点。