CN101386931B - 环保易切削无铅铜合金材料及加工工艺 - Google Patents

Abstract

一种环保易切削铜合金材料由Zn30～45、Al0.05～2.0、Fe≤1.0、B≤0.5、Ti≤0.5；稀土元素RE系中的一种或一种以上的元素≤0.3、Pb≤0.01、Sb≤0.1、不可避免的杂质≤0.3、余量为Cu中再加入P0.05～1.6，或加入Si0.05～3.0，或加入Mg0.1～3.0，或加入Si+Sn：0.05～3.0+0.05～0.5，或加入Si+Sn+Mn0.05～3.0+0.05～0.5+0.05～0.5进行配料，配料后熔铸成坯料。拉伸延伸系数控制在1.05～2.6。退火温度控制在300～400℃。该铜合金具有铅黄铜切削性能，加工工艺简化，省去了中间退火，降低了加工成本。

Description

环保易切削无铅铜合金材料及加工工艺

技术领域

本发明属于铜合金材料技术领域，尤其涉及到一种环保易切削铜合金材料及加工工艺。

背景技术

铅黄铜具有优良的易切削、力学、物理等性能，是广泛使用的一种铜合金，发达国家仅黄铜水管的使用率就高达90％以上。

易切削铅黄铜为两相黄铜，铅以细小颗粒弥散分布于晶内和晶界，铅黄铜废弃物中的铅极易进入土壤，如被焚烧还会进入大气，特别是当铅黄铜用作水龙头、管接头等饮用水管道配件时，铅会在水中物质的作用下浸出而进入水中，因为铅是一种有害元素，可对环境及人体造成严重危害，因而其应用日益受到严格限制。

为了降低铅的有害作用，科研人员对黄铜的腐蚀性能进行了***研究，并采取了多种措施，如添加锡、镍等合金元素来提高铅黄铜的耐蚀性能，或将可溶性的铅去除等，但这些方法无法从根本上消除铅的有害作用。

随着人们对环境保护的意识越来越高，对外环保材料需要越来越迫切。美日欧等已立法，将逐步禁止在饮用水管道配件、玩具和家用电器等产品中使用含铅铜合金。

铅黄铜被无铅黄铜取代是一个必然趋势，易切削无铅环保铜合金的需求市场将非常大。近年来合金中采用加入铋、锑替代铅组成易切削铜合金来达到环保无铅化目的，但铋资源有限且价格昂贵，美国NSF61对锑的控制也较为严格，锑溶出值标准为0.6μg/L，仅次于对镉的控制，同时锑对人体健康有不利影响，可见锑的应用有局限性，所以开发替代的环保易切削无铅铜合金意义十分重大。

发明内容

为解决上述不足之处，本发明提供了一种环保易切削铜合金材料及加工工艺，该铜合金材料的构成具备有铅黄铜的切削性能，其加工工艺简化，省去了中间退火工序，降低了加工成本。

为了实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

所述的环保易切削铜合金材料，其铜合金材料按重量百分比分两组分构成如下：

I、定组分

Zn：30～45；Al：0.05～2.0；Fe≤1.0；B≤0.5；Ti≤0.5；稀土元素RE系中的一种或一种以上的元素≤0.3；Pb≤0.01；Sb≤0.1；不可避免的杂质≤0.3；余量为Cu；

II、不定替换组分

P：0.05～1.6，或是Si：0.05～3.0，或是Mg：0.1～3.0，或是Si+Sn：0.05～3.0+0.05～0.5，或是Si+Sn+Mn：0.05～3.0+0.05～0.5+0.05～0.5；

上述定组分和不定替换组分中各合金总和为百分之百。

所述的环保易切削铜合金加工工艺包含了配料、熔铸、加热、挤压、精整、拉伸、切定尺、退火、检查、包装等常见工序，而其中的配料、拉伸、退火工序中加工工艺分述如下：

一、配料

按重量百分比分别加入Zn30～45、Al0.05～2.0、Fe≤1.0、B≤0.5、Ti≤0.5；稀土元素RE系中的一种或一种以上的元素≤0.3、Pb≤0.01、Sb≤0.1、不可避免的杂质≤0.3、余量为Cu中再加入P0.05～1.6，或加入Si0.05～3.0，或加入Mg0.1～3.0，或加入Si+Sn：0.05～3.0+0.05～0.5，或加入Si+Sn+Mn0.05～3.0+0.05～0.5+0.05～0.5进行配料，配料后熔铸成坯料；

二、拉伸

先对棒坯进行精整，再在拉伸机上进行拉伸，拉伸延伸系数控制在1.05～2.6；

三、退火

采用退火炉对切定尺后的棒材进行消除应力成品退火，退火温度控制在300～400℃。

由于采用了如上所述技术方案，本发明具有如下优越性：

1、本发明的易切削无铅环保铜合金材料具备有铅黄铜的切削性能，实现了无铅化环保目的。

2、本发明与现有加工技术相比省去了中间退火工序，降低了加工成本。

具体实施方式

实施例1

采用拉伸工艺制作产品规格￠10mm的一种环保易切削无铅铜合金棒，其中：

配料：按34％的Zn、1.6％的P、0.8％的Al、0.5％的Fe、0.5％的B、0.3％的Ti、0.3％的稀土元素RE系中的一种元素、0.01％的Pb、0.1％的Sb、0.3％不可避免的杂质、其余为Cu进行配料，配料后熔铸成坯料。

拉伸：采用拉伸机对精整后的棒坯进行拉伸，其延伸系数为1.05。

退火：采用退火炉对切定尺后的棒材进行消除应力成品退火，退火温度为300℃。

实施例2

采用拉伸工艺制作产品规格￠10mm的一种环保易切削无铅铜合金棒，其中：

配料：按43％的Zn、0.6％的Si、0.1％的Al、0.1％的Fe、0.3％的B、0.25％的Ti、0.2％的稀土元素RE系中的二种元素、0.008％的Pb、0.08％的Sb、0.2％不可避免的杂质、其余为Cu进行配料，配料后熔铸成坯料。

拉伸：采用拉伸机对精整后的棒坯进行拉伸，延伸系数为1.83。

退火：采用退火炉对切定尺后的棒材进行消除应力成品退火，退火温度为350℃。

实施例3

采用拉伸工艺制作产品规格：￠10mm的一种环保易切削无铅铜合金棒，其中：

配料：按44％的Zn、2.0％的Mg、0.5％的Al、0.2％的Fe、0.4％的B、0.2％的Ti、0.1％的稀土元素RE系中的一种元素、0.01％的Pb、0.1％的Sb、0.1％不可避免的杂质、其余为Cu进行配料，配料后熔铸成坯料。

拉伸：采用拉伸机对精整后的棒坯进行拉伸，延伸系数为2.6。

退火：采用退火炉对切定尺后的棒材进行消除应力成品退火，退火温度为400℃。

实施例4

采用拉伸工艺制作产品规格：￠10mm的一种环保易切削无铅铜合金棒，其中：

配料：按41％的Zn、1.5％的Si、0.3％的Sn、0.7％的Al、0.2％的Fe、0.5％的B、0.1％的Ti、0.3％的稀土元素RE系中的三种元素、0.01％的Pb、0.1％的Sb、0.3％不可避免的杂质、其余为Cu进行配料，配料后熔铸成坯料。

拉伸：采用拉伸机对精整后的棒坯进行拉伸，延伸系数为1.1。

退火：采用退火炉对切定尺后的棒材进行消除应力成品退火，退火温度为340℃。

实施例5

采用拉伸工艺制作产品规格：￠10mm的一种环保易切削无铅铜合金棒，其中：

配料：按36％的Zn、2.0％的Si、0.5％的Sn、0.2％的Mn、1.0％的Al、0.5％的Fe、0.5％的B、0.1％的Ti、0.3％的稀土元素RE系中的一种元素、0.01％的Pb、0.1％的Sb、0.3％不可避免的杂质、其余为Cu进行配料，配料后熔铸成坯料。

拉伸：采用拉伸机对精整后的棒坯进行拉伸，延伸系数为2.4。

退火：采用退火炉对切定尺后的棒材进行消除应力成品退火，退火温度为380℃。

上述五个实施例中各合金元素的作用分述如下：

1、添加硅Si的作用是改善金属间化合物和γ相的分布状况，细化γ相，改善合金的加工性能和切削性能，降低液相线温度，使铸件致密，改善抗腐蚀性能，同时有一定的脱氧作用。硅的锌当量系数是10，使Cu-Zn状态图的β相区大大左移，因此加入少量的硅就能提高合金的强度和硬度，含量过低招致，过高将会，故本发明中硅含量严格控制在0.05～3.0％之间，其中优选为0.8～2.3％。

2、添加磷P的作用是脱氧和增加金属流动性、阻止脱锌，同时有利于提高合金的切削性能，故本发明中磷含量严格控制在0.05～1.6％之间，其中优选为0.2～1.5％。

3、添加镁Mg主要是脱氧、净化的作用，镁固溶于α相及β相中，其溶解度不高，且镁的固溶强化作用不大，脆、不硬的含镁化合物在晶内和晶界均有分布.可以有效地提高铜合金的切削性能。Mg含量严格控制在0.1～3.0％之间，其中优选为0.5～3.0％。

4、合金中锡Sn的主要作用是提高铸件的耐蚀性能和表面光洁度，减少Zn的蒸发，提高合金的流动性。本发明中Sn含量严格控制在0.05～0.5％之间。

5、合金中锰Mn主要是提高和经机械性能和抗腐蚀性能。Mn是重要的强化元素，加入少量的Mn，便能显著提高黄铜的机械性能和对海水氯化物及过热蒸气的耐蚀性能，同时提高耐热性能，同时可以有效地改善黄铜的切削性能。本发明中Mn含量严格控制在0.05～0.5％之间。

6、铝Al的主要作用是改善合金的热锻性能，提高铸件的耐蚀性能和表面光洁度，减少Zn的蒸发，提高合金的流动性。铝是黄铜的强化元素，如能适当的选择铜与铝的配比，并控制合金的冷却速度，使之处于图中接近β’+γ区边界的β’相区时，合金具有最大的强度；在熔炼过程中还可以减少Zn的蒸发，并且Al还可以提高合金的流动性。故本发明中Al含量严格控制在0.05～2.0％之间。

7、Fe与Zn生成化合物Fe粒，细化合金组织；推迟黄铜的再结晶过程，阻碍晶粒长大，Fe和Si或Al同时加入效果更好。但含Fe量多时，富铁相过多，降低耐蚀性能。Fe含量严格控制在≤1％。

8、添加稀土元素(RE)一方面可以细化晶粒，从而增大晶界面，为锌的扩散增加阻力；另一方面由于稀土元素的净化变质作用，使铜合金中杂质、气孔、疏松减少，从而提高合金的机械性能；同时还可以改善合金的高温塑性，减少热加工开裂倾向。稀土元素(RE)含量严格控制在0.3％以下。

9、少量的钛Ti可以起到除气和细化晶粒的作用。因为钛化合物具有面心立方晶格结构，比较接近α相，因而可以作为α相的结晶核心。Ti含量严格控制在≤0.5％。

10、少量的硼B可以可以细化合金组织，提高合金的力学性能，改善其耐蚀、耐腐蚀磨损及耐冲蚀能力。B含量严格控制在≤0.5％。

11、锑在铜合金中有一定的固溶度，在合金中形成金属间化合物，且可以在晶界产生聚集，达到脆而不硬的特点，使合金具备有铅黄铜的切削性能，同时锑可以抑制脱锌腐蚀，但锑含量高会引起NSF检测时Sb溶出量超标，所以本发明锑含量尽可能低含量严格控制≤0.1％。

12、合金中要达到绝对无铅是不可能的，所以本合金不可避免的Pb含量尽可能低含量严格控制≤0.01％。

Claims (2)

1.一种环保易切削铜合金材料，其特征在于：该铜合金材料按重量百分比分两组分构成如下：

I、定组分

Zn：30～45；Al：0.05～2.0；Fe≤1.0；B：0.3～0.5；Ti≤0.5；稀土元素RE系中的一种以上的元素≤0.3；Pb≤0.01；Sb≤0.1；不可避免的杂质≤0.3；余量为Cu；

II、不定替换组分

P：0.05～1.6，或是Si：0.6～3.0，或是Mg：0.1～3.0，或是Si+Sn：0.05～3.0+0.05～0.5，或是Si+Sn+Mn：0.05～3.0+0.05～0.5+0.05～0.5；

上述定组分和不定替换组分中各合金总和为百分之百。

2.一种环保易切削铜合金加工工艺包含了配料、熔铸、加热、挤压、精整、拉伸、切定尺、退火、检查、包装工序，其特征在于：其中的配料、拉伸、退火工序中加工工艺分述如下：

一、配料

按重量百分比分别加入Zn：30～45、Al：0.05～2.0、Fe≤1.0、B：0.3～0.5、Ti≤0.5；稀土元素RE系中的一种以上的元素≤0.3、Pb≤0.01、Sb≤0.1、不可避免的杂质≤0.3、余量为Cu中再加入P：0.05～1.6，或加入Si：0.6～3.0，或加入Mg：0.1～3.0，或加入Si+Sn：0.05～3.0+0.05～0.5，或加入Si+Sn+Mn0.05～3.0+0.05～0.5+0.05～0.5进行配料，配料后熔铸成坯料；

二、拉伸

先对棒坯进行精整，再在拉伸机上进行拉伸，拉伸延伸系数控制在1.05～2.6； 

三、退火

采用退火炉对切定尺后的棒材进行消除应力成品退火，退火温度控制在300～400℃。