CN101565784B - 无铅易切削钙黄铜合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无铅易切削钙黄铜合金，其重量百分比组成为：Cu 57％～65.0％，Ca 0.3％～2.5％，Mg 0.2％～2.0％，Si 0.1％～2.0％，Al 0.01％～0.5％，镧铈合金0.01％～0.3％，X 0.01％～2.0％，余量为锌和不可避免的杂质；其中X为Fe、P、Sn三种元素中的至少一种。本发明的无铅易切削钙黄铜合金既对人体和环境无负面影响，又无铅，不添加铋、锑、镍等昂贵金属，生产成本低、易于回收；而且，本发明的无铅易切削钙黄铜合金，具有较高的切削性能，耐蚀性能、热加工性能和机械性能，可以广泛在水龙头配件和阀杆等制品中使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种无铅易切削钙黄铜合金。
背景技术
易切削铅黄铜是以铜、锌为主要组成元素，添加铅的传统铜合金，世界各国均有系列的合金牌号如：JISH3100 C3601、JISH3100 C3604、JISH3100 C3771；ASTMB36C36000、ASTMB36 C37700；GB/T5231 Hpb62-3、Hpb60-2、Hpb59-1。这些铅黄铜合金是通过添加含有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优良的切削性能，广泛使用于配管用的水龙头配件，阀杆等作为结构材料使用。此外作为与水接触的部件在使用情况下，存在有脱锌腐蚀的问题。为此，近年来逐渐使用抗脱锌铜合金，公开号分别为TW5097276、EP0903416、JP719152、US5445687的专利申请公开的是改善易切削黄铜的抗腐蚀性能的合金；还有在特公昭61-58540号公报中，发表了在Cu-Zn-Sn系铜合金中添加Pb、Fe、Ni、Sb提高合金的抗脱锌性能。
现有的铅黄铜合金中由于含有1.0％～3.7％(重量)的铅，在合金熔炼铸造等高温作业时产生的金属蒸汽含有铅的成分，切削加工和磨削加工时的粉尘中也有铅的成分。再有水龙头配件和阀杆等制品使用时存在有从与水接触部位溶解出铅的问题，对人体和环境造成负面影响。
鉴于铅对人体和环境有着负面的影响，近年来，世界各国对金属材料中的铅含量有严格的限制。为此人们大力开展以无铅易切削黄铜替代铅黄铜。以铋(Bi)、锑(Sb)、镍(Ni)代铅的易切削铜合金已有多个牌号投入生产使用，但由于铋、锑、镍等价格昂贵，生产成本高，且回收难度大，阻碍了这些牌号合金的使用。鉴于上述情况，急需开发一种无铅且不添加昂贵的铋、锑、镍，具有高的切削性能，耐蚀性能、热加工性能和机械性能的无铅易切削黄铜合金。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，提供一种具有高的切削性能，耐蚀性能、热加工性能和机械性能且生产成本低的无铅易切削钙黄铜合金。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种无铅易切削钙黄铜合金，其重量百分比组成为：Cu 57％～65.0％，Ca 0.3％～2.5％，Mg 0.2％～2.0％，Si 0.1％～2.0％，Al0.01％～0.5％，镧铈合金0.01％～0.3％，X0.01％～2.0％，余量为锌和不可避免的杂质；其中X为Fe、P、Sn三种元素中的至少一种。
本发明的无铅易切削钙黄铜合金，其重量百分比组分的优选是：Cu59％～65.0％、Ca0.3％～2.0％、Mg0.35％～2.0％、Si0.1％～1.5％、Al0.03％～0.35％、镧铈合金0.03％～0.2％、X0.05％～2.0％，余量为锌和不可避免的杂质。
本发明的无铅易切削钙黄铜合金，其重量百分比组分进一步优选是：Cu60.0％～65％、Ca0.4％～1.8％、Mg0.35％～1.5％、Si0.1％～1.2％、Al0.03％～0.25％、镧铈合金0.05％～0.15％、X0.05％～1.5％，余量为锌和不可避免的杂质。
上述不可避免的杂质中的铅的重量百分比含量不超过0.01％，这种程度的铅含量即使溶解在饮用水中和排放的水中，对环境和人体都不会带来什么负面影响。
上述镧铈合金中铈的重量百分比含量为40％。
本发明无铅易切削钙黄铜合金中限定金属元素种类和添加量的原因在于：
Ca：是为了改善切削性能而加入的。钙几乎不固溶于基体，以弥散的微小颗粒存在，所以能起到断开切削加工时生成切屑的作用，提高切削性能。钙对人体不会造成损害，钙的熔点在842℃，因此，可以避免如铋那样，由于熔点低，在黄铜热加工时，以熔融状态存在而容易产生热脆性。要得到良好的切削性能钙必须在0.4％(重量)以上。钙含量优选范围控制在0.4％～1.8％。
Mg：是为了改善切削性能而加入的，含镁的黄铜中也分布有弥散的第二相粒子，含镁化合物粒子具有脆而不硬的特性，与刀刃接触时在剪切压力作用下易于破碎。镁铜锌三元化合物在晶粒内分布，在切削力的作用下晶粒内萌生裂纹能有效减小切削的尺寸。提高材料的切削性能。含镁量过高，合金的加工性能大大下降，因此，镁含量上限为1.5％。过低改善切削性能不明显，所以下限不低于0.35％。
Si：是为了提高耐蚀性能和铸造性能添加的。硅低于0.1％效果不明显。大于1.2％使材料延展性大大降低。硅含量优选控制范围应在0.1％～1.2％。
Al：为了提高热加工性能而添加的。少量添加还可以提高材料的耐蚀性能。铝含量小于0.03％没有效果，过多降低切削性能和材料的塑性，上限定为0.25％(重量)。
镧铈合金：主要是细化晶粒改善材料的力学性能，大于0.15％影响材料铸造性能，过低不起作用，下限为0.05％(重量)。镧铈合金适宜的优选加入量为0.05％～0.15％。
Cu：从耐蚀性和机械性能方面来看，铜含量高得到的α相多提高耐蚀性能，合金材料塑性较好，但是强度、硬度下降，热加工性能变差，为了兼顾材料的热加工性能，机械性能和抗腐蚀性能铜含量最适宜范围为60％～65％。
本发明的所述合金中X代表Fe、P、Sn三种元素中的至少一种，其重量百分比含量及成分为Fe 0.05％～0.3％、P 0.05％～0.3％、Sn 0.1％～1.0％中至少一种，且X的总量不超过1.5％。
X代表Fe、P、Sn三种元素中的至少一种，起作用分别是：
Fe：少量铁能细化铸造组织和再结晶组织，改善加工性能。本发明合金中铁在0.05％～0.3％。
P：通常用于铜合金的脱氧，增加熔体流动性，改善切削性能和脱锌腐蚀优选常用量为0.05％～0.3％。
Sn：改善腐蚀性能，增加强度和耐磨性，优选0.1％～1.0％。
如上所述，本发明的合金材料中的钙、镁、硅、铅、铁、磷、锡、镧铈合金通过选择最适当的添加量以得到累积效果，确保合金材料有优良的切削性能、耐蚀性能、热加工性能和机械性能。
与现有技术相比，本发明的无铅易切削钙黄铜合金既对人体和环境无负面影响，又无铅，不添加铋、锑、镍等昂贵金属，生产成本低、易于回收；而且，本发明的无铅易切削钙黄铜合金，具有较高的切削性能，耐蚀性能、热加工性能和机械性能，可以广泛在水龙头配件和阀杆等制品中使用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述，但本发明不仅仅局限于以下实施例。
本发明实施例合金样品制备方法为：配料——工频感应电炉熔炼——半连续铸φ163mm的铸锭——铸锭在550～650℃保温1～4小时退火——热挤压(620～700℃)φ17mm棒坯——拉伸φ15mm圆棒，其流程大体和常规的黄铜合金生产工艺相同。
对比样品(表2)也采用同样工艺条件加工而成，其中HB60-2为本厂铋黄铜。
本发明易切削钙黄铜合金的各实施例具体成分含量列表(表1)。
表1本发明实施例合金组分(wt％)
| 实施例 | Cu | Ca | Mg | Si | 镧铈合金 | Al | Pb | X | Zn |
| 1 | 62.50 | 0.63 | 0.85 | 0.24 | 0.083 | 0.06 | 0.0022 | P0.08Fe0.08 | 余量 |
| 2 | 61.75 | 0.65 | 0.88 | 0.21 | 0.082 | 0.05 | 0.0031 | P0.11 | 余量 |
| Sn0.17 | |||||||||
| 3 | 61.82 | 0.74 | 0.87 | 0.25 | 0.093 | 0.06 | 0.0024 | P0.2Fe0.11 | 余量 |
| 4 | 62.20 | 0.63 | 0.85 | 0.23 | 0.054 | 0.05 | 0.0024 | P0.21Sn0.3 | 余量 |
| 5 | 63.40 | 0.78 | 0.89 | 0.26 | 0.065 | 0.07 | 0.0016 | P0.17Sn0.35 | 余量 |
| 6 | 62.83 | 0.61 | 0.91 | 0.23 | 0.055 | 0.08 | 0.0045 | P0.23 | 余量 |
| 7 | 62.50 | 0.67 | 0.86 | 0.25 | 0.045 | 0.065 | 0.0063 | P0.18Fe0.07 | 余量 |
| 8 | 62.15 | 0.75 | 0.92 | 0.28 | 0.056 | 0.055 | 0.0050 | Fe0.1 | 余量 |
| 9 | 61.90 | 0.72 | 0.87 | 0.27 | 0.057 | 0.07 | 0.0020 | P0.15Sn0.2 | 余量 |
| 10 | 62.40 | 0.63 | 0.93 | 0.26 | 0.062 | 0.08 | 0.0050 | P0.18Fe0.12 | 余量 |
| 11 | 62.35 | 0.68 | 0.87 | 0.24 | 0.070 | 0.06 | 0.0029 | P0.2Fe0.09 | 余量 |
| 12 | 61.85 | 0.69 | 0.86 | 0.23 | 0.071 | 0.07 | 0.0033 | P0.08Sn0.25 | 余量 |
| 13 | 62.92 | 0.65 | 0.89 | 0.21 | 0.073 | 0.07 | 0.0027 | P0.13Sn0.5 | 余量 |
| 14 | 63.10 | 0.62 | 0.92 | 0.22 | 0.082 | 0.08 | 0.0030 | P0.22Fe0.08 | 余量 |
| 15 | 63.20 | 0.64 | 0.93 | 0.24 | 0.085 | 0.06 | 0.0084 | P0.16Sn0.25 | 余量 |
| 16 | 62.75 | 0.65 | 0.91 | 0.23 | 0.089 | 0.065 | 0.0073 | P0.17Sn0.24 | 余量 |
表2对比例合金组分(wt％)
| 对比例 | Cu | Zn | Bi | Al | Sn | P | Pb | 备注 | |
| 20 | 60.2 | 余量 | 0.008 | 0.1 | 3.01 | C3601 | |||
| 21 | 60.1 | 余量 | 0.03 | 0.03 | 2.55 | C3604 | |||
| 22 | 58.7 | 余量 | 0.007 | 0.12 | 2.32 | C3771 | |||
| 23 | 60.18 | 余量 | 2.01 | 0.04 | 0.05 | (Si)0.244 | HB60-2 | ||
| 24 | 60.57 | 余量 | 2.05 | 0.03 | 0.039 | (Si)0.343 | HB60-2 | ||
| 25 | 59.5 | 余量 | 1.70 | 0.015 |
| 26 | 21.1 | 余量 | 1.90 | 0.03 | 0.55 | 0.05 | |||
| 27 | 59.8 | 余量 | 2.0 | 0.02 | 镧铈合金0.35 |
切削性能的评价为一般铜合金的切削性能试验方法(准备量筒，收集切削，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。主轴转速为950rpm/min，进给量为0.18mm/rev，吃刀深度为0.5mm，其中“○”表示切削性能好，“△”表示良好，“X”表示切削性能差。
其次为了观察热锻性能，把φ15mm的圆棒切断成15mm长，在600℃，650℃加热条件下，在轴线方向以70％的压缩率，压缩(试样的长度从15mm压缩到8.2mm)，用目测判断压缩后的试样表面状态。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“×”。
为了观察耐脱锌腐蚀性能，用“ISO6509”规定的方法进行了脱锌腐蚀试验。用外径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“×”。
上述各性能检测结果列于表3：
表3试验结果
| 实施例 | 热加工性能 | 机械性能 | 切削性能 | 耐蚀性能 |
| 试样 | 600℃ | 650℃ | 抗拉强度(MPa) | 切屑形态 | 脱锌腐蚀深度 |
| 1 | ○ | ○ | 465 | ○ | ○ |
| 2 | ○ | ○ | 485 | ○ | ○ |
| 3 | ○ | ○ | 486 | ○ | ○ |
| 4 | ○ | ○ | 465 | ○ | ○ |
| 5 | ○ | ○ | 467 | ○ | ○ |
| 6 | ○ | ○ | 470 | ○ | ○ |
| 7 | ○ | ○ | 471 | ○ | ○ |
| 8 | ○ | ○ | 480 | ○ | ○ |
| 9 | ○ | ○ | 475 | ○ | ○ |
| 10 | ○ | ○ | 481 | ○ | ○ |
| 11 | ○ | ○ | 471 | ○ | ○ |
| 12 | ○ | ○ | 468 | ○ | ○ |
| 13 | ○ | ○ | 470 | ○ | ○ |
| 14 | ○ | ○ | 465 | ○ | ○ |
| 15 | ○ | ○ | 468 | ○ | ○ |
| 16 | ○ | ○ | 469 | ○ | ○ |
| 20 | ○ | ○ | 360 | ○ | × |
| 21 | ○ | ○ | 372 | ○ | × |
| 22 | ○ | △ | 345 | ○ | × |
| 23 | ○ | △ | 418 | ○ | ○ |
| 24 | ○ | ○ | 425 | ○ | ○ |
| 25 | ○ | ○ | 410 | ○ | △ |
| 26 | ○ | ○ | 420 | ○ | ○ |
| 27 | ○ | ○ | 406 | ○ | × |
上述各种试验结果证明，本发明的无铅易切削钙黄铜合金的切削性能、热加工性能、耐蚀性能、机械性能均和传统的铅黄铜相当，可以广泛于水龙头配件和阀杆等制品中使用。
Claims (6)
1.一种无铅易切削钙黄铜合金，其特征在于：其重量百分比组成为：Cu 57％～65.0％，Ca 0.3％～2.5％，Mg 0.2％～2.0％，Si 0.1％～2.0％，Al 0.01％～0.5％，镧铈合金0.01％～0.3％，X 0.01％～2.0％，余量为锌和不可避免的杂质；其中X为Fe、P、Sn三种元素中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的无铅易切削钙黄铜合金，其特征在于：所述合金元素中各元素的重量百分比组成为：Cu 59％～65.0％、Ca 0.3％～2.0％、Mg 0.35％～2.0％、Si0.1％～1.5％、Al 0.03％～0.35％、镧铈合金0.03％～0.2％、X 0.05％～2.0％，余量为锌和不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的无铅易切削钙黄铜合金材料，其特征在于：所述合金中各元素的重量百分比组成为：Cu 60.0％～65％、Ca 0.4％～1.8％、Mg 0.35％～1.5％、Si0.1％～1.2％、Al 0.03％～0.25％、镧铈合金0.05％～0.15％、X 0.05％～1.5％，余量为锌和不可避免的杂质。
4.根据权利1或2所述的无铅易切削钙黄铜合金，其特征在于：所述合金成分X的重量百分比含量为Fe 0.05％～0.3％、P 0.05％～0.3％、Sn 0.1％～1.0％中的至少一种，且X的总量不超过1.5％。
5.根据权利要求1所述的无铅易切削钙黄铜合金，其特征在于：所述不可避免的杂质，其中铅的重量百分比的含量不超过0.01％。
6.根据权利要求1所述的无铅易切削钙黄铜合金，其特征在于：所述镧铈合金中铈的重量百分比含量为40％。
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Inventor after: Feng Bin Inventor after: Zhang Lu Inventor after: Huang Min Inventor after: He Guanbing Inventor before: Peng Feng Inventor before: Hu Shitie Inventor before: Xia Baoping Inventor before: Liu Jianping Inventor before: Liu Wenjian |
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Effective date of registration: 20160204 Address after: Yuyao City, Lin Shan Zhen Lincheng Cun 315460 Zhejiang city of Ningbo Province Patentee after: Ningbo Xing'aodao Metal New Material Co., Ltd. Address before: 315174, 557 Feng Feng Road, Gaoqiao village, Gaoqiao Town, Ningbo, Zhejiang, Yinzhou District Patentee before: Ningbo Aoda Copper Products Co., Ltd. |