CN105779812A - 一种无铅黄铜合金 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无铅黄铜合金，该黄铜合金含有：Cu：59.0-65.0wt％，Si：0.1-1.0wt％，其余为Zn和不可避免的杂质，且该黄铜合金的锌当量X在38-43.5％范围内，所述锌当量X由下式表示：X＝(Znwt％+10.0×Siwt％+2.0×Snwt％+6.0×Alwt％)/(Cuwt％+Znwt％+10.0×Siwt％+2.0×Snwt％+6.0×Alwt％)。本发明合金具有良好成型性能、抛光性能，适用于铸造、锻造成型的水暖卫浴、电子电器、汽车等零部件，尤其适用于水龙头等复杂结构产品。

Description

一种无铅黄铜合金

技术领域

本发明属于合金技术领域，具体涉及一种无铅黄铜合金。

背景技术

传统铅黄铜因切削性能优良、生产成本低、加工性能好等优点已被作为一种重要的基础材料用于电气、机械、水暖等各个领域。但由于铅元素对人体极为有害，可损害人体骨髓造血系统和神经系统，其污染危害已引起高度重视。美国、欧盟、日本等发达经济体已立法，对饮用水系统、管道配件、玩具、家用电器等产品中的铅含量提出了严格的限制，如NSF-ANSI372、AB-1953、RoHS等，逐步禁止生产、销售和使用含铅产品。

目前，国内外已对黄铜的无铅化做了大量的研究工作，并有相当数量有关硅黄铜的文献和专利，然而多数专利中添加铋、锑、锆、钛、磷等元素。

加铋硅黄铜克服了铋黄铜焊接性能差的缺点，但在热成型过程中易产生热脆和冷脆，且铋为稀贵金属，生产成本较高(如中国专利200610005689.2、200310120259.1、美国专利US6942742B1等)。加锑硅黄铜，因锑本身具有毒性，在使用过程中，黄铜中的锑极易溶出，其龙头、阀门等过水产品经NSF测试锑元素在水中的溶出量远超过标准规定的0.6μg/L，存在污染环境和危害人类健康的隐患，不能应用于水暖零部件(如中国专利200410015836.5、200710070803.4等)。加锆硅黄铜因锆资源稀少且价格昂贵，且其在合金的熔炼过程极其容易与氧、硫等氧化介质结合转化为炉渣而失去作用，故在熔炼废料时造成锆的大量损耗，合金的可循环利用性差(如中国专利200810143070)。硅黄铜中因添加钛元素而导致合金抛光性能较差，不适合做外观件。硅黄铜中因添加磷元素而导致合金锻造性能变差，易过烧(如中国专利200910042723.7、200810180201.9等)。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷、减少稀贵元素的添加，本发明提供一种成型性能优异的低成本硅黄铜合金。本发明黄铜合金的综合性能优良，可用于生产水龙头、管道接头、电子电器、汽车、机械等零部件。

本发明是通过以下技术方案来实现的。

本发明提供一种无铅黄铜合金，该黄铜合金含有：Cu：59.0-65.0wt％，Si：0.1-1.0wt％，其余为Zn和不可避免的杂质，且该黄铜合金的锌当量X在38-43.5％范围内，所述锌当量X由下式表示：

X＝(Znwt％+10.0×Siwt％+2.0×Snwt％)/(Cuwt％+Znwt％+10.0×Siwt％+2.0×Snwt％)。需要说明的是，在计算锌当量时，按照Sn的实际含量，有Sn则直接计算，不含Sn则按照0计算。

优选地，所述黄铜合金中Si为0.2-1.0wt％，优选为0.2-0.8wt％。

优选地，所述黄铜合金还含有Sn，且Sn的含量为0.05～0.4wt％，优选为0.1～0.3wt％，更优选为0.1-0.25wt％。

优选地，所述黄铜合金中，Si/Sn大于1。在本发明中，Sn含量高于Si含量有可能恶化合金的脱锌及成型等性能，因此，优选控制Sn含量低于Si含量。

优选地，所述黄铜合金还含有选自Pb、Fe和B中的至少一种元素，其中Pb的含量为0.05～0.25wt％，Fe的含量为0.01～0.3wt％，B的含量为0.0005～0.01wt％。

本发明还提供另一种无铅黄铜合金，该黄铜合金含有：Cu：59.0-65.0wt％、Si：0.1-1.0wt％，Al：0.01-0.3wt％，其余为Zn和不可避免的杂质，且该黄铜合金的锌当量X在38-43.5％范围内，所述锌当量X由下式表示：

X＝(Znwt％+10.0×Siwt％+2.0×Snwt％+6.0×Alwt％)/(Cuwt％+Znwt％+10.0×Siwt％+2.0×Snwt％+6.0×Alwt％)。

优选地，所述黄铜合金中Si为0.2-1.0wt％，优选为0.2-0.8wt％。

优选地，所述黄铜合金中Al为0.03-0.3wt％，优选为0.05-0.25wt％。

优选地，所述黄铜合金还含有Sn，且Sn的含量为0.05～0.4wt％，优选为0.1～0.3wt％，更优选为0.1-0.25wt％。

优选地，所述黄铜合金中，Si/Sn大于1。在本发明中，Sn含量高于Si含量有可能恶化合金的脱锌及成型等性能，因此，优选控制Sn含量低于Si含量。

优选地，所述黄铜合金还含有选自Pb、Fe和B中的至少一种元素，其中Pb的含量为0.05～0.25wt％，Fe的含量为0.01～0.3wt％，B的含量为0.0005～0.01wt％。

本发明将铜含量控制为59.0-65.0wt％。铜含量超过65.0wt％会导致制品的原材料成本过高，且锌当量较低，锻造性能降低；铜含量低于59.0wt％，合金的力学性能特别是延伸率不理想，且其抗腐蚀性能变差。

硅是合金的主要元素，因其锌当量系数为10，可以极大地增加β相比例，且Si固溶于β相中，使β相变脆，在切削时可起断屑作用，改善黄铜的切削性能；硅可细化α相晶粒，提高合金的抗拉强度和断后伸长率，利于提高合金的抗裂能力。硅含量大于1.0wt％时，合金的塑性降低，且合金易过烧，易形成硬脆的γ相，而导致合金的切削和锻造性能变差，硅以不超过1.0wt％为宜；硅含量低于0.1wt％时，切削性能、锻造性能不理想，因此硅含量不低于0.1wt％。

铝主要是固溶强化、改善切削性能、提高熔体流动性和抗热裂能力，含量较低的话，效果不明显，含量较高的话则易氧化生渣，降低合金的流动性和锻造性能，铝以不超过0.3％为宜。

添加锡的作用是为了提高合金的强度和耐蚀性，锡元素添加量为0.05～0.4wt％，优选加入量为0.1～0.3wt％，更优选加入量为0.1-0.25wt％，若含量过低则提高强度和耐蚀性的效果不明显，若含量过高则增加材料成本，且脱锌性能有所恶化，成型及力学性能变差。当锡元素的添加量为0.1-0.25wt％时综合性能最佳。

在本发明合金中选择性添加铅、铁和硼元素，添加少量的铅可显著地改善合金的切削性能，使合金材料在机加过程中易于断屑，使得切屑形貌由连续带状切屑变为短小的卷状切屑，且又不至于在水中的析出量超过NSF/ANSI61-2007标准(1.5μg/L)；铁可增加合金的力学性能，细化合金组织，但含量过高则会影响抛光性能；硼是铜合金常见有效的晶粒细化剂，添加少量硼可细化晶粒，提高合金的力学性能、抗腐蚀等综合性能加入量以不超过0.01wt％为宜，含量过高会降低合金熔体流动性，亦会导致抛光性能变差。

在本发明合金中最为显著的技术特征是引入了锌当量，且需严格控制锌当量X在38-43.5％范围内，其中X＝(Znwt％+10.0×Siwt％+2.0×Snwt％+6.0×Alwt％)/(Cuwt％+Znwt％+10.0×Siwt％+2.0×Snwt％+6.0×Alwt％)。

当锌当量X在38-43.5％范围内时，合金可保证优异的锻造性能和抛光性能、良好的切削性能及抗腐蚀性能。锌当量若小于38％，合金中的β相比例较小，从而导致合金的成型性能及切削性能变差；锌当量若大于43.5％时，合金的强度提高，但其塑性变差，抗腐蚀性能降低，且若因Si含量导致的锌当量大的话，合金易过烧，从而使得合金的锻造及力学性能变差。

本发明合金是属于较简单硅黄铜，在铜-锌二元体系中添加硅及选择添加铝、锡等少量其他元素，改善合金的切削性能、锻造性能、耐蚀性能及抛光性能。本发明的黄铜合金铜含量较低，且主要添加Si元素，为低成本黄铜合金，仅需严格控制合金的锌当量X在38-43.5％范围内，即可保证合金优异的锻造及抛光等性能，其中X＝(Znwt％+10.0×Siwt％+2.0×Snwt％+6.0×Alwt％)/(Cuwt％+Znwt％+10.0×Siwt％+2.0×Snwt％+6.0×Alwt％)。

具体而言，本发明的黄铜合金与现有技术相比，至少具有以下有益效果：

本发明不含稀贵金属，铜含量较低，材料成本低，同时含有的元素少，并严格控制合金的锌当量X在38-43.5％范围内，即可得到具有优异的成型性能的合金，特别适于成型复杂产品。

本发明的黄铜合金不添加铅、镉等毒性元素，同时使合金元素在水中的析出量符合NSF/ANSI61-2008标准，是无铅环保型合金。同时元素简单允许合金中少量Pb的存在，即可改善合金切削性能，又较好地解决了废料回收利用问题。

本发明的黄铜合金具有优良的使用性能(如耐蚀性能、力学性能等)和工艺性能(如成型性能、切削性能、焊接性能等)，可用于生产水龙头、管道接头、电子电器、汽车等零部件，尤其适合于锻造和挤压生产饮用水供给系统零部件，如水龙头产品。

本发明合金的热成型性能优于铋黄铜及传统铅黄铜CuZn40Pb2，可成型形状复杂和对表面抛光质量要求较严格的产品，成本较低，具有市场竞争优势。

本发明合金的综合性能优异，其切削性能、锻造性能显著优于普通黄铜，而力学性能(包括抗拉强度与延伸率)高于普通黄铜及铅黄铜CuZn40Pb2。同时，本发明合金的水中有毒金属元素析出量符合NSF检测标准的要求，属于环境友好型材料。因此本发明合金具有更广泛的市场应用前景。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的描述。

实施例

本发明合金和对比合金的成分如表1所示，其中发明合金具体实施例为1～9，对比合金为10～15，其中对比合金14为简单黄铜CuZn40的成分，对比合金15为有铅黄铜CuZn40Pb2的成分。

以下将对上述实施例与对比合金进行性能检测，具体性能检测项目及依据如下：

1.力学性能

依据GB/T228-2010对合金的力学性能进行测试，将发明合金与对比合金加工成直径为10mm的标准试样，在室温下进行拉伸试验，测试各合金的力学性能。结果如表2所示。

2.切削性能

将发明合金与对比合金加工成直径34的棒坯后，对所有的合金采用相同的刀具、相同的切削速度和相同的进刀量进行车削，并采集切屑。较易切削，切屑为碎/短卷屑，用“〇”表示；切削较困难，切屑为长卷屑或带状屑，机加过程中无刺耳的蜂鸣声，用“Δ”表示；切削非常困难，切屑为带状屑，机加过程中发出刺耳的蜂鸣声，用“×”表示。结果如表2所示。

3.抗脱锌腐蚀性能

脱锌试验按照GB/T10119-2008进行，从发明合金与对比合金制得棒坯上的不同部位切割3件平行试样，截面尺寸为10mm×10mm。经镶嵌好的试样置于氯化铜溶液中恒温腐蚀24小时，再将实验切片制成金相试样，在电子金相显微镜下观察并标定脱锌层的平均深度。结果如表2所示。

4.热成型性能

从直径29mm的水平连铸棒上切取长度(高度)40mm的试样，在680℃、750℃两个温度下热锻轴向压缩变形，并采用下述的镦粗率，观察产生裂纹的情况，对发明合金及对比合金热成型性能进行评价。

镦粗率(％)＝[(40-h)/40]×100％(h为热镦粗后试样的高度)

锻造试样表面光洁且无裂纹，则为优，用“〇”表示；试样表面有较粗糙但无明显裂纹，则为良，用“Δ”表示；试样表面有肉眼可视裂纹则为差，用“×”表示。结果如表3所示。

5.水中金属析出量

发明合金1、7、9与对比合金15的水中金属析出量测定按NSF/ANSI61-2008标准执行，实验样品为中空的铜棒，检测仪器为：电感耦合等离子质谱仪(Varian820-MSIcp.MassSpectrometer)，时间为19天，检验结果见表4。

表1发明合金及对比合金成分(wt％)

表2发明合金与对比合金的力学性能、切削性能和抗脱锌腐蚀性能

由以上结果可知，发明合金的平均脱锌层深度均小于400μm，明显优于对比合金简单黄铜14和有铅黄铜15。

本发明合金的抗拉强度均高于对比合金12、14、15，延伸率高于对比合金11、13；本发明合金切削性能优于对比合金10、12、13、14。本发明合金的力学性能优异、切削性能和抗脱锌腐蚀性能良好，可较好的满足应用需求。

表3发明合金与对比合金的热成型性能

表4发明合金与对比合金在水中金属析出量测试结果

以上数据表明，在同一锻造温度下，本发明合金的镦粗率均明显高于对比合金10～14，甚至高于有铅铜对比合金15。可见本发明合金较对比合金而言，其热锻造性能更优异，更适用于成型形状复杂的产品，具有很大的市场竞争优势。且本发明合金的Pb在水中的金属析出量远低于CuZn40Pb2合金在水中金属的析出量，其它元素在水中的析出量亦符合NSF/ANSI61-2008饮用水标准的要求，适用于制造饮用水系统零部件，而合金CuZn40Pb2在水中的铅析出量远高于NSF/ANSI61-2008饮用水标准，不适合用于制造饮用水系统零部件。

综合以上性能检测结果可知：本发明合金成型性能及力学性能优异，其抗脱锌腐蚀性能、切削性能良好。本发明合金与简单黄铜、铅黄铜相比，在热加工成型性能有较大的提高；同时，本发明合金的水中有毒金属元素析出量符合NSF检测标准的要求，属于环境友好型材料。因此，本发明合金具有更广泛的市场应用前景。

上述实施例用于解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无铅黄铜合金，该黄铜合金含有：Cu：59.0-65.0wt％，Si：0.1-1.0wt％，其余为Zn和不可避免的杂质，且该黄铜合金的锌当量X在38-43.5％范围内，所述锌当量X由下式表示：

X＝(Znwt％+10.0×Siwt％+2.0×Snwt％)/(Cuwt％+Znwt％+10.0×Siwt％+2.0×Snwt％)。

2.根据权利要求1所述的黄铜合金，其特征在于，所述黄铜合金中Si为0.2-1.0wt％，优选为0.2-0.8wt％。

3.根据权利要求1或2所述的黄铜合金，其特征在于，所述黄铜合金还含有Sn，且Sn的含量为0.05～0.4wt％，优选为0.1～0.3wt％，更优选为0.1-0.25wt％。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的黄铜合金，其特征在于，所述黄铜合金中，Si/Sn大于1。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的黄铜合金，其特征在于，所述黄铜合金还含有选自Pb、Fe和B中的至少一种元素，其中Pb的含量为0.05～0.25wt％，Fe的含量为0.01～0.3wt％，B的含量为0.0005～0.01wt％。

6.一种无铅黄铜合金，该黄铜合金含有：Cu：59.0-65.0wt％、Si：0.1-1.0wt％，Al：0.01-0.3wt％，其余为Zn和不可避免的杂质，且该黄铜合金的锌当量X在38-43.5％范围内，所述锌当量X由下式表示：

X＝(Znwt％+10.0×Siwt％+2.0×Snwt％+6.0×Alwt％)/(Cuwt％+Znwt％+10.0×Siwt％+2.0×Snwt％+6.0×Alwt％)。

7.根据权利要求6所述的黄铜合金，其特征在于，所述黄铜合金中Si为0.2-1.0wt％，优选为0.2-0.8wt％。

8.根据权利要求6或7所述的黄铜合金，其特征在于，所述黄铜合金中Al为0.03-0.3wt％，优选为0.05-0.25wt％。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的黄铜合金，其特征在于，所述黄铜合金还含有Sn，且Sn的含量为0.05～0.4wt％，优选为0.1～0.3wt％，更优选为0.1-0.25wt％；进一步优选地，所述黄铜合金中Si/Sn大于1。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的黄铜合金，其特征在于，所述黄铜合金还含有选自Pb、Fe和B中的至少一种元素，其中Pb的含量为0.05～0.25wt％，Fe的含量为0.01～0.3wt％，B的含量为0.0005～0.01wt％。