一種無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金及其製備方法與流程
2023-08-05 04:46:16
本發明屬於環保黃銅合金領域，具體涉及一種無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金及其製備方法。
背景技術：
鉛黃銅有著優異的切削性能、綜合性能以及價格的優勢，在水暖衛浴、電器電子、儀器儀表、機械製造等各種領域有著廣泛的應用。但是鉛元素會在加工生產或使用過程中析出，進而危害人體健康。隨著人們對健康與環保意識的不斷增強，發達國家很早就已經對鉛黃銅進行限制和禁止，我國也加緊了對無鉛黃銅的研究與應用。高銅矽黃銅的銅含量高達70%以上，綜合性能雖好，但成本過高，不易推廣應用，而低銅矽黃銅又因為γ相的產生，硬度值高，切削力高，切削性能不佳，有待進一步改善。
矽、鎂、磷部分溶於銅，與銅形成金屬間化合物，形成的化合物彌散分布於基體中，在切削時產生「切口效應」有利於斷屑。同時矽、鋁元素的添加會使黃銅的耐腐蝕能力增強，錫元素可以顯著地提高合金的耐腐蝕性能。國內有許多研究工作者對矽黃銅、鎂黃銅、磷鈣黃銅及其矽、鎂、磷元素的作用都有過研究，但主要是對單個元素進行研究。在研究過程中還存在關鍵問題需要解決，添加單一的1～2種主要元素，加入量太多，一方面在熔煉時易氧化燒損，很難控制合金的質量，另一方面會使材料的硬度太高；加入量太少又不能形成有效的斷屑質點，切削性能不理想，以至於很難推廣應用。
基於矽黃銅與添加其他元素的研究現狀，本發明是通過複合添加矽、鎂、磷以及少量的鋁、錫、硼、稀土等元素，並嚴格控制矽、鎂、磷等元素的添加量及添加比例，期望獲得一定數量的脆而不硬的質點化合物均勻分布在晶內晶界的組織，有利於切削的斷屑同時又不會使合金的硬度太高，材料的工藝性能優良，合金資源豐富，成本低廉。
技術實現要素：
本發明針對現有技術的不足，提供了一種無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金。該矽鎂磷黃銅合金的切削性能優異，具有鑄造性能、力學性能、耐腐蝕性能優良的特點。
本發明還提供了所述的一種無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金的製備方法。
本發明通過如下技術方案實現。
一種無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金，按重量百分比計，含有60wt%cu，0.5～0.9wt%si，0.5～0.9wt%mg，0.5～0.7wt%p，0.2～0.4wt%al和選擇添加元素0～0.6wt%，其餘為zn和雜質，雜質合計小於1wt%。
進一步地，si、mg、p的含量配比中，mg、si、p的含量之和處於1.8～2.4wt%，mg與si的含量之和處於1.3～1.6wt%，p的含量在0.5～0.7wt%。
進一步地，所述選擇添加元素包括sn、b和re中的一種以上，其中，按重量百分比計，各元素添加後在合金中的含量為：0.2～0.5wt%sn，0.002～0.006wt%b，0.002～0.006wt%re。
進一步地，所述合金的組織結構特徵為：包括α和β兩個基本組成相，以及脆性的球狀或短杆狀金屬間化合物，金屬化合物均勻分布在晶內及晶界。
更進一步地，所述金屬間化合物為cu2mg+cu3p+mg3p2或者cu2mg+γ。
更進一步地，所述金屬間化合物的佔比為5~10wt%。
製備上述任一項所述的一種無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金的方法，包括如下步驟：
（1）將cu與si以木炭覆蓋，升溫熔化，待cu與si熔化並均勻化後，降溫，順序加入al、zn、mg、p、選擇添加元素，其中si、al、mg、p、選擇添加元素均以中間合金的形式加入，得到合金熔體；
（2）將合金熔體保溫精煉，打渣後，澆注到預熱好的模具中，冷卻至室溫，脫模，得到所述的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金。
進一步地，步驟（1）中，所述升溫熔化是加熱至1050～1100℃進行熔化。
進一步地，步驟（1）中，所述降溫是降溫至500～700℃。
進一步地，步驟（2）中，所述保溫精煉是在1050～1100℃下保溫10～30分鐘。
進一步地，步驟（2）中，所述澆注是在1050℃進行澆注。
進一步地，步驟（2）中，所述預熱的溫度為200℃。
本發明控制銅的含量60wt%，鋅的含量不少於37wt%，且不添加稀有貴重金屬，節約成本。
本發明合金以矽、鎂和磷作為除鋅外的主要合金元素，鋁次之，並選擇性添加包括錫、硼和稀土中的一種以上。
si的鋅當量係數為10，強烈擴大β相區而減少α相區，少量的si能降低液相線溫度使固液距離減少，使鑄件緻密；同時，si的添加會在合金腐蝕時形成si的氧化物，從而有利於提高合金的耐腐蝕性能。但當si含量高於1wt%時，易使合金形成γ相。所以控制si的含量在0.5～0.9wt%之間，使鑄件緻密、提高耐腐蝕性能的同時又不會形成太多的γ相，增加合金的硬度。
mg難溶於cu，易與cu、zn形成金屬間化合物，在晶內及晶界分布。其中，金屬間化合物主要為cu2mg，且cu2mg質點脆而不硬，可有效地改善合金的切削性能。但mg的含量過低則改善合金的切削性能不明顯，mg含量過高則合金的塑性降低，加工性能下降，而且mg在熔煉時容易氧化燒損，因此控制mg的含量在0.5～0.9wt%之間。另外mg與p可形成化合物mg3p2，在切削時易產生熱效應使mg3p2熔化或脫落，起到與鉛類似的改善合金切削性能的作用。
加入的p除與mg形成化合物mg3p2外，還與cu形成cu3p改善合金的切削性能。同時，p在熔煉時有脫氧的作用，有利於提高熔體流動性、改善合金的耐蝕性能。
al起固溶強化、提高耐腐蝕性能、脫氧、提高熔體流動性的作用，al的加入還可以減少zn的蒸發。al的含量不宜過高，否則易氧化成渣降低流動性，反而對鑄造性能不利，控制al的含量為0.2～0.4wt%。
合金中選擇性添加包括sn、b和re中的一種以上，少量的sn在腐蝕時形成一層氧化膜，可以顯著改善合金的耐腐蝕性能；b和re作為晶粒細化劑，少量添加即可細化晶粒，提高合金的綜合性能。
與現有技術相比，本發明具有如下優點和有益效果：
（1）本發明的合金中不含有稀有貴重金屬，且以si、mg、p元素代替鉛，控制zn的含量不少於37wt%，cu用量較少，成本低廉；
（2）本發明的矽鎂磷黃銅合金的組織結構特徵包括α和β兩個基本組成相，以及脆性的球狀或短杆狀金屬間化合物，這些金屬間化合物為cu2mg+cu3p+mg3p2或者cu2mg+γ，金屬間化合物佔比為5～10%，均勻分布在晶內晶界，這些富mg、p的金屬間化合物脆而不硬，有利於合金的斷屑；
（3）本發明控制si、mg、p的含量配比，要求mg、si和p的含量之和處於1.8～2.4wt%；而當mg與si的含量處於1.3～1.6wt%時，合金的硬度值不高，鑄態合金的斷後伸長率較好，合金的切削性能普遍較好；而p的含量在0.5～0.7wt%，會出現富mg、p的金屬間化合物，有利於合金的斷屑；
（4）本發明合金的切削性能優異，耐腐蝕性能優良，同時具有優良的鑄造性能和力學性能，抗拉強度達到344.53～414.33mpa、延伸率為6.10～9.53%、硬度值為120.82～148.81hb，可代替鉛黃銅，具有良好的應用前景。
附圖說明
圖1為實施例1製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金的x射線衍射圖；
圖2為實施例1製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金的光學形貌圖；
圖3為實施例2製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金的x射線衍射圖；
圖4為實施例2製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金的光學形貌圖；
圖5為實施例2製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金的掃描電鏡組織圖；
圖6為實施例2製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金圖5箭頭處能譜圖；
圖7為實施例3製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金的x射線衍射圖；
圖8為實施例3製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金的光學形貌圖；
圖9為實施例3製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金的掃描電鏡組織圖；
圖10為實施例3製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金圖9箭頭處能譜圖；
圖11為實施例4製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金的x射線衍射圖；
圖12為實施例4製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金的光學形貌圖；
圖13為實施例4製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金的掃描電鏡組織圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細描述，但本發明的實施方式不限於此。
實施例1
（1）按無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金成分的質量百分數分別稱取cu、zn、si、mg、p、al、b，其中mg、p、al、b都以中間合金的形式加入，上述組分的質量百分比如下：cu60wt%、si0.9wt%、mg0.5wt%、p0.6wt%、al0.3wt%，0.003wt%b，其餘為zn和其他雜質，雜質的含量小於1wt%；
（2）在石墨坩堝中熔煉合金，先將cu、si熔化，降溫至700℃順序加入al、zn、mg、p、b，待所有金屬全部融化後，得到的合金熔體在1050℃保溫20分鐘，以實現合金熔體成分均勻化後，進行打渣，於1050℃澆注到事先預熱至200℃的模具中，冷卻至室溫，脫模，得到所述無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金。
本實施例製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金的x射線衍射圖如圖1所示，經x射線衍射分析表明，該合金組織包括α和β兩個基本組成相；
本實施例製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金由於添加了si和al元素，si與al元素的添加會在合金腐蝕時形成一層氧化膜，不易使zn流失，本實例的耐腐蝕性能較好；
本實施例製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金的光學形貌圖如圖2所示，由圖2可知，含si、mg、p的硬質點化合物均勻分布在晶界與晶內；
經力學性能測試，本實施例製備的鑄態合金的抗拉強度為414.33mpa、延伸率為9.53%、硬度值為129.88hb；
本實施例的切削性能較好，車屑形貌c形屑為主，伴有少量的短螺旋屑。
實施例2
（1）按無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金成分的質量百分數分別稱取cu、zn、si、mg、p、al、b、re，其中mg、p、al、b、re都以中間合金的形式加入，上述組分的質量百分比如下：cu60wt%、si0.7wt%、mg0.7wt%、p0.7wt%、al0.3wt%、0.003wt%b，0.003wt%re，其餘為zn和其他雜質，雜質的含量小於1wt%；
（2）在石墨坩堝中熔煉合金，先將cu、si熔化，降溫至700℃順序加入al、zn、mg、p、b、re，待所有金屬全部融化後，得到的合金熔體在1050℃保溫20分鐘，以實現合金熔體成分均勻化後，進行打渣，於1050℃澆注到事先預熱至200℃的模具中，冷卻至室溫，脫模，得到所述無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金。
本實施例製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金的x射線衍射圖如圖3所示，經x射線衍射分析表明，該合金組織包括α和β兩個基本組成相；
本實施例製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金由於添加了si、al和sn元素，si、al及少量sn元素的添加會在合金腐蝕時形成一層氧化膜，不易使zn流失，本實例的耐腐蝕性能較好；
本實施例製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金的光學形貌圖和掃面電鏡組織圖分別如圖4和圖5所示，由圖4、圖5可知，含si、mg的硬質點化合物均勻分布在晶界與晶內；圖6為掃描電鏡組織圖（圖5）中箭頭處的能譜圖，由圖6可知，在晶界及晶內分布的短杆狀金屬間化合物含有mg和si，其為cu2mg+γ或是含si、mg的複雜金屬間化合物；
經力學性能測試，本實施例製備的鑄態合金的抗拉強度為351.17mpa、延伸率為6.10%、硬度值為120.82hb；
本實施例的切削性能優異，車屑形貌均為細小的c形屑。
實施例3
（1）按無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金成分的質量百分數分別稱取cu、zn、si、mg、p、al，其中mg、p、al都以中間合金的形式加入，上述組分的質量百分比如下：cu60wt%、si0.7wt%、mg0.6wt%、p0.5wt%、al0.3wt%，其餘為zn和其他雜質，雜質的含量小於1wt%；
（2）在石墨坩堝中熔煉合金，先將cu、si熔化，降溫至700℃順序加入al、zn、mg、p，待所有金屬全部融化後，得到的合金熔體在1050℃保溫20分鐘，以實現合金熔體成分均勻化後，進行打渣，於1050℃澆注到事先預熱至200℃的模具中，冷卻至室溫，脫模，得到所述無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金。
本實施例製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金的x射線衍射圖如圖7所示，經x射線衍射分析表明，該合金組織包括α和β兩個基本組成相；
本實施例製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金由於添加了si和al元素，si、al元素的添加會在合金腐蝕時形成一層氧化膜，不易使zn流失，本實例的耐腐蝕性能較好；
本實施例製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金是我光學形貌圖和掃面電鏡組織圖分別如圖8、圖9所示，由圖8、圖9可知，含si、mg、p的硬質點化合物均勻分布在晶界與晶內；圖10為掃描電鏡組織圖（圖9）中箭頭處的能譜圖，由圖10可知，在晶界及晶內分布的短杆狀金屬間化合物含有mg和p，其為cu2mg+cu3p+mg3p2或是含mg、p的複雜金屬間化合物；
經力學性能測試，本實施例製備的鑄態合金的抗拉強度為344.53mpa、延伸率為6.60%、硬度值為130.61hb；
本實施例的切削性能優異，車屑形貌均為細小的c形屑。
實施例4
（1）按無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金成分的質量百分數分別稱取cu、zn、si、mg、p、al、sn、b、re，其中mg、p、al、b、re都以中間合金的形式加入，上述質量百分比如下：cu60wt%、si0.9wt%、mg0.7wt%、p0.7wt%、al0.3wt%、sn0.3wt%、0.003wt%b、0.003wt%re，其餘為zn和其他雜質，雜質的含量小於1wt%；
（2）在石墨坩堝中熔煉合金，先將cu、si熔化，降溫至700℃順序加入al、zn、mg、p、sn、b、re，待所有金屬全部融化後，得到的合金熔體在1050℃保溫20分鐘，以實現合金熔體成分均勻化後，進行打渣，於1050℃澆注到事先預熱至200℃的模具中，冷卻至室溫，脫模，得到所述無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金。
本實施例製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金的x射線衍射圖如圖11所示，經x射線衍射分析表明，該合金組織包括α和β兩個基本組成相；
本實施例製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金由於添加了si、al和sn元素，si、al及少量sn元素的添加會在合金腐蝕時形成一層氧化膜，不易使zn流失，本實例的耐腐蝕性能較好；
本實施例製備的無鉛易切削矽鎂磷黃銅合金的光學形貌圖和掃面電鏡組織圖分別如圖12、圖13所示，由圖12和圖13可知，含si、mg、p的硬質點化合物均勻分布在晶界與晶內；
經力學性能測試，本實施例製備的鑄態合金的抗拉強度為372.86mpa、延伸率為6.10%、硬度值為148.81hb；
本實施例的切削性能優良，車屑形貌均為較大的c形屑。
以上所述，僅為本發明的幾項實施例而已，故不能依此限定本發明實施的範圍，其它的任何未背離本發明的精神實質與原理下作出的改變、修飾、代替、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。