CN107164652B

CN107164652B - 一种无铅易切削硅镁磷黄铜合金及其制备方法

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Publication number: CN107164652B
Application number: CN201710297631.8A
Authority: CN
Inventors: 朱权利; 田小平; 杨超
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2017-04-28
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2037-04-28
Also published as: CN107164652A

Abstract

本发明公开了一种无铅易切削硅镁磷黄铜合金及其制备方法。按重量百分比计，该硅镁磷黄铜合金含有：60wt%Cu，0.5～0.9wt%Si，0.5～0.9wt%Mg，0.5～0.7wt%P，0.2～0.4wt%Al和选择添加元素0～0.6wt%，其余为Zn和杂质，杂质合计小于1wt%。所述合金严格要求Mg、Si、P元素的添加配比，Mg、Si、P元素的含量之和处于1.8～2.4wt%，其中Mg、Si含量之和处于1.3～1.6wt%。本发明将原料组分熔化，待成分均匀化后，在高温下精炼，浇注，后冷却至室温脱模，得到所述的无铅易切削硅镁磷黄铜合金。本发明的硅镁磷黄铜合金切削性能、耐腐蚀性能优异，力学性能优良，成本低廉，可代替铅黄铜，具有良好的应用前景。

Description

一种无铅易切削硅镁磷黄铜合金及其制备方法

技术领域

本发明属于环保黄铜合金领域，具体涉及一种无铅易切削硅镁磷黄铜合金及其制备方法。

背景技术

铅黄铜有着优异的切削性能、综合性能以及价格的优势，在水暖卫浴、电器电子、仪器仪表、机械制造等各种领域有着广泛的应用。但是铅元素会在加工生产或使用过程中析出，进而危害人体健康。随着人们对健康与环保意识的不断增强，发达国家很早就已经对铅黄铜进行限制和禁止，我国也加紧了对无铅黄铜的研究与应用。高铜硅黄铜的铜含量高达70%以上，综合性能虽好，但成本过高，不易推广应用，而低铜硅黄铜又因为γ相的产生，硬度值高，切削力高，切削性能不佳，有待进一步改善。

硅、镁、磷部分溶于铜，与铜形成金属间化合物，形成的化合物弥散分布于基体中，在切削时产生“切口效应”有利于断屑。同时硅、铝元素的添加会使黄铜的耐腐蚀能力增强，锡元素可以显著地提高合金的耐腐蚀性能。国内有许多研究工作者对硅黄铜、镁黄铜、磷钙黄铜及其硅、镁、磷元素的作用都有过研究，但主要是对单个元素进行研究。在研究过程中还存在关键问题需要解决，添加单一的1～2种主要元素，加入量太多，一方面在熔炼时易氧化烧损，很难控制合金的质量，另一方面会使材料的硬度太高；加入量太少又不能形成有效的断屑质点，切削性能不理想，以至于很难推广应用。

基于硅黄铜与添加其他元素的研究现状，本发明是通过复合添加硅、镁、磷以及少量的铝、锡、硼、稀土等元素，并严格控制硅、镁、磷等元素的添加量及添加比例，期望获得一定数量的脆而不硬的质点化合物均匀分布在晶内晶界的组织，有利于切削的断屑同时又不会使合金的硬度太高，材料的工艺性能优良，合金资源丰富，成本低廉。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种无铅易切削硅镁磷黄铜合金。该硅镁磷黄铜合金的切削性能优异，具有铸造性能、力学性能、耐腐蚀性能优良的特点。

本发明还提供了所述的一种无铅易切削硅镁磷黄铜合金的制备方法。

本发明通过如下技术方案实现。

一种无铅易切削硅镁磷黄铜合金，按重量百分比计，含有60wt%Cu，0.5～0.9wt%Si，0.5～0.9wt%Mg，0.5～0.7wt%P，0.2～0.4wt%Al和选择添加元素0～0.6wt%，其余为Zn和杂质，杂质合计小于1wt%。

进一步地，Si、Mg、P的含量配比中，Mg、Si、P的含量之和处于1.8～2.4wt%，Mg与Si的含量之和处于1.3～1.6wt%，P的含量在0.5～0.7wt%。

进一步地，所述选择添加元素包括Sn、B和Re中的一种以上，其中，按重量百分比计，各元素添加后在合金中的含量为：0.2～0.5wt%Sn，0.002～0.006wt%B，0.002～0.006wt%Re。

进一步地，所述合金的组织结构特征为：包括α和β两个基本组成相，以及脆性的球状或短杆状金属间化合物，金属化合物均匀分布在晶内及晶界。

更进一步地，所述金属间化合物为Cu₂Mg+Cu₃P+Mg₃P₂或者Cu₂Mg+γ。

更进一步地，所述金属间化合物的占比为5~10wt%。

制备上述任一项所述的一种无铅易切削硅镁磷黄铜合金的方法，包括如下步骤：

（1）将Cu与Si以木炭覆盖，升温熔化，待Cu与Si熔化并均匀化后，降温，顺序加入Al、Zn、Mg、P、选择添加元素，其中Si、Al、Mg、P、选择添加元素均以中间合金的形式加入，得到合金熔体；

（2）将合金熔体保温精炼，打渣后，浇注到预热好的模具中，冷却至室温，脱模，得到所述的无铅易切削硅镁磷黄铜合金。

进一步地，步骤（1）中，所述升温熔化是加热至1050～1100℃进行熔化。

进一步地，步骤（1）中，所述降温是降温至500～700℃。

进一步地，步骤（2）中，所述保温精炼是在1050～1100℃下保温10～30分钟。

进一步地，步骤（2）中，所述浇注是在1050℃进行浇注。

进一步地，步骤（2）中，所述预热的温度为200℃。

本发明控制铜的含量60wt%，锌的含量不少于37wt%，且不添加稀有贵重金属，节约成本。

本发明合金以硅、镁和磷作为除锌外的主要合金元素，铝次之，并选择性添加包括锡、硼和稀土中的一种以上。

Si的锌当量系数为10，强烈扩大β相区而减少α相区，少量的Si能降低液相线温度使固液距离减少，使铸件致密；同时，Si的添加会在合金腐蚀时形成Si的氧化物，从而有利于提高合金的耐腐蚀性能。但当Si含量高于1wt%时，易使合金形成γ相。所以控制Si的含量在0.5～0.9wt%之间，使铸件致密、提高耐腐蚀性能的同时又不会形成太多的γ相，增加合金的硬度。

Mg难溶于Cu，易与Cu、Zn形成金属间化合物，在晶内及晶界分布。其中，金属间化合物主要为Cu₂Mg，且Cu₂Mg质点脆而不硬，可有效地改善合金的切削性能。但Mg的含量过低则改善合金的切削性能不明显，Mg含量过高则合金的塑性降低，加工性能下降，而且Mg在熔炼时容易氧化烧损，因此控制Mg的含量在0.5～0.9wt%之间。另外Mg与P可形成化合物Mg₃P₂，在切削时易产生热效应使Mg₃P₂熔化或脱落，起到与铅类似的改善合金切削性能的作用。

加入的P 除与Mg形成化合物Mg₃P₂外，还与Cu形成Cu₃P改善合金的切削性能。同时，P在熔炼时有脱氧的作用，有利于提高熔体流动性、改善合金的耐蚀性能。

Al起固溶强化、提高耐腐蚀性能、脱氧、提高熔体流动性的作用，Al的加入还可以减少Zn的蒸发。Al的含量不宜过高，否则易氧化成渣降低流动性，反而对铸造性能不利，控制Al的含量为0.2～0.4wt%。

合金中选择性添加包括Sn、B和Re中的一种以上，少量的Sn在腐蚀时形成一层氧化膜，可以显著改善合金的耐腐蚀性能；B和Re作为晶粒细化剂，少量添加即可细化晶粒，提高合金的综合性能。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）本发明的合金中不含有稀有贵重金属，且以Si、Mg、P元素代替铅，控制Zn的含量不少于37wt%，Cu用量较少，成本低廉；

（2）本发明的硅镁磷黄铜合金的组织结构特征包括α和β两个基本组成相，以及脆性的球状或短杆状金属间化合物，这些金属间化合物为Cu₂Mg+Cu₃P+Mg₃P₂或者Cu₂Mg+γ，金属间化合物占比为5～10%，均匀分布在晶内晶界，这些富Mg、P的金属间化合物脆而不硬，有利于合金的断屑；

（3）本发明控制Si、Mg、P的含量配比，要求Mg、Si和P的含量之和处于1.8～2.4wt%；而当Mg与Si的含量处于1.3～1.6wt%时，合金的硬度值不高，铸态合金的断后伸长率较好，合金的切削性能普遍较好；而P的含量在0.5～0.7wt%，会出现富Mg、P的金属间化合物，有利于合金的断屑；

（4）本发明合金的切削性能优异，耐腐蚀性能优良，同时具有优良的铸造性能和力学性能，抗拉强度达到344.53～414.33Mpa、延伸率为6.10～9.53%、硬度值为120.82～148.81HB，可代替铅黄铜，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为实施例1制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金的X射线衍射图；

图2为实施例1制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金的光学形貌图；

图3为实施例2制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金的X射线衍射图；

图4为实施例2制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金的光学形貌图；

图5为实施例2制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金的扫描电镜组织图；

图6为实施例2制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金图5箭头处能谱图；

图7为实施例3制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金的X射线衍射图；

图8为实施例3制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金的光学形貌图；

图9为实施例3制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金的扫描电镜组织图；

图10为实施例3制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金图9箭头处能谱图；

图11为实施例4制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金的X射线衍射图；

图12为实施例4制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金的光学形貌图；

图13为实施例4制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金的扫描电镜组织图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

（1）按无铅易切削硅镁磷黄铜合金成分的质量百分数分别称取Cu、Zn、Si、Mg、P、Al、B，其中Mg、P、Al、B都以中间合金的形式加入，上述组分的质量百分比如下：Cu 60wt%、Si0.9wt%、Mg 0.5wt%、P 0.6wt%、Al 0.3wt%，0.003wt%B，其余为Zn和其他杂质，杂质的含量小于1wt%；

（2）在石墨坩埚中熔炼合金，先将Cu、Si熔化，降温至700℃顺序加入Al、Zn、Mg、P、B，待所有金属全部融化后，得到的合金熔体在1050℃保温20分钟，以实现合金熔体成分均匀化后，进行打渣，于1050℃浇注到事先预热至200℃的模具中，冷却至室温，脱模，得到所述无铅易切削硅镁磷黄铜合金。

本实施例制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金的X射线衍射图如图1所示，经X射线衍射分析表明，该合金组织包括α和β两个基本组成相；

本实施例制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金由于添加了Si和Al元素，Si与Al元素的添加会在合金腐蚀时形成一层氧化膜，不易使Zn流失，本实例的耐腐蚀性能较好；

本实施例制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金的光学形貌图如图2所示，由图2可知，含Si、Mg、P的硬质点化合物均匀分布在晶界与晶内；

经力学性能测试，本实施例制备的铸态合金的抗拉强度为414.33Mpa、延伸率为9.53%、硬度值为129.88HB；

本实施例的切削性能较好，车屑形貌C形屑为主，伴有少量的短螺旋屑。

实施例2

（1）按无铅易切削硅镁磷黄铜合金成分的质量百分数分别称取Cu、Zn、Si、Mg、P、Al、B、Re，其中Mg、P、Al、B、Re都以中间合金的形式加入，上述组分的质量百分比如下：Cu60wt%、Si 0.7wt%、Mg 0.7wt%、P 0.7wt%、Al 0.3wt%、0.003wt%B，0.003wt%Re，其余为Zn和其他杂质，杂质的含量小于1wt%；

（2）在石墨坩埚中熔炼合金，先将Cu、Si熔化，降温至700℃顺序加入Al、Zn、Mg、P、B、Re，待所有金属全部融化后，得到的合金熔体在1050℃保温20分钟，以实现合金熔体成分均匀化后，进行打渣，于1050℃浇注到事先预热至200℃的模具中，冷却至室温，脱模，得到所述无铅易切削硅镁磷黄铜合金。

本实施例制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金的X射线衍射图如图3所示，经X射线衍射分析表明，该合金组织包括α和β两个基本组成相；

本实施例制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金由于添加了Si、Al和Sn元素，Si、 Al及少量Sn元素的添加会在合金腐蚀时形成一层氧化膜，不易使Zn流失，本实例的耐腐蚀性能较好；

本实施例制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金的光学形貌图和扫面电镜组织图分别如图4和图5所示，由图4、图5可知，含Si、Mg的硬质点化合物均匀分布在晶界与晶内；图6为扫描电镜组织图（图5）中箭头处的能谱图，由图6可知，在晶界及晶内分布的短杆状金属间化合物含有Mg和Si，其为Cu₂Mg+γ或是含Si、Mg的复杂金属间化合物；

经力学性能测试，本实施例制备的铸态合金的抗拉强度为351.17Mpa、延伸率为6.10%、硬度值为120.82HB；

本实施例的切削性能优异，车屑形貌均为细小的C形屑。

实施例3

（1）按无铅易切削硅镁磷黄铜合金成分的质量百分数分别称取Cu、Zn、Si、Mg、P、Al，其中Mg、P、Al都以中间合金的形式加入，上述组分的质量百分比如下：Cu 60wt%、Si0.7wt%、Mg 0.6wt%、P 0.5wt%、Al 0.3wt%，其余为Zn和其他杂质，杂质的含量小于1wt%；

（2）在石墨坩埚中熔炼合金，先将Cu、Si熔化，降温至700℃顺序加入Al、Zn、Mg、P，待所有金属全部融化后，得到的合金熔体在1050℃保温20分钟，以实现合金熔体成分均匀化后，进行打渣，于1050℃浇注到事先预热至200℃的模具中，冷却至室温，脱模，得到所述无铅易切削硅镁磷黄铜合金。

本实施例制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金的X射线衍射图如图7所示，经X射线衍射分析表明，该合金组织包括α和β两个基本组成相；

本实施例制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金由于添加了Si和Al元素，Si、 Al元素的添加会在合金腐蚀时形成一层氧化膜，不易使Zn流失，本实例的耐腐蚀性能较好；

本实施例制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金是我光学形貌图和扫面电镜组织图分别如图8、图9所示，由图8、图9可知，含Si、Mg、P的硬质点化合物均匀分布在晶界与晶内；图10为扫描电镜组织图（图9）中箭头处的能谱图，由图10可知，在晶界及晶内分布的短杆状金属间化合物含有Mg和P，其为Cu₂Mg+Cu₃P+Mg₃P₂或是含Mg、P的复杂金属间化合物；

经力学性能测试，本实施例制备的铸态合金的抗拉强度为344.53Mpa、延伸率为6.60%、硬度值为130.61HB；

本实施例的切削性能优异，车屑形貌均为细小的C形屑。

实施例4

（1）按无铅易切削硅镁磷黄铜合金成分的质量百分数分别称取Cu、Zn、Si、Mg、P、Al、Sn、B、Re，其中Mg、P、Al、B、Re都以中间合金的形式加入，上述质量百分比如下：Cu60wt%、Si 0.9wt%、Mg 0.7wt%、P 0.7wt%、Al0.3wt%、Sn0.3wt%、0.003wt%B、0.003wt%Re，其余为Zn和其他杂质，杂质的含量小于1wt%；

（2）在石墨坩埚中熔炼合金，先将Cu、Si熔化，降温至700℃顺序加入Al、Zn、Mg、P、Sn、B、Re，待所有金属全部融化后，得到的合金熔体在1050℃保温20分钟，以实现合金熔体成分均匀化后，进行打渣，于1050℃浇注到事先预热至200℃的模具中，冷却至室温，脱模，得到所述无铅易切削硅镁磷黄铜合金。

本实施例制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金的X射线衍射图如图11所示，经X射线衍射分析表明，该合金组织包括α和β两个基本组成相；

本实施例制备的无铅易切削硅镁磷黄铜合金的光学形貌图和扫面电镜组织图分别如图12、图13所示，由图12和图13可知，含Si、Mg、P的硬质点化合物均匀分布在晶界与晶内；

经力学性能测试，本实施例制备的铸态合金的抗拉强度为372.86Mpa、延伸率为6.10%、硬度值为148.81HB；

本实施例的切削性能优良，车屑形貌均为较大的C形屑。

以上所述，仅为本发明的几项实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下作出的改变、修饰、代替、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种无铅易切削硅镁磷黄铜合金，其特征在于，按重量百分比计，含有60wt%Cu，0.5～0.9wt%Si，0.5～0.9wt%Mg，0.5～0.7wt%P，0.2～0.4wt%Al和选择添加元素0～0.6wt%，其余为Zn和杂质，杂质合计小于1wt%；Si、Mg、P的含量配比中，Mg、Si、P的含量之和处于1.8～2.4wt%，Mg与Si的含量之和处于1.3～1.6wt%，P的含量在0.5～0.7wt%；所述选择添加元素包括Sn、B和Re中的一种以上，其中，按重量百分比计，各元素添加后在合金中的含量为：0.2～0.5wt%Sn，0.002～0.006wt%B，0.002～0.006wt%Re。

2.根据权利要求1所述的一种无铅易切削硅镁磷黄铜合金，其特征在于，所述合金的组织结构特征为：包括α和β两个基本组成相，以及脆性的球状或短杆状金属间化合物，金属化合物均匀分布在晶内及晶界。

3.根据权利要求2所述的一种无铅易切削硅镁磷黄铜合金，其特征在于，所述金属间化合物为Cu₂Mg+Cu₃P+Mg₃P₂或者Cu₂Mg+γ。

4.根据权利要求2所述的一种无铅易切削硅镁磷黄铜合金，其特征在于，所述金属间化合物的占比为5~10wt%。

5.制备权利要求1~4任一项所述的一种无铅易切削硅镁磷黄铜合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种无铅易切削硅镁磷黄铜合金的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述升温熔化是加热至1050～1100℃进行熔化；所述降温是降温至500～700℃。

7.根据权利要求5所述的一种无铅易切削硅镁磷黄铜合金的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述保温精炼是在1050～1100℃下保温10～30分钟；所述浇注是在1050℃进行浇注；所述预热的温度为200℃。