CN101440443A - 一种耐脱锌腐蚀的低锑铝黄铜合金及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐脱锌腐蚀的低锑铝黄铜合金及其制造方法。合金的化学成份为：铜：58.8～63wt％、铝：0.25～0.65wt％、锑：0.105～0.35wt％、铅：0.03～0.25wt％、其它元素：0.04～1.5wt％，其余为锌和不可避免的杂质；并且(铜+锌+铝+锑+铅)wt％＞98.2wt％；所述的其它元素是选自硼、锡、磷、镍、铋、铁中的至少一种元素。其制造是采用合金化处理和覆盖保护去渣净化精炼方法，熔铸低锑铝黄铜合金，在680～740℃温度下进行热加工，后冷加工，中间热处理，并在成品冷加工后进行低于380℃的温度下进行消除应力退火。本发明合金产品既具有优异的耐脱锌性能、热成型性能、机械性能和易抛光电镀性能，具有优良的切削性能，更突出的是还具有优异的卫生安全性能，同时其制造工艺简便、成本低、易回收再利用。

Description

一种耐脱锌腐蚀的低锑铝黄铜合金及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种复杂黄铜合金，尤其涉及一种具有优异的耐脱锌腐蚀性能、卫生安全性能、优良的机械性能、冷热成型性能和切削性能以及可抛光电镀性能的低锑铝黄铜合金及其制造方法，它特别适用于饮用水供水系统和卫生洁具、管道、铸件、阀件、连接件、五金装饰、电子电讯、家用电气以及机械制造业中的部件制造等领域，它是一种有利于生态环境的金属材料。

背景技术

复杂黄铜是具有较高的强度和优良冷热成型性能的低成本材料，被广泛地应用于五金、汽车交通、饮用水工程、供水系统及舰船、电子电讯、耐磨耐压的机器制造等领域。但是，随着国际铜资源日趋紧缺的趋势，世界各国都在力求使铜产品和制品向低成本减量化、小型化、多功能化、无危害化方向发展，人们对复杂黄铜在保证低成本的前提下，既要具有其优良的机械性能和冷热成型性能的同时，又要具有耐脱锌性能和切削性能，特别是在饮用水工程使用时还要具有无危害化的卫生安全性能，以提升生态环境和人类健康的保障水平。

目前国际正在实施EHS计划(E环保、H健康、S安全)世界各国铜加工企业都正在研发一些无危害的无铅黄铜和复杂黄铜，特别是耐脱锌腐蚀的无危害化的新型黄铜合金。

近几年来，国内外耐脱锌的复杂黄铜，分别是采用以稀土元素、砷加入黄铜合金中，形成耐脱锌的复杂黄铜，虽然提高了复杂黄铜的机械性能、成型性能和耐脱锌腐蚀的性能，但也有一定的缺点，甚至还不能充分满足人类健康和生态环境的新要求，例如：日本专利JP56-29643《耐腐蚀快削黄铜》，该合金为铜-锌-稀土系黄铜合金，其特征在于含有8～43wt％的锌、0.05～2wt％稀土元素，并可选择镁、铝、铁、锡、磷、硅、砷、锑中的一种或二种以上元素的总和为0.01～2wt％，余量为铜。虽然能提高耐脱锌腐蚀性能，但其铸造过程中稀土元素加入0.05％以上时，操作较复杂，而且在连续规模化生产中，稀土元素的含量稳定性较差，成本较高，甚至会影响铸造性能。采用加砷的黄铜合金，也能提高黄铜的耐脱锌性能，但在熔铸过程中易造成环境污染，甚至会给人类健康造成危害。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种具有优异的耐脱锌性能、卫生安全性能和优良的切削性能、冷热成型性能、机械性能，并且环保的低锑铝黄铜合金。

本发明所要解决的另一个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种制造上述低锑铝黄铜合金的方法。

本发明是通过提供具有如下各种合金元素组成的低锑铝黄铜合金而实现的：

本发明耐脱锌腐蚀的低锑铝黄铜合金的组成为：铜：58.8～63wt％、铝：0.25～0.65wt％、锑：0.105～0.35wt％、铅：0.03～0.25wt％、其它元素：0.04～1.5wt％、其余为锌和不可避免的杂质；并且(铜+锌+铝+锑+铅)wt％>98.2wt％；所述的其它元素是选自硼、锡、磷、镍、铋、铁中的至少一种元素。

优选地，所述的合金组成中铜的含量为59.2～63wt％、铝的含量为：0.3～0.65％、锑的含量为：0.105～0.28wt％、铅的含量为：0.04～0.24wt％、其它元素含量为：0.05～1.4wt％。

在合金组成中含镍的情况下，镍的优选含量为：0.1～0.4wt％。

在合金组成中含硼的情况下，硼的优选含量为：0.0002～0.03wt％。

本发明制备低锑铝黄铜合金的方法是：采用合金化处理和覆盖剂保护去渣净化的方法熔炼低锑铝黄铜合金，在1010～1040℃温度下连续铸造成黄铜铸锭，在680～740℃温度下进行热加工，然后进行加工率8～30％的冷加工，中间热处理在450～650℃温度下退火，最终成品加工率为6～25％，并进行成品在低于380℃温度下的消除应力退火。

所述的低锑铝黄铜合金利用铝在黄铜中铝的表面离子化倾向比锌大，而且可优先形成致密的氧化铝保护膜，防止进一步氧化和脱锌，特别是在有微量的锑加入时会形成均匀坚固的保护膜的特点，使本黄铜合金达到了象在黄铜合金中加砷加硼一样的耐脱锌效果。使本合金不仅具有优异的耐脱锌性能、卫生安全性能，而且具有优良的机械性能和冷热成型性能、切削性能。

锌在黄铜合金中，当锌含量≤35wt％时，不易脱锌、切削性能差，当锌含量>35wt％时，不仅能提高黄铜合金的强度，而且还能提高切削性能，但易造成脱锌，因而需添加入一定的耐脱锌元素来提高其耐脱锌腐蚀的性能。

在本合金中，铝主要起耐脱锌作用，铝的含量低于0.25wt％时，耐脱锌的保护膜效果不明显，当铝含量大于0.65wt％时，虽然会提高耐脱锌性能，但会影响其抛光和电镀效果。故本合金中铝的含量为：0.25～0.65wt％。

锑在该合金中主要是辅助铝提高耐脱锌性能和辅助铅提高切削性能的作用，当锑含量<0.105wt％时，对本合金的切削性能和耐脱锌性能的提高辅助效果不明显，当锑含量>0.35wt％时，可提高切削性和脱锌性，但会影响本合金的塑性和在饮用水工程中的卫生安全性，故其合金中锑的含量为：0.105～0.35wt％。

铅在本合金中主要起提高切削性能，当铅含量<0.03wt％时，视为无铅黄铜，当铅含量>0.25wt％时，虽然能提高切削性能，但会影响饮用水工程的卫生安全性能。故本合金铅的含量为：0.03～0.25wt％。

在合金中选择性地加入所述的其它元素中的硼、锡、磷、镍、铋、铁中至少一种元素加入的作用：一是提高机械性能、二是辅助铝和锑提高耐脱锌性能和卫生安全性能、三是与锌和锑共同合成提高切削性能，并且控制本合金铸造性能和成型性能的提高。其中，各元素的加入作用分别如下：

硼：主要是辅助铝起阻止脱锌，提高耐脱锌性能，同时也有脱氧、细化晶粒、增强切削性能的功能，由于硼的半径比锌原子半径小，黄铜被腐蚀时，硼原子比锌原子更易扩散，因此，优先夺取空位，进而堵塞锌原子的扩散通道，增加锌扩散的阻力，形成了耐蚀的保护膜，特别是在同时含有铝时，会产生耐脱锌保护膜的复合均匀强化的效果，当硼含量<0.0002wt％时，对辅助耐脱锌的效果不明显，硼含量>0.03wt％时，硼化合物易在晶界析出、脆化加剧，会降低合金的成型性能，故硼在本合金中的含量为：0.0002～0.03wt％。

在本合金中添加锡、磷可以进一步增强合金的耐脱锌性能，提高切削性能和机械性能，同时也可以提高铸造和焊接性能。当锡含量<0.1wt％时，固溶强化和耐脱锌效果不明显，当锡含量>0.7wt％时，会影响本合金的成型性能，并且会造成成本高，故锡的含量为：0.1～0.7wt％。当磷<0.02wt％时，虽然能起脱氧效果，但对提高耐脱锌和切削性能效果不明显，当磷>0.15wt％时，虽然对耐脱锌和切削性能有一定的提高，但影响本合金的成型性。故本合金磷含量为：0.02～0.15wt％。

镍是起到强化和阻止脱锌的作用，同时抑制晶粒长大，限制β相区，增加合金的强度、塑性和耐蚀性以及抗应力腐蚀的能力，当镍的含量<0.1wt％时强化效果不明显，当镍含量>0.4wt％时，虽然有强化效应，但会造成成本高。

铁在黄铜中主要起细化晶粒，增加强度和成型性能，当铁含量<0.02wt％时，细化晶粒，增加性能的效果不明显，当铁含量>0.3wt％时，会影响耐蚀性能和电镀性能。

铋在本合金中主要是辅助铅提高切削性能，当铋含量为0时，为无铋黄铜合金，当铋含量>0.2wt％时，虽能提高切削性能，但会降低耐脱锌性能和卫生安全性能，故本合金的铋含量为0～0.2wt％。

上述的本发明低锑铝黄铜合金是具有优异的耐脱锌性能和卫生安全性能、优良的切削性能、机械性能、冷热成型性能和可抛光、电镀的性能的复杂黄铜合金。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、既具有优异的耐脱锌性能，又具有优良的机械性能、冷热成型性能、切削性能，而且更突出的是具有卫生安全性能，特别是适用于热成型和切削加工成型的零部件、锻件、铸件和作为其它制造方法的零部件材料。

2、工艺操作简便，成份控制稳定均匀性强，适用于规模化的连续生产。

3、可解决废屑料的单一和多品种的回收和综合利用再循环，有利于世界循环经济和生态环保事业的合理运行。

4、为世界又提供了一种低成本的低锑铝黄铜合金新材料。

5、本发明采用了低的制造成本和主成份不含有稀土元素，可选择的元素不含砷和硅的简便易控的制备工艺，获得了具有优异耐脱锌性能、卫生安全性能和优良的机械性能、切削性能、冷热成型性能的一种复杂黄铜合金材料，是一种有利于生态环境的低锑铝黄铜合金材料。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：

本发明实施例中低锑铝黄铜合金的生产工艺流程如下：

原材料准备及配料——合金化处理精炼——连续铸锭——铸锭坯加热——挤压——拉伸——热处理——酸洗——拉伸——矫直——消除应力退火——矫直抛光——检验成品包装。

具体可表述如下：采用合金化处理和覆盖保护去渣精炼的方法熔铸低锑铝黄铜合金，并在1010～1040℃温度下连续铸造成黄铜铸锭，在680～740℃温度下进行挤压或热加工，中间热处理按冷加工率8～30％的条件，在450～650℃温度下退火，最后成品在380℃温度下进行消除应力退火，并随后进行矫直抛光。其中转入热处理工艺流程实施过程证明，中间热处理需根据冷加工率的条件在450～650℃温度下退火，但应尽量避开中温脆性区退火，低于380℃温度下的低温消除应力退火是可以进行的，而且是必须的。

实施例中，本发明的低锑铝黄铜合金按表1中的合金成份组成铸锭、挤压、拉伸、热处理矫直成成品棒；对比试样是日本专利JP56-29643中最优良的耐腐蚀黄铜合金实例8(锌：35wt％、稀土：0.1wt％、锡：0.1wt％、磷：0.02wt％、硅：0.1wt％、余量为铜)和切削性最好的美标C36000的铅黄铜合金(切削性是100％)，进行同规格的同样的脱锌腐蚀和加工成型。

本发明的低锑铝黄铜合金的各实施例和对比合金铸锭尺寸均为φ170×400，在相同的设备条件下，与不同的挤压温度680～740℃温度下挤压、拉伸矫直成φ15的棒材，其具体成份含量见表1所示：

按照国际标准ISO6509脱锌实验方法进行脱锌试验，对比试样为JP56-29643专利实例合金8和美标C36000铅黄铜合金。测得的最大脱锌深度<150μm的表示为“优”，最大脱锌深度150～300μm的表示为“良”，最大脱锌深度>300μm的表示为“差”。

通过车削评价切削性的实验是这样进行的，在相同的机械加工条件下(转速870转/分，进刀量0.5mm，刀刃圆角半径为0.2mm，刀具前、后角均相同)，采用切削力实验仪测得各发明合金的切削力和切削单一车屑的长宽尺寸与美标C36000铅黄铜的切削力和单一车屑的长宽尺寸相比较计算，得出相对于C36000的切削指数(C36000是世界公认的切削指数为100％)，其切削指数的计算方法为：

切削指数＝[(C36000的切削阻力/各发明合金的切削阻力×100％)+(C36000单—车削的长×宽/各发明合金单—车削的长×宽)×100％]/2

切削指数>75％表示为“优”，切削指数在60～74％表示为“良”，切削指数在50～59％表示为“较差”，切削指数<50％的表示为“差”。

为了观察热成型性能，从实施例合金制品上各取φ15×30mm做试样，对比试样也取同样的规格，做热压缩试验。试样在690℃加热30分钟，然后轴向加载，变形量为40％，长度由30mm减少为18mm，在10倍放大镜下观察其变形后表面裂纹情况，试样表面不产生裂纹的表示为“0”，产生微小裂纹表示为“△”，产生大裂纹的表示为“×”。

根据国际标准ISO6957检测应力腐蚀的实验方法，对本发明合金进行了应力腐蚀实验，对比样也是上述日本专利中的实例8合金和C36000铅黄铜合金。实验结束，经10倍的放大镜观察实验后的试样表面情况。试样表面不产生裂纹的表示为“0”，产生微小裂纹表示为“△”，产生大裂纹的表示为“×”。

本发明低锑铝黄铜合金的以上试验结果见表2

    表2 本发明低锑铝黄铜合金的试验结果

Claims (9)

1、一种耐脱锌腐蚀的低锑铝黄铜合金，其特征在于所述的合金组成为：铜：58.8～63wt％、铝：0.25～0.65wt％、锑：0.105～0.35wt％、铅：0.03～0.25wt％、其它元素：0.04～1.5wt％、其余为锌和不可避免的杂质；并且(铜+锌+铝+锑+铅)wt％>98.2wt％；所述的其它元素是选自硼、锡、磷、镍、铋、铁中的至少一种元素。

2、根据权利要求1所述的低锑铝黄铜合金，其特征是在于所述的合金组成中铜的含量为59.2～63wt％、铝的含量为：0.3～0.65％、锑的含量为：0.105～0.28wt％、铅的含量为：0.04～0.24wt％、其它元素含量为：0.05～1.4wt％。

3、根据权利要求1或2所述的低锑铝黄铜合金，其特征在于所述镍的含量为：0.1～0.4wt％。

4、根据权利要求1或2所述的低锑铝黄铜合金，其特征在于所述硼的含量为：0.0002～0.03wt％。

5、根据权利要求1或2所述的低锑铝黄铜合金，其特征在于所述锡的含量为：0.1～0.7wt％。

6、根据权利要求1或2所述的低锑铝黄铜合金，其特征在于所述磷的含量为：0.02～0.15wt％。

7、根据权利要求1或2所述的低锑铝黄铜合金，其特征在于所述铋的含量为：0～0.2wt％。

8、根据权利要求1或2所述的低锑铝黄铜合金，其特征在于所述铁的含量为：0.02～0.3wt％。

9、一种制备如权利要求1至9中任一权利要求所述的低锑铝黄铜合金的方法，其特征在于：采用合金化处理和覆盖剂保护去渣净化的方法熔炼低锑铝黄铜合金，在1010～1040℃温度下连续铸造成黄铜铸锭，在680～740℃温度下进行热加工，然后进行加工率8～30％的冷加工，中间热处理在450～650℃温度下退火，最终成品加工率为6～25％，并进行成品在低于380℃温度下的消除应力退火。