一種無鉛易切削高強耐蝕硅黃銅合金及制備方法與應用技術

本發明專利技術屬于合金材料技術領域，公開了一種無鉛易切削高強耐蝕硅黃銅合金及制備方法與應用。所述合金的質量百分比組成為：56～60％Cu，38～42％Zn，0.003～0.01％B，0.03～0.06％Ti以及1.0～1.5％Si和0.5～0.9％Al或0.5～0.8％Si和1～1.5％Al，且所有組分的鋅當量介于48％～50％之間。本發明專利技術通過控制Si、Al元素含量，并通過添加B和Ti復合晶粒細化劑，調控合金的相組成及其分布狀態，進而獲得強度、加工性能、抗脫鋅性能等綜合性能優異、成品率高、成本低廉的銅合金，可代替鉛黃銅、鉍黃銅用于水暖、衛浴以及各種易腐蝕部件，具有良好的推廣應用前景。

【技術實現步驟摘要】
一種無鉛易切削高強耐蝕硅黃銅合金及制備方法與應用
本專利技術屬于合金材料
，具體涉及一種無鉛易切削高強耐蝕硅黃銅合金及制備方法與應用。
技術介紹
為了降低鉛黃銅水龍頭中鉛的有害作用，國內外相關研究者就飲用水對黃銅的腐蝕機理及添加合金元素對黃銅的耐腐蝕性能影響進行了系統研究，并采取了多種措施，如添加錫、鎳等合金元素來提高黃銅的耐腐蝕性能，或將可溶性的鉛去除或抑制鉛的浸出等。然而，由于鉛是該類黃銅的合金元素，始終存在于黃銅中，所以上述方法只能從一定程度上減輕鉛的毒副作用，而無法從根本上消除鉛的危害。有鑒于此，尋找新型的銅合金水龍頭替代材料成為了行業內亟待解決的重要課題。近年來，國內外對無鉛易切削黃銅進行了大量的研究，并已經取得了一定成果，主要是以硅、鉍、鎂、銻及石墨替代鉛。特別地，由于硅黃銅具有良好的鑄造性能、熱加工性能、焊接性能及抗脫鋅、應力腐蝕性能，再加上硅成本低廉的價格優勢，使得硅黃銅在綠色環保無鉛易切削黃銅中的地位顯得尤為突出。其中，九牧廚衛股份有限公司申請的專利“一種易加工硅黃銅合金及其制備方法”(公布號CN104651660A，對比文件1)，公開了該合金的組分為：60-63wt％Cu，0.50-0.90wt％Si，0.50-0.80wt％Al，0.10-0.20wt％Pb，其它微量添加元素含量小于0.3wt％，其余為Zn及不可避免的雜質，然而，該硅黃銅合金仍然含有組元Pb，通過計算該專利實施例的鋅當量，此類合金的組織應該由α+β兩相組成；九星控股集團有限公司申請了“一種無鉛硅黃銅合金及制備方法”的專利(公布號CN103725922A，對比文件2)，公開的合金成分為：59-63wt％Cu，1-1.5wt％Si，0.001-0.05wt％Al，0.001-0.01wt％B，0.1-0.5wt％Fe，0.1-0.2wt％Mn，0.1-0.15wt％Sn，0.05-0.5wt％P，0.01-0.07wt％稀土元素RE，其余為鋅和不可避免的雜質，通過計算該專利實施例的鋅當量，此類合金的組織應該由α+β兩相組成；然而其抗拉強度430MPa-460MPa還存在進一步提升的空間，其脫鋅層厚度210μm還存在進一步降低的空間，從而獲得更加優異的綜合性能。另外，以上專利雖然公開了合金的具體成分范圍，但未明晰其合金設計原理和相組成，事實上，合金設計原理和相組成極大地影響銅合金的抗拉強度、耐蝕性能、切削性能等綜合性能。對HPb59-1鉛黃銅等α+β兩相黃銅的研究表明，β相(以CuZn為基的固溶體)的強度、硬度雖比α相(Zn溶于Cu中的固溶體)高，但可進行冷熱壓力加工，特別是熱加工條件下β相具有更好的塑性。而γ相(以電子化合物Cu5Zn8為基的固溶體)則不同，它是一個硬脆相，在鑄造狀態下以星花狀分布于基體之中，對機械加工性能和使用性能帶來不利影響。因此，假想有一種黃銅合金，基體為β相，在基體上均勻分布著細小的點狀γ相，在切削時細小γ相可起到折斷切屑的作用，則其切削性能就可與鉛黃銅相似。此想法能否實現，關鍵是需要設計合適的鋅當量，使合金由β+γ兩相組成，且對γ相進行變質處理，使其呈細小點狀且均勻彌散分布于β相基體上。根據對黃銅的研究知道，如果合金中要生成γ相，鋅含量應至少為48wt％以上。與之對應，對于多組元銅合金來說，生成γ相的必要條件是合金的鋅當量必須大于48wt％，但過高的鋅當量會導致合金的塑性降低，并嚴重影響其切削性能。鋅當量的計算公式為：式中，X就是加入合金元素后，復雜黃銅中等效的鋅當量。CZn為合金中加入的實際鋅含量，CCu為合金中實際加入的純銅含量，∑CiKi為加入的所有合金元素的含量Ci及其鋅當量Ki乘積的總和。其中，鋅當量的主要調控元素為硅和鋁，其鋅當量分別為10和6。因而，通過硅、鋁含量的合理調控，可以調控合金的鋅當量，進而調控合金的相組成及其綜合性能。有鑒于此，如果能通過鋅當量的合理調控，獲得由β+γ兩相組成的銅合金，并對γ相進行變質處理，使其呈細小點狀且均勻彌散分布于β相基體上，將可制備出抗拉強度、耐蝕性能、切削性能等綜合性能優異的無鉛銅合金，以替代行業內普遍使用的鉛黃銅材料，將具有重要的理論和工程意義。
技術實現思路
為了解決以上現有技術提出的問題，本專利技術的首要目的在于提供一種無鉛易切削高強耐蝕硅黃銅合金。本專利技術的另一目的在于上述無鉛易切削高強耐蝕硅黃銅合金的制備方法。本專利技術目的通過以下技術方案實現：一種無鉛易切削高強耐蝕硅黃銅合金，所述黃銅合金由以下①或②所列質量百分比的組分組成：①56～60wt％Cu，1.0～1.5％wt％Si，0.5～0.9％wt％Al，38％～42％wt％Zn，0.003～0.01％wt％B，0.03～0.06％wt％Ti，以及不可避免的微量雜質；②56～60wt％Cu，0.5～0.8％wt％Si，1～1.5％％wt％Al，38％～42％wt％Zn，0.003～0.01％wt％B，0.03～0.06％wt％Ti，以及不可避免的微量雜質；且所有組分的鋅當量介于48％～50％之間。上述無鉛易切削高強耐蝕硅黃銅合金的組織結構特征為：包括β和γ兩個組成相，其中，以晶粒尺寸為200-400μm的β相為基體，以均勻彌散分布于β相晶粒內的細小球狀γ相為強化相。上述無鉛易切削高強耐蝕硅黃銅合金的制備方法，包括以下制備步驟：(1)設計Cu、Zn、Si、Al等合金元素的含量，使計算的鋅當量介于48％～50％之間；(2)將坩堝預熱到400～500℃，然后將紫銅和銅硅中間合金原料置于坩堝底部，升溫至1050～1100℃，直至紫銅和銅硅中間合金全部熔化并且成分均勻化，此時在熔液表面加入硼砂作為覆蓋劑；(3)將溫度下降到400～700℃，順序加入鋁錠和鋅錠；(4)待鋁錠和鋅錠全部熔化后，再升溫至1050～1100℃，攪拌使合金熔體成分均勻化；(5)用鋁箔包裹銅硼和銅鈦中間合金塊，將中間合金塊壓入合金熔體中進行變質處理，再次攪拌實現合金熔體成分的均勻化；(6)在1050～1100℃保溫靜置10～30分鐘，以實現合金熔體成分的均勻化；(7)濾去浮渣及雜質，在950～1050℃進行澆注，然后冷卻至室溫，即得無鉛易切削高強耐蝕硅黃銅合金。上述無鉛易切削高強耐蝕硅黃銅合金在水暖衛浴等行業中的應用。本專利技術的制備方法及所得到的產物具有如下優點及有益效果：(1)本專利技術通過對Cu、Zn、Si、Al元素含量的調控實現對鋅當量的調控，進而獲得相組成及其分布狀態可控的無鉛銅合金，合金設計原理依據充分，簡單易行；(2)本專利技術的黃銅合金通過Si、Al元素來替代Pb，成本低廉，同時實現了易切削黃銅的無鉛化，有利于環保和健康；(3)本專利技術所得黃銅合金的鑄造性能好，在鑄造過程中不會出現熱裂、氣孔等缺陷，良品率高，因而可利用重力鑄造和低壓鑄造等工藝進行規模化生產；(4)本專利技術獲得的無鉛易切削高強耐蝕硅黃銅合金具有高抗拉強度、良好的抗脫鋅性能等優異的綜合性能，在水暖衛浴等行業中具有廣泛的應用前景。附圖說明圖1為實施例1制備的無鉛易切削高強耐蝕硅黃銅合金的光學形貌圖；圖2為實施例1制備的無鉛易切削高強耐蝕硅黃銅合金的拉伸應力應變曲線圖。具體實施方式下面結合實施例及附圖對本專利技術作進一步詳細的描述，但本專利技術的實施方式不限于此。實本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種無鉛易切削高強耐蝕硅黃銅合金，其特征在于，所述黃銅合金由以下①或②所列質量百分比的組分組成：①56～60wt％Cu，1.0～1.5％wt％Si，0.5～0.9％wt％Al，38％～42％wt％Zn，0.003～0.01％wt％B，0.03～0.06％wt％Ti，以及不可避免的微量雜質；②56～60wt％Cu，0.5～0.8％wt％Si，1～1.5％％wt％Al，38％～42％wt％Zn，0.003～0.01％wt％B，0.03～0.06％wt％Ti，以及不可避免的微量雜質；且所有組分的鋅當量介于48％～50％之間。

【技術特征摘要】
1.一種無鉛易切削高強耐蝕硅黃銅合金，其特征在于，所述黃銅合金由以下①或②所列質量百分比的組分組成：①56～60wt％Cu，1.0～1.5％wt％Si，0.5～0.9％wt％Al，38％～42％wt％Zn，0.003～0.01％wt％B，0.03～0.06％wt％Ti，以及不可避免的微量雜質；②56～60wt％Cu，0.5～0.8％wt％Si，1～1.5％％wt％Al，38％～42％wt％Zn，0.003～0.01％wt％B，0.03～0.06％wt％Ti，以及不可避免的微量雜質；且所有組分的鋅當量介于48％～50％之間。2.根據權利要求1所述的一種無鉛易切削高強耐蝕硅黃銅合金，其特征在于，所述無鉛易切削高強耐蝕硅黃銅合金的組織結構特征為：包括β和γ兩個組成相，其中，以晶粒尺寸為200-400μm的β相為基體，以均勻彌散分布于β相晶粒內的細小球狀γ相為強化相。3.權利要求1或2所述的一種無鉛易切削高強耐蝕硅黃銅合金...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊超，丁智，丁言飛，馮松展，
申請(專利權)人：華南理工大學，開平法蘭多衛浴有限公司，
類型：發明
國別省市：廣東;44