專利名稱：：一種適于鍛造用易切削無鉛黃銅合金及其制備方法
技術領域：
：本發明涉及一種無鉛的黃銅合金及其制備方法，尤其是涉及一種具有優異鍛造性能的易切削黃銅合金及其制備方法。該合金特別適用于鍛造各種黃銅合金機械零件，是一種具有優良鍛造性能的環保型綠色金屬材料。
背景技術：
：黃銅具有4交好的機械性能，良好的耐腐蝕性及低廉的成本，應用范圍廣泛。為了改善黃銅的切削性能以及冷鉚、鍛造性能，一般在黃銅材料中添加1%~3%的鉛。常用的鉛黃銅主要有HPb59-l、HPb59-2、HPb63-3等。這些鉛黃銅切削性、耐磨性優良，生產成本低，同時冷熱加工性好，可通過不同的工藝進行成形，被廣泛應用于各個領域，例如電子電器接插件、儀表零件、飲水系統的水管、水龍頭、閥門、管接頭以及汽車、消防和飛機上使用的液壓閥件等。但是，鉛黃銅及其制品在生產和使用過程中，會污染環境，傷害人體。由于世界范圍環境污染日益加劇，尤其是重金屬"鉛"的污染。"鉛"吸入人體后，對人的身心健康影響很大，而且鉛黃銅中的鉛極易在水中溶出或在生產過程中揮發，從而污染環境和危害人體健康。目前，民用及工業供水系統的銅合金管件通常是采用C84400與C83600銅合金鑄造而成的，C84400銅合金含鉛量為7%，C83600含鉛量為5%,這兩種銅合金管件所含的鉛，在供水過程中會部分地溶解于水中，導致水中的鉛含量在50mg/L以上。根據美國NSF(飲用水中由45pg/L降至1.5(ig/L)、日本JIS、德國DIN50930及歐盟的相關標準及法令規定從2006年開始，水道的鉛溶出標準必須從過去的0.05mg/L降低到0.01mg/L。目前，我國的水道鉛溶出量遠遠高于0.05mg/L。用于改善黃銅切削性能和加工性能的鉛造成的污染和危害己經引起世界各國的重視。我國的鉛黃銅產量每年約200萬噸，加上鄉鎮企業和個體戶生產未列入統計的部分，投放于社會的鉛黃銅數量遠不止這一統計噸位。特別是用于手表、電器、打火機、制鎖和兒童玩具等行業的鉛黃銅零部件，只有少量得到回收利用。隨著我國國民經濟的發展和人民生活水平的提高，對環境和各種衛生許可的要求將逐漸與國際接軌。所以，研制替代鉛黃銅的無鉛易切削黃銅是當前世界各國共同關注的熱點，已成為材料工作者有待解決的重要研究課題。近些年來，國內外對無鉛黃銅也進行了不少的研究，研究的重點在于以無毒或低毒元素代替鉛，來減少鉛的污染。但是不含鉛的一般黃銅，其切削性能差，不能滿足精密機械加工的要求。因此，研究的重點就集中于通過改良黃銅中的成分組成，適當加入少量無毒害的元素代替鉛的功能，達到易切削的目的，來滿足工業上的需要，同時保護生態環境。中國專利申請94192613.3公開了一種低鉛的含鉍黃銅，它的主要成分(重量0/。)是Cu:55~70%、Zn:30—45%、Bi:O.2~1.5%、Al:0.2~1.5%、Pb:0—1%。該合金是一種低鉛的黃銅合金，該合金雖然鉛含量很低，可以符合目前的應用，但對于日趨重視和提倡應用綠色環保型合金材料的形勢，顯然鉛含量還是其一大缺點，并且該專利并沒有對合金的塑性進行討論。中國專利申請200710066669.O公開了一種高錳的低鉛黃銅，它由Cu:45-70%、Mn:7~30%、Pb:0.2~4%、X:0.0001—4,(重量％),其中X為Fe、As、P、B、Cr、Li、Ni、Sn、Al中的至少一種，上述合金是一種含鉛的高錳黃銅合金，所以不符合日趨無鉛化的要求，并且其鍛造性能也比較差，實際應用存在問題。中國專利申請200510050425.4,公開了一種低銻鉍黃銅合金及其制造方法，它由Cu:55~65%、Bi:0.3~1.5%、Sb:0.05—1.0%、B:0.0002~0.05%,其它元素0.2-1.2%(重量％),上述合金是一種含鉍、銻的黃銅合金，由于合金中含有銻，合金的冷加工性能比較差，影響合金的后續加工性能。中國專利申請200610005689.2公開了一種無鉛銅合金，它由Cu:55.0-89%、Sn:0.1-10%、Ni:0.1-2.0%、Si:0-5.0%、Bi:0.1-5.0%、Se:0-3.0%、Al:0.01-1.0%、P:0.05-0.15%、RE:0.01%—0.5%(重量％),上述合金是一種含鉍的黃銅合金，鉍、硒含量較高，容易在熔鑄過程中形成缺陷，且成本高。中國專利申請200410089150.O公開了一種低鉛的含硅黃銅，它由Cu:80-84%、Si:2.5-5.0%、As:0.02~0.10%,其余為Zn和不大于0.05%的雜質組成(重量％)。上述合金是一種低鋅硅黃銅合金，該合金可以達到無鉛化的要求，但由于硅含量較高，硬度大，不易切削，其高溫塑性較差，并且砷也是一種有毒物質，對于其水溶性機理并不是很清楚，所以實際應用中存在一定問題。中國專利申請200410022245.0公開了一種高塑性、優質鍛造的無鉛黃銅，它由Cu:57~62%、Zn:37~42%、Te:0.020~0.030%(重量％),其余為不可避免的雜質。上述合金是一種銅-鋅-碲合金，雖然該合金可以獲得理想的合金塑性，但由于合金中含有價格高昂的碲，所以其應用前景并不看好。中國專利申請200410015836.5公開了一種無鉛易切削銻黃銅合金，它由銅55~65%、銻0.3-2.0%、錳0.4~1.6%、其它元素0.1~1.0%(重量％),所述的其它元素包括鈦、鋯、硼、鐵、鎂、硅、稀土金屬中的至少二種元素、其余為鋅和不可避免的雜質。上述合金是一種銅-鋅-銻合金，由于合金中含有銻，合金的冷加工性能比較差，極大的影響了合金的后續加工性能。其另一不足是用于飲用水系統零部件時，Sb的溶出量超標(>0.6mg/L)。中國專利申請02121991.5公開了一種無鉛易切削黃銅合金材料和它的制造方法，它是一種銅-鋅-鉍合金，由于該合金中含有0.5%~2.2%的鉍，鉍含量較高，導致其成本高、塑性差，尤其是高溫塑性惡化，所以加工性能并不好。綜上可見對于無鉛黃銅的研究，都是力爭用其他合金元素進行鉛的替代，對于其加工尤其是鍛造性能，只有在部分鉍黃銅上進行過研究；而在實際應用中，有相當大的一部分鉛黃銅制品都要進行鍛造加工處理；所以，對于如何在解決黃銅無鉛化的同時，提高新合金的鍛造性能，是十分必要并且具有現實意義的。
發明內容本發明的目的在于提供一種不含鉛的，具有優異鍛造性能的無鉛易切削黃銅合金及其制備方法。本發明的適于鍛造用的無鉛易切削黃銅合金，其成分為(重量°/。)，銅55%~68%、鉍0.1%~0.8%、4丐:0.05%~0.3%、鋰0.05%~0.3%、硫0.05%~0.15%、鋁0.001%~0.1%、硼0.001%~0.05%、稀土元素(鑭、鈰、釹中的一種或多種)0.001%-0.08%,其余為鋅和不可避免的雜質。所述的適于鍛造用易切削無鉛黃銅合金的制造方法是，在熔煉時，先進行銅鋅合金的熔煉，熔煉溫度為1150°C~1300。C,熔體"噴火"后加入鉍，靜置保溫10分鐘后，再依次加入鋁、硼、鉤、硫、稀土，稀土、鈣和鋰以與鋅的中間合金的方式加入，硫、硼以銅的中間合金加入，合金中銅及鋅的質量分數均為80%-90%。攪拌扒渣，然后在1100。C保溫1520分鐘，然后進行澆鑄，澆鑄溫度為IOOO'C~1050°C，制*金鑄坯。上述合金在500~650。C下進行鍛造成型，得到零件的毛坯(鍛件)。下面對本發明的合金中添加的其它元素的功能和原因進行說明。所述的適于鍛造用的無鉛易切削黃銅合金，主要是利用鋰和鈣與鉍可以形成高熔點化合物的特性，4艮好地改善了其鍛造性能，由于Cu2S的析出，在盡可能少的影響其鍛造性能條件下，彌補了由于鉍形成化合物所降低的切削性能。所以，合金不僅具有良好的鍛造性能，并且還具有良好的切削性能，綜合性能良好，具有實際應用意義。添加鉍可以改善銅合金的切削性能，這是早已經得到過實驗證明的，但是簡單的鉍黃銅合金，鉍呈連續薄膜狀分布于晶界，使得其熱加工性能差，在實際生產中的應用受到了很大的限制。而本發明的適于鍛造用的無鉛易切削黃銅合金，鉍與鋰及鉤在銅中優先生成了高熔點的化合物，這些化合物不僅可以提高合金的切削性能，而且本身就能提高合金的高溫塑性，化合物以細小質點的形式均勻彌散地分布在晶粒內部，因此克服了鉍對黃銅熱冷塑性的不良影響。另一方面，在合金中加入適量的S元素形成彌散的第二相Cu2S，使切屑易斷，從而改善了合金的切削性。同時，由于Cu2S析出并以片狀分布在晶內。不僅彌補了由于鉍形成化合物損失的部分切削性能，而且由于其在晶內的片狀分布，對加工性能沒有大的影響。另外，在合金中添加鋁主要是改善金屬的流動性，提高合金在高溫下的抗氧化性能，一般含量為0.001%~0.1%,當含量過高時，會降低合金的加工性能及力學性能。添加硼和稀土金屬主要是起細化晶粒的作用，阻止晶粒的長大，尤其是稀土金屬元素，是優良的晶粒細化劑，其總體含量不超過O.001%~0.08%，過多的稀土元素會形成大顆粒的第二項，不僅惡化合金的鑄造性能，并且會降低合金的綜合性能，所以稀土元素的添加量不宜過多。本發明的優點在于，獲得的合金產品晶粒細小，具有非常優異的熱加工性能，適于鍛造，并且具備良好的切削性能，特別適用于要求高，需要進行鍛造制坯，再進行切削加工的各種零件；同時，該材料制造的零件成本較低。具體實施例方式實施例1把按表l中所述合金成分，先熔煉銅鋅合金,溫度為1250'C~130(TC,熔體"噴火"后依次加入鉍及含鑭15wt。/4的鋅鑭中間合金，靜置保溫10分鐘后，再依次加入鋅鉀中間合金、銅硫中間合金、鋁、銅硼中間合金及鋅鋰中間合金，攪拌扒渣后，然后保溫15分鐘再進行澆鑄，澆鑄溫度為1000。C~1050°C，制M金鑄坯。在550。C下對所得鑄坯進行鍛造成形，得到零件的毛坯l(鍛件)。表l本發明無锘易切削黃銅^成分(重量％)合金元素CuBiCaUSAlBLaZn其他雜質總和余55.00.10.050.060.150.10.050.08<0.10量實施例2把按表2中所述合金成分，先進行銅鋅合金的熔煉，溫度為1250。C~1300°C,熔體"噴火"后依次加入鉍及鈰鋅中間合金，靜置保溫10分鐘后，再依次加入鋅釣中間合金、銅硫中間合金、鋁、銅硼中間合金及鋅、鋅鋰中間合金，攪拌抓渣，然后在1100'C保溫15分鐘再進行澆鑄，澆鑄溫度為100(TC~1050°C,制備合金鑄坯。在570。C下對所得鑄坯進行鍛造成形，得到零件的毛坯2(鍛件)。表2本發明無鉛易切削黃銅^r成分(重量％)合金元素CuBiCaUSAlBCeZn其他雜質總和余57.00.30.150.100.10.10.020.05<0.10量實施例3把按表3中所述合金成分，先進行銅鋅合金的熔煉，溫度為1200X:~1250°C，熔體"噴火"后依次加入鉍及含釹15wt。/n的鋅釹中間合金，靜置保溫10分鐘后，再依次加入鋅4丐中間合金、銅硫中間合金、鋁、銅硼中間合金及鋅、鋅鋰中間合金，攪拌扒渣，然后在1100r保溫15分鐘再進行澆鑄，澆鑄溫度為1000。C~1050'C,制*金鑄坯。在57(TC下對所得鑄坯進行鍛造成形，得到零件的毛坯3。表3本發明無鉛易切削黃銅^t成分(重量％)合金元素CuBiCaUSAlBNdZn其他雜質總和余60.00.40.20.150.080.050.010.03<0.10量實施例4把按表4中所述合金成分，先熔煉銅鋅合金，溫度為1250'C~1300'C，熔體"噴火，，后依次加入鉍及含鑭7.5wt。/。、鈰7.5wt。/。的鋅鑭鈰中間合金，靜置保溫10分鐘后，再依次加入鋅鈣中間合金、銅硫中間合金、鋁、銅硼中間合金及鋅、鋅鋰中間合金，攪拌扒渣，然后在1100'C保溫18分鐘再進行澆鑄，澆鑄溫度為1000。C-1050'C，制備合金鑄坯。在600'C下對所得鑄坯進行鍛造成形，得到零件的毛坯4。表4本發明無鉛易切削黃銅^r成分(重量％)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實施例6把把按表6中所述合金成分，先熔煉銅鋅合金，溫度為115(TC1200'C，熔體"噴火"后依次加入鉍及含鈰7.5wt%、釹7.5wt。/。的鋅傳釹中間合金，靜置保溫IO分鐘后，再依次加入鋅鈣中間合金、銅硫中間合金、鋁、銅硼中間合金及鋅、鋅鋰中間合金，攪拌扒淦，然后在1100。C保溫20分鐘再進行澆鑄，澆鑄溫度為IOOO°C~105(TC,制備合金鑄坯。在650'C下對所得鑄坯進行鍛造成形，得到零件的毛坯6。表6本發明無鉛易切削黃銅^r成分(重量％)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>本發明的適于鍛造的無鉛易切削黃銅的性能測試如下:1、壓縮試驗取本發明表1和2成分的黃銅合金鑄件、相同狀態的C36000合金及敘黃銅(采用國內廠家生產的鉍黃銅，鉍含量2-3%)，相同規格((D10x20mm),進行常溫壓縮試驗，試樣在常溫下進行軸向加栽，變形量為55%,長度減小至9mm,觀察其表面情況。經常溫壓縮試驗后，鉍黃銅出現明顯的裂紋，C36000合金和本發明的合金均看不到明顯的裂紋，在顯微鏡下觀察，發現C36000合金和本發明合金僅在壓縮頭尾部出現垂直加栽方向的細微裂紋，是由于試樣與試驗臺表面接觸引起的，并且本發明的這種細微裂紋比C36000合金要少很多。可見，本發明的易切削無鉛黃銅合金的加工性能要優于鉍黃銅以及C36000合金合金，大大改善了由于單獨加鉍及銻引起的合金加工性能較差的問題。2、熱壓縮試驗取本發明的成分3、4的黃銅合金鑄件、相同狀態的C36000合金及鉍黃銅，相同規格(0)10x20mm),進行熱壓縮試驗，試樣在700。C加熱20分鐘，然后進行軸向加載，變形量為80%,長度減小至4mm,觀察其表面情況。經熱壓縮試驗后，鉍黃銅出現明顯的裂紋，C36000合金也出現了微小裂紋，本發明的合金看不到明顯的裂紋。可見，本發明的易切削無鉛黃銅合金的熱加工性能優于鉍黃銅以及C36000合金合金，鍛造性能優異。3、切削性試驗本發明無鉛易切削黃銅合金成分5、6黃銅合金鑄件的切屑呈細針狀的微弧狀的短碎屑，而C36000合金為稍長的細針狀直碎屑，鉍黃銅為長弧狀切削，相對C36000合金的切削性能來講(100%),鉍黃銅約為75%,而本發明的黃銅>80%。4、抗拉強度試驗取本發明表2-4成分的黃銅合金鑄件、相同狀態的C36000合金及鉍黃銅，在50065(TC下進行鍛造成型，得到鍛件毛坯，變形量均為60%。然后制成標準拉伸試樣，進行常溫抗拉試驗。結果如表7所示，表7本發明無鉛易切削黃銅與其他合金的抗拉強度比較<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>從表7中可知，經過鍛造之后，本發明的黃銅合金的強度較高，尤其延伸率較高，非常適合于鍛造生產，還可以繼續進行進一步的精鍛。和試驗樣品相比，C36000合金及鉍黃銅的強度差不多，但是延伸率都較差，鍛造性能相對較差。綜合考慮以上試驗情況，本發明的適于鍛造用的易切削無鉛黃銅合金與常用的易切削含鉛黃銅及無鉛的鉍黃銅相比，鍛造性能及切削性能要優于以上幾種合金，非常適于鍛造使用。本發明的適于鍛造用的易切削無鉛黃銅合金含鉍量很少，成本較低，因此，本發明的適于鍛造用的易切削無鉛黃銅合金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銅合金。權利要求1.一種適于鍛造用易切削無鉛黃銅合金，其特征在于合金成分重量分數為，銅55％～68％，鉍0.1％～0.8％，鈣0.05％～0.3％，鋰0.05％～0.3％，硫0.05％～0.15％，鋁0.001％～0.1％，硼0.001％～0.05％，稀土元素0.001％～0.08％，所述稀土元素為鑭、鈰、釹中的一種或多種，其余為鋅和不可避免的雜質。2.根據權利1所述的適于鍛造用的易切削無鉛黃銅合金的制備方法，其特征在于先熔煉銅鋅合金，溫度為1150。C~1300°C,熔體"噴火"后依次加入鉍及鋅稀土中間合金，靜置保溫10分鐘后，再依次加入鋅鈣中間合金、銅硫中間合金、鋁、銅硼中間合金及鋅、鋅鋰中間合金，攪拌扒渣，然后在IIOO'C保溫15-20分鐘再進行澆鑄，澆鑄溫度為1000°C-1050'C,制M金鑄坯，在500-65(TC下對所得鑄坯進行鍛造成形，得到零件的毛坯。全文摘要本發明公開了一種適于鍛造用的易切削無鉛黃銅合金及其制備方法，其合金質量分數成分為，銅55％～68％、鉍0.1％～0.8％、鈣0.05％～0.3％、鋰0.05％～0.3％、硫0.05％～0.15％、鋁0.001％～0.1％、硼0.001％～0.05％、混合稀土元素(鑭、鈰、釹中的一種或多種)0.001％～0.08％，其余為鋅和不可避免的雜質。制備方法為先熔煉銅鋅合金，溫度為1150℃～1300℃，熔體“噴火”后依次加入鉍及鋅稀土中間合金，靜置保溫10分鐘后，再依次加入鋅鈣中間合金、銅硫中間合金、鋁、銅硼中間合金及鋅、鋅鋰中間合金，攪拌扒渣，然后在1100℃保溫15-20分鐘再進行澆鑄，澆鑄溫度為1000℃～1050℃，制備合金鑄坯。最后對所得鑄坯進行鍛造成形，得到零件的毛坯。本發明獲得的合金產品晶粒細小，具有非常優異的熱加工性能，適于鍛造，并且具備良好的切削性能。文檔編號C22C9/04GK101619404SQ20091004408公開日2010年1月6日申請日期2009年8月11日優先權日2009年8月11日發明者章四琪,胡振青,許傳凱,謝水生,黃勁松,黃國杰申請人:路達(廈門)工業有限公司