CN106011532B - 饮用水输配专用环保黄铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

饮用水输配专用环保黄铜合金，其组分及重量百分比为：Cu 57~65%；Bi 0.4~1.6%；Sn 0.09~1.0%；Ni 0.01~0.5%；Al 0.1~1.0%；Mg 0.05~1.0%；Fe<0.2%；Pb<0.01%；余量为Zn及总量不大于0.3%的杂质。制备方法，包括配料、熔炼、铸造、挤压、酸洗、拉伸、矫直和成品热处理，将电解铜、锡青铜、铋黄铜、电解镍、锌锭、锡锭、铝锭和镁锭，按配比量依次加入工频炉中熔炼。本发明的合金制品与水体接触金属析出少，满足《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》规定的各项指标要求，更适合应用于饮用水输配水设备及防护材料的制备。从金相图中可看出组织较均匀成球形状，具有较好的切削性和耐腐蚀性，有利于抑制合金的锌和铅金属析出量。

Description

饮用水输配专用环保黄铜合金及其制备方法

技术领域：

本发明涉及合金材料技术领域，具体涉及一种饮用水输配专用环保黄铜合金及其制备方法。

背景技术：

生活饮用水的水质与人体健康息息相关。随着生活水平的发展，饮用水的水质越来越受到人们关注。饮用水有害物污染主要源于两个方面，一是水质源头自身污染，二是与饮用水接触的输配水材质或其它材料导致的二次污染。由于目前我国大部分地区以氯为水体消毒剂，饮用自来水中过量的余氯污染就属于源头污染；而网络、新闻报道的譬如水龙头“铅污染”、“锌超标“等事件，则主要由后续输配设施及材料的二次污染导致。针对上述饮用水二次污染，国家卫生部就饮用水输配水设备、防护材料以及水处理材料的卫生安全评价作了规定，并制定了《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》。

黄铜合金因其具有特殊的抑菌杀菌性能、良好的耐腐蚀、冷热成型、以及再生回收等特点，广泛应用于水嘴、阀门、管接件等输配水设备。在众多黄铜合金中，铅黄铜因其优异的易切削性最为广泛使用，但在使用过程中，金属铅易从黄铜基体中溶出而进入水体，导致饮用水铅超标。目前从国内企业和检测室调研的信息表明，大部分铅黄铜材质产品的重金属析出量均难以达到卫生部颁布的《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》相关标准（任立军等，《水嘴浸泡中重金属析出量的测定及标准值》，化学分析计量，2012年，21卷，3期，44-47）。

易切削低铅、无铅黄铜合金作为铅黄铜的代替品已广泛研究，有部分产业化。市售低铅黄铜合金，如C46500、C46400，由于合金本身仍含有一定量铅元素，以此为基体的产品浸泡铅析出值虽远低于普通铅黄铜材质产品，但依旧不能达到《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》规定的其浸泡铅析出值不大于0.001mg/L的标准。对于市售无铅易切削黄铜合金，目前以铋黄铜为主，包括HBi59-1、HBi60-1、HBi60-0.6等，由于材质本身不含铅或含铅量极低，相关产品的浸泡铅析出符合上述标准，但其它金属析出量，如金属锌析出，则远高于《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》规定的要求。锌过量容易锌中毒，临床表现为顽固性贫血，食欲下降，合并有血清脂肪酸及淀粉酶增高。

当前产业化的主流易切削黄铜合金为材质的输配水产品，金属析出量均不能完全符合《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》规定的相关标准，产品如用于生活饮用水输配水设备使用，不可避免地存在金属污染隐患。因此，开发一种易产业化的，适用于制备生活饮用水输配的易切削环保黄铜合金，即满足市场需要，也符合生活水平提高的要求。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是针对现有技术的上述不足，提供一种适用于制备饮用水输配专用的易切削环保黄铜合金，以所述环保黄铜合金为基体材质制备的输配水材料符合《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》规定的标准要求。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种饮用水输配专用的易切削环保黄铜合金的制备方法。

饮用水输配专用环保黄铜合金，其组分及重量百分比为：Cu 57~65%；Bi 0.4~1.6%；Sn 0.09~1.0%；Ni 0.01~0.5%；Al 0.1~1.0%；Mg 0.05~1.0%；Fe < 0.2%；Pb <0.01%；余量为Zn及总量不大于0.3%的杂质。

作为优选，饮用水输配专用环保黄铜合金，其组分及重量百分比为：Cu 60~63%；Bi0.6~1.2%；Sn 0.2~0.6%；Ni 0.05~0.2%；Al 0.3~0.8%；Mg 0.1~0.6%；Fe < 0.2%；Pb <0.01%；余量为Zn及总量不大于0.2%的杂质。

本发明的一种适用于制备生活饮用水输配专用环保黄铜合金，在合金中限定金属种类及添加量的原因在于：

Bi：主要是为了改善合金切屑性能加入的。对于优选方案，Bi含量低于0.4%，切削性能不佳；大于1.2%，切削性能的进一步提高不明显，且增加成本，因此优选范围为0.6~1.2%。

Sn：主要是提高合金的耐腐蚀能力。对于优选方案，Sn含量低于0.2%，合金的耐腐蚀能力提高不明显，Sn元素高于0.6%，耐腐蚀性能进一步增加不明显，且增加成本，因此优选范围为0.2~0.6%。

Ni：主要是协同Sn元素增加合金的耐腐蚀能力。对于优选方案，Ni含量低于0.05%，与协同Sn元素对合金的耐腐蚀性增强不明显；Ni元素高于0.2%，协同Sn元素对合金的耐腐蚀性进一步增加不明显，因此优选范围为0.05~0.2%。

Al：主要是提高合金的耐腐蚀性与热加工性能。对于优选方案，Al含量低于0.3%，对提高合金材料的耐腐蚀性效果不明显；Al含量高于0.8%，热加工过程中易产生“粘模”现象，因此优选范围为0.3~0.8%。

Mg：提高材料的耐腐蚀性和热加工性能，并球化基体提高合金的切削性。对于优选方案，Mg含量低于0.1%，对材料的耐腐蚀性热加工性提高不明显；Mg含量高于0.6%，合金的耐腐蚀性进一步增加不明显，且有下降趋势，因此优选范围为0.1~0.6%。

Cu：Cu含量高，α相多，材料耐腐蚀性、塑性好，但成本高；Cu含量过低，塑性变差，因此优选范围为Cu 60~63%。

饮用水输配专用环保黄铜合金的制备方法，包括配料、熔炼、铸造、挤压、酸洗、拉伸、矫直和成品热处理，其特征是：将电解铜、锡青铜、铋黄铜、电解镍、锌锭、锡锭、铝锭和镁锭，按配比量依次加入工频炉中熔炼；

锡青铜中锡含量2.0-6.5%wt，铋黄铜中铋含量为0.2-3%wt、锡含量0.1-1.5%wt；

熔炼温度为1030~1150℃，待金属全部熔化后，取样检测合金成分含量，调整精炼合金组成的含量；

采用水平连铸或半连铸铸成圆柱锭，其中水平连铸温度为930~1030℃，半连铸温度为980~1080℃；

在挤压温度为560~680℃下对铸锭进行挤压加工成毛坯；

将挤压毛坯进行酸洗，洗液为硫酸水溶液或硫酸/硝酸混合水溶液酸洗；

将已拉伸矫直后的毛坯，进行热处理，在温度为260~340℃，热处理3~8小时，以消除产品的应力。

与现有技术相比，本发明的环保黄铜合金具有以下优点：

1、具有良好的机加工性能、切削性能以及耐腐蚀性。

2、与水体接触条件下，重金属析出少。以本发明的黄铜合金为基体材质制备的输配水设备，满足《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》规定的各项指标要求。因此，相比其它黄铜合金材料，本发明的环保黄铜合金更适合应用于饮用水输配水设备及防护材料的制备。

3、从金相图中可看出组织较均匀，球形状，具有较好的切削性，有利于抑制合金的锌和铅金属析出量。

说明书附图

图1是实施例1环保黄铜合金的金相样品照片（横向，100倍）。

图2是实施例1环保黄铜合金的金相样品照片（纵向，100倍）。

从晶相图中可以看出，材料基体为等轴状的α相，其间分布着等轴状的β相，同时，两相均呈现出明显的球化特征，上述特征具有以下优点：1）有利于后续的冷、热加工；2）提高材料的切削性能；3）有利于抑制合金中锌和铅金属的析出。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明的实施例1~实施例10按设定的元素成分进行配料、在工业化规模条件下，采用电炉熔炼，经铸造、挤压、酸洗、拉伸、矫直，最后热处理得到成品。

本发明环保黄铜合金的各实施例的具体化学成分含量见表1所示。

表1

本发明的环保黄铜合金的工艺路线如下：

原材料准备→电炉熔炼→水平连铸或半连铸铸造→热挤压→酸洗→拉伸→矫直→热处理→检验→成品包装

具体可表述如下：以重量百分比计，按照表1中环保黄铜合金的化学含量成分进行配料，将电解铜、锡青铜、铋黄铜、电解镍、锌锭、锡锭、铝锭、镁锭依次加入感应电炉进行熔炼，采用木炭或石墨鳞片进行覆盖，熔炼温度为1030~1150℃；待金属全部熔化后，取样检测合金成分含量，调整精炼合金成分的含量；对上述合金在930~1080℃温度下进行铸造成圆柱铸锭；在560~680℃下对铸锭进行挤压加工成毛坯；将上述挤压毛坯在硫酸水溶液或硝酸/硫酸混合水溶液中进行酸洗浸泡，随后按所需规格进行拉伸处理；拉伸产品经矫直后，在260~340℃下进行去应力退火。最后经检验，成品包装入库。

本发明环保黄铜合金的各实施例的生产工艺按表2进行熔炼、铸造、挤压、酸洗、延伸、及热处理，最终得到棒坯成品。

表2

应用例

为了验证本发明的环保黄铜合金应用于饮用水输配设备的实际可行性，我们选取了本发明的上述实施例中的环保黄铜合金，并选择了几种市售黄铜合金材料作为对比材料，在宁波市杰克龙精工公司进行加工，制备了几种规格型号的阀体产品。所得产品按照《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》附录A的规定进行浸泡试验，根据检测结果对实例1（GL-16T/ND32阀体）产品的卫生安全与规定要求进行评价，具体见表3

表3 GL-16T/ND32阀体

同样对实例2、实例6、实例10按照《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》附录A的规定进行浸泡试验，检测结果均符合。对上述检测结果与市售合金对比，见表4。其中Zn析出增量为0.002 mg/L -0.15 mg/L，Pb析出增量为零，远小于评价规范标准，更加适合于生活饮用水输配水设备及防护材料应用。

表4

Claims (3)

1.饮用水输配专用环保黄铜合金的制备方法，由配料、熔炼、铸造、挤压、酸洗、拉伸、矫直和成品热处理组成，其配料组分及重量百分比为：Cu 60~63%，Bi 0.6~1.2%，Sn 0.2~0.6%，Ni 0.05~0.2%，Al 0.3~0.8%，Mg 0.1~0.6%，Fe < 0.2%，Pb <0.01%，余量为Zn及总量不大于0.2%的杂质，其特征是：

1）将电解铜、锡青铜、铋黄铜、电解镍、锌锭、锡锭、铝锭和镁锭，按配料量依次加入工频炉中熔炼，熔炼温度为1030~1150℃；

2）待金属全部熔化后，取样检测合金成分含量，调整精炼合金组成的含量；

3）采用水平连铸或半连铸铸成圆柱锭，其中水平连铸温度为930~1030℃，半连铸温度为980~1080℃；

4）在挤压温度为560~680℃下对铸锭进行挤压加工成毛坯；

5）将挤压毛坯进行酸洗，洗液为硫酸水溶液或硫酸/硝酸混合水溶液酸洗；

6）将已拉伸矫直后的毛坯，进行热处理，在温度为260~340℃，热处理3~8小时，以消除产品的应力。

2.如权利要求1所述的饮用水输配专用环保黄铜合金的制备方法，其特征是是所述锡青铜中锡含量2.0-6.5 wt %。

3.如权利要求1所述的饮用水输配专用环保黄铜合金的制备方法，其特征所述铋黄铜中铋含量为0.2-3 wt %、锡含量0.1-1.5 wt %。