專利名稱：一種無鉛易切削銻鎂黃銅合金的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種無鉛易切削銻鎂黃銅合金，屬黃銅合金材料的制 造技術領域。
背景技術：
現有被廣泛應用于水暖衛浴、電子、機械行業的黃銅材料， 一般
含有1.0~4.0%的鉛，以提高切削性能和加工性能。而鉛易在水中溶出 或在生產過程中揮發，廢棄鉛黃銅材料中的鉛會浸入土壤或水源，從 而導致環境污染而吸入人體，影響人體荷爾蒙分泌和嬰幼兒的智力發 育，對人的身心健康影響很大。因此，鉛造成的污染和危害己引起世 界各國的重視，生產企業都在積極尋求鉛黃銅的替代材料。
根據美國NSF、日本JIS、德國DIN50930及歐盟的相關標準法 令規定，各種與人體相關材料的鉛溶出標準必須從現在的0.05mg/L 降低到0.01mg/L。近些年來，國內外在無鉛黃銅的研究上也進行了一 定的研究，如中國專利申請號200410015836.5《無鉛易切削銻黃銅合 金》，其組成按重量百分比為銅55.0 65.0%、銻0.3 2.0%、錳 0.4 1.6%、其它元素0.1 1.0%，是一種銅-鋅-銻合金，由于合金中 含有銻，雖能改善切削性能，但合金的熱加工性能不理想，影響了合 金的后續加工性能。中國專利申請號02121991.5《無鉛易切削黃銅合 金材料和它的制造方法》，是一種銅-鋅-鉍合金，由于該合金中含有 0.5 2.2%的鉍，鉍含量較高，且鉍的價格非常高，所以導致其成本 增高，沒有市場競爭力，且熱加工性能差。試驗表明，單獨加鎂、銻或鉍對提高材料切削性能作用有限，無法達到傳統鉛黃銅的切削性 能，而且其冷熱加工性能不如鉛黃銅。
發明內容
本發明的目的是提供一種配方設計合理，具有優異的切削性能， 良好的熱鍛性能和機械性能的無鉛易切削銻鎂黃銅合金。
本發明為一種無鉛易切削銻鎂黃銅合金，包含有鋅(Zn)，銅(Cu) 等，其特征在于還同時包含銻(Sb)，鎂(Mg)，稀土(Re)，各組分的組 成按重量百分比計分別為鋅(Zn) 36.0~42.0%，銻(Sb) 0.1 2.0%， 鎂(Mg) 0.5~2.5%，稀土(Re)0.01 0.2。/。，其余為銅(Cu)及總量不 大于0.05%的雜質，各組分的重量百分比總和為100%。
所述的無鉛易切削銻鎂黃銅合金中還可加入硅(Si)，磷(P)，鋁 (Al),錫(Sn)，硼(B)，錳(Mn),鐵(Fe)中的任一種或一種以上的混合 物，其加入量不超過各組分重量百分比總和的1.0%。
所述硅的加入量可為各組分重量百分比總和的0.001 0.1 % 。 所述磷的加入量可為各組分重量百分比總和的0.001 0.1 % 。 所述鋁的加入量可為各組分重量百分比總和的0.001 0.1%。 所述錫的加入量可為各組分重量百分比總和的0.001 0.1%。 所述硼的加入量可為各組分重量百分比總和的0. 01 0.5%。 所述錳的加入量可為各組分重量百分比總和的0.001 0.1 % 。 所述鐵的加入量可為各組分重量百分比總和的0.001 0.1%。
以下對本發明所述各元素的功能和原因進行說明。 銻本身性脆易碎，微量固溶于銅，并與銅形成脆而不硬的化合物 (Qi9Sb2,CU Sb2)，此外，銻與鋅、鎂也會形成脆而不硬的化合物 (Sb3Zn4， Sb2Zn3， Mg3Sb2)，這些脆化相均勻分布在晶界上和晶內，
4起類似于鉛質點的斷屑作用，提高該合金的切削性能，并使合金強度
提高。但銻含量低于0.1%效果不明顯，含量大于2.0%則脆性斷裂嚴 重，故添加量在0.1 2.0%為宜。
鎂與銅形成的含鎂化合物(MgOi2和MgCu)以第二相粒子彌散 分布于晶界或晶內，從鎂黃銅的力學性能可以發現，含鎂化合物 (MgCu2和MgCu)粒子具有脆而不硬的特性，與刀刃接觸時在切應 力的作用下易于破碎，破碎后與斷口處接觸的金屬發生應力集中，很 容易萌生裂紋并擴展，使切屑很快斷裂而不連續長大，減小切屑的尺 寸，起到了與鉛類似的斷屑作用。而且，含鎂化合物粒子具有脆而不 硬的特性也能減少切屑對刀刃的粘結作用，故合金切削性能較好。
單純加入銻和鎂，合金切削性能和強度提高，但塑性下降，加工 性能下降，故加入稀土凈化晶界，細化晶粒，提高合金塑性，從而提 高其加工性能。
稀土元素不能與銅形成間隙固溶體，因而稀土在銅中的固溶度極 小，有利于稀土與其他元素形成化合物，稀土進入銅液后迅速與氧、 鐵等形成高熔點的稀土化合物，在凝固過程中保持固態，部分化合物 進入渣相而被除去，從而凈化了基體和晶界；另有一部分細小的高熔 點化合物顆粒殘留于銅液中并彌散，銅液凝固時成為彌散的結晶核 心，促進了合金的非自發形核，從而使晶粒得到細化。
另外，在合金中添加磷和硅能進一步改善金屬的流動性，還可提 高合金的強度， 一般含量為0.001 0.1%，當含量過高時，會降低金 屬的塑性。
鋁能進一步提高黃銅強度和耐蝕性能，但當含量高時，會出現硬 而脆的Y相，使塑性大幅降低。鐵、硼主要是起細化晶粒的作用，阻止晶粒的長大。鐵與錫、鋁等元素配合使用時，可使黃銅具有更高的 強度和硬度，并可改善其在大氣和海水中的耐蝕性。
加入少量的錫能進一步提高黃銅的強度和硬度，并可以抑制黃銅
脫鋅，提高黃銅的耐腐蝕性能。如果在合金中添加0.01 0.5%的硼則 也可進一步提高合金黃銅的耐腐蝕性。
本發明配方設計科學合理，獲得的合金產品晶粒細小，具有非常 好的切削性能、熱鍛性能和力學性能，特別適用于切削加工成型的各 種零部件、鍛件等其它零部件材料以及其他相關領域強度要求較高、 加工形狀復雜產品的加工和生產；合金中減少了銅含量，其制造成本 低于現有技術中無鉛黃銅的制造成本，并且可充分利用我國極其豐富 的鎂和銻資源，并帶動銻鎂下游產業發展；生產工藝簡單，可在現有 普通黃銅合金的加工設備上生產，不需要增加新的設備投資。
圖1是本發明所述現有鉛黃銅C3604的切屑效果示意圖； 圖2是本發明所述現有鉛黃銅HPb59-l的切屑效果示意圖； 圖3是本發明所述無鉛易切削銻鎂黃銅合金的切屑效果示意圖。
具體實施例方式
下表1為將本發明17個實施例與現有常規鉛黃銅C3604和 HPb59-l進行比較，以進一步說明本發明的優異性能。
本發明所述無鉛易切削銻鎂黃銅合金的加工工藝如下在熔煉時 先進行銅鋅的熔煉，溫度為105(TC 1200'C，隨后加入銅鎂中間合 金、銻和稀土，以及其它合金成分，保溫10min 40min后，進行半 連續鑄造，澆鑄溫度為1050°C 1150°C，鑄錠直徑為①120mm。鑄 錠在550。C-780。C溫度加熱，保溫時間40min-90min，然后進行熱擠壓，擠壓成尺寸為①25.4mm的圓棒，再采用單鏈臥式拉拔機進行冷 拉拔成(D24.4mm的無鉛銻鎂黃銅棒材,最后在40(TC-50(TC下進行退 火即得最終產品。
本發明所述無鉛易切削銻鎂黃銅合金的性能測試如下
1、 切削性試驗
切削性是材料塑性、韌性和硬度等指標的綜合性能。在切削時， 如果切削過程輕快，切削力小，則表示材料切削性能好，但切削時材 料處于高速轉動狀態，切削力很難直接測量，但切削力的大小與電機 功率和電流成正比，而電流這是比較容易測量的。為此，我們自行設 計了測量切削性能的專用車床，其X， Y， Z三個方向上的運動分別 釆用3個相互獨立的電機來控制，這樣X， Y， Z三個方向上的電流 就可以獨立測量，切削性可以定量表示。
另一面，材料切削性能的好壞，可以通過觀察切屑的大小、形狀 和表面粗糙度來定性表示。
對于不同合金成分的銅棒，我們在同一機床上，采用相同的切削 速度、相同切屑層厚度和相同的進刀量，分別對所研制的17種合金 以及C3604、 HPb59-l進行切削試驗，得到了其切削性能。
如附圖1、2、3所示，C3604合金切屑為細小的粒狀碎屑，HPb59-l 合金的切屑為較粗大的彎曲成C形的短片狀,本發明無鉛易切削銻鎂 黃銅的切屑與HPb59-l合金形狀類似，，定義C3604合金的切削性為 100%，則HPb59-l約為80X，由表1可見，本發明的銻鎂黃銅的切 削性為75-84%，與HPb59-l相當。
2、 硬度和抗拉強度試驗
取本發明的銻鎂黃銅棒以及C3604合金和HPb59-l合金棒，測試硬度，制成標準拉伸試樣，進行常溫抗拉試驗。結果如表l所示， 從表1中可知，本發明所研制的無鉛銻鎂黃銅合金的強度、延伸率和
硬度均高于C3604和HPb59-l合金，這是由于加入稀土后，晶粒得 到明顯細化的結果，所發明合金綜合機械性能較好。 3、鐓粗測試
從直徑24.4mm的圓棒上切取高度24.4mm的試棒，在規定溫度 下熱壓加工變形，然后評價其熱鍛造性能。試驗采用500噸油壓機進 行，同一成分合金分別取5個試樣進行試驗，平均鐓粗率取5個試樣 鐓粗率的算術平均值，若試樣開始出現第一條裂紋，則認為已達到極 限鐓粗率。
鐓粗率(％) =[(24.5-h)/24.5]xl00(h:加壓變形后的高度)
由表1可知，本發明的3種無鉛銻鎂黃銅的鐓粗率大于普通鉛黃 銅，具有較好的熱加工性能。
綜合考慮以上試驗情況，本發明與常用的易切削含鉛黃銅相比， 切削機理不同，但是切削性接近于HPb59-l合金，抗拉強度、延伸率 等機械性能優于傳統易切削黃銅合金，尤其是其熱加工性能優越，改 變了以往無鉛黃銅熱加工性能較差的缺點。
本發明的無鉛易切削銻鎂黃銅合金從成本上引入了我國資源豐 富的鎂和銻，相比于鉍黃銅、碲黃銅等無鉛黃銅，大大降低了合金的 成本，且機械性能和熱加工性能優良，因此，是一種很有市場潛力及 應用前景的一種新型的無鉛易切削黃銅合金。
本發明不局限于表l所述實施例，在實際應用時，可根據不同性 能要求及使用場合，選擇表1所述實施例中的不同配比，或除表1所 述各實施例以外的不同配比。<formula>formula see original document page 9</formula>
權利要求
1、一種無鉛易切削銻鎂黃銅合金，包含有鋅，銅，其特征在于還同時包含銻，鎂，稀土，各組分的組成按重量百分比計分別為鋅36.0～42.0％，銻0.1～2.0％，鎂0.5～2.5％，稀土0.01～0.2％，其余為銅及總量不大于0.05％的雜質，各組分的重量百分比總和為100％。
2、 按權利要求1所述的一種無鉛易切削銻鎂黃銅合金，其特征 在于所述的無鉛易切削銻鎂黃銅合金中還加入硅，磷，鋁，錫，硼， 錳，鐵中的任一種或一種以上的混合物，其加入量不超過各組分重量 百分比總和的1.0%。
3、 按權利要求2所述的一種無鉛易切削銻鎂黃銅合金，其特征 在于所述硅的加入量為各組分重量百分比總和的0.001 0.1%。
4、 按權利要求2所述的一種無鉛易切削銻鎂黃銅合金，其特征 在于所述磷的加入量為各組分重量百分比總和的0.001 0.1 % 。
5、 按權利要求2所述的一種無鉛易切削銻鎂黃銅合金，其特征 在于所述鋁的加入量為各組分重量百分比總和的0.001 0.1%。
6、 按權利要求2所述的一種無鉛易切削銻鎂黃銅合金，其特征 在于所述錫的加入量為各組分重量百分比總和的0.001 0.1%。
7、 按權利要求2所述的一種無鉛易切削銻鎂黃銅合金，其特征 在于所述硼的加入量為各組分重量百分比總和的0. 01 0.5%。
8、 按權利要求2所述的一種無鉛易切削銻鎂黃銅合金，其特征 在于所述錳的加入量為各組分重量百分比總和的0.001 0.1%。
9、 按權利要求2所述的一種無鉛易切削銻鎂黃銅合金，其特征 在于所述鐵的加入量為各組分重量百分比總和的0.001 0.1%。
全文摘要
一種無鉛易切削銻鎂黃銅合金，屬黃銅合金材料的制造技術領域，包含有鋅，銅，銻，鎂，稀土，各組分的組成按重量百分比計分別為鋅36.0～42.0％，銻0.1～2.0％，鎂0.5～2.5％，稀土0.01～0.2％，其余為銅及總量不大于0.05％的雜質，各組分的重量百分比總和為100％；還可加入硅，磷，鋁，錫，硼，錳，鐵中的任一種或一種以上的混合物，其加入量不超過各組分重量百分比總和的1.0％。本發明配方設計科學合理，獲得的合金產品晶粒細小，具有優異的切削性能，良好的熱鍛性能和機械性能，特別適用于切削加工成型的各種零部件、鍛件等其它零部件材料以及其他相關領域強度要求較高、加工形狀復雜產品的加工和生產。
文檔編號C22C9/04GK101423905SQ200810162860
公開日2009年5月6日 申請日期2008年12月5日 優先權日2008年12月5日
發明者馮光亮, 馮建歡, 馮煥鋒, 呂大玲, 周何濱, 姜少軍, 孫剛鋒, 曹建國, 雷 李, 軍 蘇, 魏連運 申請人:浙江科宇金屬材料有限公司;浙江海亮股份有限公司