CN101736179A - 一种用于制备无铅易切削黄铜的多元添加剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制备无铅易切削黄铜的多元添加剂及其制备方法和应用。该添加剂含有铜、铋、锡、稀土和磷等，其各组分的质量百分数为：铜(Cu)65-75％；铋(Bi)5-22％；锡(Sn)3-10％；富铈(Ce)混合稀土0.5-5％；磷(P)0.5-2.5％；另外还有≤0.05％的杂质。该添加剂采用真空熔炼方法制备，应用于制备无铅黄铜时，加入量仅为20-70g/kg熔体。本发明设计选取合适的合金元素及其含量代替对人体有害的Pb提高黄铜的切削性能，并将这些元素以多元添加剂的形式加入到黄铜熔体中，不仅降低了合金元素的烧损率，而且简化了熔炼工艺。采用该添加剂制备黄铜时生产成本低，产品完全达到国际环保、健康、安全标准的要求，并具有优良的切削性能、力学性能、加工性能和耐腐蚀性能。

Description

一种用于制备无铅易切削黄铜的多元添加剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于新材料领域。涉及一种用于制备无铅易切削黄铜的多元添加剂及其制备方法和应用。

背景技术

黄铜以其易切削和优良的物理、化学、力学的性能，成为制造行业中各类零部件广泛使用的材料。为了改善黄铜合金机械加工时的切削性能，黄铜中一般添加了1-3％的铅(Pb)。铅是一种对环境和人体有害的元素，其既不固溶于铜，也不与铜形成金属间化合物，在饮用水中的杂质及有机酸等的作用下含铅铜合金中的铅会缓慢析出，因而其应用日益受到严格的限制。美国自1998年8月6日起，要求饮用水供给***中铅的浸出量在1.1×10^-5以下，日本也自2003年就开始规定年饮用水中铅含量小于0.03mg/L。近年来，欧盟、美国等更纷纷出台有关法律，要求2010年后禁止使用含铅的黄铜材料用于对人类健康有不利影响的水暖和卫浴制品。现有的含铅铜合金很难满足越来越高的环保要求。

为了应对这一挑战，国内外相继开发了多种无铅黄铜。美国已开发出8个牌号的以铋代铅的铋黄铜，它们分别为：C89325、C89510、C89520、C89837、C89550、C89831、C89833、C89835。日本对易切削铋黄铜也进行了研究，取得了一些成果，申请了这类铜合金的数项专利。国内也有人进行了无铅易切削铋黄铜的研究开发，还有人研究了以硅代铅、以锑代铅、以镁代铅、以锰代铅的新型无铅易切削黄铜的性能。

以上研究中为了取代铅而又同时满足对材料的切削性能的要求，合金中多加入了一些低熔点或化学性质活泼的元素，如铋、锡、稀土等。这些低熔点或化学性质活泼的元素在熔炼过程中容易烧损，经常由于这些元素的烧损严重而未能体现明显的改善切削性能的效果，由此增加工艺复杂程度和生产成本。因此，研究开发出一种用于制备无铅易切削黄铜的多元添加剂，降低低熔点元素和活泼元素的烧损率，简化工艺操作，是实现对已有易切削铅黄铜直接替换的有效措施。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于制备无铅易切削黄铜的多元添加剂及其制备方法和应用。以实现对易切削铅黄铜的直接替换，满足制造业对环境友好的无铅黄铜材料的需求，同时提高熔炼效率、降低生产成本。不仅能有效提高无铅黄铜合金的切削性能、力学性能、加工性能和耐腐蚀性能，而且能降低合金元素烧损，简化熔炼工艺，降低生产成本。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

一种用于制备无铅易切削黄铜的多元添加剂由铜、铋、锡、稀土、磷和不可避免的杂质组成，各组分的质量百分数为：铜(Cu)65-75％；铋(Bi)5-22％；锡(Sn)3-10％；富铈(Ce)稀土0.5-5％；磷(P)0.5-2.5％；杂质含量≤0.05％。

作为进一步的优化，各组分的质量百分数为：铜(Cu)68-73％；铋(Bi)8-20％；锡(Sn)5-9％；富铈(Ce)稀土1-4％；磷(P)1-2％；杂质含量≤0.05％。

所述的富铈稀土中铈的含量不小于70％。

所述的多元添加剂的制备方法是：采用真空熔炼技术制备，熔炼温度1150～1250℃；熔炼时先加入电解铜，熔化后采用纯铜管包封方式将铋、锡、磷和稀土加入铜熔体，静置、扒渣后在铁模中浇注即成。

所述的多元添加剂应用到黄铜熔体中的加入量为20-70g/kg熔体。

以下就选择所述多元添加剂中各合金元素的种类及加入量的原因进行说明。

本发明所述的多元添加剂是一种以Cu为基体的合金。添加剂中除Cu以外的其它元素作为合金元素添加到黄铜熔体中制备成无铅黄铜合金。和铅相同，铋也具有断屑和润滑的作用，能提高切削性能。锡和磷固溶于铜中，能明显降低铜的表面张力，促使铋在铜基体中的分布形态由薄膜状向块状、球状转化。磷与添加的锡在一起还可以抑制脱锌腐蚀，在铸造过程中还能起到脱氧的作用。添加富铈稀土既可以细化组织，还可以使铋更多地分布在β相内，提高合金的热加工性能，还能除气、去渣、净化熔体，提高材料的综合力学性能及耐腐蚀性能。因此，综合考虑合金的切削性能、力学性能、加工性能和耐腐蚀性能，确定无铅黄铜中各成分及其添加量为：铜56-62％；铋：0.3-2.5％；锡0.1-1.5％；富铈稀土0.05-0.5％；磷0.03-0.15％，余量为锌，其中杂质含量≤0.05％。

拟添加的合金元素中，铋、锡、磷因为熔点低容易烧损，富铈混合稀土因为化学性质活泼也容易烧损。铋不固溶于所选元素的任何一种，其在铜基体中有三种存在形式：以单质存在；与铜形成亚共晶；和稀土形成高熔点化合物。当铋的含量很小时，其主要以单质和高熔点铋稀土化合物的形式存在。由于铋的熔点低，所以其烧损率较大。增大铋的含量，铋主要以亚共晶和高熔点铋稀土化合物的形式存在，由于Cu-Bi共晶温度高于铋的熔点，所以其烧损率降低。当继续增大铋的含量，组织中Cu-Bi共晶所占比例增大，由于Cu-Bi共晶温度远低于高熔点铋稀土化合物，所以其烧损率反而增大。磷和锡在铜中的溶解度较大，其大部分固溶在铜中可降低烧损率。稀土与铜形成亚共晶也可降低其烧损率。综合考虑合金元素烧损率和熔炼成本，选择多元添加剂中所有合金元素的总质量百分比为30％，剩余的为铜。根据无铅黄铜中各合金元素的相对含量以及添加剂中合金元素的总质量百分比设计了多元添加剂中各元素的加入量：铜(Cu)65-75％；铋(Bi)5-22％；锡(Sn)3-10％；富铈(Ce)稀土0.5-5％；磷(P)0.5-2.5％；杂质含量≤0.05％。

直接在熔体中加入各种合金元素，由于合金元素的加入量很小，则铋将主要以单质和少量高熔点铋稀土化合物存在，而稀土与铜几乎不形成亚共晶，则铋和稀土的烧损率都很大。在黄铜熔体中加添加剂制备黄铜合金的烧损主要集中在添加剂的制备过程中，而由于添加剂中各合金元素含量较高，相比之下，其烧损率明显降低。

所述多元添加剂的技术指标：

①本发明的多元添加剂中合金元素总含量达25-35％；密度为8.5-8.8g/cm³；熔点为270-400℃，杂质总含量低于0.05％；

②本发明的多元添加剂制备过程中，各合金元素的烧损率低于10％；

③本发明的多元添加剂性脆易碎，便于配料；

④本发明的多元添加剂应用于黄铜熔体中时，加入量仅为20-70g/kg熔体；

本发明涉及的多元添加剂的主要优点及应用时产生的积极效果表现在：①采用多元添加剂的方式将合金元素加入到黄铜熔体，比采用直接加入各合金元素的方式显著降低合金元素的烧损率，因此能较准确地控制添加剂的加入量；②本发明的多元添加剂性脆易碎，便于配料；③以多元添加剂的形式加入合金元素可明显简化工艺操作、降低生产成本。

具体实施方式

以下通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体说明，而不会限制本发明。

实施例1

一种用于制备无铅易切削黄铜的多元添加剂的制备

按照铋(5-22％)、锡(3-10％)、富铈稀土(0.5-5％)、磷(0.5-2.5％)、余量为铜的配料方案，采用真空熔炼技术制备，熔炼温度为1150～1250℃。熔炼时先加入电解铜，熔化后采用纯铜管包封方式将铋、锡、磷和稀土加入黄铜熔体，静置、扒渣后在铁模中浇注成块状试样。经化学成分检测，添加剂中各元素的烧损率如表1所示。由此可见，在添加剂的制备过程中，各元素烧损率较低，均小于10％。

表1多元添加剂中各元素的烧损率

合金元素	铋	锡	富铈稀土	磷	铜
						烧损率/％	3-10	2-8	2-5	2-5	1-4

实施例2

多元添加剂在无铅黄铜中的应用

将本发明所述的多元添加剂应用到黄铜熔体中，添加剂的组分及含量为：铋5-22％；锡3-10％；富铈稀土0.5-5％；磷0.5-2.5％；余量为铜。另外还有不可避免的杂质，杂质含量≤0.05％。未加添加剂前黄铜熔体中Cu、Zn的重量比为1.1-1.6。添加剂加入量为20-70g/kg熔体。熔铸工艺顺序：覆盖剂(木炭)-铜-锌-多元添加剂-溶剂(冰晶石)-扒渣-喷火-铁模浇注。在黄铜熔体中加添加剂与直接加入各种合金元素两种方式得到的无铅黄铜合金制成圆棒后的各项性能如表2所示，其中将HPb59-1黄铜的可切削性定为100％。由表2可看出，与直接加入各种合金元素相比，以多元添加剂的方式加入合金元素可明显降低元素烧损率，提高材料的切削性能、力学性能、加工性能和耐腐蚀性能。

表2合金元素的两种添加方式对无铅黄铜各项性能的影响

添加方式	元素烧损率/％	切削系数/％	抗拉强度/MPa	伸长率/％	腐蚀层厚度/祄
						以添加剂加入	2-10	80-100	360-460	12-28	250-310
分别加入	20-50	50-70	310-380	10-22	300-390

Claims (5)

1.一种用于制备无铅易切削黄铜的多元添加剂，其特征在于：所述添加剂包括铜、铋、锡、富铈混合稀土、磷和不可避免的杂质，各组分的质量百分数为：铜65-75％；铋5-22％；锡3-10％；富铈稀土0.5-5％；磷0.5-2.5％；杂质含量≤0.05％。

2.根据权利要求1所述的多元添加剂，其特征在于：各组成成分的质量百分数为：铜68-73％；铋8-20％；锡5-9％；富铈稀土1-4％；磷1-2％；杂质含量≤0.05％。

3.根据权利要求1所述的多元添加剂，其特征在于：富铈稀土中铈的含量不小于70％。

4.权利要求1所述的多元添加剂的制备方法，其特征在于，所述多元添加剂采用真空熔炼，熔炼温度1150～1250℃；熔炼时先加入电解铜，熔化后采用纯铜管包封方式将铋、锡、磷和稀土加入铜熔体，静置、扒渣后在铁模中浇注即成。

5.权利要求1所述的多元添加剂的应用，其特征在于，所述添加剂应用到无铅黄铜熔体中的加入量为20-70g/kg熔体。