低成本耐蝕無鉛易切削黃銅及其製造方法

2023-05-27 01:34:36 1

專利名稱：：低成本耐蝕無鉛易切削黃銅及其製造方法
技術領域：
：本發明涉及一種不含鉛的黃銅合金及其製造方法，特別涉及一種低成本耐腐蝕無鉛易切削黃銅及其製造方法。
背景技術：
：鉛黃銅是一種在水暖衛浴、電子電器、儀器儀表等領域廣泛應用的易切削合金。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加工。鉛黃銅對人類健康和環境有惡劣的影響。因為鉛黃銅在使用過程中會有鉛析出，當鉛進入人體，將會對人體血液和神經系統產生嚴重的損害，造成智力低下、痴呆、血鉛等後果。另一方面，鉛對環境的汙染很大。因此，世界各國已經開始對鉛黃銅限制使用。美國自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年規定飲用水鉛含量必須小於0.03mg/L，歐盟的無鉛指令也於2006年7月1日起開始實行。為了減少鉛對人類健康和環境的危害，近年來，各國都大力開展易切削黃銅的無鉛化研究。美國、日本、德國、中國等都發明了不含鉛的黃銅合金，並在中國取得了專利權。如日本三越金屬株式會社公開的《無鉛易切削黃銅合金材料和它的製造方法》，專利申請號為02121991.5，其成分和製造方法為銅60.062.0%、鉍0.52.2%、鋁0.010.1%、錫0.51.6%、磷0.040.15%，其餘為鋅和不可避免的雜質成分，在46060(TC溫度下進行30分4小時熱處理，以70°C/小時以下的冷卻速度緩冷。再如寧波博威集團有限公司公開的《易切削的無鉛耐蝕低硼鉍黃銅合金及其製備方法》，專利申請號為200710067480.3，其成分為銅5764wt^、鉍0.62.5wt^、硼0.00030.025wt^、錳0.010.2wt^和銻0.0020.02wt%，其餘為鋅和不可避免雜質，不可避免雜質的總和在合金中的含量不超過O.3wt^，且不可避免的雜質中鉛的含量不超過0.lwt%、鎘的含量不超過0.00lwt%，此合金組成中銅加鋅大於97wt%。在上述無鉛易切削黃銅中由於加入了錫、硼、銻等昂貴金屬，導致原材料成本較高，市場競爭力不強，而且上述合金在腐蝕環境中耐脫鋅腐蝕性能不高，有待進一步改進。
發明內容本發明的目的是針對上述技術現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製造方法。本發明的技術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，不可避免雜質總量不大於0.05wt%。低成本耐蝕無鉛易切削黃銅的製造方法，首先製備銅鉍中間合金，然後將電解銅、銅鉍中間合金、電解鋅、銅砷中間合金依次加入感應電爐內熔煉，熔煉溫度為1030108(TC，待全部金屬熔化後，保溫5-30分鐘；進行銅合金錠澆鑄，澆鑄溫度10301Q5(TC;3然後將銅合金鑄錠加熱到57070(TC進行熱擠壓；擠壓後的半成品經拉伸、中間退火、矯直、拋光後成為成品。作為改進，低成本耐蝕無鉛易切削黃銅組成配比可優選為5860wt%銅、1.52.3wt^鉍、0.030.08wt^砷，3840wt%鋅和不可避免雜質，雜質總量不大於0.05wt%。再改進，所述銅砷中間合金的加入方式為將細塊狀銅砷中間合金裝入純銅管內，將純銅管兩端壓緊閉合，放入感應電爐內。所述銅鉍中間合金的製備方法為在1080IIO(TC範圍內在真空度小於1Pa的熔煉爐內熔化銅和鉍，在1030105(TC澆鑄成圓形鑄錠，然後將鑄錠破碎成塊狀。所述銅鉍中間合金的組分為14wt%鉍，其餘為銅和不可避免雜質；所述銅砷中間合金的組分為30wt^砷，其餘為銅和不可避免雜質。再改進，所述拉伸加工率為1030%，最後一道拉伸工序的加工率為1218%。本發明的低成本耐蝕無鉛易切削黃銅的銅含量是5762wt^。銅含量低於57wt^時，冷加工性能差，拉拔過程中容易斷裂，成品的延伸率低，實用價值低。銅含量高於62wt^時，13相含量低，熱加工性能不佳，而且製造成本增高。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，固態下，鉍以第二相粒子分布在基體中。鉍性脆且熔點低，在合金中形成脆、軟、彌散的小質點，因此鉍的存在可以視為合金基體中產生的微小空間，從而割斷了基體的連續性，成為應力集中源，構成許多弱化微區。切削時在刀刃的接觸面上就有大量脆而不硬的鉍質點存在，相當於減小了切削層面積，使得刀具磨損減小，切削溫度和切削力降低，達到易切削的目的。在本合金中鉍含量小於1.5wt^時，不能達到滿意的切削效果，鉍含量大於2.5wt^時，將降低合金的冷加工性能，並增加成本。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。在腐蝕介質中，固溶的砷與合金中的空位缺陷有強烈的相互作用，阻礙鋅的優先溶解。當砷含量低於0.02wt^時，不能起到阻礙鋅溶解的作用，當砷含量大於0.lwt^時，會增大合金應力腐蝕破裂的敏感性。本發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。本發明與鉛黃銅相比，不含鉛，可以消除鉛在生產和使用過程中對人體和環境的危害。本發明與現有無鉛黃銅相比，不含錫、銻、硼等昂貴金屬，而砷的價格遠低於錫、銻、硼等金屬，因此生產成本低，價格便宜。並且本合金化學組份簡單，易於回收和再生利用。本合金生產工藝簡單，可利用現有鉛黃銅的生產設備製造，不需要增加新的設備。具體實施例方式以下結合實施例對本發明做詳細說明。首先製備銅鉍中間合金。銅鉍中間合金的製備方法為按鉍為14wt^其餘為銅和不可避免雜質的配比，在1080IIO(TC範圍內，在真空度小於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，可從市場購買(如向湖南省衡陽市祁東縣五金礦產有限公司購買)。銅砷中間合金的組分為30wt^砷，其餘為銅和不可避免雜質。黃銅合金製備方法為按5762wt^銅、1.02.5wt^鉍、0.020.lwt^石申，3641wt^鋅，不可避免雜質總量不大於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電爐，銅砷中間合金的加入方式為將細塊狀銅砷中間合金裝入純銅管內，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；熔煉溫度為10301080°C，待金屬全部熔化後，將溫度提高至IIO(TC以上，噴火去雜質，噴火完畢，保溫530分鐘；採用立式半連續澆鑄，澆鑄溫度為10301050°C，製備出①145mm黃銅合金鑄錠。然後將銅合金鑄錠加熱到57070(TC進行熱擠壓，擠壓後的半成品經拉伸、中間退火、矯直、拋光後成為成品。本發明製備的黃銅合金鑄錠與比較例化學成分如表1所示。比較例合金選取日本三越金屬株式會社發明的無鉛黃銅(比較例1、比較例2、比較例3)和日本的含鉛黃銅牌號C3601(比較例4)。表1本發明實施例合金與比較例合金的化學成分(wt%)tableseeoriginaldocumentpage5後續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包裝入庫。詳細描述為銅合金鑄錠加熱到57070(TC之間進行熱擠壓，每次拉伸加工率為1030%，根據加工率大小和銅線直徑在50060(TC進行中間退火，消除加工硬化。最後一道拉伸加工率控制在1218%之間，經過矯直、拋光製備出成品。本發明合金擠壓規格。8.5mm，最終成品規格。4.Omm。該生產工藝流程與鉛黃銅生產流程一致。本發明實施例合金及比較例合金測試性能如下1、力學性能表2為本發明實施例合金與比較例合金的抗拉強度、延伸率和維氏硬度值。表2實施例與比較例合金的抗拉強度、延伸率和維氏硬度值tableseeoriginaldocumentpage6力學性能與比較例1、2、3、4相當。2、抗脫鋅腐蝕性能耐脫鋅腐蝕性能測試按照GB10119-1988《黃銅耐脫鋅腐蝕性能的測定》進行測試。表3為本發明實施例與比較例合金的抗脫鋅腐蝕深度。表3發明實施例與比較例合金的抗脫鋅腐蝕深度tableseeoriginaldocumentpage6tableseeoriginaldocumentpage7本發明實施例合金抗脫鋅腐蝕性能明顯優於比較例4，與比較例1、2、3合金相當。3、合金元素水中溶出性能合金元素水中溶出性能測試按照GB/T5750-2006《生活飲用水標準檢驗方法》進行測試，並依照GB5749-2006《生活飲用水衛生標準》判定。表4為本發明實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tableseeoriginaldocumentpage7根據合金元素溶出濃度結果判定，本發明實例合金在水中合金元素的溶出濃度低於GB5749-2006《生活飲用水衛生標準》中的控制濃度。4、切削性能試驗設備為CW6163A臥式普通車床，刀具材料Ys8，車床參數為主軸轉速480r/min，進給速度40mm/min。以C3601合金切削性能為100%，測得發明實例與比較例合金的切削性能如表5所示。表5發明實例與比較例合金的切削性能材料編號切削性指數/%實施例1>85實施例2>86實施例3>88實施例4>83比較例1>83比較例2>88比較例3>85比較例4100發明例合金切削性能與比例4相近，與比較例1、2、3相當。5、原材料成本以C3601的原材料為100，計算發明實例與比較例合金的原材料成本如表6所示。表6發明實例與比較例合金的原材料成本材料編號原材料成本指數/%實施例1103.4實施例2104.8實施例3105.5實施例4105.7比較例1108.7比較例2108.5比較例3112.3比較例4100本發明實施例合金原材料成本低於比較例1、2、3，與比較例4相近。8權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，不可避免雜質總量不大於0.05wt％。2.根據權利要求1所述的低成本耐蝕無鉛易切削黃銅，其特徵在於組成配比為5860wt^銅、1.52.3wt^鉍、0.030.08wt^砷，3840wt%鋅和不可避免雜質，雜質總量不大於0.05wt%。3.低成本耐蝕無鉛易切削黃銅的製造方法，首先製備銅鉍中間合金，然後將電解銅、銅鉍中間合金、電解鋅、銅砷中間合金依次加入感應電爐內熔煉，熔煉溫度為10301080°C，待金屬全部熔化後，保溫530分鐘；進行銅合金錠澆鑄，澆鑄溫度10301050°C;然後將銅合金鑄錠加熱到57070(TC進行熱擠壓，擠壓後的半成品經拉伸、中間退火、矯直、拋光後成為成品。4.根據權利要求3所述的低成本耐蝕無鉛易切削黃銅的製造方法，其特徵在於所述的銅砷中間合金的加入方式為將細塊狀銅砷中間合金裝入純銅管內，將純銅管兩端壓緊閉合，放入感應電爐內。5.根據權利要求3所述的低成本耐蝕無鉛易切削黃銅的製造方法，其特徵在於所述的銅鉍中間合金的製備方法為，在1080IIO(TC，真空度小於1Pa的真空熔煉爐內熔化銅和鉍，在1030105(TC澆鑄成圓形鑄錠，然後將鑄錠破碎成塊狀。6.根據權利要求3所述的低成本耐蝕無鉛易切削黃銅的製造方法，其特徵在於所述的銅鉍中間合金的組分為14wt^鉍，其餘為銅和不可避免雜質。7.根據權利要求3所述的低成本耐蝕無鉛易切削黃銅的製造方法，其特徵在於所述的銅砷中間合金的組分為30wt^砷，其餘為銅和不可避免雜質。8.根據權利要求3所述的低成本耐蝕無鉛易切削黃銅的製造方法，其特徵在於所述拉伸加工率在最後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製造方法，其組成配比為57～62wt％銅、1.0～2.5wt％鉍、0.02～0.1wt％砷，36～41wt％鋅，不可避免雜質總量不大於0.05wt％；其製造方法，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電爐內熔煉，熔煉溫度1030～1080℃待全部金屬熔化後，保溫5～30分鐘；進行銅合金錠澆鑄，澆鑄溫度1030～1050℃，然後將銅合金鑄錠加熱到570～700℃進行熱擠壓，擠壓後的半成品經拉伸、中間退火、矯直、拋光後成為成品。本發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，從而達到耐蝕、無鉛、易切削的目的。又因為本合金不含價格昂貴的錫、銻、硼等，而砷的價格低廉，因此原材料成本低於同類無鉛黃銅產品，與鉛黃銅成本接近。文檔編號C22F1/08GK101701304SQ20091015495公開日2010年5月5日申請日期2009年12月2日優先權日2009年12月2日發明者周洪雷,巢國輝,樓號榮,洪燮平,王加順,王永如申請人:寧波金田銅業(集團)股份有限公司