CN102400010A - 一种无铅易切削磷镁钙黄铜合金 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无铅易切削磷镁钙黄铜合金，该黄铜合金的显微组织主要包括α相、β相及沿晶界、相界及晶粒内弥散分布的第二相颗粒，具体组分及其按重量百分比含量分别为：锌35.0～43.0wt％，磷0.28～2.0wt％，镁0.2～1.8wt％，钙0.1～1.0wt％，锡0.1～0.8wt％，其他微量元素0.002～0.8wt％，余量为铜；所述其他微量元素为铝、硅、硼、钛、铁、锰、混合稀土中的至少一种。本发明成分设计科学合理，制备的磷镁钙黄铜合金具有优良的切削性能、铸造性能、力学性能和耐脱锌腐蚀等性能。特别适用于需切削加工成型的各种零部件，如供水系统用水龙头、阀体等。

Description

一种无铅易切削磷镁钙黄铜合金

技术领域

本发明涉及一种无铅黄铜，特别是涉及一种适用于供水系统及电子电器零部件的无铅易切削磷镁钙黄铜合金。

背景技术

含铅黄铜由于具有一系列优良的特性，已被广泛应用于饮用水工程、电子电讯、玩具及机械制造等众多领域。但这类材料在生产过程中容易发生铅的挥发，在使用过程中容易发生铅的析出，其进入环境后很难被除去，进而不断富集，极易对环境和人体健康造成威胁，世界各国均很重视铅造成的污染和引起的危害，铅黄铜的使用已被相关法律法规限制或禁止。环保型易切削黄铜的研究已成为世界有色金属研究的热点。

近年来，国内外对无铅易切削黄铜进行了大量的研究，主要是以铋、硅、镁、锑或石墨替代铅。以铋代替铅的铋黄铜容易发生铋以薄膜状在晶界偏聚，严重影响了铋黄铜的力学性能，但通过添加微量元素(如锡、磷、稀土等)可改变铋的偏析行为，美国已开发出8种无铅(或低铅)的易切削铋铜合金，日本近年来也申请了多项易切削铋铜合金专利，并开发出NB系列，但由于铋资源有限，使得其价格昂贵，故铋黄铜难以推广应用。以硅代替铅的硅黄铜，其切削性能还有待提高，仅为铅黄铜切削性能的70～80％，并且显现出刀具磨损较大的缺点；另外，硅黄铜的铜含量高，一般在80wt％以上，其价格比黄铜高出很多。以石墨代替铅的石墨黄铜的开发，则由于石墨的强度低，比重小，容易上浮，同时其熔点高，很难采用普通熔铸方法使其熔入黄铜基体中，需要采用离心、搅拌等先进的铸造技术，这使得生产工艺复杂，导致生产成本大幅增加。肖来荣等进行了以锑代铅的研究，并取得了一定的成果，但近年来对于锑是否对人体有害也存在不同看法，他们还进行以镁代替铅的研究，其研制的镁黄铜切削性能达到铅黄铜性能的78.5％，但他们仅仅在黄铜中添加镁来改善切削性能，由于镁黄铜在熔炼过程中容易发生氧化、吸气等，使得单独添加镁来替代铅的镁黄铜的熔炼工艺复杂。

因此，若能选择合适的合金元素来替代铅，同时这些合金元素资源丰富，且对人体和环境无毒，研制出生产工艺简单，成本低廉且切削性能优良的无铅黄铜将会产生重大的经济效益和社会效益。

发明内容

本发明的目的在于克服现有黄铜合金存在的不足之处，特别是铅对环境的污染问题，通过合理选择合金元素来替代铅，并优化成分配比，提供一种不含铅的，并具有优异切削、耐脱锌腐蚀、铸造性能及优良的机械性能的，特别适用于供水系统及电子电器零部件的无铅易切削磷镁钙黄铜合金。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种无铅易切削磷镁钙黄铜合金，其特征在于，该黄铜合金的显微组织主要包括α相、β相及沿晶界、相界及晶粒内弥散分布的第二相颗粒，具体组分及其按重量百分比含量分别为：锌35.0～43.0wt％，磷0.28～2.0wt％，镁0.2～1.8wt％，钙0.1～1.0wt％，锡0.1～0.8wt％，其他微量元素0.002～0.8wt％，余量为铜及总量不大于0.1wt％的不可避免的杂质；所述其他微量元素为铝、硅、硼、钛、铁、锰、混合稀土中的至少一种。

所述黄铜合金组成中铜、锌、磷、镁、钙含量的总和大于95wt％，且其中铜含量小于62wt％。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明无铅易切削磷镁钙黄铜合金具有优异的优异切削、耐脱锌腐蚀、铸造性能及优良的机械性能，特别适用于需切削加工成型的零部件，选择磷、镁和钙三种元素共同来替代铅科学合理，磷、镁和钙对环境和人体无害，同时钙还是营养元素，磷镁钙黄铜可完全达到国际环保标准规范的要求，从而在世界有色金属行业中提供一种环保型易切削黄铜材料。

2、本发明选择添加稀土、铝、硅、硼、钛、铁、锰作为微量元素的作用，一是净化晶界，细化晶粒，使由铜、锌、磷、镁、钙等组成的金属间化合物弥散分布在晶界上，提高了合金的塑性，满足所需要的优异的切削、冷热成型等性能；二是抑制脱锌、增强耐腐蚀性能和抗应力腐蚀开裂性能；三是固溶强化，适当提高合金强度。

3、本发明采用中频感应电炉中进行熔炼，并无需制备或购买铜镁及铜钙中间合金，无需特殊生产设备，因此降低了生产成本；同时含铜量低，磷、镁和钙资源丰富，进而有效地降低了原材料成本，使本发明的无铅易切削磷镁钙黄铜合金具备较强的市场竞争优势。

附图说明

图1为实施例1的切屑整体形貌图；

图2为实施例1的切屑在切削面上的SEM组织图；

图3为实施例1的切屑在断口上的SEM组织图。

具体实施方式

下面通过实施例及其附图对本发明作进一步的说明，本发明实施方式不仅限于此。

实施例1

步骤一：配料

步骤二：熔炼

熔炼主要参数为加锌前铜液温度为1025℃，除气温度为1030℃。

步骤三：铸造

采用砂型铸造进行浇注，铜液出炉温度为1030℃。

实施例1铸件经金属分析仪定量检测分析结果具体组分及其按重量百分比含量分别为：Zn为39.99wt％，P为0.58wt％，Mg为0.29wt％，Ca为0.18wt％，Sn为0.5wt％，RE为0.01wt％，余量为Cu及不可避免的微量杂质。

实施例2

步骤一：配料

步骤二：熔炼

熔炼主要参数为加锌前铜液温度为1050℃，除气温度为1020℃。

步骤三：铸造

采用砂型铸造进行浇注，铜液出炉温度为1030℃。

实施例2铸件经金属分析仪定量检测分析结果具体组分及其按重量百分比含量分别为：Zn为36.97wt％，P为0.28wt％，Mg为1.19wt％，Ca为0.49wt％，Sn为0.3wt％，RE为0.05wt％，Al为0.08wt％，B为0.002wt％，余量为Cu及不可避免的微量杂质。

实施例3

步骤一：配料

步骤二：熔炼

熔炼主要参数为加锌前铜液温度为1080℃，除气温度为1030℃。

步骤三：铸造

采用砂型铸造进行浇注，铜液出炉温度为1030℃。

实施例3铸件经金属分析仪定量检测分析结果具体组分及其按重量百分比含量分别为：Zn为41.98wt％，P为1.75wt％，Mg为0.88wt％，Ca为0.77wt％，Sn为0.8wt％，RE为0.2wt％，Al为0.19wt％，B为0.006wt％，余量为Cu及不可避免的微量杂质。

对上述实施例1-3的无铅易切削磷镁钙黄铜合金进行力学性能、切削性能及耐脱锌腐蚀性能进行检测，检测结果如下：

1.力学性能

合金为铸态，加工试样依据国家相关标准GB/T228-2002《金属拉伸试验方法》进行拉伸试验，结果如表1所示。

表1无铅易切削磷镁钙黄铜合金的室温力学性能

2.切削性能

切削实验在普通卧式车床上进行。切削加工性的概念具有相对性，因而衡量它的标志方法也具有多样性。本试验依据切屑形貌和尺寸初步判断合金切削性能的好坏。

根据车削结果可看出，各实施例试样断屑良好，且切屑表面光亮，其中，实施例1试样的切屑整体形貌图如图1所示，大致成“C”形，切屑短小，在形态和尺寸上，与含铅黄铜HPb59-1的切屑最为相似。故相比之下，磷镁钙黄铜中的实施例1的切削性能最好，接近HPb59-1。

并对实施例1的切屑进行扫描电镜观察，切屑在切削面上的SEM组织图如图2所示，可看出，在切屑的切削面上，有许多孔洞，可能为第二相颗粒在切削过程发生脱落或熔化时产生，而切屑在断口面上的SEM组织图如图3所示，可看出在切屑断面上存在大量的第二相颗粒，这些颗粒，显著改善了磷镁钙黄铜的切削性能。

3.耐脱锌腐蚀性能

脱锌是黄铜的主要破坏形式，研制的无铅磷镁钙黄铜要代替铅黄铜得到广泛应用，也须具有良好的耐脱锌腐蚀性能。因此需要对其进行脱锌腐蚀试验，通过测量脱锌深度来表征磷镁钙黄铜耐腐蚀性能。试样为铸态，按照GB10119-88《黄铜耐脱锌腐蚀性能的测定》进行，试验后取出试样沿纵向切开，抛光剖面后，用金相显微镜测量其腐蚀深度，结果见表3。可看出，各试样脱锌深度，均小于含铅黄铜HPb59-1的脱锌深度。无铅易切削磷镁钙黄铜的耐脱锌腐蚀性能良好。

表3脱锌腐蚀深度结果

Claims (2)

1.一种无铅易切削磷镁钙黄铜合金，其特征在于，该黄铜合金的显微组织主要包括α相、β相及沿晶界、相界及晶粒内弥散分布的第二相颗粒，具体组分及其按重量百分比含量分别为：锌35.0～43.0wt％，磷0.28～2.0wt％，镁0.2～1.8wt％，钙0.1～1.0wt％，锡0.1～0.8wt％，其他微量元素0.002～0.8wt％，余量为铜及总量不大于0.1wt％的不可避免的杂质；所述其他微量元素为铝、硅、硼、钛、铁、锰、混合稀土中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的无铅易切削磷镁钙黄铜合金，其特征在于，该黄铜合金组成中铜、锌、磷、镁、钙含量的总和大于95wt％，且其中铜含量小于62wt％。

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