CN110938761A - 一种低铅易切削镁黄铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低铅易切削镁黄铜合金及其制备方法，按质量百分比计，该合金由以下各组分组成：59.0‑63.0wt％Cu，0.5‑2wt％Al，0.1‑2wt％Mg，0.1‑0.2wt％Mn，0.1‑0.2wt％Sn，0.1‑0.2wt％Pb，0.05‑0.1wt％P，至少一种变质剂选自B，Ti，Zr或RE且含量小于0.05wt％，其余为Zn及总量不大于0.5wt％的杂质。本发明得到的低铅易切削镁黄铜合金，其低铅含量符合饮用水系统零部件中铅的析出量标准，避免了铅对环境污染和人体危害的问题；同时，该合金获得优异的切削性能、铸造性能、力学性能、耐腐蚀性能、冷热加工成型性能等，并且适用于重力铸造和低压铸造。

Description

一种低铅易切削镁黄铜合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及黄铜合金，特别涉及一种低铅易切削镁黄铜合金及其制备方法。

背景技术

铅黄铜因具有良好的冷热成型性能、切削加工性能和耐腐蚀性能等，而被广泛应用于电子及日用五金等行业，但铅黄铜中铅的含量较高，容易析出而污染环境，尤其应用在饮用水系统时，对人体会造成严重的危害。世界各国陆续出台相应的法规对铜合金中的铅含量进行严格的限令，我国GB/T 18145-2014《陶瓷片密封水嘴》也规定饮用水系统零部件中铅的析出量应小于5μg/L。然而，铅含量的降低会导致黄铜合金的加工性能大幅下降，因此开发新的黄铜合金以降低铅的含量同时保有良好的加工性能成为行业发展的必然趋势。目前，用于取代铅黄铜的无铅、低铅黄铜主要有铋黄铜、锑黄铜和锰黄铜等，但综合性能仍然难以满足实际应用的需求。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供一种综合性能优异的低铅易切削镁黄铜合金及其制备方法。

本发明的技术方案为：

一种低铅易切削镁黄铜合金，按质量百分比计，该合金由以下组分组成：59.0-63.0wt％Cu，0.5-2wt％Al，0.1-2wt％Mg，0.1-0.2wt％Mn，0.1-0.2wt％Sn，0.1-0.2wt％Pb，0.05-0.1wt％P，至少一种变质剂选自B，Ti，Zr或RE且含量小于0.05wt％，其余为Zn及总量不大于0.5wt％的杂质。

可选的，按质量百分比计，该合金由以下组分组成：59.0-63.0wt％Cu，0.5-1.2wt％Al，0.8-1.6wt％Mg，0.1-0.2wt％Mn，0.1-0.2wt％Sn，0.1-0.2wt％Pb，0.05-0.1wt％P，至少一种变质剂选自B，Ti，Zr或RE且含量小于0.05wt％，其余为Zn及总量不大于0.5wt％的杂质。

可选的，该合金由以下组分组成：59.0-63.0wt％Cu，0.5-1.2wt％Al，0.8-1.6wt％Mg，0.15-0.2wt％Mn，0.1-0.2wt％Sn，0.1-0.2wt％Pb，0.05-0.1wt％P，至少一种变质剂选自B，Ti，Zr或RE且含量小于0.05wt％，其余为Zn及总量不大于0.5wt％的杂质。

可选的，按质量百分比计，该合金由以下组分组成：59.0-63.0wt％Cu，0.5-1.2wt％Al，0.8-1.6wt％Mg，0.15-0.2wt％Mn，0.1-0.15wt％Sn，0.1-0.2wt％Pb，0.05-0.1wt％P，至少一种变质剂选自B，Ti，Zr或RE且含量小于0.05wt％，其余为Zn及总量不大于0.5wt％的杂质。

可选的，按质量百分比计，该合金由以下组分组成：60.5-63.0wt％Cu，0.5-1.2wt％Al，0.8-1.6wt％Mg，0.15-0.2wt％Mn，0.1-0.15wt％Sn，0.1-0.2wt％Pb，0.05-0.1wt％P，至少一种变质剂选自B，Ti，Zr或RE且含量小于0.05wt％，其余为Zn及总量不大于0.5wt％的杂质。

一种上述低铅易切削镁黄铜合金的制备方法包括以下步骤：

步骤1，将金属铜原料置于感应电炉底层，添加清渣精炼剂并使用木炭覆盖，升温至1050～1150℃，直至物料全部熔化，滤去浮渣及杂质；

步骤2，调节温度至1000～1050℃，加入0#锌并迅速压入炉底，待熔化后充分搅拌；

步骤3，添加铝锭、锡锭、铅锭、镁锭，充分搅拌；

步骤4，添加Cu-P中间合金，Cu-Mn中间合金；其中Cu-P中间合金中磷的质量百分比为10～15％，Cu-Mn中间合金中Mn的质量百分比为25-30％；

步骤5，添加变质剂硼、钛、锆或稀土元素，升温至1050～1150℃，喷火、搅拌并保温2～3分钟；

步骤6，1000～1050℃静置保温10～20分钟，使合金均匀以及杂质浮起，滤去浮渣及杂质；

步骤7，升温至1050～1100℃出炉浇注。

在本发明中Cu和Zn的作用主要就是为形成基体相α和β(CuZn)相。其中α相具有与铜相同的晶格(面心立方),并随含Zn量的增加由紫变黄,质软而塑性大；β相是以CuZn化合物为基的固溶体，具有体心立方晶格，呈灰黄色，强度和硬度比α相大，塑性比α相小，但比α相具有高的高温塑性。根据Cu-Zn二元合金相图，基体中α相和β相两相百分比含量很大程度上由铜、锌含量的影响。锌可大量固溶于铜，铜中的锌在不同的浓度范围内表现出不同的晶格结构，黄铜中锌的主要作用有提高材料的机械强度、硬度，同时对铜的加工塑性降低较小；锌有脱气的作用，将锌加入铜中，高温熔体中溶解产生的气体会被锌带走；当Cu含量低于59％时，易出现γ相，γ相在室温下质硬且脆，且γ相中Zn含量较高，易发生脱锌腐蚀；当Cu含量高于63％时材料成本较高。因此综合考虑本发明合金中Cu的添加量在59％～63％范围内。

镁为本发明合金的重要添加合金元素，其锌当量系数为2，在铜中的最大固溶度3.3％。镁在合金中一般起着有脱氧、细化晶粒的作用，但是在本发明合金中，镁的主要作用是改善合金的切屑性能。随着镁含量的增加，合金相组织由α相和β相双相逐渐变为三相，即α相、β相和Cu2Mg相。当镁黄铜中镁含量低于0.1％时,合金由α相和β相组成；随着镁含量的增加，Cu2Mg相在增加，从而导致合金的切削性能也在增加；因镁有脱氧作用，合金造渣能力较强，所以合金在熔炼、浇铸过程中随着镁含量的增加，炉渣也在增多。因此本发明合金镁含量在0.1～2wt％之间，最优成分范围在0.8～1.6％之间。

铝的锌当量系数为6，使Cu-Zn二元相图的相界线向左移，缩小α及β相区域，因此铝能提高黄铜强度和硬度而降低塑性,铝是黄铜的强化元素。同时铝在熔炼过程中还可以减少Zn的蒸发。铝还可以提高合金的流动性。Al含量低于0.5％，则合金的流动性能变差，Al含量高于2％，则合金固溶强化严重，材料硬度偏高，不利于切削加工。因此本发明合金中铝的含量为0.5～2％，最优成分范围在0.5～1.2％之间。

在本发明中，随着Mg含量的增加，当Mg/Al大于1时，合金基体中会出现铝元素与镁元素形成的中间相Mg₂Al₃。Mg₂Al₃呈面心立方结构，脆而不硬，在常温下，Mg₂Al₃类似游离的Pb相一样弥散分布在发明合金基体中，使加工过程中的切削呈崩脆状，起到了与铅类似的断屑作用。因此铝元素与镁元素形成的中间相Mg₂Al₃对发明合金的切削性能有一定的补充作用。

随着镁含量增加，发明合金的抗腐蚀性能逐渐降低。在本发明中，加铝的另一个主要目的就是提高黄铜耐蚀性能。随着铝元素含量的增加，铝元素的离子化趋势比Zn大，能优先与腐蚀介质中的氧气结合，并发生反应生产致密而坚硬的氧化铝膜，阻止合金进一步被腐蚀。以铝作为提高黄铜耐蚀性能的主要元素，降低了材料成本。

磷在铜中的固溶度极小(最大固溶度为1.75％)，且随着温度的下降，固溶度急剧下降；少量磷能细化晶粒，提高黄铜的力学性能，磷还能提高铜熔体的流动性，从而对铜的焊接性能有良好影响；同时少量的Cu、P金属间化合物Cu₃P对于合金的切削性能有一定的补充作用，但是P含量太高，合金易产生热脆。因此本方明合金中磷的添加量小于0.1％。

铅几乎不固溶于黄铜基体中(在α黄铜中的溶解度小于0.03％,)，在本发明合金中少量的铅以游离相分布于基体相中，游离的铅质点使加工过程中的切削呈崩脆状，起到断屑的作用,有效的改善合金机械加工性能。黄铜中随着铅的含量的增加，其的切削性能随之增加，当铅含量在1％～2％时，切削性能最佳。但铅元素危害人体健康，污染环境，根据GB18145-2014规定，铅元素的金属析出量应小于5ug/L，所以本发明合金的铅含量为0.1～0.2％，对合金的切削性能起到一定补充作用。

锡的熔点低，沸点较高，在熔炼时不容易挥发。在黄铜合金中加入少量的锡，可提高黄铜的强度和硬度，但锡的作用主要还是抑制黄铜脱锌，提高其耐腐蚀性能，故本发明合金中锡的含量为0.1～0.2％。

锰的锌当量系数是0.5,故对黄铜的组织无太大影响,但是加入少量便能显著提高黄铜的力学性能和对海水氯化物及过热蒸气的耐蚀性能。本发明合金中锡的含量为0.1～0.2％。

稀土元素、硼和钛是铜合金比较常用的细化元素，通过细化剂的加入，基体相的晶粒得到细化，金属间化合物Cu3P/Cu2Mg、铅相等弥散分布于基体相之中。使得发明合金在力学性能和切削性能上得到提升。本发明添加一种或者两种细化元素，其总含量为0.001～0.05wt％。

本发明得到的低铅易切削镁黄铜合金，其低铅含量符合饮用水系统零部件中铅的析出量标准，避免了铅对环境污染和人体危害的问题；同时，该合金获得优异的切削性能、铸造性能、力学性能、耐腐蚀性能、冷热加工成型性能等，并且适用于重力铸造和低压铸造。

具体实施方式

本申请的一种低铅易切削镁黄铜合金的组成为：59.0-63.0wt％Cu，0.5-2wt％Al，0.1-2wt％Mg，0.1-0.2wt％Mn，0.1-0.2wt％Sn，0.1-0.2wt％Pb，0.05-0.1wt％P，至少一种变质剂选自B，Ti，Zr或RE且含量小于0.05wt％，其余为Zn及总量不大于0.5wt％的杂质。

其制备方法为：

步骤1，将金属铜原料置于感应电炉底层，添加清渣精炼剂并使用木炭覆盖，升温至1050～1150℃，直至物料全部熔化，滤去浮渣及杂质；

步骤2，调节温度至1000～1050℃，加入0#锌并迅速压入炉底，待熔化后充分搅拌；

步骤3，添加铝锭、锡锭、铅锭、镁锭，充分搅拌；

步骤4，添加Cu-P中间合金，Cu-Mn中间合金；其中Cu-P中间合金中磷的质量百分比为10～15％，Cu-Mn中间合金中Mn的质量百分比为25-30％；

步骤5，添加变质剂硼、钛、锆或稀土元素，升温至1050～1150℃，喷火、搅拌并保温2～3分钟；

步骤6，1000～1050℃静置保温10～20分钟，使合金均匀以及杂质浮起，滤去浮渣及杂质；

步骤7，升温至1050～1100℃出炉浇注。

采用上述方法制得实施例1-9的不同配比的低铅易切削镁黄铜合金，其成分组成如表1所示，并采用市售的硅黄铜和铅黄铜ZCuZn40Pb2作为对比样品。

表1：

实施例1-9的低铅易切削镁黄铜合金及对比样品的性能测试结构如表2所示，其中：

1、抗脱锌腐蚀性能

试验合金为铸态，脱锌腐蚀试验根据国标GB/T 10119-2008《黄铜耐脱锌腐蚀性能的测定》执行，平均脱锌层深度越小表明黄铜合金的抗脱锌腐蚀性能越优异；

2、切削性能

切削性能试样为铸态，并统一加工成φ20mm的圆棒，采用相同的刀具、切削速度和进刀量切削外圆，采用KISTLER 5070测力仪分别测量本发明合金的切削阻力，以ZCuZn40Pb2合金的切削率为100％，根据以下公式，计算出相对切削率。

相对切削率(ω)＝F(ZCuZn40Pb2的切削阻力)/F(检测合金的切削阻力)×100％

试验中，采用相同的刀具型号，转速：1500r/min，每转进给：0.2mm/r。

3、金属污染物析出

金属污染物析出检测按照国标GB/T 18145-2014《陶瓷片密封水嘴》执行，铅析出统计值Q应不大于5μg/L。

4、力学性能

抗拉强度、延伸率根据GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：试验方法》执行。

5、铸造收缩性能

体收缩试样：用以评价合金的集中缩孔、分散缩孔和疏松。体收缩试样的集中缩孔表面光滑、无可见疏松、试样剖面无肉眼可见分散缩孔为优，用“○”表示；集中缩孔表面较光滑，其底部肉眼可见疏松深度小于5mm，试样剖面无肉眼可见分散缩孔为良，用“△”表示；集中缩孔表面不光滑，其底部肉眼可见疏松深度大于5mm，不管剖面有无分散缩孔，用“×”表示。铸造收缩性能以体收缩模具测得的相对体积收缩率(ψ)判定，体收缩样的原始体积为V0，体收缩样收缩孔洞体积为VS(用滴水法测试)，则相对体积收缩率(ψ)的计算公式为：

相对收缩率(ψ)＝(体收缩样缩孔体积VS/体收缩样原始体积V0)*100％。

表2：

由上述性能测试比较可见，本发明较佳实施例得到的黄铜合金，其抗脱锌性能和切屑性能均优于硅黄铜，抗拉强度及抗金属析出性能均接近硅黄铜且优于铅黄铜，切屑性能更为接近市售铅黄铜。可见，本发明得到的黄铜合金集合了硅黄铜和铅黄铜两者的优势，综合性能优异，适用于重力铸造和低压铸造。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种低铅易切削镁黄铜合金及其制备方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种低铅易切削镁黄铜合金，其特征在于，按质量百分比计，该合金由以下组分组成：59.0-63.0wt％Cu，0.5-2wt％Al，0.1-2wt％Mg，0.1-0.2wt％Mn，0.1-0.2wt％Sn，0.1-0.2wt％Pb，0.05-0.1wt％P，至少一种变质剂选自B，Ti，Zr或RE且含量小于0.05wt％，其余为Zn及总量不大于0.5wt％的杂质。

2.根据权利要求1所述的低铅易切削镁黄铜合金，其特征在于，按质量百分比计，该合金由以下组分组成：59.0-63.0wt％Cu，0.5-1.2wt％Al，0.8-1.6wt％Mg，0.1-0.2wt％Mn，0.1-0.2wt％Sn，0.1-0.2wt％Pb，0.05-0.1wt％P，至少一种变质剂选自B，Ti，Zr或RE且含量小于0.05wt％，其余为Zn及总量不大于0.5wt％的杂质；其中质量百分比Mg/Al＞1。

3.根据权利要求1所述的低铅易切削镁黄铜合金，其特征在于，按质量百分比计，该合金由以下组分组成：59.0-63.0wt％Cu，0.5-1.2wt％Al，0.8-1.6wt％Mg，0.15-0.2wt％Mn，0.1-0.2wt％Sn，0.1-0.2wt％Pb，0.05-0.1wt％P，至少一种变质剂选自B，Ti，Zr或RE且含量小于0.05wt％，其余为Zn及总量不大于0.5wt％的杂质；其中质量百分比Mg/Al＞1。

4.根据权利要求1所述的低铅易切削镁黄铜合金，其特征在于，按质量百分比计，该合金由以下组分组成：59.0-63.0wt％Cu，0.5-1.2wt％Al，0.8-1.6wt％Mg，0.15-0.2wt％Mn，0.1-0.15wt％Sn，0.1-0.2wt％Pb，0.05-0.1wt％P，至少一种变质剂选自B，Ti，Zr或RE且含量小于0.05wt％，其余为Zn及总量不大于0.5wt％的杂质；其中质量百分比Mg/Al＞1。

5.根据权利要求1所述的低铅易切削镁黄铜合金，其特征在于，按质量百分比计，该合金由以下组分组成：60.5-63.0wt％Cu，0.5-1.2wt％Al，0.8-1.6wt％Mg，0.15-0.2wt％Mn，0.1-0.15wt％Sn，0.1-0.2wt％Pb，0.05-0.1wt％P，至少一种变质剂选自B，Ti，Zr或RE且含量小于0.05wt％，其余为Zn及总量不大于0.5wt％的杂质；其中质量百分比Mg/Al＞1。

6.一种权利要求1～5任一项所述的低铅易切削镁黄铜合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，将金属铜原料置于感应电炉底层，添加清渣精炼剂并使用木炭覆盖，升温至1050～1150℃，直至物料全部熔化，滤去浮渣及杂质；

步骤2，调节温度至1000～1050℃，加入0#锌并迅速压入炉底，待熔化后充分搅拌；

步骤3，添加铝锭、锡锭、铅锭、镁锭，充分搅拌；

步骤4，添加Cu-P中间合金，Cu-Mn中间合金；其中Cu-P中间合金中磷的质量百分比为10～15％，Cu-Mn中间合金中Mn的质量百分比为25-30％；

步骤5，添加变质剂硼、钛、锆或稀土元素，升温至1050～1150℃，喷火、搅拌并保温2～3分钟；

步骤6，1000～1050℃静置保温10～20分钟，使合金均匀以及杂质浮起，滤去浮渣及杂质；

步骤7，升温至1050～1100℃出炉浇注。