一種無鉛易切削矽黃銅合金及其製備方法
2023-05-04 23:21:36 2
專利名稱：一種無鉛易切削矽黃銅合金及其製備方法
技術領域：
本發明涉及易切削矽黃銅合金領域，特別涉及一種無鉛易切削矽黃銅及其製備方法。
背景技術：
由於黃銅合金的應用 領域十分廣泛，所以其切削性能直接影響到材料機加工產品的成品率，生產成本及生產效率。現有的易切削黃銅主要包括鉛黃銅，由於含鉛的鑄造黃銅合金具有優異的切削性能和鑄造性能且生產成本較低，所以被廣泛地應用到眾多領域。然而，隨著工業化社會的發展，鉛對生態環境的危害日益顯現，所以發達國家一直致力於易切削無鉛黃銅的研究，易切削無鉛黃銅就是通過改良黃銅中的成分設計，適當地加入其他少量無毒害的元素替代鉛，在合金中形成有利於改善黃銅切削性能的新相，達到易切削的目的。這些替代鉛的元素主要是鉍、矽、銻、碲、石墨及鎂等。從實用化的角度，目前國內外已經投入應用的主要是鉍黃銅和矽黃銅。在已開發的矽黃銅中，能形成產品並投入應用的主要是由日本三寶公司開發的無鉛矽黃銅系列產品。三寶系列產品的主要特徵是銅含量很高，一般都高於70%，所以這類矽黃銅成本高於一般的黃銅產品，難以被用戶接受，從而限制了它的推廣應用。
發明內容
本發明的目的是提供一種鑄造性能、鍛造性能優異，切削性能、力學性能優良、所需金屬原料成本相對較低的易切削矽黃銅合金。根據本發明的一個方面，提供了無鉛易切削矽黃銅合金，其組分和含量包括:
鋅28 34 wt% 矽2.2 3.5 wt%
硫化鋅0.5 1.8 wt%
銅餘量。在一些實施方式中，合金中不可避免的雜質含量彡0.8wt%。在一些實施方式中，鋅的含量為30 31wt%，矽的含量為2.5 3wt%，硫化鋅的含量為I 1.5wt%,餘量為銅。在一些實施方式中，鋅的含量為31wt%，矽的含量為3wt%，硫化鋅的含量為lwt%，餘量為銅。本發明的另一個方面還涉及了一種無鉛易切削矽黃銅合金的製備方法，包括以下步驟:步驟1、合金成分配比設計:鋅28 34wt%，矽2.2 3.5wt%，硫化鋅0.5
1.8wt%,餘量為銅；
步驟2、製備預製塊:將銅粉、硫化銅粉、鋅粉以4:3:3的比例充分混合後壓制形成預製塊；步驟3、熔煉:首先將電解銅加入熔煉爐隨爐熔化，將爐溫控制在1040 1100°C，然後加入預製塊和矽，預製塊加入後會藉助銅液的高溫發生原位反應，待反應充分進行後，隨爐冷卻至450 500°C，加入純鋅並攪拌，然後保溫5 15分鐘；步驟4、將銅合金液澆鑄於鐵模得到矽黃銅合金鑄錠。在一些實施方式中，將所述的矽黃銅合金鑄錠加熱到700 750°C進行熱擠壓成品。影響黃銅材料切削性能的因素主要與合金組織與力學性能相關。黃銅組織若為單一的α相，該相質軟，且其塑性好，加工時易得連續長屑，交纏在刀具與工件，對切削不利。如果在α相基體上有其他強度、硬度、塑性與α相相差較大的其他相存在，尤其是存在β相、Y相時，由於Y相質硬且呈脆性，那麼在拉應力作用下這些脆性相易破碎，這些脆性相組織就破壞了塑性較好的α相基體的連續性，具有斷屑的作用，從而有利於改善黃銅合金的切削性能。鋅是黃銅中的主要合金元素，其含量的變化對黃銅合金的影響比較大。本發明中，鋅的含量為28 34wt%，鋅含量小於28wt%時，Y相體積分數較小，對黃銅合金的切削性能的作用不大，隨著鋅含量升高，黃銅合金中的α相體積分數減少，而β相、Y相的體積分數增加，黃銅合金的切削性能有所提高。矽含量的變化對黃銅合金的性能影響也比較大。本發明中，矽的含量為2.2
3.5wt%,矽含量小於2wt%時，切削性能達不到滿意的效果，當矽含量高於3.5wt%時，黃銅合金的切削性能雖然得以改善，但是黃銅合金的抗拉強度較低，對黃銅合金的應用產生影響。硫化鋅在黃銅合金中主要作為斷屑相來改善黃銅的切削性能。硫化鋅的存在可視為合金基體中出現一些微小的孔洞，其中填充了脆性的硫化鋅顆粒，這些孔洞破壞了基體的連續性，成為應力集中源，構成許多弱化微區，在這些區域容易產生應力集中以及位錯的繁殖和運動，產生切口效應，在剪應力的作用下實現斷屑。本發明中硫化鋅的含量為0.5
1.8wt%,當硫化鋅的含量小於0.5wt%時,對黃銅合金的切削性能影響不明顯，隨著硫化鋅的含量的增多，黃銅合金的切削性能得到較好改善，但是考慮到成本及黃銅合金的綜合性能的因素，所以控制硫化鋅的含量不大於1.8wt%。本發明與現有技術相比，其有益效果在於，黃銅合金中銅含量小於70%，通過調整黃銅中加入的鋅、矽以及硫化鋅的含量來改善黃銅合金的易切削性能，所得易切削的黃銅合金成本較低。由於黃銅合金金屬熔體的粘度很高，所添加的硫化鋅的顆粒直徑很小，密度也低於銅液的密度，硫化鋅加入到熔融的金屬後，受到表面張力的作用，浮在金屬熔體表面，要使這些顆粒克服金屬溶液的表面張力均勻地分布於熔體的可行性很小，所以本發明涉及的方法是採用硫化銅為原材料，採用原位合成工藝在矽黃銅中引入硫化鋅，硫化鋅呈脆性，從而達到改善黃銅切削性能的效果。
圖1為本發明實施例1的無鉛易切削矽黃銅的切削性能切屑形貌；圖2為本發明實施例2的無鉛易切削矽黃銅的切削性能切屑形貌；
圖3為本發明實施例3的無鉛易切削矽黃銅的切削性能切屑形貌；圖4為本發明實施例4的無鉛易切削矽黃銅的切削性能切屑形貌；圖5為本發明實施例1的無鉛易切削矽黃銅的SEM組織形貌圖。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進一步詳細的說明。—、無鉛易切削矽黃銅的製備方法，其具體工藝為:步驟1、設計合金成分配比，即合金中的組分和含量包括:銅62 68wt%,鋅28 34wt%，矽2.2 3.5wt%，硫化鋅0.5 1.8wt%，餘量為銅；步驟2、製備預製塊:將銅粉、硫化銅粉、鋅粉以4:3:3的比例充分混合後壓制形成預製塊，將按比例配好的銅粉、硫化銅粉、鋅粉在混粉機上均勻混合，將混合後的粉末在油壓機上壓製成塊。步驟3、熔煉:首先將電解銅加入熔煉爐隨爐熔化，將爐溫控制在1040 1100°C，然後加入預製塊和矽，預製塊加入後會藉助銅液的高溫發生原位反應，待反應充分進行後，隨爐冷卻至450 500°C，加入純鋅，充分攪拌使其成分均勻，保溫5 15分鐘；其中原位反應為:CuS+Zn — ZnS+Cu，從而實現在黃銅合金溶液中引進硫化鋅的目的；其中，黃銅合金的熔煉是在真空中頻感應熔煉爐進行。在經典的熱力學的理論中，通常根據吉布斯函數判據來判斷一個反應能否自發進行。系統吉布斯函數減少的過程能夠自發進行，吉布斯函數不變時處於平衡狀態，即要保持系統穩定必須 兩足Δ G^O0根據熱力學第二定律，在等溫等壓條件下，有:
權利要求
1.一種無鉛易切削矽黃銅合金，其特徵在於，其組分和含量包括:鋅28 34 wt%矽2.2 3.5 wt%硫化辭0.5- 1.8 wt% 銅餘量-
2.根據權利要求1所述的一種無鉛易切削矽黃銅合金，其特徵在於，合金中不可避免的雜質含裡!< 0.8wt%。
3.根據權利要求1所述的一種無鉛易切削矽黃銅合金，其特徵在於，鋅的含量為30 31wt%，矽的含量為2.5 3wt%，硫化鋅的含量為I 1.5wt%，餘量為銅。
4.根據權利要求1所述的一種無鉛易切削矽黃銅合金，其特徵在於，鋅的含量為31wt%，矽的含量為3wt%，硫化鋅的含量為lwt%，餘量為銅。
5.一種製備如權利要求1-4中任一項所述的無鉛易切削矽黃銅合金的製備方法，其特徵在於，採用以硫化銅為原材料的原位合成法向黃銅合金中引進硫化鋅，具體包括以下步驟: 步驟1、設計合金成分配比:鋅28 34wt%,娃2.2 3.5wt%,硫化鋅0.5 1.8wt%,餘量為銅； 步驟2、製備預製塊:將銅粉、硫化銅粉、鋅粉以4:3:3的重量比充分混合後壓制形成預製塊； 步驟3、熔煉:首先將電解銅加入熔煉爐隨爐熔化，將爐溫控制在1040 1100°C，然後加入預製塊和矽，預製塊加入後會藉助銅液的高溫發生原位反應，待反應充分進行後，隨爐冷卻至450 500°C，加入純鋅並攪拌，然後保溫5 15分鐘； 步驟4、將銅合金液澆鑄於鑄模中得到矽黃銅合金鑄錠。
6.根據權利要求5所述的無鉛易切削矽黃銅合金的製備方法，其特徵在於，還包括以下步驟: 將所述的矽黃銅合金鑄錠加熱到700 750°C進行熱擠壓成品。
全文摘要
本發明公開了一種無鉛易切削矽黃銅合金及其製備方法，其組分和含量包括鋅28～34wt%，矽2.2～3.5wt%，硫化鋅0.5～1.8wt%，餘量為銅。其有益效果是，黃銅合金中銅含量小於70%，通過調整黃銅中加入的鋅、矽以及硫化鋅的含量來改善黃銅合金的易切削性能，所得易切削的黃銅合金成本較低，採用原位合成工藝在矽黃銅中引進硫化鋅，硫化鋅呈脆性，從而達到改善黃銅切削性能的效果。
文檔編號C22C1/02GK103114221SQ201310066479
公開日2013年5月22日 申請日期2013年3月1日 優先權日2013年3月1日
發明者萬曉峰, 岑志劍 申請人:南通大學