CN103773994A

CN103773994A - 无铅易切削石墨黄铜及其制备方法

Info

Publication number: CN103773994A
Application number: CN201410020226.8A
Authority: CN
Inventors: 唐建成; 卓海鸥; 薛莹妤; 叶楠
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: Nanchang University
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2034-01-17
Also published as: CN103773994B

Abstract

一种无铅易切削石墨黄铜及其制备方法，成分含量（wt%）为：铜57~61%，铁4.5~18.5%，石墨0.2~0.5%，硅0.1~0.3%，锰＜0.08%，磷＜0.03%，余量为锌；按57~61wt%电解铜，5~20wt%铸铁，余量为电解锌的配比，先将电解铜和铸铁放入中频或工频感应炉中，铸铁放在坩埚底部，木炭做覆盖剂，待全部熔化后降低炉温，加入电解锌，待炉料全部熔化并混匀后，浇铸成棒材，石墨化退火：H₂气氛下800~900℃下保温8~15h。本发明克服了直接使用石墨粉铸造石墨黄铜时石墨偏聚问题，避免了粉末冶金法制备石墨黄铜时孔隙率大的缺点；产品的石墨颗粒呈球状，细小分散，具力学和切削加工性能良好；对环境友好，对人体无害；生产工艺简单，成本低。

Description

无铅易切削石墨黄铜及其制备方法

技术领域

本发明属合金材料及制备领域，特别涉及一种无铅易切削石墨黄铜及其制备方法。

背景技术

含铅黄铜是在黄铜中加入少量的铅（约1~4.5%），从而显著改善了材料的切削性能。又由于其价格低廉，被广泛应用于加工形状复杂的日用品和机械零部件的制造。但铅是一种会对人体和环境都非常有害的元素，特别是随着铅黄铜在民用供水系统阀件中的广泛应用，关于铅所带来的污染和健康问题也日益突显。这引起了许多发达国家的密切关注，美、日、欧等经济发达国家已立法逐步禁止在饮用水管道配件、玩具和家用电器等产品中使用含铅铜合金。为了减少铅对人类健康和环境的危害，发达国家早就开始了无铅易切削黄铜的研究，并取得了不少有意义的研究成果。主要的研究方向为：在黄铜加入类铅元素（铋、锑、碲、硅、磷等）来代替铅，达到改善切削性能的目的。铋黄铜作为在市场上最先替代铅黄铜的无铅铜合金，已占有发达国家很大的市场。美国已开发出8个牌号的以铋代铅的铋黄铜，日本对易切削铋黄铜的研究也取得了一些不错的成果。但由于铋资源非常地稀缺，价格昂贵，导致了铋黄铜的成本增加，也限制了铋黄铜的应用范围。欧洲铜协会认为铋黄铜不能提供与铅黄铜相同的技术优势，因此在工程应用领域不推荐使用铋黄铜。

石墨是一种对环境友好且价格低廉的材料。石墨本身的层状结构在外力作用下基体易滑动，且石墨与铜相互溶解度极小，也不形成任何碳化物，因此石墨会以质点的形式独立分布在晶界处，使铜的晶界不连续，在切削时易造成应力集中，切屑易断裂，改善合金的切削性能。同时由于石墨的润滑效果，在切削过程中可以减小刀具和材料间的切削力，减少刀具磨损。目前石墨黄铜的主要制备方法有铸造和粉末冶金，但这两种方法所得材料中石墨颗粒的尺寸都比较大。除此之外，石墨跟铜的比重差较大，铸造时石墨易上浮，造成石墨颗粒分布不均匀；由于石墨跟铜基体的润湿性很差，使用粉末冶金方法制得材料的孔隙率很高，特别是石墨含量较大时。这些因素将会大大降低石墨黄铜的机械加工性能。正是由于石墨黄铜的低成本，对环境无害，在性能上提供与铅黄铜相当的优势等优点，开发一种方法来制备石墨黄铜意义重大。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种新型无铅易切削石墨黄铜及制备方法，以克服铜和碳的润湿性很差、相互溶解度很小、碳在铜中扩散系数极低等因素给石墨黄铜的制备带来的困难。

本发明采用的技术方案如下。

一种无铅易切削石墨黄铜，其成分含量（wt%）为：铜(Cu)57~61%，铁(Fe)4.5~18.5%，石墨(C)0.2~0.5%，硅(Si) 0.1~0.3%，锰(Mn)＜0.08%，磷(P) ＜0.03%，余量为锌(Zn)。

本发明以铸铁中的碳代替石墨，用铸造的方法先制备出含铁碳合金相的黄铜铸锭，然后采用石墨化退火工艺制得石墨黄铜材料。

本发明所述的无铅易切削石墨黄铜的制备方法如下：按57~61wt%电解铜，5~20wt%铸铁，余量为电解锌的配比，首先将电解铜和铸铁放入中频或工频感应炉中，铸铁放在坩埚底部，用木炭做覆盖剂，待全部熔化后降低炉温，加入电解锌，待炉料全部熔化并混合均匀后，出炉浇铸成棒材，进行石墨化退火，使黄铜中的铁碳合金相分解为球状石墨颗粒，退火工艺为H₂气氛下800~900℃下保温8~15h。

本发明所述的铸铁优选灰铸铁。

本发明方法的优点有。

(1) 克服了直接使用石墨粉铸造石墨黄铜时石墨偏聚的问题，避免了粉末冶金法制备石墨黄铜时孔隙率大的缺点。

(2) 本发明制备的石墨黄铜，石墨颗粒呈球状，细小分散，具有良好的力学性能和切削加工性能。

(3) 无铅石墨黄铜对环境友好，对人体无害。

(4) 相对于铋黄铜，石墨黄铜的成本更低；生产工艺简单、适合规模化工业生产。

本发明制备的环境友好型无铅易切削石墨黄铜具有优良的力学性能和切削加工性能，可应用于电子器件、水暖卫浴，结构材料等。

附图说明

图1是实施例1制备的无铅易切削石墨黄铜的金相照片。

图2为实施例2制备的无铅易切削石墨黄铜的金相照片。

图3为实施例3制备的无铅易切削石墨黄铜的金相照片。

具体实施方式

本发明将通过以下实施例作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。

本发明实施例中所用的铸铁为HT100普通灰铸铁，其成分含量为碳(C) 3.2~3.8%，硅(Si) 2.1~2.7%，锰(Mn) 0.5~0.8%，磷(P)＜0.3，硫(S)＜0.15%。

实施例1。

原料：电解铜60wt%，灰铸铁5%，余量为锌。首先将铜和铸铁熔化，然后降低炉温加入锌块，待炉料全部熔化后，出炉浇铸成棒状。去除铜棒冒口和表面缺陷后，在900 ℃下退火10h，得到无铅易切削石墨黄铜，各成分质量分数为：铜(Cu)59~61wt%，铁(Fe)4.5%，石墨(C)0.2%，硅(Si) 0.1%，锰(Mn)＜0.03%，磷(P) ＜0.01%，余量为锌(Zn)。分别测试合金的力学性能和切削性能，工程上通常以HPb63-3铅黄铜的切削性能为100%，其它合金与之对比作为评价合金切削加工性能的标准。该成分黄铜的维氏硬度为93HV，抗拉强度为320~350MPa，切削性能为75%。

实施例2。

原料：电解铜60wt%，灰铸铁10%，余量为锌。首先将铜和铸铁熔化，然后降低炉温加入锌块，待炉料全部熔化后，出炉浇铸成棒状。去除铜棒冒口和表面缺陷后，在900℃下退火10h，得到无铅易切削石墨黄铜，各成分质量分数为：铜(Cu)59~61wt%，铁(Fe)9.2%，石墨(C)0.45%，硅(Si) 0.21%，锰(Mn)＜0.05%，磷(P) ＜0.03%，余量为锌(Zn)。分别测试合金的力学性能和切削性能，工程上通常以HPb63-3铅黄铜的切削性能为100%，其它合金与之对比作为评价合金切削加工性能的标准。该成分黄铜的维氏硬度为118HV，抗拉强度为370~390MPa，切削性能为80%。

实施例3。

原料：电解铜60wt%，灰铸铁20%，余量为锌。首先将铜和铸铁熔化，然后降低炉温加入锌块，待炉料全部熔化后，出炉浇铸成棒状。去除铜棒冒口和表面缺陷后，在900℃下退火10h，得到无铅易切削石墨黄铜，各成分质量分数为：铜(Cu)59~61wt%，铁(Fe)18%，石墨(C)1%，硅(Si) 0.4%，锰(Mn)＜0.09%，磷(P) ＜0.05%，余量为锌(Zn)。分别测试合金的力学性能和切削性能，工程上通常以HPb63-3铅黄铜的切削性能为100%，其它合金与之对比作为评价合金切削加工性能的标准。该成分黄铜的维氏硬度为145HV，抗拉强度为420~470MPa，切削性能为73%。

Claims

1.一种无铅易切削石墨黄铜，其特征是成分含量（wt%）为：铜57~61%，铁4.5~18.5%，石墨0.2~0.5%，硅 0.1~0.3%，锰＜0.08%，磷＜0.03%，余量为锌。

2.权利要求1所述的无铅易切削石墨黄铜的制备方法，其特征是按57~61wt%电解铜，5~20wt%铸铁，余量为电解锌的配比，首先将电解铜和铸铁放入中频或工频感应炉中，铸铁放在坩埚底部，用木炭做覆盖剂，待全部熔化后降低炉温，加入电解锌，待炉料全部熔化并混合均匀后，浇铸成棒材，进行石墨化退火，退火工艺为H₂气氛下800~900℃下保温8~15h。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是所述的铸铁为灰铸铁。