CN101787461B - 一种环保型锰黄铜合金及其制造方法 - Google Patents
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- C22F1/08—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon
Abstract
本发明提供一种环保型锰黄铜合金,该黄铜合金含有55~65wt%的Cu,1.0~6.5wt%的Mn,0.2~3.0wt%的Al,0~3.0wt%的Fe,0.3~2.0wt%的Sn,0.01~0.3wt%的Mg,0~0.3wt%的Bi和/或0~0.2wt%Pb,其余为Zn和其他不可避免的杂质。该合金具有优异的力学性能、铸造性能、切削性及耐蚀性,尤其是耐应力腐蚀性能,还具有制造成本低,生产工艺简单等优点,适合于锻造、铸造和切削加工以及其他制造方法加工的零部件,特别适合于锻造、铸造以及切削加工的水龙头本体和阀门。
Description
技术领域
本发明涉及一种黄铜合金及其制造方法,特别是涉及一种环保型锰黄铜合金及其制造方法。
背景技术
目前民用及工业供水系统通常采用的黄铜材料,一般含有1.0~4.0%的铅,其在供水过程中会部分溶解于水中,导致水中的铅含量超标(如美国NSF/ANSI 61-2007饮用水标准规定水中铅含量不超过5μg/L,锑含量不超过0.6μg/L),但近年来世界各地的医学专家发现铅对人类健康和环境卫生构成了威胁,因此,国内外已经开展了广泛的替代铅黄铜的研究,其中,基本采用三大合金系:Cu-Zn-Bi系、Cu-Zn-Si系和Cu-Zn-Sb系。
铋本身性脆,在元素周期表中与铅的位置接近,其熔点比铅的熔点低,铋与铅一样不固溶于黄铜,是铅的理想替代者,也是目前研究最多,并且得到实际应用的无铅黄铜合金。铋黄铜中大多数还添加了锡和镍,少数还添加了昂贵的硒,使铋以薄膜状分布于晶界,变为以颗粒状分布于晶内和晶界,从而降低铋黄铜的热脆性和冷脆性,但硒和铋的资源非常有限,而且价格较高,导致铋黄铜的成本居高不下。另外铋黄铜也存在铸造性能及焊接性能较差,锻造温度范围较窄等问题,使铋黄铜的应用和发展受到一定的制约。
近年来无铅硅黄铜的研究开发,开始向高锌低铜合金发展,采用变质处理改变(β+γ)两相黄铜中γ相的形状、尺寸和分布状态,改善其加工性能和使用性能,但这种无铅高锌硅黄铜的切削性能只能达到HPb59-1的70%~80%。
中国专利ZL200410015836.5公开了一种无铅易切削锑黄铜合金,该合金是一种铜-锌-锑合金,由于合金含有锑,虽能改善切削性能和耐蚀性,但合金的冷加工性能不理想,影响了合金的后续加工性能。饮用水的相关标准对Sb、Pb、Cd、As等金属在水中的溶出量有严格的标准,如美国NSF/ANSI61-2007饮用水标准规定,Sb的溶出量最大值为0.6ug/L。当合金中的Sb含量≥0.2wt%时,其溶出量会超过0.6ug/L,这是锑黄铜合金应用于饮用水供给系统的水龙头等零部件面临的最大挑战。
中国专利ZL200710066669.0公开了一种高锰易切削铜锌合金,中国专利ZL 200710066947.2公开了一种易切削高锰铜合金,以上两个专利都是将锰作为主要合金元素,不同的是锰含量范围,其它合金元素也有所不同,作为易切削高锰黄铜合金,二者有着良好的应用前景,但其较高的Pb含量,会造成Pb元素的在水中的溶出量超标,不能用于饮用水供给系统的零部件。
目前,无铅或低铅易切削黄铜,如高铜硅黄铜、高锡铋黄铜、铝黄铜、锑黄铜等,用砂铸或冲压方法制成的阀门,在装配扭矩为90~137N·m,氨水浓度为14%,氨熏24小时条件下,仅有高铜硅黄铜和高锡铋黄铜表现出优良的抗应力腐蚀性能,但二者原材料成本高,产品缺乏市场竞争力。
发明内容
为了克服以上缺陷,本发明提供一种成本低、抗应力腐蚀性能优异、耐脱锌腐蚀性能和力学性能优良的环保型锰黄铜合金及其制造方法。
本发明的一个目的在于,提供一种力学性能、耐腐蚀性能优异,冷、热加工性能、铸造性能和切削性能优良的环保型黄铜合金,特别是提供一种适合于铸造和锻造所需金属原料成本相对较低的环保型易切削锰黄铜。本发明的另一个目的在于,提供上述锰黄铜合金的制备方法。
根据本发明的一方面,本发明提供一种环保型锰黄铜合金,该黄铜合金含有:55~65wt%的Cu,1.0~6.5wt%的Mn,0.2~3.0wt%的Al,0~3.0wt%的Fe,0.3~2.0wt%的Sn,0.01~0.3wt%的Mg,0~0.3wt%的Bi和/或0~0.2wt%的Pb,其余为Zn和不可避免的杂质。
优选地,所述锰黄铜合金中Mn的含量为:2.0~5.0wt%;优选为:2.5~4.5wt%;更优选为:3.5~4.5wt%。
优选地,所述锰黄铜合金中Al的含量为:0.4~2.5wt%;优选为:0.6~2.0wt%;更优选为;0.6~1.5wt%。
优选地,所述锰黄铜合金中Fe的含量为:0~1.8wt%;优选为:0~0.8wt%。
优选地,所述锰黄铜合金中Sn的含量为:0.3~1.5wt%;优选为:0.5~1.3wt%;更优选为:0.8~1.0wt%。
优选地,所述锰黄铜合金中Mg的含量为:0.01~0.2wt%;优选为:0.05~0.15wt%;更优选为:0.07~0.1wt%。
优选地,所述锰黄铜合金中Bi的含量为:0~0.25wt%;优选为:0~0.15wt%。
优选地,所述锰黄铜合金中Pb的含量为:0~0.15wt%;优选为:0~0.1wt%。
根据本发明的另一方面,本发明提供一种制造上述锰黄铜合金的方法,该方法包括:配料、熔炼、浇注合金锭、重熔、砂型铸造或低压铸造,其中所述浇注合金锭的温度为980~1030℃,所述砂型铸造的温度为1000~1030℃,所述低压铸造温度为970~1000℃。
根据本发明的又一方面,本发明提供一种制造上述锰黄铜合金的方法,该方法包括:配料、熔炼、水平连铸圆锭、扒皮、挤压成棒材和加热锻造,其中所述水平连铸的温度为980~1030℃,所述挤压的温度为660~750℃,所述加热锻造的温度为660~750℃。
根据本发明的再一方面,本发明提供一种制造上述锰黄铜合金的方法,该方法包括:配料、熔炼、水平连铸圆锭、扒皮和加热锻造,其中所述水平连铸的温度为980~1030℃,所述加热锻造的温度为660~750℃。
为了更加清楚地说明和阐述本发明的技术方案,以下将对本发明作进一步的描述:
本发明为解决现有含铅或无铅易切削黄铜合金性能不足的问题所提供的技术方案为:一种环保型低成本锰黄铜合金,该黄铜合金含有:55~65wt%的Cu,1.0~6.5wt%的Mn,0.2~3.0wt%的Al,0~3.0wt%的Fe,0.3~2.0wt%的Sn,0.01~0.3wt%的Mg,0~0.3wt%的Bi和/或0~0.2wt%的Pb,其余为Zn和其他杂质。
根据本发明的一个实施方式,本发明的环保型锰黄铜合金含有:55~60wt%Cu,2.0~6.0wt%Mn,0.4~2.0wt%Al,0.4~1.5wt%Sn,0~2.0wt%Fe,0.01~0.1wt%Mg,0.15~0.2wt%Pb,其余为Zn和不可避免的杂质。
根据本发明的另一个实施方式,本发明的环保型锰黄铜合金含有:61~63wt%Cu,3.0~5.5wt%Mn,1.5~2.5wt%Al,1.0~1.2wt%Sn,0.5~1.5wt%Fe,0.05~0.15wt%Mg,0.1~0.3wt%Bi,其余为Zn和不可避免的杂质。
根据本发明的又一个实施方式,本发明的环保型锰黄铜合金含有:62~65wt%Cu,5.0~6.5wt%Mn,1.0~1.5wt%Al,0.4~0.8wt%Sn,0.05~0.2wt%Mg,0.1~0.3wt%Bi和/或0.1~0.2wt%Pb,其余为Zn和不可避免的杂质。
本发明的黄铜合金中添加锰可以通过固溶强化使其强度和硬度提高,从而有效改善黄铜的切削性能,并大幅提升其对海水、氯化物和过热蒸汽的耐蚀性。锰可以稳定含Al黄铜的β相,减轻铝促使γ相析出的作用。锰的锌当量系数是0.5,可以扩大β相区,但这种作用不明显,相反,在铜和其他元素不变的情况下,添加锰元素可以减少锌的含量,从而扩大α相区,因此,控制两者含量的合理配比,可以提高α相的比率,从而提高合金的耐蚀性,尤其是提高合金的抗应力腐蚀性能。锰和铁可以形成固溶体,锰还可以大量固溶于铜,因此Fe可以随着Mn更多的固溶于铜基体,Mn使Fe在α相中的固溶度提高,从而改善铁在黄铜中的强化作用,抑制铁的偏析,与铁共同作用改善合金的抗应力腐蚀性能。黄铜中添加锰元素,低了效果不明显,过高则合金的硬度HRB大于80,增大切削阻力,使切削效率降低,因此其含量控制在1.0~6.5wt%为宜。
铝作为主要合金元素之一,其作用主要是固溶强化、提高抗热裂能力和脱氧,还可以提高合金的流动性,有利于铸造成型。Al可在铸件表面形成Al2O3薄膜,因而提高铸件的耐蚀性能。在添加了锰的条件下,其含量控制在0.2~3.0wt%范围之内,低了不利于其有益效果的发挥,过高因铝易氧化生渣,降低合金的流动性,反而对铸造和焊接性能不利。
铁在黄铜中的固溶度极低,其富铁相粒子可以起到细化铸造组织,抑制再结晶晶粒长大的作用,铁与锰、铝、锡等同时加入效果更好,但是对于需要抛光电镀的铸造或锻造水龙头本体,铁的添加量应取下限或不添加为宜,否则会造成富铁相偏析,产生“硬质点”,影响电镀层表面质量。对于不需要抛光电镀的产品,Fe的添加量可以取中上限,但是过高的Fe含量,会降低合金的塑性,降低黄铜的耐蚀性,因此,铁含量控制在0~3.0wt%。
锡的作用主要是抑制黄铜脱锌,提高黄铜的耐蚀性,尤其是提高耐应力腐蚀性能,少量的Sn能提高黄铜的硬度和强度,但是超过2.0wt%后反而会降低黄铜的性能,且Sn的价格较高,更高的含量会增加合金的成本,因此锡含量控制在0.3~2.0wt%。
添加镁主要是起到脱氧、脱硫、细化晶粒和改善合金抗脱锌腐蚀性能与力学性能的作用,但随镁含量增加,抗脱锌腐蚀效果和铸造性能降低,镁含量取0.01~0.3wt%为宜,更低的含量效果不明显。
选择添加Bi和/或Pb是为了进一步保证合金的切削性能。铋含量控制在0~0.3wt%,过高会增加原材料成本,铅含量在0~0.2wt%范围内,过高会使Pb的溶出量超标。
本发明提供了制造上述黄铜合金的方法,该方法包括:配料、熔炼、浇注合金锭、重熔、砂型铸造或低压铸造,其中所述浇注合金锭的温度为980~1030℃,所述砂型铸造的温度为1000~1030℃,所述低压铸造温度为970~1000℃。
本发明提供了另一种制造上述黄铜合金的方法,该方法包括:配料、熔炼、水平连铸圆锭、扒皮、挤压成棒材和加热锻造,其中所述水平连铸的温度为980~1030℃,所述挤压的温度为660~750℃,所述加热锻造的温度为660~750℃。
本发明提供了又一种制造上述黄铜合金的方法,该方法包括:配料、熔炼、水平连铸圆锭、扒皮和加热锻造,其中所述水平连铸的温度为980~1030℃,所述加热锻造的温度为660~750℃。
本发明制造上述黄铜合金的工艺流程图如图1所示。
本发明的黄铜合金与现有技术相比,至少具有以下有益效果:本发明添加锰元素,所获得的黄铜合金具有优异的力学性能、铸造性能、切削性及耐蚀性,尤其是耐应力腐蚀性能,在不能退火消除装配应力的情况下,在浓度远高于国家标准的14%浓度氨水环境中,氨熏24小时不发生应力腐蚀开裂现象;
本发明的黄铜合金中锡及铋元素含量较低,且不含镍等元素,原材料成本低,因而,所制备的黄铜合金成本低;
本发明的黄铜合金不含铅或者含有低含量的铅,是环保型合金,减少了铅对人体及环境造成的危害,同时合金元素在水中析出量符合NSF/ANSI61-2007标准;
本发明的生产工艺简单,可以在现有铅黄铜生产设备上进行生产。
本发明的锰黄铜合金具有优异的力学性能、铸造性能、切削性及耐蚀性,尤其是耐应力腐蚀性能,是一种成本低且适合于铸造和锻造的环保型易切削黄铜合金。
附图说明
图1是制造本发明的黄铜合金的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。
实施例
本发明实施例的黄铜合金成分及用作对比研究的合金成分列于表1,其中,合金铸锭1-4用于砂型铸造,制备工艺如图1所示,合金5-8用于水平连铸圆锭热锻成型,制备工艺如图1所示,合金ZCuZn40Pb2为外购对比合金。
表1本发明实施例合金成分及对比合金成分(wt%)
合金 | Cu | Mn | Al | Fe | Ti | Sn | Si | Cr | Mg | Bi | Pb | Zn |
1 | 55.43 | 2.16 | 0.92 | - | - | 1.12 | - | - | 0.18 | 0.14 | - | 余量 |
2 | 57.31 | 3.50 | 0.67 | 0.76 | - | 0.36 | - | - | 0.12 | 0.22 | - | 余量 |
3 | 60.56 | 5.02 | 1.12 | - | - | 0.75 | - | - | 0.09 | 0.11 | - | 余量 |
4 | 61.58 | 2.44 | 0.46 | 2.58 | - | 0.44 | - | - | 0.26 | - | 0.14 | 余量 |
5 | 62.40 | 3.48 | 2.27 | 0.73 | - | 1.29 | - | - | 0.07 | - | 0.18 | 余量 |
6 | 63.25 | 4.55 | 1.80 | - | - | 0.90 | - | - | 0.18 | 0.15 | 0.10 | 余量 |
7 | 64.40 | 6.46 | 1.69 | 1.73 | - | 0.86 | - | - | 0.07 | 0.23 | 0.15 | 余量 |
8 | 63.5 | 0.70 | 0.18 | - | 0.03 | 0.60 | 0.12 | 0.10 | - | - | - | 余量 |
ZCuZn40Pb2 | 60.57 | - | 0.53 | 0.02 | - | - | - | - | - | - | 2.05 | 余量 |
以下将对上述合金进行性能检测,具体性能检测结果如下:
1.力学性能
合金1-4为砂型铸造试样,铸态;合金5-8为水平连铸锭,铸态;对比合金为铅黄铜ZCuZn40Pb2试样(合金ZCuZn40Pb2从浙江科宇金属材料有限公司购买),砂型铸造,铸态;铸造规格为Φ29mm,机加成Φ10试样,在室温进行拉伸试验,结果见表2。
2.抗脱锌腐蚀性能
脱锌试验按照GB/T 10119-2008进行,对比合金为ZCuZn40Pb2铅黄铜(合金ZCuZn40Pb2从浙江科宇金属材料有限公司购买),试样为铸态。测得的最大脱锌腐蚀深度如表2所示。
表2试验合金的抗脱锌腐蚀性能、切削性能及力学性能测试结果
脱锌层深度越大,说明合金的抗脱锌性能越差,从表2中可见,本发明合金的抗脱锌腐蚀性能优于ZCuZn40Pb2铅黄铜。
3.切削性能
试样为铸态,采用相同的刀具、相同的切削时间和相同的进刀量。刀具型号:VCGT160404-AK H01(韩国KORLOY公司),转速:570r/min,进给:0.2mm/r,背吃刀量:单边2mm,采用北京航空航天大学研制的车、铣、钻、磨通用测力仪分别测量ZCuZn40Pb2和合金1-8的切削阻力,计算得出相对切削率,结果如表2所示。
相对切削率计算公式如下:
4.铸造性能
采用铸造合金的4种标准试样来衡量表1中合金1-4以及合金ZCuZn40Pb2(合金ZCuZn40Pb2从浙江科宇金属材料有限公司购买)的铸造性能:用体收缩试样,评价合金的集中缩孔、分散缩孔和疏松的特征;用螺旋形试样,测定合金熔体的流淌长度;用条形试样,测定合金的线收缩率和抗弯折性能(测弯折角度);用不同厚壁环形试样,评价合金的抗缩裂能力。其中,体收缩试样的集中缩孔表面光滑、且集中缩孔底部无肉眼可见疏松、试样剖面无肉眼可见分散缩孔为优,用“○”表示;集中缩孔表面较光滑,其底部肉眼可见疏松高度小于5mm,试样剖面无肉眼可见分散缩孔为良,用“△”表示;集中缩孔表面不光滑,其底部肉眼可见疏松高度大于5mm,不管剖面有无分散缩孔为差,用“×”表示;环形试样铸造表面或抛光后表面有可见裂纹为差,用“×”表示,无裂纹为优,“○”表示,结果见表3。
表3试验合金铸造性能测试结果
5.抗应力腐蚀性能
将合金1-8以及合金ZCuZn40Pb2分别制1/2英寸和1英寸球阀,包括未组装产品和组装产品(紧固扭矩为90N·m),其中组装产品又分为空载未接外接管及施加扭矩接外接管两种,1/2英寸施加90N·m扭矩,1英寸施加137N·m扭矩。25℃度下分别在8%、14%浓度氨水里保持24h。试样按两种标准氨熏后,取出试样,先用水冲洗干净,然后于室温下在5%的硫酸溶液中清洗试样表面的腐蚀产物,最后再用水冲洗并吹干,经过10倍的放大观察的氨熏试样表面。若表面无明显裂纹,用“○”表示;若表面有微小裂纹,用“△”表示;若表面有明显裂纹,用“×”表示。
表4试验合金的抗应力腐蚀性能测试结果
由表4可见,经氨熏试验之后,本发明合金的抗应力腐蚀性能明显优于ZCuZn40Pb2合金。
6.水中金属溶出量
取合金1-8测试其元素在水中的溶出量,按照NSF/ANSI61-2007标准执行,测试时间为19天,各合金试验结果均符合标准要求。
Claims (21)
1.一种环保型锰黄铜合金,该黄铜合金含有:55~65wt%的Cu,2.0~5.0wt%的Mn,0.2~3.0wt%的Al,0~3.0wt%的Fe,0.3~2.0wt%的Sn,0.01~0.3wt%的Mg,0~0.3wt%的Bi和/或0~0.2wt%的Pb,其余为Zn和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的环保型锰黄铜合金,其特征在于,所述锰黄铜合金中Mn的含量为:2.5~4.5wt%。
3.根据权利要求2所述的环保型锰黄铜合金,其特征在于,所述锰黄铜合金中Mn的含量为:3.5~4.5wt%。
4.根据权利要求1-3任一项所述的环保型锰黄铜合金,其特征在于,所述锰黄铜合金中Al的含量为:0.4~2.5wt%。
5.根据权利要求4所述的环保型锰黄铜合金,其特征在于,所述锰黄铜合金中Al的含量为:0.6~2.0wt%。
6.根据权利要求5所述的环保型锰黄铜合金,其特征在于,所述锰黄铜合金中Al的含量为:0.6~1.5wt%。
7.根据权利要求1所述的环保型锰黄铜合金,其特征在于,所述锰黄铜合金中Fe的含量为:0~1.8wt%。
8.根据权利要求7所述的环保型锰黄铜合金,其特征在于,所述锰黄铜合金中Fe的含量为:为:0~0.8wt%。
9.根据权利要求1所述的环保型锰黄铜合金,其特征在于,所述锰黄铜合金中Sn的含量为:0.3~1.5wt%。
10.根据权利要求9所述的环保型锰黄铜合金,其特征在于,所述锰黄铜合金中Sn的含量为:0.5~1.3wt%。
11.根据权利要求10所述的环保型锰黄铜合金,其特征在于,所述锰黄铜合金中Sn的含量为:0.8~1.0wt%。
12.根据权利要求1所述的环保型锰黄铜合金,其特征在于,所述锰黄铜合金中Mg的含量为:0.01~0.2wt%。
13.根据权利要求12所述的环保型锰黄铜合金,其特征在于,所述锰黄铜合金中Mg的含量为:0.05~0.15wt%。
14.根据权利要求13所述的环保型锰黄铜合金,其特征在于,所述锰黄铜合金中Mg的含量为:0.07~0.1wt%。
15.根据权利要求1所述的环保型锰黄铜合金,其特征在于,所述锰黄铜合金中Bi的含量为:0~0.25wt%。
16.根据权利要求15所述的环保型锰黄铜合金,其特征在于,所述锰黄铜合金中Bi的含量为:0~0.15wt%。
17.根据权利要求1所述的环保型锰黄铜合金,其特征在于,所述锰黄铜合金中Pb的含量为:0~0.15wt%。
18.根据权利要求17所述的环保型锰黄铜合金,其特征在于,所述锰黄铜合金中Pb的含量为:0~0.1wt%。
19.一种制造权利要求1-18任一项所述的锰黄铜合金的方法,该方法包括:配料、熔炼、浇注合金锭、重熔、砂型铸造或低压铸造,其中所述浇注合金锭的温度为980~1030℃,所述砂型铸造的温度为1000~1030℃,所述低压铸造温度为970~1000℃。
20.一种制造权利要求1-18任一项所述的锰黄铜合金的方法,该方法包括:配料、熔炼、水平连铸圆锭、扒皮、挤压成棒材和加热锻造,其中所述水平连铸的温度为980~1030℃,所述挤压的温度为660~750℃,所述加热锻造的温度为660~750℃。
21.一种制造权利要求1-18任一项所述的锰黄铜合金的方法,该方法包括:配料、熔炼、水平连铸圆锭、扒皮和加热锻造,其中所述水平连铸的温度为980~1030℃,所述加热锻造的温度为660~750℃。
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