CN101787463B - 一种无铅易切削锌白铜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无铅易切削锌白铜及其制备方法。该锌白铜的重量百分组成为：锌27.0％～44.0％，镍6.0％～25.0％，硅0.05％～2.5％，铈0.03％～0.1％，磷0.03％～1.5％，余量为铜和不可避免的杂质，杂质中铅的含量小于0.01％。制备方法包括熔炼、水平连铸、冷加工及热处理等步骤。本发明的铜合金兼备较高强度σ_b＝700MPa～750MPa和较优异的切削性能，切削性达到铅黄铜C36000的70％以上，可以用热挤压成型和水平连铸成型，冷热压力加工性能优良，是环境友好型新材料，完全能取代铅锌白铜制备各种易切削元器件，可以加工成线、棒、板、带、型、管及铸造等铜合金制品，广泛用于笔头、眼镜配件及仪表零配件等制造行业，是铅锌白铜的理想替代品。

Description

一种无铅易切削锌白铜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种环保无铅易切削锌白铜，尤其涉及一种具有优异的机械性能、切削性能和冷热加工性能优良的易切削锌白铜合金及其制备方法。 

背景技术

铅锌白铜(如德标的Cu43Ni12Zn38Mn5Pb2合金)因其优良的力学性能、切削性能、化学性能，被广泛用于笔头、眼镜配件及仪表零配件等制造行业，铅锌白铜在国内外市场用量都比较大。众所周知，含铅的零部件在生产或使用过程中会造成严重的环境污染，危害人体健康，美国、欧盟等相继出台相关的法律法规对零部件中铅含量进行控制。现在国内外对无铅易切削黄铜的研究较多，并也取得了显著的进步。但对无铅易切削锌白铜的研究较少。国内外很多制笔厂、眼镜厂已经提出无铅的需求，也相继出台了一些法规条例对铅含量进行控制。故研究一种无铅易切削锌白铜迫在眉睫。 

近几年，国内外对无铅易切削锌白铜的研究也取得了一些进展，例如中国专利申请号为200710118018.1的《一种含铋无铅易切削锌白铜合金》，其具有优良的综合机械性能、耐蚀性能、易切削性能，其合金组成为60.0-63.0wt％Cu，17.0-19.0wt％Ni+Co，0.6-1.0wt％Bi，≤0.5wt％Mn，≤0.3wt％Fe，0.03-0.1wt％Ce，余量为Zn和不可避免的杂质，杂质中铅的含量小于≤0.03wt％。，通过半连续水平铸造方法制成棒坯，切定尺后经870-900℃挤压和冷拉拔制成棒(线)材。但该合金添加了铋元素，制作过程中由于铋的成本较高，且世界资源临近枯竭，竞争力不强。而且随着眼镜行业和制笔行业的相关法规条例的出台，要求合金中铅的含量≤0.01wt％，而上述合金的铅含量控制在≤0.03wt％，不满足条例的要求。再如申请号为CN200510061720.X公开的《一种无铅易切削锌白铜合金》，这种材料的组分及其重量百分比含量为：13.5～19.5％Ni、18.0～22.0％Zn、0.12～0.65％Sb、0.03～0.12％P、0.03～0.10％Ce、余量Cu。它具有优良的综合机械性能，耐腐蚀性优异、冷热加工成型性好，易切削，可制成线材、棒材和板材，用于制造仪器仪表、医疗器械、日用品和通讯等领域的精密零件。但该合金含有锑，由于锌白铜在结晶时固-液温度区间较大，加之原子间相互扩散能力较差，同时锑的加入易产生晶界偏聚，降低铜合金的晶界能，使晶界原子结合弱化，易产生强烈的晶界脆化倾向。故在锌白铜中添加锑元素，在防止晶界偏聚产生的脆化现象投入的工艺成本较高， 而且锑的原材料价格相对硅等元素较高，所以合金的整体成本比较高，竞争力不强。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型易切削锌白铜及其制备方法，用硅、磷、铈等元素代替铅、铋、锑等元素，组成新合金，使其切削性能、机械性能与铅锌白铜相当，是铅锌白铜的理想替代品，满足环保要求。 

本发明的目的是通过提供具有如下各列合金成分组成的环保无铅易切削锌白铜而实现的。 

本发明环保无铅易切削锌白铜的重量百分组成为：锌27.0％～44.0％，镍6.0％～25.0％，硅0.05％～2.5％，铈0.03％～0.1％，磷0.03％～1.5％，余量为铜和不可避免的杂质，杂质中铅的含量小于0.01％。 

该锌白铜合金的优选重量百分组成之一为：锌32.0％～44.0％，镍6.0％～18.0％，硅0.05％～2.5％，铈0.03％～0.1％，磷0.03％～1.5％，余量为铜和不可避免的杂质，杂质中铅的含量小于0.01％。 

该锌白铜合金的优选重量百分组成之二为：锌37.0％～42.0％，镍9.0％～13.0％，硅0.1％～0.65％，铈0.03％～0.1％，磷0.03％～0.8％，余量为铜和不可避免的杂质，杂质中铅的含量小于0.01％。 

本发明环保无铅易切削锌白铜的制备方法为：先在1280℃～1350℃温度条件下进行合金熔炼，然后通过水平连续铸造成锌白铜棒坯，铸造温度为1150℃～1230℃，之后进行冷加工和热处理成成品，冷加工率在0～50％之间，热处理为在580℃～700℃温度下处理2.5h～4.5h。另外，还可以根据需要在冷加工之前还进行热挤压处理，挤压温度为750℃～850℃。 

上述环保无铅易切削锌白铜合金为混合的金相组织，其相组成为：以α、β两相为主，和少量细小点状均匀分布的含硅和含磷的金属间化合物的脆化相(见附图3)。 

本发明的环保无铅易切削锌白铜合金是在锌白铜的基础上，调整合金中镍和锌的含量，形成系列的锌白铜合金，同时保证合金为α+β两相的金相组织。当锌含量低于27.0wt％，材料的切削性能较低，当锌含量高于44.0wt％，虽然材料的切削性能较优越，但影响材料的冷加工，材料较脆，易发生开裂，故选择锌的含量范围为：27.0wt％～44.0wt％；当镍含量低于6.0wt％，材料的表面色泽呈淡黄色，色泽不柔和，当镍含量高于25.0wt％，材料强度过高，材料冷加工难度大，故选择镍的含量范围为：6.0wt％～25.0wt％。 

本发明合金添加硅元素，在合金晶内和晶界处形成Ni和Si的新的化合物，并细小点状均匀地分布在基体内，且新的脆化相和基体之间有“空穴”存在(见附图4)，从而提供了断削点，改善合金的切削性能，并且随着合金中硅含量的增加，切削效果越发明 显，而当合金中硅的含量小于0.05wt％，改善切削性能不够明显；而当硅含量高于2.5wt％，合金将变得较脆，影响冷加工性能，故选择硅含量在硅：0.05wt％～2.5wt％之间。 

磷作为辅助元素加入，在合金中晶界处形成含磷的金属间化合物，且随着合金晶粒的细化和晶界相对长度的增加，弥散分布在合金中，形成空穴效应(见附图4)，从而改善合金切削性能，同时添加适量的磷对锌白铜的吸气有较好的抑制作用，而当磷含量低于0.03wt％，其断削效果不明显，而当磷含量高于1.5wt％，合金晶界会聚集大量的磷，产生晶界脆化的倾向，影响冷热加工，故选择磷的含量范围为：0.03wt％～1.5wt％。微量稀土铈的加入，可以细化晶粒，提高材料的塑性、韧性和强度，改善合金的冷热加工性能，还能提高合金的切削性能，故选择铈的范围为：0.03％～0.1％。 

本发明的环保无铅易切削锌白铜合金，可以制备成线材、棒材、型材、管材、带材、板材及铸造铜等铜合金制品，广泛应用于眼镜配件、制笔、钟表等行业。 

本发明的环保无铅易切削锌白铜具有如下优点： 

1、切削性能优良。由于添加了硅、磷、铈等元素，在合金中形成细小点状均匀分布的含硅和含磷的金属间化合物的脆化相，形成断削点，从而改善切削性能，故本发明合金具有较好的切削性能。与切削性能最佳的铅黄铜C36000合金的相对可切削率(作为100％)相比，本发明合金的可切削率大于70％，明显高于普通锌白铜的20％，与Cu43Ni12Zn38Mn5Pb2合金(75％)和申请号为200710118018.1的合金(72％)基本相当。 

2、合金的冷热加工性能和焊接性能优良。由于添加了硅元素，硅能改善合金的热加工性能，添加了稀土铈起到细化晶粒作用，提高了材料性能和组织的均匀性，易于冷热加工成型。同时由于硅能充分改善合金在高温下的流动性和易成型性，对合金的焊接性能有很大的提高。 

3、综合机械性能优越。本发明合金的机械性能与现有的Cu43Ni12Zn38Mn5Pb2合金相当，具体性能对比见表1。 

4、杂质中铅含量控制较低。发明合金中铅的重量百分比小于0.0100％，完全满足眼镜和制笔等行业对铅含量的要求，符合环保标准。 

5、本发明制备方法具有工艺简单、工艺稳定的特点，且适合于制备成线材、棒材、型材、管材、带材、板材及铸造铜等铜合金制品。 

附图说明

图1为Cu43Ni12Zn38Mn5Pb2铅锌白铜合金的车削形貌图，车削进刀量为1毫米。 

图2为本发明合金的车削形貌图，车削进刀量为1毫米。 

图3为本发明合金的500倍金相图片。 

图4为本发明合金的2000倍扫描电镜图片。 

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述： 

本发明的实施例1～实施例16(具体合金成分及性能如表1)采用常规的铜、锌、镍、硅、磷等元素为原料，在工业化规模条件下，通过感应电炉熔化，熔炼温度为1280℃～1350℃，然后进行水平连续铸造成无铅的锌白铜棒坯，铸造温度为1150℃～1230℃，如需进行热挤压，则挤压温度750℃～850℃，之后进行冷加工，冷加工率在0～50％之间，最后热处理，热处理温度为580℃～700℃，热处理时间为2.5h～4.5h，从而制备成所需的不同规格、不同状态的产品。 

本发明无铅易切削锌白铜的工艺路线如下： 

原材料准备——水平连续铸造——(热挤压)——拉伸(冷加工)——热处理——酸洗——拉伸(冷加工)——热处理——检验成品包装。 

各实施例(实施例1～实施例16)中本发明环保无铅易切削锌白铜按表1中的合金成份熔铸、拉伸及热处理，最终得到Φ4.0mm的线坯；对比合金是德国牌号为Cu43Ni12Zn38Mn5Pb2的铅锌白铜、申请号为200710118018.1的合金和美标C36000合金。 

本发明环保无铅易切削锌白铜的各实施例及对比合金的具体成份含量见表1所示。 

力学性能测试样品制备：通常取自上述拉伸过程中各实施例本发明合金和对比合金的Φ4.0mm半硬态(30％加工率)的线坯，按照GB/T228标准进行样品的制备及力学性能检测，在万能试验机上进行，其抗拉强度的检测结果见表1。 

切削试验样品制备：通常在感应电炉进行非真空熔炼，覆盖剂覆盖。按表1成分分别熔炼，将各实施例合金和对比合金，浇铸在金属模具中。浇成上端面直径Φ70mm×下端面直径Φ60mm×高度250mm的铸锭。然后机加工成Φ50×100mm挤压坯，在3150KN立式挤压机上进行热挤压，挤压温度750℃～850℃。然后用拉丝机进行冷拉加工得到Φ9.8mm棒坯。取Φ9.8mm×300mm的坯料，然后采用车床在相同的试验条件下测得各合金的切削力，并由此计算出各合金相对于C36000合金的切削性指数([切削性指数]＝[C36000的切削阻力]/各合金的切削阻力×100％)。实验条件为：切削工具：WC基超硬质合金，切削速度：122m/min，切削深度：0.5mm，进给量：0.087mm/圈，切削状态：干切削。具体试验结果见表1。 

对比图1和图2所示断屑的车削形貌图，可以发现，德标Cu43Ni12Zn38Mn5Pb2 的断屑基本呈块状，本发明合金既有块状，也有小卷状，说明本发明合金的切削性优良，只稍差于德标Cu43Ni12Zn38Mn5Pb2。 

图3是本发明合金实施例12合金的500倍金相照片，从图中可以看出，其组织是以α相(亮色区域)、β相(暗色区域)两相为主，和少量细小点状均匀分布的含硅和含磷的金属间化合物(黑色点状)的脆化相。 

图4是本发明合金实施例13合金的2000倍扫描电镜图片，从图中可以看出在合金晶内和晶界处形成新的化合物(白色点状区域)，并与基体有空隙存在，均匀地分布在合金中，形成“空穴效应”。 

通过上述实施例性能测试证明：与对比合金相比，本发明的铜合金兼备较高机械性能和较优异的切削性能，同时冷热压力加工性能优良。因此，本发明环保无铅易切削锌白铜是环境友好型新材料，符合现代人类进步需求，能取代铅锌白铜制备各种易切削元器件，可以加工成线、棒、板、带、型、管及铸造等铜合金制品，广泛用于笔头、眼镜配件及仪表零配件等制造行业，是铅锌白铜的理想替代品。 

Claims (5)

1.一种无铅易切削锌白铜，其特征在于合金的重量百分组成为：锌27.0％～44.0％，镍6.0％～25.0％，硅0.05％～2.5％，铈0.03％～0.1％，磷0.03％～1.5％，余量为铜和不可避免的杂质，杂质中铅的含量小于合金总重量的0.01％；合金的相组成为：以α、β两相为主，和少量细小点状均匀分布的含硅和含磷的金属间化合物的脆化相。

2.根据权利要求1所述的无铅易切削锌白铜，其特征在于：锌32.0％～44.0％，镍6.0％～18.0％。

3.根据权利要求1所述的无铅易切削锌白铜，其特征在于：锌37.0％～42.0％，镍9.0％～13.0％，硅0.1％～0.65％，磷0.03％～0.8％。

4.一种制备如权利要求1所述的无铅易切削锌白铜的方法，其特征在于：先在1280℃～1350℃温度条件下进行合金熔炼，然后通过水平连续铸造成锌白铜棒坯，铸造温度为1150℃～1230℃，之后进行冷加工和热处理成成品，冷加工率在0～50％之间，热处理为在580℃～700℃温度下处理2.5h～4.5h。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于在冷加工之前还进行了热挤压处理，挤压温度为750℃～850℃。

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