CN101423905A - 一种无铅易切削锑镁黄铜合金 - Google Patents

Abstract

一种无铅易切削锑镁黄铜合金，属黄铜合金材料的制造技术领域，包含有锌，铜，锑，镁，稀土，各组分的组成按重量百分比计分别为：锌36.0～42.0％，锑0.1～2.0％，镁0.5～2.5％，稀土0.01～0.2％，其余为铜及总量不大于0.05％的杂质，各组分的重量百分比总和为100％；还可加入硅，磷，铝，锡，硼，锰，铁中的任一种或一种以上的混合物，其加入量不超过各组分重量百分比总和的1.0％。本发明配方设计科学合理，获得的合金产品晶粒细小，具有优异的切削性能，良好的热锻性能和机械性能，特别适用于切削加工成型的各种零部件、锻件等其它零部件材料以及其他相关领域强度要求较高、加工形状复杂产品的加工和生产。

Description

一种无铅易切削锑镁黄铜合金

技术领域

本发明涉及一种无铅易切削锑镁黄铜合金，属黄铜合金材料的制造技术领域。

背景技术

现有被广泛应用于水暖卫浴、电子、机械行业的黄铜材料，一般含有1.0～4.0％的铅，以提高切削性能和加工性能。而铅易在水中溶出或在生产过程中挥发，废弃铅黄铜材料中的铅会浸入土壤或水源，从而导致环境污染而吸入人体，影响人体荷尔蒙分泌和婴幼儿的智力发育，对人的身心健康影响很大。因此，铅造成的污染和危害己引起世界各国的重视，生产企业都在积极寻求铅黄铜的替代材料。

根据美国NSF、日本JIS、德国DIN50930及欧盟的相关标准法令规定，各种与人体相关材料的铅溶出标准必须从现在的0.05mg/L降低到0.01mg/L。近些年来，国内外在无铅黄铜的研究上也进行了一定的研究，如中国专利申请号200410015836.5《无铅易切削锑黄铜合金》，其组成按重量百分比为：铜55.0～65.0％、锑0.3～2.0％、锰0.4～1.6％、其它元素0.1～1.0％，是一种铜-锌-锑合金，由于合金中含有锑，虽能改善切削性能，但合金的热加工性能不理想，影响了合金的后续加工性能。中国专利申请号02121991.5《无铅易切削黄铜合金材料和它的制造方法》，是一种铜-锌-铋合金，由于该合金中含有0.5～2.2％的铋，铋含量较高，且铋的价格非常高，所以导致其成本增高，没有市场竞争力，且热加工性能差。试验表明，单独加镁、锑或铋对提高材料切削性能作用有限，无法达到传统铅黄铜的切削性能，而且其冷热加工性能不如铅黄铜。

发明内容

本发明的目的是提供一种配方设计合理，具有优异的切削性能，良好的热锻性能和机械性能的无铅易切削锑镁黄铜合金。

本发明为一种无铅易切削锑镁黄铜合金，包含有锌(Zn)，铜(Cu)等，其特征在于还同时包含锑(Sb)，镁(Mg)，稀土(Re)，各组分的组成按重量百分比计分别为：锌(Zn)36.0～42.0％，锑(Sb)0.1～2.0％，镁(Mg)0.5～2.5％，稀土(Re)0.01～0.2％，其余为铜(Cu)及总量不大于0.05％的杂质，各组分的重量百分比总和为100％。

所述的无铅易切削锑镁黄铜合金中还可加入硅(Si)，磷(P)，铝(Al)，锡(Sn)，硼(B)，锰(Mn)，铁(Fe)中的任一种或一种以上的混合物，其加入量不超过各组分重量百分比总和的1.0％。

所述硅的加入量可为各组分重量百分比总和的0.001～0.1％。

所述磷的加入量可为各组分重量百分比总和的0.001～0.1％。

所述铝的加入量可为各组分重量百分比总和的0.001～0.1％。

所述锡的加入量可为各组分重量百分比总和的0.001～0.1％。

所述硼的加入量可为各组分重量百分比总和的0.01～0.5％。

所述锰的加入量可为各组分重量百分比总和的0.001～0.1％。

所述铁的加入量可为各组分重量百分比总和的0.001～0.1％。

以下对本发明所述各元素的功能和原因进行说明。

锑本身性脆易碎，微量固溶于铜，并与铜形成脆而不硬的化合物(Cu₉Sb₂，Cu₁₁Sb₂)，此外，锑与锌、镁也会形成脆而不硬的化合物(Sb₃Zn₄，Sb₂Zn₃，Mg₃Sb₂)，这些脆化相均匀分布在晶界上和晶内，起类似于铅质点的断屑作用，提高该合金的切削性能，并使合金强度提高。但锑含量低于0.1％效果不明显，含量大于2.0％则脆性断裂严重，故添加量在0.1～2.0％为宜。

镁与铜形成的含镁化合物(MgCu₂和MgCu)以第二相粒子弥散分布于晶界或晶内，从镁黄铜的力学性能可以发现，含镁化合物(MgCu₂和MgCu)粒子具有脆而不硬的特性，与刀刃接触时在切应力的作用下易于破碎，破碎后与断口处接触的金属发生应力集中，很容易萌生裂纹并扩展，使切屑很快断裂而不连续长大，减小切屑的尺寸，起到了与铅类似的断屑作用。而且，含镁化合物粒子具有脆而不硬的特性也能减少切屑对刀刃的粘结作用，故合金切削性能较好。

单纯加入锑和镁，合金切削性能和强度提高，但塑性下降，加工性能下降，故加入稀土净化晶界，细化晶粒，提高合金塑性，从而提高其加工性能。

稀土元素不能与铜形成间隙固溶体，因而稀土在铜中的固溶度极小，有利于稀土与其他元素形成化合物，稀土进入铜液后迅速与氧、铁等形成高熔点的稀土化合物，在凝固过程中保持固态，部分化合物进入渣相而被除去，从而净化了基体和晶界；另有一部分细小的高熔点化合物颗粒残留于铜液中并弥散，铜液凝固时成为弥散的结晶核心，促进了合金的非自发形核，从而使晶粒得到细化。

另外，在合金中添加磷和硅能进一步改善金属的流动性，还可提高合金的强度，一般含量为0.001～0.1％，当含量过高时，会降低金属的塑性。

铝能进一步提高黄铜强度和耐蚀性能，但当含量高时，会出现硬而脆的γ相，使塑性大幅降低。铁、硼主要是起细化晶粒的作用，阻止晶粒的长大。铁与锡、铝等元素配合使用时，可使黄铜具有更高的强度和硬度，并可改善其在大气和海水中的耐蚀性。

加入少量的锡能进一步提高黄铜的强度和硬度，并可以抑制黄铜脱锌，提高黄铜的耐腐蚀性能。如果在合金中添加0.01～0.5％的硼则也可进一步提高合金黄铜的耐腐蚀性。

本发明配方设计科学合理，获得的合金产品晶粒细小，具有非常好的切削性能、热锻性能和力学性能，特别适用于切削加工成型的各种零部件、锻件等其它零部件材料以及其他相关领域强度要求较高、加工形状复杂产品的加工和生产；合金中减少了铜含量，其制造成本低于现有技术中无铅黄铜的制造成本，并且可充分利用我国极其丰富的镁和锑资源，并带动锑镁下游产业发展；生产工艺简单，可在现有普通黄铜合金的加工设备上生产，不需要增加新的设备投资。

附图说明

图1是本发明所述现有铅黄铜C3604的切屑效果示意图；

图2是本发明所述现有铅黄铜HPb59-1的切屑效果示意图；

图3是本发明所述无铅易切削锑镁黄铜合金的切屑效果示意图。

具体实施方式

下表1为将本发明17个实施例与现有常规铅黄铜C3604和HPb59-1进行比较，以进一步说明本发明的优异性能。

本发明所述无铅易切削锑镁黄铜合金的加工工艺如下：在熔炼时先进行铜锌的熔炼，温度为1050℃～1200℃，随后加入铜镁中间合金、锑和稀土，以及其它合金成分，保温10min～40min后，进行半连续铸造，浇铸温度为1050℃～1150℃，铸锭直径为Φ120mm。铸锭在550℃-780℃温度加热，保温时间40min-90min，然后进行热挤压，挤压成尺寸为Φ25.4mm的圆棒，再采用单链卧式拉拔机进行冷拉拔成Φ24.4mm的无铅锑镁黄铜棒材，最后在400℃-500℃下进行退火即得最终产品。

本发明所述无铅易切削锑镁黄铜合金的性能测试如下：

1、切削性试验：

切削性是材料塑性、韧性和硬度等指标的综合性能。在切削时，如果切削过程轻快，切削力小，则表示材料切削性能好，但切削时材料处于高速转动状态，切削力很难直接测量，但切削力的大小与电机功率和电流成正比，而电流这是比较容易测量的。为此，我们自行设计了测量切削性能的专用车床，其X，Y，Z三个方向上的运动分别采用3个相互独立的电机来控制，这样X，Y，Z三个方向上的电流就可以独立测量，切削性可以定量表示。

另一面，材料切削性能的好坏，可以通过观察切屑的大小、形状和表面粗糙度来定性表示。

对于不同合金成分的铜棒，我们在同一机床上，采用相同的切削速度、相同切屑层厚度和相同的进刀量，分别对所研制的17种合金以及C3604、HPb59-1进行切削试验，得到了其切削性能。

如附图1、2、3所示，C3604合金切屑为细小的粒状碎屑，HPb59-1合金的切屑为较粗大的弯曲成C形的短片状，本发明无铅易切削锑镁黄铜的切屑与HPb59-1合金形状类似，，定义C3604合金的切削性为100％，则HPb59-1约为80％，由表1可见，本发明的锑镁黄铜的切削性为75-84％，与HPb59-1相当。

2、硬度和抗拉强度试验：

取本发明的锑镁黄铜棒以及C3604合金和HPb59-1合金棒，测试硬度，制成标准拉伸试样，进行常温抗拉试验。结果如表1所示，从表1中可知，本发明所研制的无铅锑镁黄铜合金的强度、延伸率和硬度均高于C3604和HPb59-1合金，这是由于加入稀土后，晶粒得到明显细化的结果，所发明合金综合机械性能较好。

3、镦粗测试：

从直径24.4mm的圆棒上切取高度24.4mm的试棒，在规定温度下热压加工变形，然后评价其热锻造性能。试验采用500吨油压机进行，同一成分合金分别取5个试样进行试验，平均镦粗率取5个试样镦粗率的算术平均值，若试样开始出现第一条裂纹，则认为已达到极限镦粗率。

镦粗率(％)＝[(24.5-h)/24.5]×100(h：加压变形后的高度)

由表1可知，本发明的3种无铅锑镁黄铜的镦粗率大于普通铅黄铜，具有较好的热加工性能。

综合考虑以上试验情况，本发明与常用的易切削含铅黄铜相比，切削机理不同，但是切削性接近于HPb59-1合金，抗拉强度、延伸率等机械性能优于传统易切削黄铜合金，尤其是其热加工性能优越，改变了以往无铅黄铜热加工性能较差的缺点。

本发明的无铅易切削锑镁黄铜合金从成本上引入了我国资源丰富的镁和锑，相比于铋黄铜、碲黄铜等无铅黄铜，大大降低了合金的成本，且机械性能和热加工性能优良，因此，是一种很有市场潜力及应用前景的一种新型的无铅易切削黄铜合金。

本发明不局限于表1所述实施例，在实际应用时，可根据不同性能要求及使用场合，选择表1所述实施例中的不同配比，或除表1所述各实施例以外的不同配比。

Claims (9)

1、一种无铅易切削锑镁黄铜合金，包含有锌，铜，其特征在于还同时包含锑，镁，稀土，各组分的组成按重量百分比计分别为：锌36.0～42.0％，锑0.1～2.0％，镁0.5～2.5％，稀土0.01～0.2％，其余为铜及总量不大于0.05％的杂质，各组分的重量百分比总和为100％。

2、按权利要求1所述的一种无铅易切削锑镁黄铜合金，其特征在于所述的无铅易切削锑镁黄铜合金中还加入硅，磷，铝，锡，硼，锰，铁中的任一种或一种以上的混合物，其加入量不超过各组分重量百分比总和的1.0％。

3、按权利要求2所述的一种无铅易切削锑镁黄铜合金，其特征在于所述硅的加入量为各组分重量百分比总和的0.001～0.1％。

4、按权利要求2所述的一种无铅易切削锑镁黄铜合金，其特征在于所述磷的加入量为各组分重量百分比总和的0.001～0.1％。

5、按权利要求2所述的一种无铅易切削锑镁黄铜合金，其特征在于所述铝的加入量为各组分重量百分比总和的0.001～0.1％。

6、按权利要求2所述的一种无铅易切削锑镁黄铜合金，其特征在于所述锡的加入量为各组分重量百分比总和的0.001～0.1％。

7、按权利要求2所述的一种无铅易切削锑镁黄铜合金，其特征在于所述硼的加入量为各组分重量百分比总和的0.01～0.5％。

8、按权利要求2所述的一种无铅易切削锑镁黄铜合金，其特征在于所述锰的加入量为各组分重量百分比总和的0.001～0.1％。

9、按权利要求2所述的一种无铅易切削锑镁黄铜合金，其特征在于所述铁的加入量为各组分重量百分比总和的0.001～0.1％。

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