CN104087781B - 一种无铋低铅黄铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无铋低铅黄铜合金，由如下成分组成：铜57.0‑59.0%，不高于0.02%的镍，不高于0.3%的铁，不高于0.05%的铝，不高于0.20%的铅，不高于0.3%的锡，不高于0.2%的杂质，余量为锌。本发明公开的无铋低铅黄铜合金通过调节微量元素比例，提高了铜合金综合性能，减少了污染。

Description

一种无铋低铅黄铜合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种合金，尤其涉及一种无铋低铅黄铜合金，属于化学材料领域。

背景技术

黄铜具有较好的机械性能、良好的耐腐蚀性和较低的应用成本，应用范围广泛。为了改善黄铜的切削性能和锻造性能，长期以来人们一直向黄铜中加入铅从而形成了铅黄铜。

铅作为一种有害元素，在对环境造成了极大污染的同时，对人体健康也有很大危害：铅黄铜中的铅是一种重金属元素，对人体血液和神经系统特别是儿童的肾和脑神经会造成无法估量的损伤。所以近年来，世界各国都在努力寻找一种既不影响加工性能又能改变铅元素对环境以及人体伤害的无铋低铅黄铜合金材料。

在本发明申请人的早期研发工作中，曾发明了一种性能优异的无铋低铅黄铜合金材料，多方面改善了无铋低铅黄铜合金的性能，但是使用了Bi、Se、As等成分，制造成本较高，不易大规模生产使用；同时由于使用了Bi等材料，影响了产品的红冲性能和焊接性能，产品的综合性能和普遍适用性较差；同时As的存在也会对环境造成一定的污染。

发明内容

本发明公开了一种无铋低铅黄铜合金，通过对微量元素的含量调整搭配，在不影响无铋低铅黄铜合金材料的切削性能、耐应力腐蚀性能的基础上有效减小铅元素对环境的污染以及人体的伤害，同时不需要使用Bi，比普通的无铅黄铜成本更低，克服了含铋黄铜在熔炼过程中容易出现产品成分偏析，以及在锻造中易产生二次氧化影响铸锭内部重量等缺陷；同时，本发明的无铋低铅黄铜合金还改善了产品的切削性，与此同时本发明的无铋低铅黄铜合金不需要使用As元素，虽然砷元素的缺少会影响抗脱锌性能，但是通过其它微量元素的搭配，依旧保持良好的综合性能。

为实现上述目的，本发明是通过下述技术方案实现的：

一种无铋低铅黄铜合金，由下列组分组成，以质量百分比计：铜57.0-59.0%，不高于0.02%的镍，不高于0.3%的铁，不高于0.05%的铝，不高于0.20%的铅，不高于0.3%的锡，不高于0.2%的杂质，余量为锌。

其中，优选的，铜的含量为57.5-58.5%。

在上述基础上，优选的，锡的含量为0.20-0.30%，铁的含量为0.10-0.30%。

本发明的无铋低铅黄铜合金，通过使用铁，钛，镍，铝，锡等微量元素的复合作用，最大程度降低了铅元素的含量，并且在保证产品综合性能（切削性能、耐应力腐蚀性能、抗脱锌性能、红冲和焊接性能）的基础上避开了BI、Se、Sb等高成分金属元素的使用，避开了As砷元素的使用，减少污染。

在本发明中，上述所用的不高于是指控制所述成分的量是指小于或等于所给数值。本领域技术人员可以理解，尽管可以尽可能减小杂质和铅的含量，但是考虑到成本需要和技术难度，通常还是会含有一定量的铅和杂质，可以理解，随着技术的发展，可以更有效地降低这些成分的含量。

在上述基础上，本发明公开无铋低铅黄铜合金的制备方法，包括下述步骤：采用合金化处理和覆盖保护法熔炼黄铜，投料，使铁、镍等在黄铜熔液中快速固溶为中间化合物，并均匀分布于晶内和晶界。

与其他类型的黄铜合金加工工艺类似，上述过程通常是在中频有芯感应电炉中进行。

相应的，在上述处理完成后，还包括后续工艺处理步骤，即还包括将中间化合物铸造成铸锭、挤压，中间热处理、消除应力的退火的步骤。

本领域技术人员可以根据需要选择合适的温度条件和时间，优选的，在1040℃下连续铸造成铸锭，在680~760℃温度下进行大挤压比挤压，中间热处理按冷加工的条件在500~700℃温度下进行，在低于400℃的温度下可进行消除应力的退火。

在最优选情况下，本发明的无铋低铅黄铜合金是通过下述工艺制备的：

在中频有芯感应电炉中，先加入铜锭和覆盖剂冰晶石，采用合金化处理和覆盖保护法熔炼铜锌合金黄铜，在铜熔体中，按一定成分配比投料，使铁、镍等在黄铜熔液中快速固溶为中间化合物，并使金属Fe、Ni等均匀分布于晶内和晶界，在1040℃下连续铸造成铸锭，在680~760℃温度下进行大挤压比挤压，中间热处理按冷加工的条件在500~700℃温度下进行，在低于400℃的温度下进行消除应力的退火。

上述所述的一定的成分比例，与本发明无铋低铅黄铜合金组成比例相匹配。

在上述制备方法中，铸锭的大小并不受到限制，可以根据实际需要选择；在制备过程中为了防止材料氧化，优选的在真空环境或者惰性气体保护的环境中进行；熔炼、浇注、热挤压、冷加工等的时间不受到特别限制，根据生产的需要可以调整；挤压比可以根据需要进行选择，优选的采用较高的挤压比，例如10-20，热挤压的方法采用本领域任何可用的方法，不受到限制。

与现有的黄铜合金相比，本发明的无铋低铅黄铜合金具有下述技术优势：

1. 最大限度降低了铅的用量，降低了环境的危害和对身体的损害；避免了使用As砷元素，减少了砷对环境的污染；

2. 通过多种微量元素组合，保持了原有的切削性能，优良的耐应力腐蚀性能；

3. 流动性好，具有良好的锻造性能；改善了无铅铋黄铜的红冲和焊接性能，并克服了无铅铋黄铜容易偏析和二次氧化的缺陷；

4. 不需要使用BI、Se、Sb等元素，降低了生产应用成本；

5. 加工工艺简单，可以在现有的铅黄铜设备上制备，便于大规模生产应用。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进行进一步的说明。

本发明的无铋低铅黄铜合金制备的流程是：原材料准备-合金化处理和覆盖保护熔炼-连续铸锭-挤压-热处理-拉伸-消除应力的退火-后续深加工处理。

在下述中，产品以如下方法制备：

在中频有芯感应电炉中，加入铜锭和覆盖剂冰晶石，采用合金化处理和覆盖保护法熔炼铜锌合金黄铜，在铜熔体中，按成分配比投料，使Fe、Ni等在黄铜熔液中快速固溶为中间化合物，并使Fe、Ni等均匀分布于晶内和晶界，在1040℃下连续铸造成铸锭，在680~760℃温度下进行大挤压比挤压，中间热处理按冷加工的条件在500~700℃温度下进行，在低于400℃的温度下进行消除应力的退火。

申请人的工艺研究实施过程证明，热处理低于400℃的消应力退火是可行的，中间热处理需根据冷加工条件在500~700℃温度下退火为宜，但尽量避开中温脆性区退火。

采用上述工艺，制备了三根φ29 规格的铜棒，组成分别如下所示：

1. 40.59%锌，58.50%铜，0.19%铅，0.30%锡，0.05%铝，0.28%铁，0.01%镍，其余为不可避免杂质。

2. 41.68%锌，58.22%铜，0.12%铅，0.28%锡，0.05%铝，0.20%铁，0.02%镍，其余为不可避免的杂质。

3. 42.13%锌，57.40%铜，0.04%铅，0.21%锡，0.03%铝，0.11%铁，0.01%镍，其余为不可避免的杂质。

取上述三个样品和C3600标准含铅黄铜，分别进行了抗拉强度、延伸率、硬度、机加切削性能、抗脱锌腐蚀性能、耐应力腐蚀性能的测定。

测定方法：

硬度检测按照GB/T 2304记载的方法测定；

拉伸性能按照GB228-87记载的方法测定；

脱锌深度按照GB 10119-88记载的方法测定；

切削性能采用以下方法测定：在相同机械加工条件下，采用切削力实验仪测得合金切削力，并由此计算合金相对C3600标准含铅黄铜（公认的切削性能最好的含铅黄铜）的切削性指数，其计算方法为C3600的切削阻力/测试样品的切削阻力*100%。

应力腐蚀试验采用ISO6957的试验方法：试验结束后对样品表面进行十倍放大，观察其表面裂纹情况，以不产生裂纹为合格。

热加工性能：从样品合金挤制品上各自取9*20mm进行试样，做热压缩试验。试样在670度加热半小时，然后轴向加载变形量为70%，长度由20mm减至6mm，在十倍放大下观察表面裂纹情况，不产生裂纹为合格。

测试结果显示，三根铜棒的抗拉强度均大于350Mpa（分别为365，366，368），延伸率均大于25%（分别为28%，27%，28%），硬度HB均高于110（分别为122，124，129），上述数据显示，本发明的无铋低铅黄铜合金具有良好的机械性能，并且机械性能稳定。

三个样品的机加切削性能分别为99，98，99，切削性能为易切削。

三个样品的抗脱锌腐蚀性能：每个样品的最大脱锌深度能控制在200um以下，符合GB10119-88要求。

三个样品的耐应力腐蚀性能：经测定每个样品表面均没有出现裂纹，能符合ISO6957:1998(E)要求。

经检查，铜棒未出现二次氧化现象，质量良好。

在工业现场进行的焊接实验显示，本发明公开的无铋低铅黄铜合金可焊性良好，焊接位置稳固，无冷裂纹、焊接裂纹。

Claims (4)

1.一种无铋低铅黄铜合金，其特征在于由下列组分组成，以质量百分比计：

40.59％锌，58.50％铜，0.19％铅，0.30％锡，0.05％铝，0.28％铁，0.01％镍，其余为不可避免杂质；

或者

41.68％锌，58.22％铜，0.12％铅，0.28％锡，0.05％铝，0.20％铁，0.02％镍，其余为不可避免的杂质；

或者

42.13％锌，57.40％铜，0.04％铅，0.21％锡，0.03％铝，0.11％铁，0.01％镍，其余为不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述无铋低铅黄铜合金的制备方法，其特征在于包括下述步骤：采用合金化处理和覆盖保护法熔炼黄铜，投料，使铁、镍在黄铜熔液中快速固溶为中间化合物，并均匀分布于晶内和晶界。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于反应在中频有芯感应电炉中进行。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于还包括将中间化合物铸造成铸锭、挤压，中间热处理、消除应力的退火的步骤。