CN104004940B - 无铅易切削抗腐蚀性能良好的锡黄铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无铅易切削抗腐蚀性能良好的锡黄铜合金及其制备方法，该合金的重量百分比组成为：Cu59～62％、Sn0.5～1.0％、Si0.05～0.25％、As0.02～0.10％、0.05％≤P+Sb+Bi<0.2％、B0.002～0.01％，其余为锌及不大于0.4％的不可避免的杂质。本发明通过控制合金材料中的硅与锡以及砷与硼之间的比例，确保合金材料具有优良的切削性能和抗腐蚀性能；同时严格控制杂质含量必须在0.4％以下；制备的无铅易切削抗腐蚀锡黄铜合金能把抗脱锌性能控制在最大脱锌层150μm以下，平均脱锌层100μm以下并且容易切削，切削性能达到80％以上，同时具有高的性价比。

Description

无铅易切削抗腐蚀性能良好的锡黄铜合金及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种无铅易切削、抗腐蚀性能良好(抗脱锌最大点在150μm以下)的锡黄铜合金及其制备方法。

背景技术：

卫浴、阀门行业，由于美国2014年与饮用水接触的管件、阀门等部件，都需要执行美国加州的法律，即材料的含铅量小于0.25％，同时提出抗腐蚀要求，即抗脱锌最大不超过200μm，而美国C46500材料的抗脱锌最大在300μm以上。C69300材料虽能满足抗脱锌要求，但由于铜含量过高，生产成本高，难以接受。因此，如何使抗脱锌能达到最大不超过150μm，抗腐蚀性能好，同时又能改善切削性能的锡黄铜合金成为行业亟待解决的技术问题。

发明内容：

本发明针对现有技术的上述不足，提供一种既具有良好的抗腐蚀，又具有良好的切削加工性能的无铅易切削抗腐蚀性能良好的锡黄铜合金。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种无铅易切削抗腐蚀性能良好的锡黄铜合金，其特征在于，该合金含有以下重量百分比的各组分(该合金的重量百分比组成)：Cu59～62％、Sn0.5～1.0％、Si0.05～0.25％、As0.02～0.10％、0.05％≤P+Sb+Bi<0.2％、B0.002～0.01％，其余为锌及不大于0.4％的不可避免的杂质。

本发明的锡黄铜合金其重量百分比组成优选方案之一是：Cu60～62％、Sn0.5～0.8％、Si0.05～0.20％、As0.03～0.08％、0.06％≤P+Sb+Bi<0.18％、B0.003～0.01％，其余为锌及不大于0.4％的不可避免的杂质。

本发明的锡黄铜合金其重量百分比组成优选方案之二是：Cu61～62％、Sn0.6～0.8％、Si0.10～0.20％、As0.04～0.06％、0.08％≤P+Sb+Bi<0.15％、B0.003～0.008％，其余为锌及不大于0.4％的不可避免的杂质。

本发明上述优选方案二的合金的切削性能比C46500好，与HBi59-2相当，能达到HPb63-3的80％以上(HPb63-3为100％)。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。

上述不可避免的杂质中的铅的重量百分比含量不超过0.2％(此处的0.2％为整个合金中的含量不超过0.2％)，这种程度的铅含量即使溶解在饮用水或排放在水中，对环境和人体都不会带来恶劣的影响。

本发明无铅易切削抗腐蚀性能良好的锡黄铜合金中限定金属元素种类和添加量的原因在于：

锡：锡在材料中的主要作用是抑制脱锌，提高耐腐蚀性，改善切削性能。对于优选方案之二，锡含量低于0.6％，抗脱锌性能不理想，大于0.8％，切削性能变差。所以对于优选方案之二，锡含量的控制范围应在0.6～0.8％。

硅：是为了改善切削性能、热加工性能和抗应力腐蚀性能，并且硅能改善α+β和β黄铜的耐应力腐蚀破裂性能。低于0.1％作用不明显，大于0.2％材料的强度上升，优选范围0.1～0.2％。

砷：为了改善抗腐蚀性能，少量砷可改善材料的加工性能，对力学性能的影响很小，显著提高铜的再结晶温度，砷与锡一起使用，耐腐蚀效果更好。低于0.04％抗脱锌、耐腐蚀效果变差，高于0.06％，会影响材料性能，优选范围0.04～0.06％。

硼：是为了改善抗脱锌能力，含量小于0.002％，效果不明显，超过0.01％效果不会进一步改善。硼在铜中固溶度虽然很小，但也随温度降低而减小，析出的硼也具有改善切削性能的作用。同时硼也能细化材料晶粒，能提高抗应力腐蚀能力。硼与砷一起使用，抗脱锌效果更好。

磷、锑、铋：主要是为了改善材料的流动性、抗脱锌性能、抗应力腐蚀性能和切削性能。磷和硅的同时加入，提高铜熔体的流动性，对材料的切削性能有显著提升。锑、铋的加入对于材料的切削性能有更好的提升，并显著提高材料的抗脱锌及抗应力腐蚀性能。三者用量之和在整个含量材料中的用量优选为0.08～0.15％。(其中铋含量不大于0.1％)

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60.0～62.0％，优选方案二为61.0～62.0％。

本发明上述组分的用量范围或者含量，均为重量百分含量。

本发明还提供一种上述无铅易切削抗腐蚀性能良好的锡黄铜合金的制备方法，制备步骤包括：

(1)按照配方比例将各原料称量后加入到工频感应电炉熔炼，熔炼温度为1030℃～1060℃得到熔融的铜水，采用木炭覆盖，在木炭覆盖前必须把木炭烘干，防止气体的产生；木炭覆盖在铜水液面3-5cm的厚度；变质、清渣净化精炼，精炼温度为1060℃～1100℃，精炼时间15～30分钟；

(2)然后将精炼后的熔融铜水液体进行全连铸成直径163mm的铸锭，然后采用二次水冷(行业常规技术)进行冷却；

(3)将冷却后的铸锭加热至600～660℃，采用1250吨反向挤压机挤(1250吨力反向挤压机，行业常规用词)挤压成直径为18.0mm、剥皮得到直径为17.0mm的棒坯，然后拉伸到直径为15.5mm的棒坯；

(4)将步骤(3)得到的棒坯于400～500℃消除应力及降低脱锌层退火，保温时间4-6小时，随炉冷却，校直后得到最终产品。

上述步骤(1)中的变质、清渣净化精炼采用向合金原料中加入精炼清渣剂(如市售HS-10铜合金精炼除渣剂)来实现，其加入量一般为铜合金的0.2-0.3％。

上述步骤(2)中的

本发明的优点和有益效果：

1.本发明通过控制合金材料中的硅与锡以及砷与硼之间的比例，确保合金材料具有优良的切削性能和抗腐蚀性能；同时严格控制整个合金材料中杂质含量必须在0.4％以下，以免影响材料的综合性能；与现有的C46500锡黄铜相比，本发明无铅易切削抗腐蚀性能良好的锡黄铜合金可以把抗脱锌性能控制在最大脱锌层150μm以下，平均脱锌层100μm以下并且容易切削，切削性能达到80％以上(HPb63-3为100％)，同时具有高的性价比。

2.本发明的无铅易切削抗腐蚀性能良好的锡黄铜合金在原来的C46500材料上通过加入硅、锡、砷、硼、磷、锑、铋等元素提高了材料的切削性能及抗腐蚀性能，基本上与C69300材料相接近，但成本在C69300基础上降低了15％左右。

3.本发明合金具有优异的热成型性能、抗脱锌性能及抗应力腐蚀性能，优良的卫生安全性能及切削性能。创新的关键点：一是解决抗脱锌最大不超过150u，最重要是把能提高抗脱锌能力的元素如何有效的组合，它们含量组合、含量范围、组合效应是关键；二是解决切削性问题难度在于铅必须0.2％以下，Bi不能超过0.1％(含Bi超过0.1％容易引起材料的脆性)这就需要另辟途径，关键在于从合金的金相组织和加入的元素入手，以使合金的切削性达到75％(HPb63-3为100％)；三是通过热处理有效提高材料的抗脱锌能力；四是通过加工工艺来提高材料的抗脱锌能力。

附图说明

图1实施例1样品材料的吃刀深度0.5mm；

图2实施例2样品材料的吃刀深度0.5mm；

图3实施例3样品材料的吃刀深度0.5mm；

图4实施例4样品材料的吃刀深度0.5mm；

图5实施例5样品材料的吃刀深度0.5mm；

图6实施例6样品材料的吃刀深度0.5mm；

图7实施例7样品材料的吃刀深度0.5mm；

图8实施例8样品材料的吃刀深度0.5mm；

图9实施例9样品材料的吃刀深度0.5mm；

图10实施例子1样品材料的脱锌深度；

图11实施例子2样品材料的脱锌深度；

图12实施例子3样品材料的脱锌深度；

图13实施例子4样品材料的脱锌深度；

图14实施例子5样品材料的脱锌深度；

图15实施例子6样品材料的脱锌深度；

图16实施例子7样品材料的脱锌深度；

图17实施例子8样品材料的脱锌深度；

图18实施例子9样品材料的脱锌深度；

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(合金化处理，覆盖保护，变质清渣净化精炼)→全连铸的铸锭(熔炼温度1030℃～1060℃，采用二次水冷技术)→1250吨反向挤压机600～660℃挤压→→剥皮→→拉伸。(350～450℃消除应力退火)。其中配料过程中用的硅、砷、磷、硼用的是Cu-Si、Cu-As、Cu-P、Cu-B中间合金形式加入，各组分最终含量均落入配分含量范围。

对比合金样品(表2)也采用同样的工艺条件加工而成。

本发明无铅易切削抗腐蚀性能良好的锡黄铜材料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/T10567.2-2007《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％)

No	Cu	Sn	Si	As	P+Sb+Bi	B
							1	59.7	0.57	0.16	0.055	0.15	0.002
2	61.5	0.72	0.15	0.050	0.12	0.003
							3	61.53	0.83	0.142	0.049	0.18	0.005
4	61.8	0.70	0.153	0.045	0.13	0.011
							5	62	0.737	0.165	0.02	0.18	0.003

注：上表1中各组分余量为锌和不可避免的杂质；P+Sb+Bi即P、Sb、Bi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对比例合金组分(wt％)

No	Cu	Sn	Si	As	P	Pb	Bi	备注
									6	76	0.2	3.2		0.07	0.09		C69300
7	61	0.8		0.05		0.2		C46500
									8	63					2.8		HPb63-3
9	59.5						1.74	HBi59-2

表3本发明实施例与对比合金性能测试结果

上述各种试验结果证明，本发明的无铅易切削抗腐蚀性能良好的锡黄铜合金与C46500锡黄铜和C69300硅黄铜比较，抗应力腐蚀、耐脱锌性能远优于C46500，与C69300相当。切削性能也比C46500好，与HBi59-2相当，能达到HPb63-3的80％以上。此材料的性价比高，所有性能与C69300相当，但成本比C69300降低了15％左右。所以本发明合金是一种综合性能很好，性价比好的材料，可替代C69300等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 (4)

1.一种无铅易切削抗腐蚀性能良好的锡黄铜合金的制备方法，其特征在于，制备步骤包括：

（1）按照配方比例：Cu59~62%、Sn0.5~1.0%、Si0.05~0.25%、As0.02~0.10%、0.05%≤P+Sb+Bi<0.2%、B0.002~0.01%，其余为锌及不大于0.4%的不可避免的杂质；将各原料称量后加入到工频感应电炉熔炼，熔炼温度为1030℃~1060℃得到熔融的铜水，采用木炭覆盖，在木炭覆盖前必须把木炭烘干，防止气体的产生；木炭覆盖在铜水液面3-5cm厚度；经过变质、清渣净化精炼，精炼温度为1060℃~1100℃，精炼时间15~30分钟；

（2）然后将精炼后的熔融铜水液体进行全连铸成直径163mm的铸锭，然后采用二次水冷进行冷却；

（3）将冷却后的铸锭加热至600～660℃，采用1250吨反向挤压机挤压成直径为18.0mm、剥皮得到直径为17.0mm的棒坯，然后拉伸到直径为15.5mm的棒坯；

（4）将步骤（3）得到的棒坯于400~500℃消除应力及降低脱锌层退火，保温时间4-6小时，随炉冷却，校直后得到最终产品。

2.根据权利要求1所述的无铅易切削抗腐蚀性能良好的锡黄铜合金的制备方法，其特征在于，该合金的重量百分比组成为：Cu60~62%、Sn0.5~0.8%、Si0.05~0.20%、As0.03~0.06%、0.06%≤P+Sb+Bi<0.18%、B0.003~0.01%，其余为锌及不大于0.4%的不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的无铅易切削抗腐蚀性能良好的锡黄铜合金的制备方法，其特征在于，该合金的重量百分比组成为：Cu61~62%、Sn0.6~0.8%、Si0.10~0.20%、As0.04~0.06%、0.08%≤P+Sb+Bi<0.15%、B0.003~0.008%，其余为锌及不大于0.4%的不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的无铅易切削抗腐蚀性能良好的锡黄铜合金的制备方法，其特征在于，所述不可避免的杂质，其中铅的重量百分比含量不大于0.2%。