一种无铅易切削黄铜合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及金属合金制造领域，具体地说，是一种无铅易切削的黄铜合金及其制 备方法。
【背景技术】
[0002] 黄铜被广泛应用于电子、建筑、机械等技术领域，黄铜性能包括可铸性，可加工性， 抗腐蚀性，导电性和热传导性。主要的一个缺点是其可切削性，通过加入铅的黄铜合金在高 温下具有较好的塑性，可进行锻造及铸造，同时还可以获得良好的机械性能。铅黄铜已被广 泛应用于各个领域，例如:五金件、汽车零件、电器接插件、阀门、管接头等。但这类材料中的 铅容易溶解于水中，若用于管道行业，则根据科学测定，铅含量能达到50ppm以上。铅对人体 的血液和神经系统都会造成不可逆转的损失，所以世界各国均很重视铅造成的污染和引起 的危害，已限制和禁止铅黄铜的使用，环保易切削无铅的黄铜的研究已成为热点。
[0003] 现阶段无铅黄铜研究主要是以铋、硅、镁、锑以及石墨替代铅。铋本身性脆，其熔点 比铅低，表面张力亦比铅小，铋以薄膜状在晶界偏聚，严重影响了铋黄铜的力学性能，需要 通过添加多种微量元素去改变铋的偏析行为，但由于铋资源有限，使得其价格昂贵，故铋黄 铜难以被推广应用。硅可改善铜合金的热加工性能，尤其是低温下的热加工性能。但硅黄铜 的切削性能只有铅黄铜性能的70%-80%，并且铜含量较高，其价格也比一般黄铜高出很 多。用镁代替铅黄铜的棒材，其切削性能可以达到铅黄铜性能的78.5%，并与铜形成低熔点 二元共晶相Cu-Mg和Zn-Mg，弥散分布于基体中，提高合金切削性能。但镁黄铜在熔炼过程中 容易发生氧化、吸气等，使得其镁铅黄铜的熔炼工艺极为复杂。石墨具有很好的润滑效果， 且石墨质软，容易断裂，切肩尺寸小，还可减少与刀头的磨损。在黄铜中加入石墨并与其他 可以提高强度的合金元素配合使用，会使黄铜合金在具有良好切削性能的同时，也具有比 较优良的力学性能。但由于石墨的强度低、密度小、容易上浮，很难采用普通熔铸方法使其 熔入黄铜基体中，需要采用离心、搅拌等先进的铸造技术，这使得生产工艺复杂，导致生产 成本大幅增加。
【发明内容】
[0004] 本发明的主要目的在于提供一种无铅易切削黄铜合金及其制备方法，以解决现有 技术铸造无铅黄铜合金的不足，通过碲钪黄铜合金材料以达到降低铅含量的使用量，符合 环保的要求，同时其具备优良的铸造性能和切削性能。
[0005] 为达到以上目的，本发明采用的技术方案为:一种无铅易切削黄铜合金的组分按 质量分数计为：55.4%~69.4%的铜、0.6%~3.2%的碲、0.5%~1.8%的钪、0.2%~ 0.5% 的磷、0.08% ~0.4% 的镁、0.05% ~0.3% 的稀土铈、0.08% ~0.16% 的硒、0.04% ~ 0.32% 的锡、0.2% ~0.35% 的钴、0.22% ~0.38% 的碳、0% ~3% 的锰、0.2% ~0.4% 的 铁，余量为锌和不可避免的杂质。
[0006] 根据本发明的一实施例，锰含量为0.5%~1.2%。
[0007] 根据本发明的一实施例，铁含量为0.2 %~0.4%。
[0008] 根据本发明的一实施例，碳元素含量在0.24%~0.30 %之间。
[0009] 根据本发明的一实施例，一种无铅易切削黄铜合金的制备方法，包括步骤：
[0010] S100熔炼制备合金混合液，熔化铜，熔炼温度1000°C~1200°c，依次分批加入相应 质量份的锌、硒、钴、蹄、镁、磷、钪、猛以及铁，搅拌；
[0011] S200调整温度至980~1080°C后添加精炼剂并进行搅拌，炉前取样分析，确认化学 成分；
[0012] S300添加相应质量份的稀土铈、碳、锡，充分搅拌后取样分析，成分调整；以及
[0013] S400静置，捞渣，保温1000~1100°C，电压220V，静置30~60min，升温至1200~ 1250 °C，出炉浇注成合金棒材或合金锭。
[0014] 根据本发明的一实施例，所述步骤S100包括步骤：
[0015] S110预热工频感应炉，选用电解铜，向工频感应炉中加料，逐步加热工频感应炉， 升温进行熔炼，熔化铜，熔炼温度1 〇〇〇 °C~1200 °C ;
[0016] S120将锌加入所述工频感应炉，充分搅拌使得合金熔炼混合均匀，将硒、钴、碲投 入炉内，搅拌30~40min;以及
[0017] S130将镁和磷投入炉内，投料后搅拌20~30min，接着将钪、锰和铁投入炉内，投料 后搅拌20~30min。
[0018] 根据本发明的一实施例，所述精炼剂包含如下质量分数的组分:25%铝酸钙，15% 氧化锆，30 %硼砂，10 %二氧化硅，10 %二氧化钛，3 %氟硅酸钠，7 %碳化硅。
[0019] 本发明的有益效果为：
[0020] 本发明提供了一种无铅易切削黄铜合金及其制备方法，包含的组分有铜、锌、硒、 钴、碲、镁、磷、钪、锰、铁、稀土铈、碳、锡，其中，由于锡元素的加入引起可晶格的畸变，可以 提高合金的力学强度，同时在一定程度上起到了填充双空位的作用，锌的扩散通道得到阻 塞，从而强化了铜合金的晶界，一定程度上抑制了脱锌的过程，耐蚀性得到提高;通过锡、锰 的协同作用使得碲含量的优选范围增大，在保持碲铜合金硬度的同时，能增加碲铜合金的 切削力;碳元素得以在碲铜合金中起到润滑的作用，改善其切削性能。
【具体实施方式】
[0021] 以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优 选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
[0022] 一种无铅易切削黄铜合金的组分按质量分数计为：55.4%~69.4%的铜（Cu)、 0.6%~3.2%的碲〇6)、0.5%~1.8%的钪(5。）、0.2%~0.5%的磷(？）、0.08%~0.4%的 镁(Mg)、0.05% ~0.3% 的稀土铈（Ce)、0.08% ~0.16% 的硒（Se)、0.04% ~0.32% 的锡 (51〇、0.2%~0.35%的钴（<：〇)、0.22%~0.38%的碳（〇、0%~3%的锰（]\111)、0.2%~ 0.4%的铁(Fe)，余量为锌和不可避免的杂质。从而通过碲钪黄铜合金材料以达到降低铅含 量的使用量，符合环保的要求，同时其具备优良的铸造性能和切削性能，以解决现有技术铸 造无铅黄铜合金的不足。
[0023] 优选地，铜含量的范围为58.4 %~65.5 %。铜元素在合金组分中的含量越高可以 得到α相较多的黄铜合金，黄铜合金的耐腐蚀性和塑性较好，但是合金材料的强度和硬度会 有所下降，其热加工性能也会变差，为了兼顾材料的热加工性能，抗腐蚀性能和力学性能， 铜含量的优选范围为58.4%~65.5%。
[0024] 碲与硒共同作用，在切削的过程中，在刀刃的接触线上有大量脆而不硬的碲粒和 硒粒存在，减小了切削层的面积，所以使得刀具磨损减小，切削温度和切削力降低。
[0025] 由于锰的加入量较少，对黄铜合金的组织无太大影响，但锰是黄铜的重要强化元 素。在黄铜中加入一定量的锰，还可有效地改善黄铜的切削性能，锰能稳定含碲黄铜中的β 相，减少碲促使析出γ相的作用，因此可以在少许降低塑性的情况下提高碲黄铜的强度和 硬度。当Μη超过3%时，出现富锰的γ相，将会导致合金性质变坏。锰含量优选为0.5%~ 1.2%，通过锰的加入使得碲含量的优选范围增大，在保持碲铜合金硬度的同时，能增加碲 铜合金的切削力。
[0026]铁在相固溶体中的溶解度很低，会与Ζη生成化合物FeZn2粒，得以从合金液相中析 出成为晶核，细化合金组织。Fe和Μη或Mg同时加入效果更好，但含Fe量多时，富铁相过多会 降低合金耐蚀性能，铁含量的优选范围为〇. 2%~0.4%。
[0027] 其中，碳元素得以在碲铜合金中起到润滑的作用，改善其切削性能，但是碳元素不 宜过多，碳元素加入过多会导致合金硬度和强度降低，优选的碳元素含量在0.24%~ 0.30%之间。
[0028] -种无铅易切削黄铜合金的制备方法，其包括步骤：
[0029] S100熔炼制备合金混合液，熔化铜，熔炼温度1000°C~1200°C，依次分批加入相应 质量份的锌、硒、钴、蹄、镁、磷、钪、猛以及铁，搅拌；
[0030] S200调整温度至980~1080 °C后添加精炼剂并进行搅拌，炉前取样分析，确认化学 成分；
[0031] S300添加相应质量份的稀土铈、碳、锡，充分搅拌后取样分析，成分调整；以及
[0032] S400静置，捞渣，保温1000~1100°C，电压220V，静置30~60min，升温至1200~ 1250 °C，出炉浇注成合金棒材或合金锭。
[0033] 其中，所述步骤S100包括步骤：
[0034] S110预热工频感应炉，选用电解铜，向工频感应炉中加料，逐步加热工频感应炉， 升温进行熔炼，熔化铜，熔炼温度1 〇〇〇 °C~1200 °C ;
[0035] S120将锌加入所述工频感应炉，充分搅拌使得合金熔炼混合均匀，将硒、钴、碲投 入炉内，搅拌30~40min;以及
[0036] S130将镁和磷投入炉内，投料后搅拌20~30min，接着将钪、锰和铁投入炉内，投料 后搅拌20~30min。
[0037] 其中，所述精炼剂包含如下质量分数的组分:25%铝酸妈，15%氧化错，30%硼砂， 10 %二氧化硅，10 %二氧化钛，3 %氟硅酸钠，7 %碳化硅。
[0038] 其中，锡元素可以提高合金的硬度和强度，锡元素主要固溶于基体相中，由于锡元 素的加入引起可晶格的畸变，可以提高合金的力学强度，而锡元素随着腐蚀的进行逐渐向 膜层扩散，形成了新的合金化表面膜层，大大改善了铜合金的耐腐蚀性能，即微量元素改变 了氧化亚铜膜的缺陷结构，从而使铜合金有了更为完善的表面保护膜，由膜层阻止锌的扩 散和流失。此外，锡元素的加入在一定程度上起到了填充双空位的作用，锌的扩散通道得到 阻塞，从而强化了铜合金的晶界，一定程度上抑制了脱锌的过程，耐蚀性得到提高。
[0039]值得一提的是，通过添一定量的锡元素后，锡元素会富集于黄铜基板的润湿界面 处，富集层的厚度有4~8μπι，富集层有效阻碍了碲元素向基体的扩散，从而减少了润湿的趋 势，使得碲元素以颗粒状存在于基体中，从而通过锡、锰的协同作用，在保持碲铜合金硬度 的同时，有效增加碲在铜合金中的含量，有效地改进了其切削性能。
[0040]钪是一种稀土元素，可与Te、Se等元素形成颗粒状杂质