CN1461815A - 无铅易切削黄铜合金材料和它的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供无铅易切削黄铜合金材料和它的制造方法。无铅黄铜合金不含有铅，而且不添加价格昂贵的铈镧合金、锑、镍，具有优良的切削性能、耐蚀性能、热加工性能(特别是热铸造性能)、机械性能。其制造方法是：本合金含有重量％铜：60.0～62.0％、铋：0.5～2.2％、铝：0.01～0.1％、锡：0.5～1.6％、磷：0.04～0.15％，而且其余为锌和不可避免的杂质成分，在460～600℃温度下进行30分～4小时热处理，以70℃/小时以下的冷却速度缓冷。
Description
技术领域
本发明涉及不含铅的黄铜合金，是关于切削性能、耐蚀性能、热加工性能、机械性能优良的无铅易切削黄铜合金材料和它的制造方法的发明。
背景技术
切削性能优良的黄铜合金例如大家知道的有“JIS H3250 C3601”、“JIS H3250 C3604”、“JIS H3250 C3771”。这些黄铜合金是通过含1.0～3.7％(重量)的铅来保证切削性能的。
含铅的黄铜合金材料由于具有优良的切削性能，现在作为很多制品(例如作为一般配管用的水龙头配件、阀杆等)的结构材料使用。此外作为与水接触的部件使用的情况下，存在有脱锌腐蚀的问题，为此近年来逐渐使用耐脱锌黄铜合金。
现有的耐脱锌黄铜合金，例如在特公昭61-58540号公报中，发表了在Cu-Zn-Sn系铜合金中添加Pb、Fe、Ni、Sb，提高耐脱锌性的合金。
发明内容
上述现有的黄铜合金材料中由于含有1.0～3.7％(重量)的铅，例如在合金熔解、铸造等高温作业时产生的金属蒸汽含有铅的成分，切削加工时和磨削加工时产生的粉尘也含有铅的成分。再有水龙头配件和阀等的制品使用时，存在有从与水接触的部位溶解出铅的问题。由于防止脱锌腐蚀的耐脱锌黄铜合金也含有铅，所以也产生同样的结果。
铅作为对人体和环境有恶劣影响的环境负荷物质，近年来世界上出现了大幅度限制铅的用途的动向。为此有的用硅代铅，提高铜的重量百分比，但有难以切削的问题。也有用铋代铅的易切削黄铜材料，由于含有铈镧合金和锑、镍等，价格高。
此外这种合金为了使铸锭的晶粒细化有的添加铁，未固溶的或析出的铁不仅对耐蚀性有不好的影响，还存在有消耗磷等其他有用元素的缺点。
鉴于上述情况，本发明的目的是提供无铅易切削黄铜合金和它的制造方法，这种黄铜合金不含铅，而且不要添加昂贵的铈镧合金和锑、镍，具有高的切削性能、耐蚀性能、热加工性能(特别是热铸造性能)、机械性能。
为达到上述目的，本发明第一：无铅易切削黄铜合金的金属成分是由含有重量％铜：60.0～62.0％、铋：0.5～2.2％、铝：0.01～0.1％、锡：0.5～1.6％、磷：0.04～0.15％，其余为锌和不可避免的杂质组成。
第二：无铅易切削黄铜合金的金属成分是由在60/40黄铜材料中添加重量％为0.5～2.2％的铋、0.01～0.1％铝、03～1.6％锡、0.04～0.15％磷中选一种或两种以上的元素，以及不可避免的杂质组成。通过这样的组成可以得到与现有用含铅的方法得到的易切削黄铜大体相同的切削性能，而且铸造性能也好。
第三：无铅易切削黄铜合金材料制造方法的特征是：具有由含有重量％铜：60.0～62.0％、铋：0.5～2.2％、铝：0.01～0.1％、锡：0.5～1.6％、磷：0.04～0.15％，其余为锌和不可避免的杂质组成的金属成分，在460～600℃温度下进行30分～4小时热处理，以70℃/小时以下的冷却速度缓冷。这种热处理主要是为了进一步提高耐蚀性能。
下面对本发明的合金材料中限定金属元素种类和添加量的原因进行说明。
(1)铋
铋是为了改善切削性能、提高耐镀性能而加入的。铋与铅相同，不固溶于基体，由于是以弥散的微小颗粒存在，所以能起到断开切削加工时生成的切屑的作用，以及在切削工具和被加工材料表面之间润滑的作用，提高切削性能。再有铋也和铅一样是重金属，但没有人指出它是对人体有害的物质。可是铋在铅之上，熔点低，在黄铜热加工中是以熔融的状态存在，而且由于这些颗粒在晶界移动，担心会促进裂纹生长。因此铋重量％的上限定为2.2％。另，要得到良好的切削性能必须在0.5％(重量)以上。
(2)铝
铝是为了强化基体的同时提高热加工性能而添加的。这样可以改善机械性能，而且可以改善热锻性能。少量添加还有改善耐蚀性能的效果，而小于0.01％没有效果。但铝的添加量多的话切削性能降低，所以上限定为0.1％(重量)。
(3)锡
锡是为了提高耐蚀性能添加的。此外添加锡在热加工时有抑制铋向晶界移动的效果。锡在进行后述的热处理时，发生从β相向α+γ相共析转变，可以消除β相。利用添加0.5％(重量)以上的锡能发挥这样的效果。可是锡的加入量超过1.6％(重量)的话，硬脆的γ相变多，使延展性降低，抽芯不起作用。
(4)磷
添加磷与添加的锡和铝合在一起，用于抑制脱锌腐蚀。此外还在熔解、铸造时起脱氧剂的作用，在提高铸造性能和完整性的同时，与铜结合形成Cu3P金属间化合物，提高耐磨性能。此外还有补偿铋带来的脆化作用。磷加入量多的情况下在晶界产生偏析，降低延展性。再有晶界腐蚀的敏感性提高。但是由于适当利用磷偏析在晶界，抑制铋向晶界的移动，通过适当加入磷能提高热加工性能。考虑到这一点，磷适宜的加入量为0.04～0.15％(重量)。
(5)铜
一般是在铜含量在61.5％(重量)以上的情况下，黄铜的铸造材料和热加工材料中多为α相，为了得到单相α组织铜含量必须在63.0％(重量)以上。也就是作为以耐脱锌腐蚀性能为主，考虑到会从α相以外的相(特别是β相)组织产生的话，从耐蚀性能和机械性能方面看，铜含量必须在63.0％(重量)以上。可是热加工后进行适当的热处理的话，铜含量即使是60.0％(重量)，利用与上述锡的累积的效果，可以得到稳定的α相组织。另一方面铜含量增加的话，虽然容易得到α相，而且能提高耐蚀性能，但是相反也会在抗拉强度和硬度降低的同时热加工性能恶化。也就是为了确保优良的热加工性能，在热加工温度区域含有大量β相(50％以上)是必要的，把坯料热加工时加热情况下，坯料的合金组织要相变为两相组织(α+β组织)，铜含量多的情况下，得到含50％以上β相的相变组织是非常困难的。当然含有多少β相取决于铜与其他添加元素的配比，至少铜的配入量超过62.0％(重量)情况下，在上述本发明的成分范围内，不管把铜和锌、锡的配比搞成什么样，在热加工温度范围要得到50％以上的β相是困难的。因此适宜的铜含量定为60.0～62.0％(重量)。
(6)锌
其余的锌强化此合金的基体。在此合金中其余的锌含量希望从约34％到40％范围，热加工性能好，强度也高。
铅即使是作为含有的杂质只要在不超过0.1％(重量)范围是允许的。这种程度的铅含量不会有含铅粉尘造成的公害问题。这种程度的铅含量即使溶解在饮水中和排水中，对环境和人都不会带来什么恶劣影响。
如上所述，本发明的合金材料中铝和磷、磷和铜、磷和锡、磷和铋、铜和锡、锡和铋相互作用，产生累积的效果，选择最适当的添加量以得到这样累积的效果。通过适当的热处理能保证优良的耐蚀性能。
用本发明的合金材料由于不含铅(作为杂质允许有不超过0.1％(重量)范围的铅)，能防止对人体和环境有恶劣影响的、所谓的铅公害。利用规定量的铋代替铅，可以进一步提高切削性能和耐镀性能。添加规定量的磷，与锡一起抑制铋向晶界移动，利用规定余量的锌、铜含量和锡的累积效果、适当的热处理方法、以及此时规定量锡的作用和效果等一起，能提高热加工性能。
此外本发明的合金材料即使与添加铈镧合金、锑、镍等贵金属以改善切削性能的材料相比，一点也不差，具有更好的切削性能，因此不受因高成本使用途受到限制，价格便宜，可以用于一般配管用的水龙头配件、阀杆等。再加上由于要避免用铁元素，添加规定量铝，所以与添加铁相比改善了耐蚀性能，热加工性能特别是热锻性能好。
本发明的合金材料添加规定量的磷，与添加的锡一起抑制脱锌腐蚀，磷与铜结合形成Cu3P金属间化合物，提高耐磨性能。此外还补偿铋引起的脆化作用。
在本发明的合金中，含有规定量的铋，同时含有从规定量的铝、锡、磷中选取1种或2种以上的元素，使铸锭中铋弥散细化，防止铋的偏析。铝、锡、磷在液态金属中都与铋共存，具有使铋弥散细化的效果。本发明的这种无铅易切削黄铜合金材料为Cu-Zn-Bi系合金，合金中含有铋，不象现有Cu-Zn-Bi系合金那样在制造时因铋偏析造成铸锭裂纹(中心裂纹)，容易铸造。
[实施例]
实施例是把表1成分的铸锭(外径60mm、长度200mm的圆柱形)热挤压(750℃)成外径16mm的圆棒，在580℃进行4小时热处理，以50℃/小时的冷却速度炉冷。然后进行冷拔，制成外形15mm圆棒。对比例合金材料(表2)也进行同样的加工成形。
[表1]实施例合金材料 重量％
| 试样No. | Cu | Zn | Bi | Al | Sn | P | Pb | 备注 |
| 1 | 61.14 | Bal | 1.86 | 0.02 | 0.75 | 0.05 | 0.05 | |
| 2 | 61.48 | Bal | 1.82 | 0.01 | 0.97 | 0.08 | 0.09 | |
| 3 | 61.20 | Bal | 2.05 | 0.03 | 0.55 | 0.09 | 0.05 | |
| 4 | 60.21 | Bal | 1.80 | 0.04 | 0.89 | 0.04 | 0.06 | |
| 5 | 61.26 | Bal | 1.86 | 0.02 | 0.82 | 0.06 | 0.05 | |
| 6 | 61.34 | Bal | 1.93 | 0.02 | 0.94 | 0.07 | 0.001 | |
| 7 | 61.50 | Bal | 1.80 | 0.03 | 1.12 | 0.08 | 0.05 | |
| 8 | 61.50 | Bal | 1.82 | 0.03 | 1.10 | 0.08 | 0.05 | |
| 9 | 61.50 | Bal | 1.82 | 0.05 | 1.10 | 0.12 | 0.05 | |
| 10 | 61.50 | Bal | 1.85 | 0.05 | 1.05 | 0.14 | 0.05 | |
| 11 | 61.82 | Bal | 1.84 | 0.06 | - | - | 0.04 | |
| 12 | 61.73 | Bal | 1.91 | - | 1.22 | - | 0.04 | |
| 13 | 61.91 | Bal | 1.83 | - | - | 0.10 | 0.05 | |
| 14 | 61.68 | Bal | 1.90 | 0.05 | 1.15 | - | 0.05 | |
| 15 | 60.38 | Bal | 2.00 | - | 1.13 | 0.09 | 0.01 | |
| 16 | 61.66 | Bal | 1.94 | 0.07 | - | 0.11 | 0.06 |
Bal＝余量
[表2]对比例合金材料 重量％
| 试样No. | Cu | Zn | Bi | Al | Sn | P | Pb | 备注 | ||
| 21 | 60.51 | Bal | - | 0.005 | 0.15 | - | 3.08 | JISH3250C3601 | ||
| 22 | Bal | 37 | - | 0.006 | 0.02 | - | 2.5 | JISH3250C3604 | ||
| 23 | 58.5 | Bal | - | 0.005 | 0.15 | - | 2.3 | JISH3250C3771 | ||
| 24 | 61.05 | Bal | - | 0.03 | 0.31 | 0.05 | 2.56 | 耐脱锌黄铜合金 | ||
| 25 | Bal | 38.1 | 2.1 | 0.02 | - | - | - | 铈镧合金0.32 | 加铈镧合金 | |
| 26 | 61.08 | Bal | 2.1 | 0.03 | 0.88 | 0.06 | - | 铈镧合金1.1 | 加铈镧合金 | |
| 27 | 61.12 | Bal | 1.86 | 0.02 | 0.73 | 0.05 | 0.05 | Ni0.30 | 加Ni | |
| 28 | 61.24 | Bal | 1.82 | 0.03 | 0.80 | 0.06 | 0.05 | Sb0.06 | 加Sb | |
| 29 | 61.18 | Bal | 1.83 | 0.15 | 0.97 | 0.06 | 0.05 | Al超过0.1 | ||
| 30 | 61.23 | Bal | 1.86 | 0.02 | 0.92 | 0.18 | 0.06 | P超过0.15 |
Bal＝余量
切削性能的评价是一般铜和铜合金的切削性能试验方法(准备量筒，收集切屑，利用自然落下来填充量筒)，即用所谓的切屑形态试验方法进行。转数为950rpm/min、送进量为0.18mm/rev，吃刀深度为0.5mm。
其次为了观察热锻性能，把外径15mm的圆棒切断成15mm长，在720℃、770℃加热条件下，在轴线方向以60％的压缩率压缩(试样的长度从15mm压缩到6.0mm)，用目测判断压缩后的表面状态。试样表面不产生裂纹的表示为“○”、产生小裂纹的表示为“△”、产生大裂纹的表示为“×”。
为了观察耐脱锌性能，用“ISO 6509”规定的方法进行了脱锌腐蚀试验。外径15mm圆棒切成10mm长，埋入酚醛树脂中，暴露的试样表面与圆棒的轴线方向成直角，用砂纸把试样表面研磨到1200号以后，在纯水中用超声波清洗，干燥后供试验使用。脱锌腐蚀深度小于100μm的表示为“○”、脱锌腐蚀深度在100～200μm的表示为“△”、脱锌腐蚀深度在200μm以上的表示为“×”。
[表3]试验结果
| 试样No. | 热加工性能 | 机械性能 | 切削性能 | 耐蚀性能 | |
| 720℃变形 | 770℃变形 | 抗拉强度(N/mm2) | 切屑形态 | 脱锌腐蚀深度 | |
| 1 | ○ | ○ | 402 | ○ | ○ |
| 2 | ○ | ○ | 396 | ○ | ○ |
| 3 | ○ | ○ | 408 | ○ | ○ |
| 4 | ○ | ○ | 418 | ○ | ○ |
| 5 | ○ | ○ | 400 | ○ | ○ |
| 6 | ○ | ○ | 400 | ○ | ○ |
| 7 | ○ | ○ | 403 | ○ | ○ |
| 8 | ○ | ○ | 406 | ○ | ○ |
| 9 | ○ | ○ | 418 | ○ | ○ |
| 10 | ○ | ○ | 422 | ○ | ○ |
| 11 | △ | ○ | 435 | ○ | △ |
| 12 | ○ | ○ | 400 | ○ | △ |
| 13 | △ | ○ | 395 | ○ | △ |
| 14 | ○ | ○ | 440 | ○ | ○ |
| 15 | ○ | ○ | 421 | ○ | ○ |
| 16 | △ | ○ | 448 | ○ | ○ |
| 21 | × | △ | 364 | ○ | × |
| 22 | × | △ | 375 | ○ | × |
| 23 | ○ | ○ | 350 | ○ | × |
| 24 | △ | ○ | 400 | ○ | ○ |
| 25 | ○ | ○ | 406 | ○ | × |
| 26 | ○ | ○ | 414 | ○ | ○ |
| 27 | ○ | ○ | 418 | ○ | ○ |
| 28 | ○ | ○ | 410 | ○ | ○ |
| 29 | ○ | ○ | 472 | × | ○ |
| 30 | × | △ | 401 | ○ | ○ |
Claims (11)
1.无铅易切削黄铜合金材料，其金属组成为含有重量％铜：60.0～62.0％、铋：0.5～2.2％、铝：0.01～0.1％、锡：0.5～1.6％、磷：0.04～0.15％，其余为锌和不可避免的杂质。
2.无铅易切削黄铜合金材料，其金属成分是由在60/40黄铜材料中添加重量％为0.5～2.2％的铋、0.01～0.1％铝、0.5～1.6％锡、0.04～0.15％磷中选一种或两种以上的元素，以及不可避免的夹杂物组成。
3.无铅易切削黄铜合金材料，其金属成分由含有重量％铜：60.0～62.0％、铋：0.5～2.2％、铝：0.01～0.1％，其余为锌和不可避免的杂质组成。
4.无铅易切削黄铜合金材料，其金属成分由含有重量％铜：60.0～62.0％、铋：0.5～2.2％、锡：0.5～1.6％，其余为锌和不可避免的杂质组成。
5.无铅易切削黄铜合金材料，其金属成分由含有重量％铜：60.0～62.0％、铋：0.5～2.2％、磷：0.04～0.15％，其余为锌和不可避免的杂质组成。
6.无铅易切削黄铜合金材料，其金属成分由含有重量％铜：60.0～62.0％、铋：0.5～2.2％、铝：0.01～0.1％、锡：0.5～1.6％，其余为锌和不可避免的杂质组成。
7.无铅易切削黄铜合金材料，其金属成分由含有重量％铜：60.0～62.0％、铋：0.5～2.2％、铝：0.01～0.1％、磷：0.04～0.15％，其余为锌和不可避免的杂质组成。
8.无铅易切削黄铜合金，其金属成分由含有重量％铜：60.0～62.0％、铋：0.5～2.2％、锡：0.5～1.6％、磷：0.04～0.15％，其余为锌和不可避免的杂质组成。
9.如权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的无铅易切削黄铜合金材料，其特征为：铅即使是作为含有的杂质，其含量不超过0.1重量％。
10.无铅易切削黄铜合金材料的制造方法，其特征为：将重量％铜：60.0～62.0％、铋：0.5～2.2％、铝：0.01～0.1％、锡：0.5～1.6％、磷：0.04～0.15％，其余为锌和不可避免的杂质构成的金属成分，在460～600℃温度下进行30分～4小时的热处理，以70℃/小时以下的冷却速度缓冷。
11.如权利要求10所述的无铅易切削黄铜合金材料的制造方法，其特征为：铅即使是作为含有的杂质，其含量也不超过0.1重量％。
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