一种易切削锡黄铜合金及其制备方法

摘要

本发明提供了一种无铅易切削黄铜，以锡代替其中的铅，生产出一种切削性能优越、耐腐蚀和力学性能良好的易切削锡黄铜合金。在黄铜中加入适量的锡能提高合金的力学性能和抗腐蚀性，本发明在加入锡的同时也加入了多种其他金属元素，如锰、铝、锑、砷、铅、镍等，并经过本发明的特殊工艺处理，可加强锡对黄铜合金性能的改进作用，从而大幅提高本发明所得易切削黄铜合金的耐腐蚀性能和切削性能；本发明制得的易切削锡黄铜合金具有优越的切削性能和耐腐蚀性能。

权利要求

1.一种易切削锡黄铜合金，其特征在于：其化学组成为：铜61-63wt%、锡0.2-0.8 wt%、铅0.15-0.2 wt%、砷 0.04-0.06 wt%、铝0.02-0.04 wt%、锰0.02-0.06 wt%、镍0.04-0.07 wt%、铁0.01-0.05 wt%、锑0.01-0.03 wt%、钯0.01-0.08 wt%、镓0.02-0.07 wt%、钆

0.03-0.06 wt%、铟0.01-0.05 wt%、铒0.01-0.09 wt%，余量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量不超过0. 4 wt%；

其制备方法如下：

1）预处理A：将熔炉温度升至在1180-1230℃，投入7-16wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的钯、铟、铒和镓，保温10-15min后进行浇注，得到合金a；

2）预处理B：将熔炉温度升至在1350-1460℃，投入11-23wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的锰、镍、铁和钆，保温20-30min后进行浇注，得到合金b；

3）熔炼：将熔炉温度升至在980-1020℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的锡、铅、砷、铝、锑，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入合金a和合金b，完全熔化后搅拌均匀，升温至1100℃时保温15-25min，然后浇注成坯锭；

4）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至400-450℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至

300-350℃，然后在730-750℃的温度下，将Φ180mm的坯锭挤压成不同规格的挤压棒。

2.如权利要求1所述的一种易切削锡黄铜合金，其特征在于：其化学组成为：铜

62wt%、锡0.5 wt%、铅0.17 wt%、砷 0.05 wt%、铝0.03 wt%、锰0.04 wt%、镍0.06 wt%、铁

0.03wt%、锑0.02wt%、钯0.04wt%、镓0.05wt%、钆0.04 wt%、铟0.03 wt%、铒0.06wt%，余量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量不超过0. 4 wt%；

其制备方法如下：

1）预处理A：将熔炉温度升至在1210℃，投入11wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的钯、铟、铒和镓，保温12min后进行浇注，得到合金a；

2）预处理B：将熔炉温度升至在1405℃，投入17wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的锰、镍、铁和钆，保温25min后进行浇注，得到合金b；

3）熔炼：将熔炉温度升至在1000℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的锡、铅、砷、铝、锑，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入合金a和合金b，完全熔化后搅拌均匀，升温至1100℃时保温20min，然后浇注成坯锭；

4）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至425℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至325℃，然后在740℃的温度下，将Φ180mm的坯锭挤压成不同规格的挤压棒。

说明书

一种易切削锡黄铜合金及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种合金及其制备方法，尤其涉及一种易切削锡黄铜合金及其制备方法。

背景技术

[0002] 铅黄铜以其优异的耐腐蚀性能，易切削性能和成型性能而广泛应用在各个领域。例如电子电器接插件、仪表零件、饮水系统的水管、水龙头、阀门、管接头以及汽车、消防和飞机等使用的液压阀门等。但是铅极易从基体材料中脱落，而且在加工过程中以及产品废弃后，铅都会通过各种途径进入人体造成危害：损伤大脑中枢及周围神经系统；破坏造血系统，阻碍血红色的合成，导致贫血；影响消化系统功能；抑制免疫系统功能等。这些铅黄铜器件报废之后，往往作为垃圾被遗弃，只有少量得到回收利用。在垃圾场土壤里，铅污染了土地、水源。垃圾焚烧时，铅蒸气散发于大气之中，对人体产生极大危害。所以，研制替代铅黄铜的无铅易切削黄铜是当前世界各国共同关注的焦点，已成为材料工作者亟待解决的重要研究课题。

[0003] CN101435034A公开了一种无铅易切削锡镁黄铜合金，包含有锌(Zn)，铜(Cu)等，其特征在于还同时包含锡(Sn)，镁(Mg)，稀土(Re)，各组分的组成按重量百分比计分别为:锌(Zn) 35.0-41.0%，锡(Sn)0.5-2.5%，镁(Mg ) 0.2-2.0%，稀土(Re)0.02-0.2%，其余为铜(Cu)及总量不大于0.05%的杂质，各组分的重量百分比总和为100% 。但其中锡(Sn)、镁(Mg )和稀土(Re)的烧损率较高，且切削性能和耐腐蚀性能还有待提高。

发明内容

[0004] 本发明在于提供一种无铅易切削黄铜，以锡代替其中的铅，生产出一种切削性能优越、耐腐蚀和力学性能良好的易切削锡黄铜合金。

[0005] 本发明是通过如下技术方案实现的：

[0006] 一种易切削锡黄铜合金，其化学组成为：铜61-63wt%、锡0.2-0.8 wt%、铅0.15-0.2 wt%、砷 0.04-0.06 wt%、铝0.02-0.04 wt%、锰0.02-0.06 wt%、镍0.04-0.07 wt%、铁0.01-0.05 wt%、锑0.01-0.03 wt%、钯0.01-0.08 wt%、镓0.02-0.07 wt%、钆
0.03-0.06 wt%、铟0.01-0.05 wt%、铒0.01-0.09 wt%，余量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量不超过0. 4 wt%；

[0007] 其制备方法如下：

[0008] 1）预处理A：将熔炉温度升至在1180-1230℃，投入7-16wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的钯、铟、铒和镓，保温10-15min后进行浇注，得到合金a；

[0009] 2）预处理B：将熔炉温度升至在1350-1460℃，投入11-23wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的锰、镍、铁和钆，保温20-30min后进行浇注，得到合金b；

[0010] 3）熔炼：将熔炉温度升至在980-1020℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的锡、铅、砷、铝、锑，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入合金a和合金b，完全熔化后搅拌均匀，升温至1100℃时保温15-25min，然后浇注成坯锭；

[0011] 4）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至400-450℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至300-350℃，然后在730-750℃的温度下，将Φ180mm的坯锭挤压成不同规格的挤压棒。

[0012] 在含铅量较低的锡黄铜中加入锑、钯、镓、钆、铟、铒和砷可提高锡黄铜的切削性能，使之优于普通的锡黄铜；而在切削性能提高的同时，锡黄铜的抗脱锌腐蚀性能受到了一定的影响，我们通过对配方中各组分用量的调整和采用本发明的特殊工艺，锡黄铜的抗脱锌腐蚀性能有了显著的提高，甚至优于同类产品。具体实施例

[0013] 实施例1：一种易切削锡黄铜合金，其化学组成为：铜62wt%、锡0.5 wt%、铅0.17 wt%、砷 0.05 wt%、铝0.03 wt%、锰0.04 wt%、镍0.06 wt%、铁0.03wt%、锑0.02wt%、钯0.04wt%、镓0.05wt%、钆0.04 wt%、铟0.03 wt%、铒0.06wt%，余量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量不超过0. 4 wt%；

[0014] 其制备方法如下：

[0015] 1）预处理A：将熔炉温度升至在1210℃，投入11wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的钯、铟、铒和镓，保温12min后进行浇注，得到合金a；

[0016] 2）预处理B：将熔炉温度升至在1405℃，投入17wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的锰、镍、铁和钆，保温25min后进行浇注，得到合金b；

[0017] 3）熔炼：将熔炉温度升至在1000℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的锡、铅、砷、铝、锑，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入合金a和合金b，完全熔化后搅拌均匀，升温至1100℃时保温20min，然后浇注成坯锭；

[0018] 4）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至425℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至325℃，然后在740℃的温度下，将Φ180mm的坯锭挤压成不同规格的挤压棒。

[0019] 实施例2：一种易切削锡黄铜合金，其化学组成为：铜61wt%、锡0.2wt%、铅0.15 wt%、砷 0.04wt%、铝0.02 wt%、锰0.02 wt%、镍0.04 wt%、铁0.01 wt%、锑0.01wt%、钯0.01 wt%、镓0.02 wt%、钆0.03wt%、铟0.01wt%、铒0.01 wt%，余量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量不超过0. 4 wt%；

[0020] 其制备方法如下：

[0021] 1）预处理A：将熔炉温度升至在1180℃，投入7wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的钯、铟、铒和镓，保温10min后进行浇注，得到合金a；

[0022] 2）预处理B：将熔炉温度升至在1350℃，投入11wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的锰、镍、铁和钆，保温20min后进行浇注，得到合金b；

[0023] 3）熔炼：将熔炉温度升至在980℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的锡、铅、砷、铝、锑，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入合金a和合金b，完全熔化后搅拌均匀，升温至1100℃时保温15min，然后浇注成坯锭；

[0024] 4）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至400℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至300℃，然后在730℃的温度下，将Φ180mm的坯锭挤压成不同规格的挤压棒。

[0025] 实施例3：一种易切削锡黄铜合金，其化学组成为：铜63wt%、锡0.8 wt%、铅0.2 wt%、砷 0.06 wt%、铝0.04 wt%、锰0.06 wt%、镍0.07 wt%、铁0.05 wt%、锑0.03 wt%、钯0.08 wt%、镓0.07 wt%、钆0.06 wt%、铟0.05 wt%、铒0.09 wt%，余量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量不超过0. 4 wt%；

[0026] 其制备方法如下：

[0027] 1）预处理A：将熔炉温度升至在1230℃，投入16wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的钯、铟、铒和镓，保温15min后进行浇注，得到合金a；

[0028] 2）预处理B：将熔炉温度升至在1460℃，投入23wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的锰、镍、铁和钆，保温30min后进行浇注，得到合金b；

[0029] 3）熔炼：将熔炉温度升至在1020℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的锡、铅、砷、铝、锑，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入合金a和合金b，完全熔化后搅拌均匀，升温至1100℃时保温25min，然后浇注成坯锭；

[0030] 4）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至450℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至350℃，然后在750℃的温度下，将Φ180mm的坯锭挤压成不同规格的挤压棒。

[0031] 实施例4：一种易切削锡黄铜合金，其制备方法如下：

[0032] 1）预处理A：将熔炉温度升至在1100℃，投入5wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的镍、铟、铒和钆，保温20min后进行浇注，得到合金a；

[0033] 2）预处理B：将熔炉温度升至在1500℃，投入25wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的锰、钯、铁和镓，保温10min后进行浇注，得到合金b；

[0034] 3）熔炼：将熔炉温度升至在950℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的锡、铅、砷、铝、锑，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入合金a和合金b，完全熔化后搅拌均匀，升温至1100℃时保温10min，然后浇注成坯锭；

[0035] 4）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至380℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至360℃，然后在760℃的温度下，将Φ180mm的坯锭挤压成不同规格的挤压棒。

[0036] 其余同实施例1。

[0037] 实施例5：一种易切削锡黄铜合金，其化学组成为：铜65wt%、锡0.1wt%、铅0.10wt%、砷 0.07wt%、铝0.01wt%、锰0.08wt%、镍0.03wt%、铁0.06 wt%、锑0.04 wt%、钯
0.09wt%、镓0.01 wt%、钆0.02wt%、铟0.07 wt%、铒0.10 wt%，余量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量不超过0. 4 wt%；

[0038] 其余同实施例1。

[0039] 实施例6：一种易切削锡黄铜合金，其化学组成为：铜60wt%、锡0.9wt%、铅0.10 wt%、砷 0.03 wt%、铝0.05 wt%、锰0.01wt%、镍0.02wt%、铁0.07wt%、锑0.05 wt%、钯0.09 wt%、镓0.01 wt%、钆0.01wt%、铟0.06wt%、铒0.11 wt%，余量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量不超过0. 4 wt%；

[0040] 其制备方法如下：

[0041] 1）预处理A：将熔炉温度升至在1160℃，投入18wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的钯、铟、铒和镓，保温20min后进行浇注，得到合金a；

[0042] 2）预处理B：将熔炉温度升至在1320℃，投入10wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的锰、镍、铁和钆，保温15min后进行浇注，得到合金b；

[0043] 3）熔炼：将熔炉温度升至在1050℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的锡、铅、砷、铝、锑，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入合金a和合金b，完全熔化后搅拌均匀，升温至1100℃时保温30min，然后浇注成坯锭；

[0044] 4）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至470℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至280℃，然后在760℃的温度下，将Φ180mm的坯锭挤压成不同规格的挤压棒。

[0045] 实施例7：根据公开号为CN101435034A公开的一种无铅易切削锡镁黄铜合金，各组分的组成按重量百分比计分别为:锌(Zn) 35.0-41.0%，锡(Sn)0.5-2.5%，镁(Mg)0.2-2.0%，稀土(Re)0.02-0.2%，其余为铜(Cu)及总量不大于0.05%的杂质，各组分的重量百分比总和为100% ；其工艺为熔炼时先进行铜锌的熔炼，温度为1050℃-1250℃，随后加入铜镁中间合金、锑和稀土，以及其它合金成分，保温10min-40min后，进行半连续铸造，浇注温度为1150℃-1200℃，铸锭直径为Φ180mm。铸锭在达到600℃ -800℃温度时，保温时间30 min -90min，然后进行热挤压，挤压成尺寸为Φ25.4mm的圆棒，再采用单链卧式拉拔机进行冷拉拔成Φ24.4mm的无铅锑镁黄铜棒材，最后在400℃-550℃下进行退火即得最终产品。

[0046] 试验例1：耐腐蚀性试验

[0047] 腐蚀试验按中华人民共和国国家标准《黄铜耐脱锌腐蚀性能的测定》进行，取实施例1-7制得的试样进行试验，每个实施例的分别在平行和垂直于挤压方向取三个平行试2
样，每个样品的暴露面积为100mm左右。将线切割后的黄铜薄片用义齿基托树脂((II型)进行镶样。试样表面用金相砂纸打磨，最后用500#水砂纸磨光，再用水清洗试样，最后用无水乙醇擦拭并吹干。

[0048] 将同一实施例产品的三个平行试验放入己经加热到75士2℃的盛有1%的氯化铜溶液的烧杯内，开始计时，立即用塑料薄膜盖在烧杯上并扎紧，防止溶液蒸发过快。放置试样时应使暴露表面垂直于烧杯底面，其间距离应大于15mm。

[0049] 在恒温水浴中腐蚀二十四小时后，将试样沿其暴露表面的垂直方向切开，横切面距离暴露表面边缘至少l.5mm，其穿过暴露表面的总长度应不小于8mm 。按晶相试样制备的方法将切片研磨、抛光，操作时应防止脱锌层的倒角与剥落。用无水乙醇擦洗，使脱锌层在晶相显微镜下能清晰可辩。实验结果见表1。

[0050] 表1脱锌层平均厚度

[0051]

[0052] 由表1可知，实施例1-3制得的合金试样的脱锌层平均厚度小于其他实施例制得的合金试样，说明其合金试样的耐腐蚀性能较好，其中以实施例1制得的合金试样耐腐蚀效果最好。

[0053] 试验例2：切削性能检测

[0054] 将实施例1-7制得的试样在CW6136卧式普通车床上加工;刀具材料:Ys8，后角8°，主偏角50°，副偏角15°，副后角3°，刃倾角－3°，加工方式为车削外圆1 mm，主轴转速为407 r/min。收集切屑，进行分析。

[0055] 根据切屑的类型和大小来判断各试样的切削性能时，定量分析比较困难，因此本试验选用HPb59-1黄铜切削性定为100%，切屑呈短、细而脆，H62为40%，切屑呈长的连续状或螺旋状，比较两者间的切削形状的大小，即可大概估计切削试验中实施例1-8中各样品合金的的切削性。试验结果见表2。

[0056] 表2切削性能比较

[0057]