CN103451470A - 一种耐脱锌腐蚀的环保纳米黄铜合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种耐脱锌腐蚀的环保纳米黄铜合金，该合金包括铜、锡、铅、砷、镍、锌、纳米和杂质元素，杂质元素的成份包括铁、硅、硼、磷。采用合金化处理和覆盖剂保护去渣净化的方法熔炼黄铜合金，以分散加料方式在熔炼炉中加入纳米γ-Al2O3，搅拌后倒入水平连铸保温炉，在1085-1135℃温度下，采用熔体搅拌技术使成分均匀和晶粒细化，通过水平牵引方式铸造成黄铜棒坯。在680-740℃加热锻造，500-650℃均匀化退火后，精加工至成品尺寸，在低于380℃温度下消除应力退火。本合金具有优异耐脱锌腐蚀性能、热成型性、机械性能，良好的切削性能，卫生安全，成本低，适于工业化连续生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种高耐脱锌腐蚀、环境友好、加工性能优良和易切削的环保纳米黄铜合金及制造方法，适用于饮用水系统和卫生洁具、管道、铸件、阀门、五金装饰、电子通讯、家用电器及机械制造业中的零部件制造等领域，是一种对环境和人体无害的金属材料。
背景技术
易切削铅黄铜中，细小的颗粒铅呈弥散分布，废弃后铅极易进人土壤，如被焚烧还会进人大气，特别是当铅黄铜用作水龙头、管接头等饮用水管道配件时，铅会浸出而进入水中，严重危害人体健康，因而其应用受到严格限制。铅对人类的危害表现为：损伤大脑中枢及周围神经系统；破坏造血系统，阻碍血红素的合成，导致贫血；影响消化系统的功能等。美国及欧盟《ROHS指令》新标准及法令规定：到2006年，水道的铅溶出标准必须从现在的0.05mg／L降低到0.01mg/L。目前我国的水道铅溶出量远远高于0.05mg/L，一般为0.1mg/L。从环境保护和人身安全方面考虑，使用的黄铜应该为低铅或者无铅的环保易切削铜合金。
近年来，国内外的耐脱锌易切削黄铜，采用添加稀土元素、锑和铝、铋元素，虽然提高了黄铜的机械性能、成型性和耐脱锌腐蚀性能，但是与对材料实际的性能要求相差较大，不能满足人类健康和使用要求。2005年，日本三越金属株式会社申请的发明专利《黄铜》，中国专利号200580001492.5，提供了锻造和耐腐蚀性能较好的无铅黄铜，其特点是含Bi0.5-2.5重量%。然而，此类黄铜在试用过程中，产品容易开裂造成较大的事故，目前已经停止了使用。2008年，中国宁波博威集团申请的发明专利《一种耐脱锌腐蚀的低锑铝黄铜合金及其制造方法》，专利号200810163233.8，提供了一种耐脱锌腐蚀的低锑铝黄铜合金及其制造方法，通过添加微量锑和铝，结合合金精炼-连续铸锭-挤压-拉伸-热处理-酸洗-消除应力退火-成品的工艺流程，工艺流程长，耐脱锌腐蚀性能不佳，生产成本高。
目前已有的材料及制备技术中，存在的主要问题是：铋黄铜在使用过程中，由于经常开裂而产生事故；而耐脱锌腐蚀的低锑铝黄铜合金需要挤压工序使得工艺流程长，成本较高，耐脱锌腐蚀性能也不理想。因此，需要开发一种良好耐脱锌腐蚀、低成本又环保的黄铜合金及其制备方法。
发明内容
本发明提供了一种具有优异的耐脱锌腐蚀性能、对人体和环境无害，适合冷热加工、机械性能良好的耐脱锌腐蚀的环保纳米黄铜合金及其制备方法，制备的环保纳米黄铜合金适合冷热加工成零部件、锻件、铸件等。制备时，通过水平连铸方式铸造棒坯，施加熔体搅拌技术和添加纳米粒子，提高力学性能和耐腐蚀性能；然后，棒坯直接进行热锻造的短流程的制造纳米铜合金。
本发明采用的技术方案如下：
一种耐脱锌腐蚀的环保纳米黄铜合金，其包括铜、锡、铅、砷、镍、锌、纳米γ-Al2O3和杂质元素；各成分比例为：铜61-63wt.%，锡0.50-1.00wt.%，铅0.00-0.10wt.%，砷0.04-0.06wt.%，镍0.20-0.40wt.%，纳米Al2O3：0.01-0.10wt.%，杂质元素低于0.4wt.%，其余为锌。其中，杂质元素的成份包括铁、硅、硼、磷，其最佳比例为：铁0.08-0.10wt.%，硅0.10-0.14wt.%，硼0.006-0.008wt.%，磷0.08-0.10wt.%。
上述的比例是大量科学实验的结果，黄铜中当锌含量大于35wt%时，起到提高黄铜合金的强度和切削性能，但是易造成脱锌，因而需添加一定的元素来提高耐脱锌腐蚀的性能。
本合金中，添加了纳米Al2O3来提高耐脱锌腐蚀性能，当含量低于0.01wt%时，效果不明显，当含量大于0.10wt.%时，耐脱锌腐蚀性能有明显提高，但会增加生产成本，所以纳米Al2O3含量在0.01-0.10wt.%。
锡在本合金中，起到提高耐脱锌腐蚀性能、切削性能和机械性能的作用，当锡含量小于0.50wt.%，固溶强化和耐脱锌效果不明显，当锡含量大于1.00wt.%，会影响本合金的成型性能，并增加成本，故锡含量为0.50-1.00wt.%。
铅在本合金中主要起提高切削性能的作用，但是铅含量大于0.10wt.%，易造成水中铅浸出量超过0.01mg/L的标准，对人体和环境有害，所以铅的含量0.00-0.10wt.%。
砷在本合金中起到提高耐脱锌腐蚀性能，当含量小于0.04wt.%时效果不明显，含量大于0.06wt.%会增大合金应力腐蚀开裂的敏感性，故砷的含量在0.04-0.06wt.%。
镍在本合金中起提高耐脱锌腐蚀性能，细化晶粒，增加合金强度、塑性及抗应力腐蚀能力，当镍含量小于0.20wt.%时强化效果不明显，当含量大于0.40wt.%时会增加成本，因此合理的含量为0.20-0.40wt.%。
本发明制备环保纳米黄铜合金的方法是：按上述的环保纳米黄铜合金的成份比例配制，先在铜锌废料中加入其它合金元素，再加入锌调整各成分比例。以分散加料方式在熔炼炉中加入纳米Al2O3，搅拌后倒入水平连铸保温炉；在1085-1135℃温度下，熔体搅拌使成分均匀，通过水平牵引方式铸造成黄铜铸锭。在680-740℃加热锻造，500-650℃均匀化退火后，精加工至成品尺寸，在低于380℃温度下消除应力退火。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明制备一种耐脱锌腐蚀的环保纳米黄铜合金，横向脱锌层深度小于100μm，环保特点明显。以回收的废料作原料，有利于降低成本和保护环境。采用熔体搅拌的水平连铸技术，各种成分均匀，铸件的性能稳定，成本低，适用于工业化连续生产。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作详细说明。
本发明实施例中耐脱锌腐蚀的环保纳米黄铜合金生产工艺流程如下：
以回收的废旧黄铜冷凝管、白铜管、电线电缆等为原料，采用合金化处理和覆盖剂保护去渣净化的方法熔炼黄铜合金，活化后的纳米γ-Al2O3用铁筒包装，以分散投料方式加入熔炼炉中进行搅拌，采用直读光谱检测元素含量，成分合格后倒入水平连铸保温炉内。在1085-1135℃温度下，采用熔体搅拌技术（如电磁搅拌）使成分均匀和晶粒细化，通过水平牵引方式铸造成直径16mm黄铜棒坯，长度达10m以上。锯切成60-70mm的短坯，在680-740℃加热锻造，500-650℃均匀化退火后，通过车削螺纹及精加工至成品阀门，在低于380℃温度下消除应力退火，得到成品阀门。
合金的具体含量为：铜：62.82wt.%，锡：0.876wt.%，铅：0.066wt.%，砷：0.042wt.%，镍：0.333wt.%，铁：0.100wt.%，纳米γ-Al2O3：0.092wt.%，硅：0.127wt.%，B:0.006wt.%，P:0.080wt.%，锌：35.07wt.%。杂质元素：除铜、镍、铅、砷、锡和锌以外的元素，含量低于0.4wt.%。根据《黄铜耐脱锌腐蚀性能的测定》（GB/T10119-2008）测量脱锌层，在铸造棒坯的横断面测量脱锌层深度三次，分别为60、40、40（μm），平均值46.67μm，耐脱锌腐蚀性能优良。根据《易切削铜合金棒》（GB/T26306-2010）附录A（切削性检测方法）提供的方法，测量相对切削率为76%。
Claims (4)
1.一种耐脱锌腐蚀的环保纳米黄铜合金，其特征在于，该环保纳米黄铜合金包括铜、锡、铅、砷、镍、锌、纳米和杂质元素；其中，铜61-63wt.%，锡0.50-1.00wt.%，铅0.00-0.10wt.%，砷0.04-0.06wt.%，镍0.20-0.40wt.%，纳米：0.01-0.10wt.%，杂质元素低于0.4wt.%，其余为锌；其中，杂质元素的成份包括铁、硅、硼、磷。
2.根据权利要求1所述的环保纳米黄铜合金，其特征在于，所述的杂质元素的比例为：铁0.08-0.10wt.%，硅0.10-0.14wt.%，硼0.006-0.008wt.%，磷0.08-0.10wt.%。
3.根据权利要求1或2所述的环保纳米黄铜合金，其特征在于，所述的纳米成分为Al2O3。
4.一种制备权利1或2所述的环保纳米黄铜合金的方法，其特征在于：按上述的环保纳米黄铜合金的成份比例配制，先在铜锌废料中加入其它合金元素，再加入锌调整各成分比例；以分散加料方式在熔炼炉中加入纳米成分，搅拌后倒入水平连铸保温炉；在1085-1135℃温度下，利用熔体搅拌技术使成分均匀，通过水平牵引方式铸造成黄铜铸锭。在680-740℃加热锻造，500-650℃均匀化退火后，精加工至成品尺寸，在低于380℃温度下消除应力退火。
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