一种高强耐蚀高导热易切削无铅环保硅黄铜及其制备与应用制造技术

本发明专利技术公开了一种高强耐蚀高导热易切削无铅环保硅黄铜及其制备与应用。所述无铅硅黄铜的元素质量百分比为Cu 56～64％，Zn 35～42％，Al 0.2～1.5％，Si 0.5～1.5％，Ti 0.03～0.06％，B 0.003～0.01％，Re 0.03～0.06％，其制备工艺包括成分设计、材料或零件制备、热处理等三个工序，尤其是其热处理工艺为600℃

【技术实现步骤摘要】
一种高强耐蚀高导热易切削无铅环保硅黄铜及其制备与应用


[0001]本专利技术属于铜合金制备
，具体涉及一种高强耐蚀高导热易切削无铅环保硅黄铜及其制备与应用。

技术介绍

[0002]黄铜作为一种重要的工程材料，广泛应用于热水器阀门、卫浴主体及配件、空调阀门、通讯链接器五金配件、家用五金、散热器、电子仪器、低温管路、航空航天、船舶等各个领域。通常，在黄铜中加入质量分数为1-3％的铅以改善其切削性能。铅极少固溶于Cu-Zn基体，以独立相弥散分布于合金基体中。质软且熔点低的铅质点犹如基体中的孔洞，在切削加工时易产生应力集中，使切屑呈崩碎状断裂，从而实现铅黄铜的高速切削，并获得光洁表面。因此，铅黄铜被称为易切削黄铜。然而，铅对人体的造血、神经和消化等系统有害。当铅黄铜用于与水环境接触的卫浴等产品时，铅会以离子形式析出，严重危害人体健康、污染生态环境。近年来，世界各国相继颁布了相关的法规来限制铅等有害元素在黄铜中的使用，开发对人体和环境无害的无铅黄铜已成为必然趋势。
[0003]目前对于无铅黄铜的研究，主要有以铋代铅、以锑代铅、以镁代铅、以石墨代铅、以硫代铅、以钙代铅和以硅代铅等。然而，铋为稀缺资源，同时在黄铜中容易发生晶界偏析。锑为有毒重金属，且易形成脆性化合物。镁黄铜在熔炼时易吸气、氧化，熔炼工艺复杂。石墨和钙密度低，熔炼时易上浮和氧化烧损。硫黄铜中形成的脆性相Cu2S常分布在晶界，使黄铜的热加工性能严重恶化。在这些开发的无铅黄铜中，无铅硅黄铜被认为是经济上和环境上可行的铅黄铜替代品，因为硅元素在世界范围内储量丰富并且对环境有益。在不加Pb的情况下，为了实现易切削的目的，通常需采用特种铸造方法以获得易切削的组织，生产工艺复杂。而热处理是实现合金微观组织调控的最简单易行的方法，同时还可实现合金各项性能指标的综合优化。参考文献1(李丹阳等，材料热处理学报,2017,38(4):71-77)研究了600～800℃退火处理对65CuZn1Si(α+βphase)和65CuZn3Si(β+γphase)无铅硅黄铜合金组织及性能的影响。研究表明，在水冷条件下，退火温度越高，α相和γ相尺寸越小。细小弥散的γ相可起到类似于铅质点的断屑作用，提高合金的断屑性能。65CuZn3Si合金水冷退火后的显微硬度(294～357HV)、切削性能和耐电化学腐蚀性能均优于铸态。参考文献2(闫静等，材料热处理学报,2007,28(3):85-88)对无铅铋黄铜研究表明，由于冷变形使合金内部产生了大量位错、空位和残余应力，促进了黄铜的脱锌腐蚀过程。在200～350℃退火时，随着退火温度升高，合金的平均脱锌深度先减小后增大。在250℃退火处理后冷加工黄铜的耐脱锌腐蚀性能最好，此时平均脱锌层厚度在175～200μm之间。参考文献3(Toulfatzis等，Metals,2018,8(8):575；Materials Science and Technology,2016,32(17):1771-1781)通过700-850℃固溶处理减少CuZn42、CuZn38As和CuZn36三种无铅黄铜中β相向α相转变，从而降低β相的体积分数，在保证合金强度(396MPa)和塑性(44％)的同时，热处理后合金的断屑能力亦得到提高。
[0004]可见，对于黄铜的热处理相关研究涉及内容比较分散。一方面，可以通过热处理减
少β相含量以提高合金耐脱锌腐蚀性能；另一方面，可以通过热处理减少α相含量以提高合金的强度并改善切削性能，然而这又影响合金的耐蚀性能。对于本专利技术中所涉及的无铅硅黄铜合金，在其制备过程中，使用既定的成形工艺很难实现其微观组织的有效调控，使得合金各项性能指标难实现综合优化。因此，制定合适的热处理工艺来调控其微观组织以获得良好的综合性能，是当下亟需解决的关键问题。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术的缺点和不足之处，本专利技术的首要目的在于提供一种高强耐蚀高导热易切削无铅环保硅黄铜的制备方法。黄铜在不加Pb的情况下，为了实现易切削的目的，通常需采用特种铸造方法以获得易切削的组织，生产工艺复杂。而无铅硅黄铜由于加入了虚拟锌当量系数较高的Si和Al元素，存在通过热处理来获得易切削组织的可行性，同时还可实现合金各项性能指标的综合优化。本专利通过设计合金组分及相组成以及合适的热处理工艺对硅黄铜组织进行调控，从而解决了现有无铅硅黄铜难以同时获得易切削性能、耐脱锌腐蚀性能、高拉伸塑性、高强度、高导热的问题。
[0006]本专利技术的另一目的在于提供上述方法制得的一种高强耐蚀高导热易切削无铅环保硅黄铜。
[0007]本专利技术的再一目的在于提供上述一种高强耐蚀高导热易切削无铅环保硅黄铜的应用。
[0008]本专利技术目的通过以下技术方案实现：
[0009]一种高强耐蚀高导热易切削无铅环保硅黄铜的制备方法，包括以下步骤：
[0010](1)基于虚拟锌当量规则设计合金成分与相组成，各元素质量百分比分别为Cu 56～64％，Zn 35～42％，Al 0.2～1.5％，Si 0.5～1.5％，Ti 0.03～0.06％，B 0.003～0.01％，Re 0.03～0.06％，以及不可避免的微量杂质；
[0011](2)先将纯硅和电解铜加入熔炼设备，在1100～1150℃保温15～20min使其完全熔化，降温至800～850℃，加入纯铝和纯锌并保温5～10min，再升温至1100～1150℃，加入铜钛、铝硼中间合金和稀土并保温10～30min，最后浇铸或低压铸造成无铅硅黄铜铸锭或零件；
[0012](3)将无铅硅黄铜铸锭或零件先进行600℃
±
50℃固溶120min
±
10min，水冷至室温，再230℃
±
20℃时效120min
±
10min，空冷至室温，得到高强耐蚀高导热易切削无铅环保硅黄铜。
[0013]优选地，步骤(3)所述高强耐蚀高导热易切削无铅环保硅黄铜，其相组成为α+β相或β+γ相，其中析出α相、γ相或金属间化合物以细小颗粒状或短细条状弥散分布在基体β相中。
[0014]更优选地，所述析出α相、γ相或金属间化合物的尺寸为200～500nm。
[0015]优选地，步骤(3)所述固溶处理温度以β+γ相能获得过饱和单一β相组织为准，时效温度以获得尺寸为200～500nm的细小质点弥散分布于基体的合金组织为准，同时合金具有50％以上的β相含量。
[0016]优选地，步骤(3)所述固溶处理温度为560～650℃，时间为110～130min；所述时效的温度为235～250℃，时间为110～120min。
[0017]优选地，步骤(1)所述虚拟锌当量通过式来计算，其中，X％为虚拟锌当量，ω
Zn
为步骤(2)加入纯锌占合金的质量百分含量，ω
Cu
为步骤(2)加入电解铜占合金的质量百分含量，∑ω
i
K
i
是合金中所有除Cu、Zn之外的其他合金元素的质量百分含量ω...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强耐蚀高导热易切削无铅环保硅黄铜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)基于虚拟锌当量规则设计合金成分与相组成，各元素质量百分比分别为Cu 56～64％，Zn 35～42％，Al 0.2～1.5％，Si 0.5～1.5％，Ti 0.03～0.06％，B 0.003～0.01％，Re 0.03～0.06％，以及不可避免的微量杂质；(2)先将纯硅和电解铜加入熔炼设备，在1100～1150℃保温15～20min使其完全熔化，降温至800～850℃，加入纯铝和纯锌并保温5～10min，再升温至1100～1150℃，加入铜钛、铝硼中间合金和稀土并保温10～30min，最后浇铸或低压铸造成无铅硅黄铜铸锭或零件；(3)将无铅硅黄铜铸锭或零件先进行600℃
±
50℃固溶120min
±
10min，水冷至室温，再230℃
±
20℃时效120min
±
10min，空冷至室温，得到高强耐蚀高导热易切削无铅环保硅黄铜；步骤(3)所述高强耐蚀高导热易切削无铅环保硅黄铜，其相组成为α+β相或β+γ相，其中析出α相、γ相或金属间化合物以细小颗粒状或短细条状弥散分布在基体β相中。2.根据权利要求1所述一种高强耐蚀高导热易切削无铅环保硅黄铜的制备方法，其特征在于，所述析出α相、γ相或金属间化合物的尺寸为200～500nm。3.根据权利要求1或2所述一种高强耐蚀高导热易切削无铅环保硅黄铜的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述固溶处理温度为560～650℃，时间为110～130min；所述时效的温度为235～250℃，时间为110～120min。4.根据权利要求2所述一种高强耐蚀高导热易切削无铅环保硅黄铜的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨超，陶鲭驰，丁言飞，张卫文，李元元，
申请(专利权)人：广东华艺卫浴实业有限公司，
类型：发明
国别省市：