CN102071336A - 无铅易切削耐腐蚀硅铋黄铜合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无铅易切削耐腐蚀硅铋黄铜合金，该合金由以下重量百分比的各组分组成：该合金由以下重量百分比的各组分组成：Cu 60.0％～65.0％，Si 0.6％～1.8％，Bi 0.2％～1.5％，Al 0.02％～0.5％，Ni+Mn+Sn＜1.5％，镧铈合金0.01％～0.5％，B 0.002％～0.02％，其余为锌及总量不大于0.5％的杂质。本发明的合金具有良好的切削性能，冷、热加工性能，力学性能，又有很好的抗脱锌性能及抗应力腐蚀性能，性价比高，可广泛替代铅黄铜、铋黄铜、硅黄铜用于水暖、卫浴、阀门以及各种结构件行业，且本合金材料含铅低于0.01％，固此不会对环境和人体健康产生危害。

Description

无铅易切削耐腐蚀硅铋黄铜合金

技术领域：

本发明涉及合金材料技术领域，具体涉及一种无铅易切削耐腐蚀硅铋黄铜合金。

背景技术：

铅黄铜因其具有良好的耐蚀性、切削性能和冷热成型性能，而一度被广泛的应用于卫浴、水暖、阀门等行业。但是由于铅在黄铜中很容易溶出而污染水源、土壤、大气等，这种溶出的铅极易对人体或其他生物产生危害，因此，开发无铅黄铜作为替代品已经成为行业内发展的必然趋势。

目前，我国市场上替代铅黄铜的无铅环保黄铜使用量相对较多的主要有铋黄铜和硅黄铜。铋黄铜的切削性能比较接近铅黄铜，但铋黄铜却存在明显的缺点，即对应力腐蚀有很高的敏感性，这是由于在凝固过程中铋质点的扩张在合金中形成很高的残余应力而造成的；另一方面无铅铋黄铜焊接性能差，因此给零部件加工带来难度，这是因为铋黄铜在300～450℃(中温)之间有很严重的热脆现象，这样在这一温度段的焊接头很容易开裂，其可靠性很值得怀疑；同时无铅铋黄铜在金属切削加工时，如果冷却不好也容易产生热裂，所以铋黄铜很难获得广泛的推广和使用。

作为铅黄铜另一种替代品的硅黄铜，其优点是热加工性能好，可焊性好，也有优良的抗脱锌性能和抗应力腐蚀性能。但切削性能与铋黄铜相差较多，冷加工效率低，由于硅含量高，刀具易磨损导致刀具寿命短，很难适应高速车床车削；而且，该无铅硅黄铜，其中的铜添加量较高，一般达73～77％左右，甚至更高至79～83％，因此，原料成本也比铋黄铜高得多。

发明内容：

本发明针对现有现有技术的上述不足，提供一种中温焊接不易开裂、切削性佳，保留了硅黄铜优良的热加工性能和良好的抗脱锌性能与抗应力腐蚀的性能，且成本低的无铅易切削耐腐蚀硅铋黄铜合金。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种无铅易切削耐腐蚀硅铋黄铜合金，该合金由以下重量百分比的各组分组成：Cu 60.0％～65.0％，Si 0.6％～1.8％，Bi0.2％～1.5％，Al 0.02％～0.5％，Ni+Mn+Sn＜1.5％，镧铈合金0.01％～0.5％，B 0.002％～0.02％，其余为锌及总量不大于0.5％的杂质(上述各组分含量均为占合金总量中的重量百分比)。

作为优选方案之一，本发明的无铅易切削耐腐蚀硅铋黄铜合金，该合金由以下重量百分比的各组分组成：Cu 61.0％～64.0％、Si 0.8％～1.4％、Bi 0.25％～0.6％、Al 0.04％～0.25％、Ni+Mn+Sn＜1.0％、镧铈合金0.02～0.3％、B 0.002％～0.012％，其余为锌及总量不大于0.5％的杂质。

作为上述优选方案一的进一步优选，本发明的无铅易切削耐腐蚀硅铋黄铜合金，该合金由以下重量百分比的各组分组成：Cu 62.0％～64.0％、Si 0.9％～1.3％、Bi 0.25％～0.45％、Al 0.05％～0.2％、Ni+Mn+Sn＜0.9％、镧铈合金0.025％～0.2％、B 0.003％～0.01％，其余为锌及总量不大于0.5％的杂质。

本发明上述优选方案一的合金的切削性能与铋黄铜相当，可以进行冷、热压力加工。强度、硬度比铅黄铜、铋黄铜高，与硅黄铜相接近。抗脱锌性能优于铅黄铜、铋黄铜，与硅黄铜相当。对氨熏试验不敏感。本组分的合金在300～400℃中温50％变形不发生脆裂。

作为优选方案之二，本发明的无铅易切削耐腐蚀硅铋黄铜合金，该合金由以下重量百分比的各组分组成：Cu 60.5％～63.5％、Si 0.6％～1.5％、Bi 0.5％～1.2％、Al 0.04％～0.25％、Ni+Mn+Sn＜1.2％、镧铈合金0.02％～0.25％、B 0.002％～0.012％，其余为锌及总量不大于0.5％的杂质。

作为上述优选方案二的进一步优选，本发明的无铅易切削耐腐蚀硅铋黄铜合金，该合金由以下重量百分比的各组分组成：Cu 61.0％～63.0％、Si 0.6％～1.2％、Bi 0.6％～1.0％、Al 0.05％～0.2％、Ni+Mn+Sn＜0.9％、镧铈合金0.025％～0.2％、B 0.003％～0.01％，其余为锌及总量不大于0.5％的杂质。

本发明上述优选方案二的合金的切削性能与HPb59-1和C3771相同，可进行冷、热压力加工。强度、硬度比铅黄铜、铋黄铜高，比硅黄铜低。抗脱锌性能优于铅黄铜、铋黄铜，与硅黄铜相当。对氨熏试验不敏感。

上述含量不大于0.5％的杂质中铅含量小于0.01％，这种程度的铅含量即使溶解在饮用水中或排放在水中，对环境和人体都不会带来恶劣的影响。

上述镧铈合金中的铈含量为40％即反过来说镧含量为60％(均为重量百分比)。

本发明无铅易切削耐腐蚀硅铋黄铜合金中限定金属元素种类和添加量的原因在于：

Si：是为了改善切削性、热加工性能和抗应力腐蚀性能加入的。硅能有效防止材料的应力腐蚀开裂的倾向。对于优选方案之一，Si含量低于0.9％，切削性能改善不明显，大于1.3％材料塑性变差，中温变形要开裂。所以对于优选方案之一的硅含量控制范围应在0.9～1.3％。对于优选方案之二，Si含量低于0.6％对材料的切削性，热加工性能改善不理想，大于1.2％，影响材料的塑性性能。所以对于优选方案之二，Si含量的控制范围应在0.6～1.2％。

Bi：主要是为了改善切削性能而加入的。对于优选方案之一，Bi含量低于0.25％切削性能改善不明显，大于0.45％热脆性明显，优选范围为0.25～0.45％。对于优选方案之二，Bi含量低于0.6％切削性能改善不明显，大于1.0％对切削性的进一步改善作用不明显，且成本增高，优选范围为0.6～1.0％。

Al：为改善材料的抗腐蚀性能和热加工性能加入的，低于0.05％作用不明显，大于0.2％材料塑性变差。优选范围为0.05～0.2％。

镧铈合金：主要是细化晶粒和改善材料的抗腐蚀性能，同时也能改善材料的中温性能。含量低于0.025％作用不明显，大于0.2％会影响材料铸造性能。优选范围为0.025～0.2％。

B：是为了改善材料的抗脱锌能力的，含量小于0.002％，效果不明显，超过0.01％效果不会就一步改善。B与Sn、Al一起使用，抗脱锌效果更好。同时B也能细化材料晶粒，能提高抗应力腐蚀能力。

锰、镍、锡：主要是为了改善材料的耐脱锌能力和改善材料的抗应力腐蚀能力。硅和锰能改善α+β和β黄铜的耐应力腐蚀破裂性能。镍、锡加入可提高材料的抗脱锌能力。三者用量之和在整个合金材料中的用量优选为0.2～0.9％。

铜：铜含量高，α相多，材料抗腐蚀性、塑性较好，但成本趋高，铜含量过低塑性变差，优选范围：优选方案一为62.0～64.0％，优选方案二为61.0～63.0％。

本发明上述组分的用量范围或者含量，均为重量百分含量。

本发明的优点和有益效果：

1.本发明的合金材料的铜、硅、铋、锰、镍、锡、铅及镧铈合金通过选择最适当的添加量以得到累积效果。确保合金材料有优良的切削性能，抗腐蚀性能，冷热加工性能和力学性能。与现有的铋黄铜、铅黄铜、硅黄铜相比是一种综合性能较好的环保型易切削材料。

2.本发明的合金材料与现有技术相比，除了有较好性价比外，它有铋黄铜和硅黄铜的优点，而相对而言又克服了他们的缺点。如，本发明的合金材料具有中温焊接不开裂、切削性能好，应力腐蚀能力好，且具有良好的热加工性能和良好的抗脱锌性能，并且，其中的铜含量远远低于传统硅黄铜中的铜含量，大大降低了成本，提高了性价比。因此，本发明的合金比铋黄铜、硅黄铜更适宜用于水暖、卫浴、阀门以及其他需用结构件的行业。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述，但本发明不仅仅局限于实施例：

本发明实施例合金样品制备方法为：

配料→工频感应电炉熔炼→全连铸φ103mm的铸锭→热挤压600～660℃→φ18.0→剥皮→φ17.0→拉伸φ15.5；其流程与常规的黄铜合金生产工艺大致相同，在此不再赘述。其中配料过程中用的硅、镍、锰是以Cu-Ni、Cu-Mn、Cu-Si中间合金形式加入，各组分最终含量均落入配方含量范围。

对比样品(表2)也采用同样的工艺条件加工而成。

本发明无铅易切削耐腐蚀硅铋黄铜合金的各实施例具体成分含量见表1；

对比例合金材料的具体成分含量见表2；

表3，对实施例进行了脱锌腐蚀试验，脱锌腐蚀试验根据中国国家标准GB/T10119-2008《黄铜耐脱锌腐蚀性能的测定》进行，试验样和对比样平行条件进行。

表3，对实施例进行了氨熏试验。对加工率为16.8％的样品进抗应力腐蚀性能测试，并放大十倍观察样品表面有无裂纹。氨熏试验的依据为GB/T 10567.2-2007《铜及铜合金加工材残留应力检验方法氨熏试验法》，我们对实施例进行了氨水试验法ρ(0.9g/lm)。试验样和对比样平行条件进行。

表3，对实施例进行的中温变形试验，是把样品制成φ32mm的外径，内径为φ27.6mm，园管壁厚为2.2mm，管长50mm，在马弗炉内加热至350～400℃，保温一小时，拿出后，立即压扁，变形50％，看样品是否破裂。试验样和对比样平行条件进行。

表3，对实施例进行切削性能的评价为一般铜合金的切削性能试验方法，即用切屑形态试验方法进行。主轴转速为1000rpm/min，进给量为0.16mm/rer，吃刀深度为0.5mm，其中“优”表示切削性能很好，“良”表示良好，“差”表示切削性能差。

表1本发明实施例合金组分(wt％)

注：上表1中各组分余量为锌和不可避免的杂质；Mn+Ni+Sn即Mn、Ni和Sn三者之间用量为任意比，但三者用量之和落入到本发明保护范围之内。

表2对比例合金材料

No	Cu	Pb	Si	Bi	Al	Fe	P	备注
									20	57.78	1.66			0.022	0.195		C3771
21	60.73	2.21				0.193		C3601
									22	59.5			1.74	0.042		0.034	HBi59-2
23	80.71		3.82			0.092	0.03	C69400
									24	75.23		2.83			0.05	0.075	C69300

表3本发明实施例1与对比例2合金性能测试结果

上述各种试验结果证明，本发明的无铅易切削耐腐蚀硅铋黄铜的切削性能与于铅黄铜与铋黄铜相当但远优于硅黄铜，抗应力腐蚀、耐脱锌性能远优于铅黄铜、铋黄铜与硅黄铜相当。热加工性能、铸造性能优于铅黄铜、铋黄铜，与硅黄铜相当。铅黄铜与铋黄铜中温焊接易产生开裂，硅铋黄铜把铋含量控制在适当范围，可进行中温焊接。所以本发明材料是一种综合性能很好，性价比好的材料可替代铅黄铜、铋黄铜、硅黄铜广泛使用于水暖、卫浴、阀门以及其他各种结构件的行业。

Claims (8)

1.一种无铅易切削耐腐蚀硅铋黄铜合金，其特征在于：该合金由以下重量百分比的各组分组成：Cu 60.0％～65.0％，Si 0.6％～1.8％，Bi 0.2％～1.5％，Al 0.02％～0.5％，Ni+Mn+Sn＜1.5％，镧铈合金0.01％～0.5％，B 0.002％～0.02％，其余为锌及总量不大于0.5％的杂质。

2.根据权利要求1所述的无铅易切削耐腐蚀硅铋黄铜合金，其特征在于：该合金由以下重量百分比的各组分组成：Cu 61.0％～64.0％、Si 0.8％～1.4％、Bi 0.25％～0.6％、Al 0.04％～0.25％、Ni+Mn+Sn＜1.0％、镧铈合金0.02～0.3％、B 0.002％～0.012％，其余为锌及总量不大于0.5％的杂质。

3.根据权利要求2所述的无铅易切削耐腐蚀硅铋黄铜合金，其特征在于：该合金由以下重量百分比的各组分组成：Cu 62.0％～64.0％、Si 0.9％～1.3％、Bi 0.25％～0.45％、Al 0.05％～0.2％、Ni+Mn+Sn＜0.9％、镧铈合金0.025％～0.2％、B 0.003％～0.01％，其余为锌及总量不大于0.5％的杂质。

4.根据权利要求1所述的无铅易切削耐腐蚀硅铋黄铜合金，其特征在于：该合金由以下重量百分比的各组分组成：Cu 60.5％～63.5％、Si 0.6％～1.5％、Bi 0.5％～1.2％、Al 0.04％～0.25％、Ni+Mn+Sn＜1.2％、镧铈合金0.02％～0.25％、B 0.002％～0.012％，其余为锌及总量不大于0.5％的杂质。

5.根据权利要求4所述的无铅易切削耐腐蚀硅铋黄铜合金，其特征在于：该合金由以下重量百分比的各组分组成：Cu 61.0％～63.0％、Si 0.6％～1.2％、Bi 0.6％～1.0％、Al 0.05％～0.2％、Ni+Mn+Sn＜0.9％、镧铈合金0.025％～0.2％、B 0.003％～0.01％，其余为锌及总量不大于0.5％的杂质。

6.根据权利要求1～5中任一权利要求所述的无铅易切削耐腐蚀硅铋黄铜合金，其特征在于：所述总量不大于0.5％的杂质中铅含量小于0.01％。

7.根据权利要求6所述的无铅易切削耐腐蚀硅铋黄铜合金，其特征在于：所述的镧铈合金中铈含量为40％。

8.根据权利要求6所述的无铅易切削耐腐蚀硅铋黄铜合金，其特征在于：所述的Ni+Mn+Sn即Ni、Mn和Sn三者用量之和为0.2～0.9％。