CN102828064B

CN102828064B - 一种无铅易切削黄铜合金及其制备方法

Info

Publication number: CN102828064B
Application number: CN201210366783.6A
Authority: CN
Inventors: 黄新民; 吴玉程; 秦永强; 舒霞; 郑玉春; 韩和兵
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: CN102828064A

Abstract

本发明涉及一种无铅易切削黄铜合金。其由下列重量百分比的原料制成：锌26.0～38.0%、铋0.2～3.5%、锰1.0～2.1%、锡0.5～2.0%、镍0.3～2.0%、稀土镧0.1～0.4%、杂质﹤0.1%、铜52.0～71.6%。具体制备方法包括按配方选择称取原料，按顺序放入中频熔炼炉、升温除气、除渣静置、熔炼、浇铸，形变热加工处理。本发明的无铅易切削黄铜合金的显微硬度为130～150HV，抗拉强度大于450MPa，延伸率大于20%；在脱锌腐蚀试验中的脱锌层厚度为150～200μm，远低于铅黄铜合金350～400μm的脱锌层厚度；本发明选择回收的镀镍锡铜板边角料作为原材料，成本低廉，具有节能环保的意义。

Description

一种无铅易切削黄铜合金及其制备方法

技术领域

本发明属于有色金属加工技术领域，具体涉及一种无铅易切削黄铜合金及其制备方法，包括无铅易切削黄铜合金的配方设计以及熔炼、连铸连轧（或连铸连挤）等制备技术工艺。

背景技术

铅黄铜合金拥有极其优良的易切削性能，以及良好的耐蚀性能和加工性能，更为重要的一点是，其价格要比一般的铜合金便宜不少，成本较低，且制作工序简单。因此铅黄铜合金长期以来都是作为最经济实用的合金而被广泛应用在电子电器、家电、饮用水器件、航天航空、机械、汽车、仪表、五金等领域。铅几乎不固溶于黄铜合金中，主要以独立相存在于铜-锌固溶体的晶界处。大量游离的铅质点弥散分布在黄铜合金基体中，且铅质软，在加工过程中产生融化现象，起到了润滑作用，使切屑易碎，工件制品表面光洁。因此铅黄铜合金具有易切削、易加工等优良特性。但是，铅对人体有害。不但废弃的铅黄铜合金元件对土壤和水资源的污染引起人们的广泛关注，其在熔炼、加工过程中，铅蒸汽和粉尘对环境和人体的危害也越来越引起人们的注意。为了避免铅的危害，减少铅的应用，一些无铅易切削黄铜合金已经被开发，并逐步投入商业应用中。但是这些无铅黄铜合金由于局限于一些稀缺资源、生产工艺复杂、成本较高等因素，而未能大规模生产。

发明内容

本发明的技术方案在于克服现有技术之不足，提供一种生产成本低、工艺方法简单、可实现工业化规模生产的无铅易切削黄铜合金及其制备方法。

本发明以回收的镀镍锡铜板边角料（比如：锡青铜合金QSn4-3、QSn6.5-0.1、QSn7-0.2、QSn6.5-0.4，锡黄铜合金HSn62-1、HSn70-1，镍铜合金NCu40-2-1、NCu28-2.5-1.5等）作为原材料，以有效降低成本，同时综合添加锌、铋、锰、稀土元素熔炼浇铸成黄铜合金，并进行热加工，使合金具有优良的机械性能、耐腐蚀性能及切削性能，以取代传统铅黄铜合金。

实现上述目的的技术解决方案如下：

一种无铅易切削黄铜合金由下列重量百分比的原料制成：锌Zn26.0～38.0%、铋Bi0.2～3.5%、锰Mn1.0～2.1%、锡Sn0.5～2.0%、镍Ni0.3～2.0%、稀土镧La0.1～0.4%、杂质﹤0.1%、铜Cu52.0～71.6%。

一种无铅易切削黄铜合金的制备方法，按权利要求1所述配方称取原料放入中频熔炼炉，升温除气、除渣静置，熔炼、浇铸，对所获得铜合金进行形变热加工处理，其主要步骤如下：

第一步：原料选择与称取

在添加锌Zn、铋Bi、锰Mn、稀土镧La时，采用定制的铜-锌中间合金、铜-铋中间合金、铜-锰中间合金和铜-镧中间合金，其中铜-锌中间合金中锌含量56.01%、铜-铋中间合金中铋含量19.91%、铜-锰中间合金中锰含量25.32%、铜-镧中间合金中镧含量24.95%；锡Sn、镍Ni通过回收的镀镍锡铜板边角料作为原材料添加，所述镀镍锡铜板边角料中锡含量为14.10%、镍含量为9.20%；按权利要求1所述配方称取原料；

第二步：熔炼浇铸黄铜合金

熔铸采用高频感应加热炉，首先把铜-锰中间合金、纯铜放入炉内加热至1200℃使其熔化，然后放入鳞片石墨作为覆盖剂用以防止氧化，鳞片石墨的覆盖厚度在1-2厘米，再依次添加铜-镧中间合金、铜-铋中间合金、镀镍锡铜板、铜-锌中间合金（加入时锌会沸腾，有着除气的作用，但需要多加覆盖剂以保证锌不会烧损过多），逐步降低温度至950℃，待全部熔化，保温10分钟，保温温度为900～950℃，保温期间进行搅拌、扒渣，最后浇铸成型；

第三步：形变热处理加工

首先固溶处理，将铸件放入箱式电阻炉中加热至750℃，保温时间0.5-1.5小时；然后热挤压，在63吨液压机上挤成各种规格的棒线材或者简单形状的型材，挤压变形率为30～40%；退火处理：而后，在箱式电阻炉中进行退火处理，以消除合金在熔铸时引起的成分偏析、晶粒粗大等缺陷，温度600℃，保温时间1-2小时，空气冷却。

本发明主要采用多元微合金化的方法提高黄铜合金各种性能，如机械性能、切削性能、耐腐蚀性能等，以达到替代铅黄铜合金的目的。具体为：通过铋元素提高切削性能，锡能够与铋形成化合物弥散分布于晶界处，也能提高切削性能；锰、镍的加入可以提高机械性能及耐腐蚀性能；稀土元素的作用较多，可以起到除气、除杂、细化晶粒、净化晶界等作用。若单独上述各种元素进行强化时，其强化能力较弱，不能得到综合性能优异的黄铜合金，而一起添加时，能起到1+1＞2的性能提升作用。

本发明的有益技术效果是：

1.本发明所制无铅易切削黄铜合金的硬度较高，显微硬度为130～150HV，而普通铅黄铜合金的显微硬度为110～140HV；所制黄铜合金的抗拉强度大于450MPa，延伸率大于20%；

2.本发明所制无铅易切削黄铜合金的切屑形貌、大小与传统铅黄铜合金相似，切削性能优良，在切削性能上可以取代铅黄铜合金；

3.本发明所制无铅易切削黄铜合金的耐蚀性能优于传统铅黄铜合金，在脱锌腐蚀试验中所制合金的脱锌层厚度为150～200μm（脱锌层厚度测试采用ISO6509-1981标准），远低于铅黄铜合金350～400μm的脱锌层厚度；

4.本发明选择回收的镀镍锡铜板边角料作为原材料，成本低廉，具有节能环保的意义，同时本发明实施简单，可以利用现有设备直接投入生产，具有良好的工业化应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1中铸态试样XRD图谱。

图2为本发明实施例1中无铅易切削黄铜合金的SEM图片。

图3为本发明实施例2中无铅易切削黄铜合金的SEM图片。

图4为本发明实施例3中无铅易切削黄铜合金的SEM图片。

图5为本发明实施例1中无铅易切削黄铜合金断口扫描图片。

图6为本发明实施例2中无铅易切削黄铜合金断口扫描图片。

图7为本发明实施例3中无铅易切削黄铜合金断口扫描图片。

图8为本发明实施例1中无铅易切削黄铜合金切屑形貌。

图9为本发明实施例2中无铅易切削黄铜合金切屑形貌。

图10为本发明实施例3中无铅易切削黄铜合金切屑形貌。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作详细介绍：

实施例1：

选择Cu99.9%工业纯铜和定制的铜-锌中间合金、铜-铋中间合金、铜-锰中间合金、铜-镧中间合金，回收的镀镍锡铜板边角料作为原料，其中铜-锌中间合金中锌含量56.01%、铜-铋中间合金中铋含量19.91%、铜-锰中间合金中锰含量25.32%、铜-镧中间合金中镧含量24.95%，镀镍锡铜板中锡含量为14.10%、镍含量为9.20%。按照配方范围重量百分比计算称取原料：25g Cu-Bi中间合金，50g铜-锰中间合金，50g镀镍锡铜板，5gCu-RE中间合金，600gCu-Zn中间合金，420g纯铜。将称取的原料在高频感应加热炉中熔炼，首先把铜-锰中间合金、纯铜放入炉内加热至1200℃使其熔化，然后放入鳞片石墨作为覆盖剂用以防止氧化，鳞片石墨的覆盖层厚度约1.5厘米，而后依次添加铜-镧中间合金、铜-铋中间合金、镀镍锡铜板、铜-锌中间合金，同时逐步降低温度至950℃，待全部熔化后温度保持在900℃并持续10分钟时间，期间进行搅拌、扒渣，继而浇铸成铸锭，铸态试样XRD图谱见图1。而后将铸锭放入SRJX-4-9箱式电阻炉中进行固溶处理，温度750℃，保温时间1小时；将固溶处理后的铸锭与已经预热到800℃的钢制垫板（以使铸锭温度不会降低过快，所使用垫板厚度不小于3厘米）同时放入63吨液压机上进行热挤压，挤成各种规格的板材或者简单形状的型材，变形率为30%。而后，在SRJX-4-9箱式电阻炉中进行退火处理，以消除合金在熔铸时引起的成分偏析、晶粒粗大等缺陷，工艺参数选择为：退火温度600℃，保温时间1小时，空冷。最后去除材料表面氧化皮，得到本发明最终成品黄铜合金的SEM观察结果见图2。

最终得到的本发明易切削黄铜合金成品成分重量百分比为：锌Zn29.1%，铋Bi0.4%，锰Mn1.1%，锡Sn0.6%，镍Ni0.4%，稀土镧La0.1%、杂质﹤0.1%、铜Cu68.2%。

测得其性能为：硬度132HV，抗拉强度470MPa，图5为黄铜合金断口扫描图片，延伸率21%，切削性能为铅黄铜合金HPb59-1的90%，图8为黄铜合金切屑形貌，脱锌层厚度190μm（其中脱锌层厚度测试采用ISO6509-1981标准）。

实施例2：选择Cu99.9%工业纯铜和定制的铜-锌、铜-铋、铜-锰、铜-镧中间合金，还有回收的镀镍锡铜板边角料作为原料，其中铜-锌中间合金中锌含量56.01%、铜-铋中间合金中铋含量19.91%、铜-锰中间合金中锰含量25.32%、铜-镧中间合金中镧含量24.95%，镀镍锡铜板中锡含量为14.10%、镍含量为9.20%。按照配方范围重量百分比计算称取原料：50g Cu-Bi中间合金，75gCu-Mn中间合金，100g镀镍锡铜板，10gCu-RE中间合金，650gCu-Zn中间合金，265g纯铜。将称取的原料在高频感应加热炉中熔炼，首先把铜-锰中间合金、纯铜放入炉内加热至1200℃使其熔化，然后放入鳞片石墨作为覆盖剂用以防止氧化，鳞片石墨的覆盖层厚度约1.5厘米，而后依次添加铜-镧中间合金、铜-铋中间合金、镀镍锡铜板、铜-锌中间合金，同时逐步降低温度至950℃，待全部熔化后温度保持在900℃并持续10分钟时间，期间进行搅拌、扒渣，浇铸成铸锭。而后将铸锭放入SRJX-4-9箱式电阻炉中进行固溶处理，温度750℃，保温时间1小时；将固溶处理后的铸锭与已经预热到800℃的钢制垫板（以使铸锭温度不会降低过快，所使用垫板厚度不小于3厘米）同时放入63吨液压机上进行热挤压，挤成各种规格的板材或者简单形状的型材，变形率为35%。而后，在SRJX-4-9箱式电阻炉中进行退火处理，以消除合金在熔铸时引起的成分偏析、晶粒粗大等缺陷，工艺参数选择为：退火温度600℃，保温时间1.5小时，空冷。最后去除材料表面氧化皮，得到本发明最终成品，图3为黄铜合金的SEM观察结果。

最终得到的本发明易切削黄铜合金成品成分重量百分比为：锌Zn32.8%，铋Bi0.8%，锰Mn1.6%，锡Sn1.0%，镍Ni0.8%，稀土镧La0.2%、杂质﹤0.1%、铜Cu62.7%。

测得其性能为：硬度145HV，抗拉强度468MPa，图6为黄铜合金断口扫描图片，延伸率23%，切削性能为铅黄铜合金HPb59-1的110%，图9为黄铜合金切屑形貌，脱锌层厚度160μm（其中脱锌层厚度测试采用ISO6509-1981标准）。

实施例3：选择Cu99.9%工业纯铜和定制的铜-锌、铜-铋、铜-锰、铜-镧中间合金，还有回收的镀镍锡铜板边角料作为原料，其中铜-锌中间合金中锌含量56.01%、铜-铋中间合金中铋含量19.91%、铜-锰中间合金中锰含量25.32%、铜-镧中间合金中镧含量24.95%，镀镍锡铜板中锡含量为14.10%、镍含量为9.20%。按照配方范围重量百分比计算称取原料：75g Cu-Bi中间合金，100gCu-Mn中间合金，150g镀镍锡铜板，15gCu-RE中间合金，700gCu-Zn中间合金，110g纯铜。将称取的原料在高频感应加热炉中熔炼，首先把铜-锰中间合金、纯铜放入炉内加热至1200℃使其熔化，然后放入鳞片石墨作为覆盖剂用以防止氧化，鳞片石墨的覆盖层厚度约1.5厘米，而后依次添加铜-镧中间合金、铜-铋中间合金、镀镍锡铜板、铜-锌中间合金，同时逐步降低温度至950℃，待全部熔化后温度保持在900℃并持续10分钟时间，期间进行搅拌、扒渣，浇铸成铸锭。而后将铸锭放入SRJX-4-9箱式电阻炉中进行固溶处理，温度750℃，保温时间1小时；将固溶处理后的铸锭与已经预热到800℃的钢制垫板（以使铸锭温度不会降低过快，所使用垫板厚度不小于3厘米）同时放入63吨液压机上进行热挤压，挤成各种规格的板材或者简单形状的型材，变形率为40%。而后，在SRJX-4-9箱式电阻炉中进行退火处理，以消除合金在熔铸时引起的成分偏析、晶粒粗大等缺陷，工艺参数选择为：退火温度600℃，保温时间2小时，空冷。最后去除材料表面氧化皮，得到本发明最终成品，图4为黄铜合金的SEM观察结果。

最终得到的本发明易切削黄铜合金成品成分重量百分比为：锌Zn35.2%，铋Bi1.2%，锰Mn2.1%，锡Sn1.6%，镍Ni1.2%，稀土镧La0.3%、杂质﹤0.1%、铜Cu58.3%。

测得其性能为：硬度140HV，抗拉强度455MPa，图7为黄铜合金断口扫描图，延伸率20%，切削性能为铅黄铜合金HPb59-1的100%，图10为黄铜合金切屑形貌，脱锌层厚度150μm（其中脱锌层厚度测试采用ISO6509-1981标准）。

Claims

1.一种无铅易切削黄铜合金的制备方法，其特征在于：由下列重量百分比的原料制成：锌26.0～38.0%、铋0.2～3.5%、锰1.0～2.1%、锡0.5～2.0%、镍0.3～2.0%、稀土镧0.1～0.4%、杂质﹤0.1%、铜52.0～71.6%；按上述的配方称取原料放入中频熔炼炉，升温除气、除渣静置、熔炼、浇铸，对所获得铜合金进行形变热加工处理；具体操作步骤如下：

（1）原料选择：在添加锌、铋、锰、稀土镧时，采用定制的铜-锌中间合金、铜-铋中间合金、铜-锰中间合金和铜-镧中间合金，其中铜-锌中间合金中锌含量56.01%、铜-铋中间合金中铋含量19.91%、铜-锰中间合金中锰含量25.32%和铜-镧中间合金中镧含量24.95%；锡和镍通过回收的镀镍锡铜板边角料作为原材料添加，所述镀镍锡铜板边角料中锡含量为14.10%、镍含量为9.20%；

（2）熔炼浇铸黄铜合金：熔铸采用高频感应加热炉，首先把铜-锰中间合金、纯铜放入炉内加热至1200℃使其熔化，然后放入鳞片石墨作为覆盖剂用以防止氧化，鳞片石墨的覆盖厚度在1-2厘米，再依次添加所述铜-镧中间合金、铜-铋中间合金、镀镍锡铜板、铜-锌中间合金，降温至950℃，待全部熔化，保温10分钟，保温温度为900～950℃，保温期间进行搅拌、扒渣，最后浇铸成型；

（3）形变热处理加工：首先固溶处理，将铸件放入箱式电阻炉中加热至750℃，保温时间0.5-1.5小时；然后热挤压，挤压变形率为30～40%；退火处理：温度600℃，保温时间1-2小时，空气冷却。