一种硅铋无铅铸造黄铜合金及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种硅铋无铅铸造黄铜合金及其制备方法，以质量百分比计上述黄铜合金由如下组分组成：Cu 61～67％、Bi 0.5～1.0％、Si 0.8～1.25％、Al 0.3～0.7％、Sn 0.05～0.3％、Pb＜0.01％、B≤0.002％、Ti≤0.008％、稀土变质剂(至少含有Nd、Eu、Er、Y、Zr等元素的三种元素)≤0.01％，余量为Zn及小于0.3％的杂质，其中，0.4≤Bi/Si≤1.1。

A SILICON-BISMUTH lead-free cast brass alloy and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种硅铋无铅铸造黄铜合金及其制备方法
本专利技术涉及合金
，尤其涉及一种硅铋无铅铸造黄铜合金及其制备方法。
技术介绍
铅黄铜(常见牌号为HPb59-1)在涉水铜合金产品领域的广泛应用，是基于长期以来材料成分优选、制备工艺优化和制造工艺水平提升等多方面因素综合作用的结果。铅黄铜在生产、使用过程中会对环境造成污染，危害人类健康。铅的危害已深入人心且影响深远。因此，以美国、欧盟、日本等发达国家和地区已先后制定了一系列“无铅”标准和法令，如NSF-ANSI61、NSF-ANSI372、AB-1953、RoHS、AS/NZS、S3874等。其中，美国的S3874无铅法案规定了涉水器件铅含量的加权平均值的计算方法，并明确铅的质量百分比测试计算数值小于0.25wt％时，即为无铅；中国《陶瓷片密封水嘴》》(GB/T18145-2014)规定饮用水零部件中铅的析出量应小于5μg/L。然而，上述文件均未从铅含量(质量百分比)和铅析出量(μg/L)共同定量评价铅在涉水器件及作用范围内的存在量。再加市场引导与规范措施欠缺，已有无铅黄铜材料的工艺适用性参差不齐等问题，导致该类材料在研发与实际推广应用上受限。铅黄铜中的铅以单质形式存在于基体，可以改善其切削性能，还可以以Pb2+形式和溶液中的Cl-、SO42-离子等形成PbCl2、PbSO4等钝化膜，从而阻止其脱锌腐蚀的进行。实现黄铜无铅化的主要途径是通过优选其它非铅元素替代铅，以单质或化合物存在于Cu-Zn基体中，满足成型、切削、耐脱锌腐蚀等性能的综合要求。目前，在涉水器件产业已开始市场推广应用的无铅黄铜主要有两类，即铋黄铜和硅黄铜。铋(Bi)在Cu-Zn基体中的有益作用与铅(Pb)类似，然而，Bi以单质形式并呈薄膜状分布于α相与β相的相界上，易导致铸造、焊接、热挤等成型过程中产生热裂，且在使用过程中易发生应力腐蚀失效。在Cu-Zn合金加入中硅(Si)可有效改善黄铜合金铸造和焊接流动性，提高该合金的焊接工艺性能，在焊接过程中硅还可以抑制锌蒸发及氧化物夹杂，还可有效增强合金的致密度和耐压、耐磨性能和热导性能等。然而，由于Si元素的固溶强化及硬脆高硅化合物相的析出，常会在相同含铜量条件下显著降低黄铜合金的切削性和塑性成型性能，并直接影响电镀表面质量(如：麻点等)。因此，硅黄铜往往是高铜黄铜(70wt％Cu以上)，成本较高。为改善上述两类无铅黄铜的成型与应用性能，常采用多元少量合金化的方式，在以Bi、Si为主加第三组元的基础上，添加其它合金元素，如：铝(Al)、镁(Mg)、锡(Sn)、碲(Te)、砷(As)、锑(Sb)、锰(Mn)、铁(Fe)、钛(Ti)、磷(P)、硼(B)、硒(Se)、镧(La)、铈(Ce)等。上述元素单独或综合使用时，均可改善黄铜某些成型与应用性能，然而，有些元素本身带有毒性(如：Te、As、Sb、P等)，有些元素价格昂贵(Sn、Te、Se等)，有些元素在提升黄铜材料使用性能(如强度、耐蚀性等)的同时却显著弱化其成型性能(如流动性)，从而需在成分与制备工艺优化设计上全面考虑。CN101633987A公开了一种无铅环保的硅黄铜合金棒或合金锭及其制备方法，该黄铜合金的成分为：60wt％～70wt％Cu、0.7wt％～3.0wt％Si、≤0.15wt％Al、≤0.25wt％Pb、≤0.5wt％Fe、≤0.3wt％Sn、≤0.1wt％P、≤0.2wt％Ni、≤0.25wt％Sb、余量为锌和不可避免的杂质。上述方案中，除有交代的Cu、Zn、Si、P之外，其它非不可避免的杂质元素的含量均大于0.1wt％，说明这些元素是在合金化过程中特意添加的，却未在制备工艺中有所交代；且在熔炼过程中，Si以中间合金形式加入，成本较高；此外，优化成分中Al％≤0.1wt％，根据铸造黄铜合金中铝元素的作用描述以及长期实践经验总结，当Al％＝0.4wt％～0.8wt％时，才可对黄铜合金起到有效改善流动性的作用，很明显，上述专利中的铝含量远低于此经验范围。CN104372199A公开了一种无铅环保硅黄铜，其以硅和石墨为非基体主加合金元素，并以提高黄铜合金的热塑性和易切削性为主要目标。该黄铜合金的成分为：58.0wt％～63.0wt％Cu、31.0wt％～41.7wt％Zn、0.2wt％～0.7wt％Al、0.1wt％～2.2wt％Si、≤0.05wt％Pb、0.2wt％～2.0wt％C，杂质的总量不超过0.08wt％，上述方案中，Si仍以中间合金形式加入。CN108866383A公开了一种无铅硅黄铜合金及其制造方法，该黄铜合金成分为：60wt％～63wt％Cu、0.6wt％～0.8wt％Si、0.05wt％～0.15wt％Pb、0.2wt％～0.5wt％A1、0wt％～0.3wt％Sn、0wt％～0.1wt％Ni、0.02wt％～0.1w.％Fe、0.0002wt％～0.0010wt％B，其余为Zn和不可避免的杂质，其中Cu和Zn总含量大于97.0wt％。然而，该专利中清楚表明铅元素是通过纯铅锭的形式特意加入，易直接造成生产污染。CN105274387B公开了一种无铅易切削高强耐蚀硅黄铜合金及制备方法与应用，其成分为：56wt％～60wt％Cu、38wt％～42wt％Zn、0.003wt％～0.01wt％B、0.03wt％～0.06wt％Ti、1.0wt％～1.5％Si和0.5wt％～0.90wt％Al或0.5wt％～0.8wt％Si和1.0wt％～1.5wt％A1，且所有组分的锌当量介于48wt％～50wt％。该专利通过控制Si、Al元素含量，并通过添加B和Ti复合晶粒细化剂，调控合金的相组成及其分布状态，使细小点状的γ相均匀弥散分布于β相基体上，获得一种抗拉强度、耐蚀性能、切削性能等综合性能优异的无铅黄铜合金。然而，该合金在利用锌当量计算合金物相组成时，使用了错误的锌当量公式(分母部分明显错误)，从而使成分优化结果不可信。此外，利用该专利所提供的金相显微照片进行测算，基体晶粒尺寸相当粗大(至少大于300μm)，根本无法体现晶粒细化的效果。根据材料学基本常识，粗大的晶粒将直接导致材料力学性能与成型性能的恶化，难以体现专利中所提及的性能改善效果。在制备工艺中采用将紫铜和铜硅中间合金全部熔化后(1050～1100℃)再降温至400～700℃顺序加入铝锭和锌锭的方式，明显耗能且成本高。综上，现有上述技术方案中有的方案虽然声称制备的是无铅黄铜，却存在特意加入铅元素的现象；部分方案中对于高熔点合金元素(如：Si)多以中间合金形式(如：Cu-Si合金)加入，虽然成分比例相对较好调控，但成本较高；部分方案中对于低熔点组元往往是通过将高温熔体降至较低温度时再加入，耗能现象严重。
技术实现思路
针对上述问题，现提供一种硅铋无铅铸造黄铜合金及其制备方法，旨在低铜、“无铅”成分设计基础上(≤67wt％Cu、≤0.01wt％Pb)结合优化的熔体处理工艺，重点提升黄铜合金的流动性能，有效避免液态成型缺陷，并满足产品后续工艺性能与使用性能要求。具体技术方案如下：本专利技术的第一个方面是提供一种硅铋无铅铸造黄铜合金，具有这样的特征，以质量百分比计，黄铜合金由如下组分组成：Cu61～67％、Bi0.5～1.0％、Si0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅铋无铅铸造黄铜合金，其特征在于，以质量百分比计，所述黄铜合金由如下组分组成：Cu 61～67％、Bi 0.5～1.0％、Si 0.8～1.25％、Al 0.3～0.7％、Sn 0.05～0.3％、Pb＜0.01％、B≤0.002％、Ti≤0.008％、稀土变质剂≤0.01％，余量为Zn及小于0.3％的杂质，其中，0.4≤Bi/Si≤1.1。

【技术特征摘要】
1.一种硅铋无铅铸造黄铜合金，其特征在于，以质量百分比计，所述黄铜合金由如下组分组成：Cu61～67％、Bi0.5～1.0％、Si0.8～1.25％、Al0.3～0.7％、Sn0.05～0.3％、Pb＜0.01％、B≤0.002％、Ti≤0.008％、稀土变质剂≤0.01％，余量为Zn及小于0.3％的杂质，其中，0.4≤Bi/Si≤1.1。2.根据权利要求1所述的硅铋无铅铸造黄铜合金，其特征在于，所述稀土变质剂包含La、Ce、Nd、Eu、Er、Y、Zr中的至少三种。3.根据权利要求1所述的硅铋无铅铸造黄铜合金，其特征在于，所述杂质主要包括Fe、Cr、Ni元素，且Fe、Cr、Ni元素的总含量小于0.06％。4.一种权利要求1-3任一项所述硅铋无铅铸造黄铜合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)在有芯工频炉中先加入不超过Cu元素熔炼总量的1/6的纯紫铜米，待其处于半熔融状态时顺次压入按成分配比称量并预热好的锡锭、铋锭和铝锭，再覆盖上不超过Cu元素熔炼总量的1/12的纯紫铜米，待合金元素完全熔化后升温使铜米熔化；2)按成分配比称量经预先破碎的工业纯硅，将其预...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈永禄，洪丽华，
申请(专利权)人：福建工程学院，
类型：发明
国别省市：福建,35