一種用於製備易切削黃銅的鉍銻鎂合金及製備方法與流程
2023-06-22 03:34:01 1
本發明涉及易切削黃銅，特指一種用於製備易切削黃銅的鉍銻鎂合金，屬於有色合金(C22C合金)製備技術。
背景技術：
金屬鉍(Bi)的晶體結構屬斜方晶系，外觀呈銀白色，有強烈的金屬光澤。純鉍是柔軟的金屬，不純時性脆，室溫下，鉍不與氧氣或水反應，在空氣中穩定，鉍的導電和導熱性都較差；含鉍的主要礦石為輝鉍礦(Bi2S5)和赭鉍石(Bi2O5)。鉍在我國的儲量居世界第一位，約佔全球總儲量的70％多。
由於鉍無毒，且與鉛的低熔點、高柔韌性等許多方面的性能相接近，而在工業上廣泛用作鉛的替代品；鉍主要用於製造易熔合金，熔點範圍是47～262℃，最常用的是鉍同鉛、錫、銻、銦等金屬組成的合金，用於消防裝置、自動噴水器、鍋爐的安全塞，一旦發生火災時，一些水管的活塞會「自動」熔化，噴出水來，在消防和電氣工業上，用作自動滅火系統和電器保險絲、焊錫；鉍合金具有凝固時不收縮的特性，用於鑄造印刷鉛字和高精度鑄型；碳酸氧鉍和硝酸氧鉍用於治療皮膚損傷和腸胃病；金屬鉍用於製備低熔合金，在消防和電氣安全裝置上有特殊的重要性；含鉍易切削合金鋼和銅合金，已成為現代製造業所迫切需要的一種原材料。
鉛黃銅具有優異的切削性能和耐磨性能，被廣泛應用於電子電器接插件、儀表零件、飲水系統的水管、水龍頭、閥門、管接頭以及汽車、消防和飛機等使用的液壓閥門等領域；鉛是一種有毒元素，近年來，隨著人們環保意識的增強，各國政府相繼出臺了對含鉛銅合金應用的限令，鉛黃銅的應用將面臨嚴格的限制，因而開發無鉛易切削銅合金來替代鉛黃銅已成為當今世界金屬材料製造業的重大課題；近年來，國內外學者均致力於鉍系、錫系、銻系、矽系及添加石墨等的無鉛易切削銅合金的開發研究，目前，通過添加適量的Bi、Mg、Se、Si、Ti、Al和稀土元素Ce合金元素來替代鉛黃銅中的鉛，並取得了比較理想的實用效果。如：梅虎等通過向黃銅中加入微量的純鎂和純鈣，研究了無鉛易切削鎂鈣黃銅的組織結構與性能。吳維冬等研究了熱擠壓銻鎂黃銅的顯微組織及性能，但是沒有說明鎂和銻的加入方式。中南大學肖來榮等人分別研究了錫對鎂黃銅切削性能和腐蝕性能的影響以及鉍對無鉛易切削黃銅性能的影響。美國的貝爾實驗室和日本的KITZ公司宣布已研製出含Bi和Se的銅合金，並已應用於水龍頭、閥門等供水部件上；日本研究人員早在20世紀90年代就致力於無鉛易切削黃銅的研究，開發出了不加任何其他微量元素的Bi黃銅；2004年日本新日東金屬與住友輕金屬研究開發中心共同開發出了無鉛和低鉛黃銅系列產品，採用鉍和錫替代鉛；肖寅昕通過研究含鉛黃銅的易切削性能，從其機理出發，以矽代替鉛製備易切削黃銅；Sb也可改善黃銅的切削性能，中南大學肖來榮等在黃銅中同時添加純Bi和純Sb來替代鉛黃銅中的鉛，並添加一定量的Ti和稀土元素Ce來改善合金性能，獲得了較好的效果。申請人在前期研究工作中，以鉍銻合金的形式向黃銅中添加鉍和銻，製備了鉍銻易切削黃銅，由於鉍與銻形成固溶體，提高了鉍和銻元素的收得率(一種用於製備鉍銻易切削黃銅的鉍銻合金及製備方法，201410231537.9)，但是合金的熔點過低，使其收得率收到一定的影響，因此有必要進一步提高合金元素的收得率。申請人注意到，在已經有的研究中，沒有發現同時向黃銅中添加Bi、Sb和Mg元素以達到改善其切削加工性能的文獻報導。
由於鉍的熔點低(271.3℃)，給所述易切削黃銅的合金化處理造成了很大的困難，用金屬鉍(精鉍)作為銅合金的合金化處理添加劑，將會造成很大的燒損和浪費；儘管已有銅鉍合金，但是在製備銅鉍合金時，由於銅的熔點很高，鉍也會有很大的一次燒損；由於鉍在銅鉍合金中仍然是以單質形式存在，在將銅鉍合金加入到黃銅合金液時，還會產生二次燒損。研究報導，在普通黃銅中加入Mg、Sb等合金元素，會形成脆而不硬的複雜金屬間化合物顆粒。這些顆粒均勻分布於基體中，在切削過程中，這些化合物顆粒起到了類似鉛黃銅中鉛的斷屑作用。鎂銻黃銅具有與鑄造鉛黃銅(ZCuzn40Pb2)相當的切削性能，且有更好的力學性能。但是，由於Sb和Mg的熔點也較低，因此在對黃銅進行合金化處理時也存在燒損問題。而中國專利檢索及其它文獻檢索結果表明：合金化處理可行，收得率高的用於易切削黃銅合金化處理的添加劑鉍銻鎂合金，尚未見有報導。
為此，提供一種合金化處理可行，收得率高的製備易切削黃銅用的鉍銻鎂合金化處理的添加劑，便成為飛躍發展的有色金屬行業的一致要求。
技術實現要素：
本發明旨在提供一種合金化處理可行，收得率高的鉍銻鎂合金，以期滿足易切削銅合金製備的需求。
本發明實施其目的的技術方案是：
一種鉍銻鎂合金，其特徵在於其組分按照質量百分含量計算為：
鉍：40～45，鎂10～20％；不可避免的雜質：≤0.8；銻：餘量。
本發明所述的一種鉍銻鎂合金，其特徵在於在鉍銻鎂中間合金組織中同時存在高熔點的Mg3Sb2(1245℃)和Mg3Bi2(821℃)化合物，可顯著減少鉍和鎂元素的燒損。鉍銻鎂中間合金組織中熔點高於黃銅熔點(880℃左右)的Mg3Sb2(1245℃)化合物，採用溶解的方式進入銅合金液中。熔點低於黃銅熔點(880℃左右)的Mg3Bi2(821℃)化合物，採用熔化的方式進入銅合金液中。
上述技術發明得以實施以後，由於本發明鉍的質量百分含量為40％～45％時，鎂分別與鉍和銻形成高熔點的金屬間化合物(Mg3Sb2：1245℃、Mg3Bi2：821℃)，明顯高於純鉍的熔點；中間合金中既有高於銅合金熔點的Mg3Sb2化合物，又有低於銅合金熔點的Mg3Bi2化合物，因而採用本發明合金作為易切削銅合金的爐前合金化處理是可行的，且鉍的收得率高，從而實現了本發明的目的。
具體實施方式
本發明製備方法的簡要描述是：採用熔煉、金屬型鑄造及機械破碎的方法實施本發明：將工業純鉍、工業純銻和工業純鎂按製備本發明所需的配料比配料，先熔化熔點較高的工業純銻和工業純鎂得到銻鎂合金熔體，不再加溫，再將熔點較低的工業純鉍加入到銻鎂合金熔體中並進行攪拌，以加快鉍的溶解速度，由於熔煉過程中熔體的溫度不斷降低、且熔煉時間短，因此可以減少鉍和鎂元素的燒損量；待鉍在銻鎂合金熔體中全部溶化後，然後儘快澆注到金屬型中進行快速冷卻，以避免鉍的偏析，得到本發明的鉍銻鎂合金；由於本發明的鉍銻鎂合金比較脆，若需要小顆粒的鉍銻鎂合金時，可以對本發明合金進行人工或機械破碎。在鉍銻鎂中間合金組織中同時存在高熔點的Mg3Sb2(1245℃)和Mg3Bi2(821℃)化合物，熔點高於黃銅熔點(880℃左右)的Mg3Sb2(1245℃)化合物，採用溶解的方式進入銅合金液中，熔點低於黃銅熔點(880℃左右)的Mg3Bi2(821℃)化合物，採用熔化的方式進入銅合金液中，可顯著減少鉍和鎂元素的燒損。
在製備鉍銻鎂易切削黃銅時，本發明鉍銻鎂合金的加入量為黃銅合金原料質量的0.66％-1.2％。
實施方式一
一種鉍銻合金，其組分和各組分的質量百分含量是(％)：鉍40，鎂20％，不可避免的雜質：≤0.8，銻：餘量；鉍銻合金呈塊狀，其塊度在45mm；在熔煉3000克Cu-42Zn黃銅合金時，向合金熔體中加入20克的該鉍銻鎂合金，鉍的收得率為98％。
實施方式二
一種鉍銻合金，其組分和各組分的質量百分含量是(％)：鉍42.5，鎂15％，不可避免的雜質：≤0.8，銻：餘量；鉍銻合金呈顆粒狀，其粒徑在1～5mm範圍內；在熔煉3000克Cu-42Zn黃銅合金時，向合金熔體中加入27克的該鉍銻鎂合金，鉍的收得率為96％。
實施方式三
一種鉍銻合金，其組分和各組分的質量百分含量是(％)：鉍45，鎂10％，不可避免的雜質：≤0.8，銻：餘量；鉍銻合金呈顆粒狀，其粒徑在1～5mm範圍內；在熔煉3000克Cu-42Zn黃銅合金時，向合金熔體中加入35克的該鉍銻鎂合金，鉍的收得率為95％。
採用本發明製備鉍銻鎂易切削銅合金時，結果顯示其加入方法簡便可行，鉍
鎂和銻的收得率都在95％以上，高於採用精鉍或者銅鉍合金時的收得率。
本發明的應用範圍，不受其說明書描述的限制。