專利名稱：：低成本耐蝕無鉛易切削黃銅及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種不含鉛的黃銅合金及其制造方法，特別涉及一種低成本耐腐蝕無鉛易切削黃銅及其制造方法。
背景技術(shù)：
：鉛黃銅是一種在水暖衛(wèi)浴、電子電器、儀器儀表等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的易切削合金。它具有良好的冷熱加工性能、極好的切削性能，能滿足各類形狀零件的機(jī)加工。鉛黃銅對(duì)人類健康和環(huán)境有惡劣的影響。因?yàn)殂U黃銅在使用過程中會(huì)有鉛析出，當(dāng)鉛進(jìn)入人體，將會(huì)對(duì)人體血液和神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的損害，造成智力低下、癡呆、血鉛等后果。另一方面，鉛對(duì)環(huán)境的污染很大。因此，世界各國(guó)已經(jīng)開始對(duì)鉛黃銅限制使用。美國(guó)自1998年8月6日起，要求飲用水中鉛溶出量不能超過1.IX10—3%，日本在2003年規(guī)定飲用水鉛含量必須小于0.03mg/L，歐盟的無鉛指令也于2006年7月1日起開始實(shí)行。為了減少鉛對(duì)人類健康和環(huán)境的危害，近年來，各國(guó)都大力開展易切削黃銅的無鉛化研究。美國(guó)、日本、德國(guó)、中國(guó)等都發(fā)明了不含鉛的黃銅合金，并在中國(guó)取得了專利權(quán)。如日本三越金屬株式會(huì)社公開的《無鉛易切削黃銅合金材料和它的制造方法》，專利申請(qǐng)?zhí)枮?2121991.5，其成分和制造方法為銅60.062.0%、鉍0.52.2%、鋁0.010.1%、錫0.51.6%、磷0.040.15%，其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)成分，在46060(TC溫度下進(jìn)行30分4小時(shí)熱處理，以70°C/小時(shí)以下的冷卻速度緩冷。再如寧波博威集團(tuán)有限公司公開的《易切削的無鉛耐蝕低硼鉍黃銅合金及其制備方法》，專利申請(qǐng)?zhí)枮?00710067480.3，其成分為銅5764wt^、鉍0.62.5wt^、硼0.00030.025wt^、錳0.010.2wt^和銻0.0020.02wt%，其余為鋅和不可避免雜質(zhì)，不可避免雜質(zhì)的總和在合金中的含量不超過O.3wt^，且不可避免的雜質(zhì)中鉛的含量不超過0.lwt%、鎘的含量不超過0.00lwt%，此合金組成中銅加鋅大于97wt%。在上述無鉛易切削黃銅中由于加入了錫、硼、銻等昂貴金屬，導(dǎo)致原材料成本較高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)，而且上述合金在腐蝕環(huán)境中耐脫鋅腐蝕性能不高，有待進(jìn)一步改進(jìn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對(duì)上述技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種不含鉛的具有良好切削性能、抗脫鋅腐蝕性能、力學(xué)性能、冷熱成型性能，且成本低廉的低成本耐蝕無鉛易切削黃銅及其制造方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是低成本耐蝕無鉛易切削黃銅，其組成配比為5762wt^銅、1.02.5wt^鉍、0.020.lwt^砷，3641wt^鋅，不可避免雜質(zhì)總量不大于0.05wt%。低成本耐蝕無鉛易切削黃銅的制造方法，首先制備銅鉍中間合金，然后將電解銅、銅鉍中間合金、電解鋅、銅砷中間合金依次加入感應(yīng)電爐內(nèi)熔煉，熔煉溫度為1030108(TC，待全部金屬熔化后，保溫5-30分鐘；進(jìn)行銅合金錠澆鑄，澆鑄溫度10301Q5(TC;3然后將銅合金鑄錠加熱到57070(TC進(jìn)行熱擠壓；擠壓后的半成品經(jīng)拉伸、中間退火、矯直、拋光后成為成品。作為改進(jìn)，低成本耐蝕無鉛易切削黃銅組成配比可優(yōu)選為5860wt%銅、1.52.3wt^鉍、0.030.08wt^砷，3840wt%鋅和不可避免雜質(zhì)，雜質(zhì)總量不大于0.05wt%。再改進(jìn)，所述銅砷中間合金的加入方式為將細(xì)塊狀銅砷中間合金裝入純銅管內(nèi)，將純銅管兩端壓緊閉合，放入感應(yīng)電爐內(nèi)。所述銅鉍中間合金的制備方法為在1080IIO(TC范圍內(nèi)在真空度小于1Pa的熔煉爐內(nèi)熔化銅和鉍，在1030105(TC澆鑄成圓形鑄錠，然后將鑄錠破碎成塊狀。所述銅鉍中間合金的組分為14wt%鉍，其余為銅和不可避免雜質(zhì)；所述銅砷中間合金的組分為30wt^砷，其余為銅和不可避免雜質(zhì)。再改進(jìn)，所述拉伸加工率為1030%，最后一道拉伸工序的加工率為1218%。本發(fā)明的低成本耐蝕無鉛易切削黃銅的銅含量是5762wt^。銅含量低于57wt^時(shí)，冷加工性能差，拉拔過程中容易斷裂，成品的延伸率低，實(shí)用價(jià)值低。銅含量高于62wt^時(shí)，13相含量低，熱加工性能不佳，而且制造成本增高。鉍的作用是提高合金切削性能。鉍與鉛一樣，在銅中的固溶度極低，固態(tài)下，鉍以第二相粒子分布在基體中。鉍性脆且熔點(diǎn)低，在合金中形成脆、軟、彌散的小質(zhì)點(diǎn)，因此鉍的存在可以視為合金基體中產(chǎn)生的微小空間，從而割斷了基體的連續(xù)性，成為應(yīng)力集中源，構(gòu)成許多弱化微區(qū)。切削時(shí)在刀刃的接觸面上就有大量脆而不硬的鉍質(zhì)點(diǎn)存在，相當(dāng)于減小了切削層面積，使得刀具磨損減小，切削溫度和切削力降低，達(dá)到易切削的目的。在本合金中鉍含量小于1.5wt^時(shí)，不能達(dá)到滿意的切削效果，鉍含量大于2.5wt^時(shí)，將降低合金的冷加工性能，并增加成本。砷能固溶在銅中，它的主要作用是改善合金的耐脫鋅腐蝕性能。在腐蝕介質(zhì)中，固溶的砷與合金中的空位缺陷有強(qiáng)烈的相互作用，阻礙鋅的優(yōu)先溶解。當(dāng)砷含量低于0.02wt^時(shí)，不能起到阻礙鋅溶解的作用，當(dāng)砷含量大于0.lwt^時(shí)，會(huì)增大合金應(yīng)力腐蝕破裂的敏感性。本發(fā)明通過用鉍替代鉛來提高合金的切削性能，用砷來提高合金的耐脫鋅腐蝕性能。本發(fā)明與鉛黃銅相比，不含鉛，可以消除鉛在生產(chǎn)和使用過程中對(duì)人體和環(huán)境的危害。本發(fā)明與現(xiàn)有無鉛黃銅相比，不含錫、銻、硼等昂貴金屬，而砷的價(jià)格遠(yuǎn)低于錫、銻、硼等金屬，因此生產(chǎn)成本低，價(jià)格便宜。并且本合金化學(xué)組份簡(jiǎn)單，易于回收和再生利用。本合金生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，可利用現(xiàn)有鉛黃銅的生產(chǎn)設(shè)備制造，不需要增加新的設(shè)備。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明。首先制備銅鉍中間合金。銅鉍中間合金的制備方法為按鉍為14wt^其余為銅和不可避免雜質(zhì)的配比，在1080IIO(TC范圍內(nèi)，在真空度小于1Pa的真空熔煉爐中熔化銅和鉍，在1030105(TC澆鑄成銅鉍中間合金的圓形鑄錠，將此鑄錠破碎呈塊狀備用。銅砷中間合金有市售商品，可從市場(chǎng)購(gòu)買(如向湖南省衡陽(yáng)市祁東縣五金礦產(chǎn)有限公司購(gòu)買)。銅砷中間合金的組分為30wt^砷，其余為銅和不可避免雜質(zhì)。黃銅合金制備方法為按5762wt^銅、1.02.5wt^鉍、0.020.lwt^石申，3641wt^鋅，不可避免雜質(zhì)總量不大于0.05wt^的成分配比，將電解銅、銅鉍中間合金、電解鋅、銅砷中間合金依次加入感應(yīng)電爐，銅砷中間合金的加入方式為將細(xì)塊狀銅砷中間合金裝入純銅管內(nèi)，將純銅管兩端壓緊閉合，放入銅合金熔體中迅速熔化，避免砷的燒損和揮發(fā)；熔煉溫度為10301080°C，待金屬全部熔化后，將溫度提高至IIO(TC以上，噴火去雜質(zhì)，噴火完畢，保溫530分鐘；采用立式半連續(xù)澆鑄，澆鑄溫度為10301050°C，制備出①145mm黃銅合金鑄錠。然后將銅合金鑄錠加熱到57070(TC進(jìn)行熱擠壓，擠壓后的半成品經(jīng)拉伸、中間退火、矯直、拋光后成為成品。本發(fā)明制備的黃銅合金鑄錠與比較例化學(xué)成分如表1所示。比較例合金選取日本三越金屬株式會(huì)社發(fā)明的無鉛黃銅(比較例1、比較例2、比較例3)和日本的含鉛黃銅牌號(hào)C3601(比較例4)。表1本發(fā)明實(shí)施例合金與比較例合金的化學(xué)成分(wt%)<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>后續(xù)加工工藝為熱擠壓一拉伸一中間退火一酸洗一拉伸一矯直拋光一檢驗(yàn)包裝入庫(kù)。詳細(xì)描述為銅合金鑄錠加熱到57070(TC之間進(jìn)行熱擠壓，每次拉伸加工率為1030%，根據(jù)加工率大小和銅線直徑在50060(TC進(jìn)行中間退火，消除加工硬化。最后一道拉伸加工率控制在1218%之間，經(jīng)過矯直、拋光制備出成品。本發(fā)明合金擠壓規(guī)格。8.5mm，最終成品規(guī)格。4.Omm。該生產(chǎn)工藝流程與鉛黃銅生產(chǎn)流程一致。本發(fā)明實(shí)施例合金及比較例合金測(cè)試性能如下1、力學(xué)性能表2為本發(fā)明實(shí)施例合金與比較例合金的抗拉強(qiáng)度、延伸率和維氏硬度值。表2實(shí)施例與比較例合金的抗拉強(qiáng)度、延伸率和維氏硬度值<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>力學(xué)性能與比較例1、2、3、4相當(dāng)。2、抗脫鋅腐蝕性能耐脫鋅腐蝕性能測(cè)試按照GB10119-1988《黃銅耐脫鋅腐蝕性能的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。表3為本發(fā)明實(shí)施例與比較例合金的抗脫鋅腐蝕深度。表3發(fā)明實(shí)施例與比較例合金的抗脫鋅腐蝕深度<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>本發(fā)明實(shí)施例合金抗脫鋅腐蝕性能明顯優(yōu)于比較例4，與比較例1、2、3合金相當(dāng)。3、合金元素水中溶出性能合金元素水中溶出性能測(cè)試按照GB/T5750-2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，并依照GB5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》判定。表4為本發(fā)明實(shí)施例與比較例合金的合金元素水中溶出濃度。表4合金元素水中溶出濃度<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>根據(jù)合金元素溶出濃度結(jié)果判定，本發(fā)明實(shí)例合金在水中合金元素的溶出濃度低于GB5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中的控制濃度。4、切削性能試驗(yàn)設(shè)備為CW6163A臥式普通車床，刀具材料Ys8，車床參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速480r/min，進(jìn)給速度40mm/min。以C3601合金切削性能為100%，測(cè)得發(fā)明實(shí)例與比較例合金的切削性能如表5所示。表5發(fā)明實(shí)例與比較例合金的切削性能材料編號(hào)切削性指數(shù)/%實(shí)施例1>85實(shí)施例2>86實(shí)施例3>88實(shí)施例4>83比較例1>83比較例2>88比較例3>85比較例4100發(fā)明例合金切削性能與比例4相近，與比較例1、2、3相當(dāng)。5、原材料成本以C3601的原材料為100，計(jì)算發(fā)明實(shí)例與比較例合金的原材料成本如表6所示。表6發(fā)明實(shí)例與比較例合金的原材料成本材料編號(hào)原材料成本指數(shù)/%實(shí)施例1103.4實(shí)施例2104.8實(shí)施例3105.5實(shí)施例4105.7比較例1108.7比較例2108.5比較例3112.3比較例4100本發(fā)明實(shí)施例合金原材料成本低于比較例1、2、3，與比較例4相近。8權(quán)利要求低成本耐蝕無鉛易切削黃銅，其組成配比為，57～62wt％銅、1.0～2.5wt％鉍、0.02～0.1wt％砷，36～41wt％鋅，不可避免雜質(zhì)總量不大于0.05wt％。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本耐蝕無鉛易切削黃銅，其特征在于組成配比為5860wt^銅、1.52.3wt^鉍、0.030.08wt^砷，3840wt%鋅和不可避免雜質(zhì)，雜質(zhì)總量不大于0.05wt%。3.低成本耐蝕無鉛易切削黃銅的制造方法，首先制備銅鉍中間合金，然后將電解銅、銅鉍中間合金、電解鋅、銅砷中間合金依次加入感應(yīng)電爐內(nèi)熔煉，熔煉溫度為10301080°C，待金屬全部熔化后，保溫530分鐘；進(jìn)行銅合金錠澆鑄，澆鑄溫度10301050°C;然后將銅合金鑄錠加熱到57070(TC進(jìn)行熱擠壓，擠壓后的半成品經(jīng)拉伸、中間退火、矯直、拋光后成為成品。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低成本耐蝕無鉛易切削黃銅的制造方法，其特征在于所述的銅砷中間合金的加入方式為將細(xì)塊狀銅砷中間合金裝入純銅管內(nèi)，將純銅管兩端壓緊閉合，放入感應(yīng)電爐內(nèi)。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低成本耐蝕無鉛易切削黃銅的制造方法，其特征在于所述的銅鉍中間合金的制備方法為，在1080IIO(TC，真空度小于1Pa的真空熔煉爐內(nèi)熔化銅和鉍，在1030105(TC澆鑄成圓形鑄錠，然后將鑄錠破碎成塊狀。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低成本耐蝕無鉛易切削黃銅的制造方法，其特征在于所述的銅鉍中間合金的組分為14wt^鉍，其余為銅和不可避免雜質(zhì)。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低成本耐蝕無鉛易切削黃銅的制造方法，其特征在于所述的銅砷中間合金的組分為30wt^砷，其余為銅和不可避免雜質(zhì)。8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低成本耐蝕無鉛易切削黃銅的制造方法，其特征在于所述拉伸加工率在最后一道拉伸工序中的加工率為1218%。全文摘要低成本耐蝕無鉛易切削黃銅和制造方法，其組成配比為57～62wt％銅、1.0～2.5wt％鉍、0.02～0.1wt％砷，36～41wt％鋅，不可避免雜質(zhì)總量不大于0.05wt％；其制造方法，將電解銅、銅鉍中間合金、電解鋅、銅砷中間合金依次加入感應(yīng)電爐內(nèi)熔煉，熔煉溫度1030～1080℃待全部金屬熔化后，保溫5～30分鐘；進(jìn)行銅合金錠澆鑄，澆鑄溫度1030～1050℃，然后將銅合金鑄錠加熱到570～700℃進(jìn)行熱擠壓，擠壓后的半成品經(jīng)拉伸、中間退火、矯直、拋光后成為成品。本發(fā)明用鉍替代鉛來提高合金的切削性能，用砷來提高合金的耐脫鋅腐蝕性能，從而達(dá)到耐蝕、無鉛、易切削的目的。又因?yàn)楸竞辖鸩缓瑑r(jià)格昂貴的錫、銻、硼等，而砷的價(jià)格低廉，因此原材料成本低于同類無鉛黃銅產(chǎn)品，與鉛黃銅成本接近。文檔編號(hào)C22F1/08GK101701304SQ20091015495公開日2010年5月5日申請(qǐng)日期2009年12月2日優(yōu)先權(quán)日2009年12月2日發(fā)明者周洪雷,巢國(guó)輝,樓號(hào)榮,洪燮平,王加順,王永如申請(qǐng)人:寧波金田銅業(yè)(集團(tuán))股份有限公司