一種無鉛黃銅合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬合金制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種無鉛黃銅合金及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鉛黃銅由于其優(yōu)良的特性，如切削性能和耐磨性能，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，例 如：五金件、汽車零件、電器接插件、閥門、管接頭等。但這類材料中的鉛容易以固態(tài)或氣態(tài) 的形式析出，進(jìn)入環(huán)境后不僅不容易被除去，且能不斷富集，對環(huán)境和人體健康造成威脅， 有研究稱，慢性鉛中毒對人體造血和神經(jīng)系統(tǒng)，特別是兒童的腎及其它器官損害較大，所以 世界各國均很重視鉛造成的污染和引起的危害，已限制和禁止鉛黃銅的使用。因此，環(huán)保的 無鉛黃銅合金已成為當(dāng)今世界有色金屬研究的熱點(diǎn)。
[0003] 近年來，國內(nèi)外對無鉛黃銅進(jìn)行了大量的研究，并已經(jīng)取得了一定成果，現(xiàn)階段研 究主要以鉍、硅、鎂、銻以及石墨替代鉛。其中，鉍本身性脆，其熔點(diǎn)比鉛低，表面張力亦比鉛 小，一般以網(wǎng)狀或膜狀分布于晶界，故鉍易使銅合金產(chǎn)生熱脆和冷脆，而鉍以薄膜狀在晶界 偏聚，嚴(yán)重影響了鉍黃銅的力學(xué)性能，需要通過添加多種微量元素改變鉍的偏析行為，且鉍 資源有限，使得鉍黃銅合金價(jià)格昂貴，故難以被推廣應(yīng)用。硅可改善銅合金的熱加工性能， 尤其是低溫下的熱加工性能。硅含量增加到4%時(shí)會(huì)出現(xiàn)具有密排六方晶格的Y相，在高 溫下具有足夠的塑性，在545°C通過共析分解轉(zhuǎn)變?yōu)閍+0相。但硅黃銅的切削性能只有 鉛黃銅性能的70 %~80 %，并且銅含量較高，其價(jià)格也比一般黃銅高出很多。有研究表明， 通過熔鑄、擠壓的方法制備，用鎂代替鉛黃銅的棒材，其切削性能可以達(dá)到鉛黃銅性能的 78. 5%，鎂，部分固溶于銅，并與銅形成低熔點(diǎn)二元共晶相Cu-Mg和Zn-Mg，彌散分布與基體 中，提高合金切削性能。但鎂黃銅在熔煉過程中容易發(fā)生氧化、吸氣等，使得其鎂鉛黃銅的 熔煉工藝極為復(fù)雜。
[0004] 此外有研究者還進(jìn)行了以銻代鉛的研究，并取得了一定的成果，但近年來對于銻 是否對人體有害也存在爭議。石墨具有很好的潤滑效果，且石墨質(zhì)軟，容易斷裂，切肩尺寸 小，還可減少與刀頭的磨損。在黃銅中加入石墨并與其他可以提高強(qiáng)度的合金元素配合使 用，會(huì)使黃銅合金在具有良好切削性能的同時(shí)，也具有比較優(yōu)良的力學(xué)性能。但由于石墨的 強(qiáng)度低、密度小、容易上浮，同時(shí)其熔點(diǎn)高，很難采用普通熔鑄方法使其熔入黃銅基體中，需 要采用離心、攪拌等先進(jìn)的鑄造技術(shù)，這使得生產(chǎn)工藝復(fù)雜，導(dǎo)致生產(chǎn)成本大幅增加。
[0005] 整體來說，國內(nèi)外對于無鉛黃銅的研究還處于探索階段，在無鉛黃銅的推廣應(yīng)用 中還存在許多急需解決的難題，降低成本和提高切削性能并兼顧其抗拉強(qiáng)度和塑性等力學(xué) 性能，是無鉛黃銅面臨的重大問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于提供一種無鉛黃銅合金及其制備方法，具有良好的切 削性能。
[0007] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種無鉛黃銅合金，包括以下組分：
[0008]
[0009] 余量為鋅和不可避免的雜質(zhì)。
[0010] 優(yōu)選的，所述硒的含量為1. 8~2. 9wt%。
[0011] 優(yōu)選的，所述鈦的含量為1. 6~2. 8wt%。
[0012] 優(yōu)選的，所述鈧的含量為0? 05~0? lwt%。
[0013] 優(yōu)選的，所述釤的含量為0? 05~0? lwt%。
[0014] 優(yōu)選的，所述鈷的含量為0? 2~0? 4wt%。
[0015] 優(yōu)選的，所述碲的含量為0. 25~0. 4wt%。
[0016] 相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種上述技術(shù)方案所述的無鉛黃銅合金的制備方法，包括 以下步驟：
[0017] 步驟a)向工頻感應(yīng)爐中加入電解銅，升溫進(jìn)行熔煉；
[0018] 步驟b)向所述工頻感應(yīng)爐中加入鋅，攪拌后加入硒和碲，攪拌20~30min ;
[0019] 步驟c)將鋁箱包裹的鈦加入所述工頻感應(yīng)爐內(nèi)，攪拌20~30min后加入鈧、錳和 鐵，繼續(xù)攪拌20~30min ;
[0020] 步驟d)調(diào)整溫度至980~1080°C后添加精煉劑并攪拌；
[0021] 步驟e)充分?jǐn)嚢韬?，爐前取樣分析，確認(rèn)化學(xué)成分；
[0022] 步驟f)向所述工頻感應(yīng)爐中加入鈷和釤，攪拌后取樣分析，成分調(diào)整；
[0023] 步驟g)靜置，撈渣，在1000~1050°C下保溫后升溫至1150~1200°C，出爐澆注， 得到無鉛黃銅合金。
[0024] 優(yōu)選的，步驟a的熔煉溫度為1100~1200°C。
[0025] 優(yōu)選的，所述精煉劑包括以下成分：
[0026] 螢石、冰晶石、硼砂、二氧化硅、氧化銅、氟硅酸鈉和鈦白粉。
[0027] 本發(fā)明提供了一種無鉛黃銅合金及其制備方法，包括以下組分：銅、硒、鈦、鋁、鈧、 釤、鈷、碲、錳、鐵、余量為鋅和不可避免的雜質(zhì)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，所述硒與銅、鋅、碲元素生 成一種脆性的金屬間化合物相，可視為合金基體中產(chǎn)生了微小的空間，從而割斷了基體的 連續(xù)性，成為應(yīng)力集中源，產(chǎn)生了所謂的"切口效應(yīng)"，從而構(gòu)成許多弱化微區(qū)，提高了合金 的切削性能；鈦和鋁共同作用，在黃銅中具有變質(zhì)處理的功能，細(xì)化組織和晶粒，提高其塑 性而硬度不會(huì)有所降低；鈧和鋁共同作用，提高合金的穩(wěn)定性；鈷和釤的加入，提高了黃銅 合金的流動(dòng)性，從而提高合金的機(jī)械加工性能尤其改善了切削加工性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā) 明制備的黃銅無鉛具有良好的切削性能，并具有良好的抗拉強(qiáng)度和塑性等力學(xué)性能。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是 應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的 限制。
[0029] 本發(fā)明實(shí)施例公開了一種無鉛黃銅合金，包括以下組分：
[0030]
[0031] 余量為鋅和不可避免的雜質(zhì)。
[0032] 按照本發(fā)明，由于相對越高的銅含量可以得到a相較多的黃銅合金，其材料的耐 腐蝕性和塑性較好，但是合金材料的強(qiáng)度、硬度反而會(huì)下降，熱加工性能變差，因此，為了兼 顧材料的熱加工性能，抗腐蝕性能和力學(xué)性能，采用的銅含量為54. 2~68. 4wt %，優(yōu)選為 57. 2 ~68. 4wt %，更優(yōu)選為 57. 2 ~65. 4wt %。
[0033] 所述硒與銅、鋅、碲元素生成一種脆性的金屬間化合物相，可視為合金基體中產(chǎn)生 微小的空間，從而割斷了基體的連續(xù)性，成為應(yīng)力集中源，產(chǎn)生所謂的"切口效應(yīng)"，從而構(gòu) 成許多弱化微區(qū)，提高合金的切削性能。另外，硒元素對人類來說也是重要的營養(yǎng)元素，在 醫(yī)學(xué)上可以起到抗癌的作用；硒是具有抗氧化作用的微量元素，可以清除體內(nèi)的過氧化物， 保護(hù)細(xì)胞和組織免受過氧化物的侵害，提高人體的免疫力和抗衰老的能力；硒是部分有毒 重金屬元素（隔、鉛）的天然解毒劑，因此即使黃銅合金中有微量的不可避免的有毒重金屬 雜質(zhì)，硒也可以將其的危害大大降低。按照本發(fā)明，所述硒的含量優(yōu)選為1. 8~2. 9wt%，更 優(yōu)選為1. 8~2. 8wt %。
[0034] 所述的鈦元素在黃銅中具有變質(zhì)處理的功能，在黃銅合金中，Ti和Cu形成的化 合物主要有Ti2Cu3、TiCu和Ti2Cu，上述化合物均具有較高的結(jié)晶點(diǎn)，在990°C左右可以結(jié) 晶，可作為非自發(fā)形核，從而細(xì)化組織和晶粒。因?yàn)槲亓鲃?dòng)性差，且硒黃銅合金的塑 性較差，所以在本發(fā)明中用Ti作為變質(zhì)劑來調(diào)節(jié)硒黃銅合金的組織形貌。在本發(fā)明中 Ti以K2TiF 6B式加入，加入時(shí)用鋁箱包裹，在銅液高溫下發(fā)生如下的反應(yīng)：3K 2TiF6+13Al =3TiAl3+4AlF3+6KF，3K 2TiF6+4Al = 3Ti+4AlF3+6KF，Ti+3Cu = Cu3Ti，分別形成 TiAl3和 Cu3Ti，可作為非自發(fā)的形核質(zhì)點(diǎn)。所述鈦的含量優(yōu)選為1. 6~2. 8wt %時(shí)，組織由未變質(zhì)時(shí) 長板條樹枝狀變?yōu)槎唐瑺?，并伴有等軸晶的傾向，組織細(xì)化的效果最好，力學(xué)性能最高，強(qiáng) 度和塑性的指標(biāo)均有顯著的增加。
[0035] 所述的鋁主要和上述鈦一起相互作用，如果單獨(dú)的鋁會(huì)使硬度提高而降低塑性， 與鈦搭配相互作用會(huì)提高其塑性而硬度不會(huì)有所降低。此外鋁可以在合金的表面形成A1 203 膜，提高合金的耐腐蝕性能和表面的光潔度。另外，在熔煉的過程中，A1的加入還可以減少 Zn的蒸發(fā)，當(dāng)鋁的使用量超過0. 4wt%時(shí)，合金的流動(dòng)性明顯增加，本發(fā)明所述鋁的含量優(yōu) 選為 0? 4 ~0? 7wt %。
[0036] 所述鈧是一種稀土元素，可強(qiáng)烈地細(xì)化合金材料的鑄態(tài)組織，并使重結(jié)晶退火后 的a、0相的相對量及結(jié)晶形貌發(fā)生變化，且與可鉛等元素形成顆粒狀雜質(zhì)，改善合金材 料中雜質(zhì)的分布，并改善合金的物理性質(zhì)及加工性質(zhì)。在本發(fā)明中，鈧和鋁共同作用，鈧和 鋁會(huì)形成很多化合物如ScA13,ScA12, ScAl等，由于Sc在所有稀土元素中原子半徑是最小 的，主要的合金質(zhì)點(diǎn)ScA13熔點(diǎn)高且與A1的距離較近，因此在結(jié)晶過程中容易形成過飽和 的固溶體，在加熱和擠壓過程中容易析出共格的ScA13質(zhì)點(diǎn)，因而能強(qiáng)烈抑制再結(jié)晶過程和 提高合金的穩(wěn)定性。按照本發(fā)明，所述鈧的含量優(yōu)選為〇. 05~0. lwt%，更優(yōu)選為0. 05~ 0. 08