一种无铅易切削硅黄铜合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种无铅易切削硅黄铜合金及其制备方法，其组分和含量包括：锌28～34wt%，硅2.2～3.5wt%，硫化锌0.5～1.8wt%，余量为铜。其有益效果是，黄铜合金中铜含量小于70%，通过调整黄铜中加入的锌、硅以及硫化锌的含量来改善黄铜合金的易切削性能，所得易切削的黄铜合金成本较低，采用原位合成工艺在硅黄铜中引进硫化锌，硫化锌呈脆性，从而达到改善黄铜切削性能的效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及易切削硅黄铜合金领域，特别涉及一种无铅易切削硅黄铜及其制备方法。
技术介绍
由于黄铜合金的应用 领域十分广泛，所以其切削性能直接影响到材料机加工产品的成品率，生产成本及生产效率。现有的易切削黄铜主要包括铅黄铜，由于含铅的铸造黄铜合金具有优异的切削性能和铸造性能且生产成本较低，所以被广泛地应用到众多领域。然而，随着工业化社会的发展，铅对生态环境的危害日益显现，所以发达国家一直致力于易切削无铅黄铜的研究，易切削无铅黄铜就是通过改良黄铜中的成分设计，适当地加入其他少量无毒害的元素替代铅，在合金中形成有利于改善黄铜切削性能的新相，达到易切削的目的。这些替代铅的元素主要是铋、硅、锑、碲、石墨及镁等。从实用化的角度，目前国内外已经投入应用的主要是铋黄铜和硅黄铜。在已开发的硅黄铜中，能形成产品并投入应用的主要是由日本三宝公司开发的无铅硅黄铜系列产品。三宝系列产品的主要特征是铜含量很高，一般都高于70%，所以这类硅黄铜成本高于一般的黄铜产品，难以被用户接受，从而限制了它的推广应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种铸造性能、锻造性能优异，切削性能、力学性能优良、所需金属原料成本相对较低的易切削硅黄铜合金。根据本专利技术的一个方面，提供了无铅易切削硅黄铜合金，其组分和含量包括: 锌28 34 wt% 硅2.2 3.5 wt%硫化锌0.5 1.8 wt% 铜余量。在一些实施方式中，合金中不可避免的杂质含量彡0.8wt%。在一些实施方式中，锌的含量为30 31wt%，硅的含量为2.5 3wt%，硫化锌的含量为I 1.5wt%,余量为铜。在一些实施方式中，锌的含量为31wt%，硅的含量为3wt%，硫化锌的含量为lwt%，余量为铜。本专利技术的另一个方面还涉及了一种无铅易切削硅黄铜合金的制备方法，包括以下步骤:步骤1、合金成分配比设计:锌28 34wt%，硅2.2 3.5wt%，硫化锌0.5 1.8wt%,余量为铜；步骤2、制备预制块:将铜粉、硫化铜粉、锌粉以4:3:3的比例充分混合后压制形成预制块；步骤3、熔炼:首先将电解铜加入熔炼炉随炉熔化，将炉温控制在1040 1100°C，然后加入预制块和硅，预制块加入后会借助铜液的高温发生原位反应，待反应充分进行后，随炉冷却至450 500°C，加入纯锌并搅拌，然后保温5 15分钟；步骤4、将铜合金液浇铸于铁模得到硅黄铜合金铸锭。在一些实施方式中，将所述的硅黄铜合金铸锭加热到700 750°C进行热挤压成品。影响黄铜材料切削性能的因素主要与合金组织与力学性能相关。黄铜组织若为单一的α相，该相质软，且其塑性好，加工时易得连续长屑，交缠在刀具与工件，对切削不利。如果在α相基体上有其他强度、硬度、塑性与α相相差较大的其他相存在，尤其是存在β相、Y相时，由于Y相质硬且呈脆性，那么在拉应力作用下这些脆性相易破碎，这些脆性相组织就破坏了塑性较好的α相基体的连续性，具有断屑的作用，从而有利于改善黄铜合金的切削性能。锌是黄铜中的主要合金元素，其含量的变化对黄铜合金的影响比较大。本专利技术中，锌的含量为28 34wt%，锌含量小于28wt%时，Y相体积分数较小，对黄铜合金的切削性能的作用不大，随着锌含量升高，黄铜合金中的α相体积分数减少，而β相、Y相的体积分数增加，黄铜合金的切削性能有所提高。硅含量的变化对黄铜合金的性能影响也比较大。本专利技术中，硅的含量为2.2 3.5wt%,硅含量小于2wt%时，切削性能达不到满意的效果，当硅含量高于3.5wt%时，黄铜合金的切削性能虽然得以改善，但是黄铜合金的抗拉强度较低，对黄铜合金的应用产生影响。硫化锌在黄铜合金中主要作为断屑相来改善黄铜的切削性能。硫化锌的存在可视为合金基体中出现一些微小的孔洞，其中填充了脆性的硫化锌颗粒，这些孔洞破坏了基体的连续性，成为应力集中源，构成许多弱化微区，在这些区域容易产生应力集中以及位错的繁殖和运动，产生切口效应，在剪应力的作用下实现断屑。本专利技术中硫化锌的含量为0.5 1.8wt%,当硫化锌的含量小于0.5wt%时,对黄铜合金的切削性能影响不明显，随着硫化锌的含量的增多，黄铜合金的切削性能得到较好改善，但是考虑到成本及黄铜合金的综合性能的因素，所以控制硫化锌的含量不大于1.8wt%。本专利技术与现有技术相比，其有益效果在于，黄铜合金中铜含量小于70%，通过调整黄铜中加入的锌、硅以及硫化锌的含量来改善黄铜合金的易切削性能，所得易切削的黄铜合金成本较低。由于黄铜合金金属熔体的粘度很高，所添加的硫化锌的颗粒直径很小，密度也低于铜液的密度，硫化锌加入到熔融的金属后，受到表面张力的作用，浮在金属熔体表面，要使这些颗粒克服金属溶液的表面张力均匀地分布于熔体的可行性很小，所以本专利技术涉及的方法是采用硫化铜为原材料，采用原位合成工艺在硅黄铜中引入硫化锌，硫化锌呈脆性，从而达到改善黄铜切削性能的效果。附图说明图1为本专利技术实施例1的无铅易切削硅黄铜的切削性能切屑形貌；图2为本专利技术实施例2的无铅易切削硅黄铜的切削性能切屑形貌；图3为本专利技术实施例3的无铅易切削硅黄铜的切削性能切屑形貌；图4为本专利技术实施例4的无铅易切削硅黄铜的切削性能切屑形貌；图5为本专利技术实施例1的无铅易切削硅黄铜的SEM组织形貌图。具体实施例方式下面结合实施例对本专利技术作进一步详细的说明。—、无铅易切削硅黄铜的制备方法，其具体工艺为:步骤1、设计合金成分配比，即合金中的组分和含量包括:铜62 68wt%,锌28 34wt%，硅2.2 3.5wt%，硫化锌0.5 1.8wt%，余量为铜；步骤2、制备预制块:将铜粉、硫化铜粉、锌粉以4:3:3的比例充分混合后压制形成预制块，将按比例配好的铜粉、硫化铜粉、锌粉在混粉机上均匀混合，将混合后的粉末在油压机上压制成块。步骤3、熔炼:首先将电解铜加入熔炼炉随炉熔化，将炉温控制在1040 1100°C，然后加入预制块和硅，预制块加入后会借助铜液的高温发生原位反应，待反应充分进行后，随炉冷却至450 500°C，加入纯锌，充分搅拌使其成分均匀，保温5 15分钟；其中原位反应为:CuS+Zn — ZnS+Cu，从而实现在黄铜合金溶液中引进硫化锌的目的；其中，黄铜合金的熔炼是在真空中频感应熔炼炉进行。在经典的热力学的理论中，通常根据吉布斯函数判据来判断一个反应能否自发进行。系统吉布斯函数减少的过程能够自发进行，吉布斯函数不变时处于平衡状态，即要保持系统稳定必须 两足Δ G^O0根据热力学第二定律，在等温等压条件下，有:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无铅易切削硅黄铜合金，其特征在于，其组分和含量包括：FDA00002876568600011.jpg

【技术特征摘要】
1.一种无铅易切削硅黄铜合金，其特征在于，其组分和含量包括:锌28 34 wt%硅2.2 3.5 wt%硫化辞0.5- 1.8 wt% 铜余量-2.根据权利要求1所述的一种无铅易切削硅黄铜合金，其特征在于，合金中不可避免的杂质含里!< 0.8wt%。3.根据权利要求1所述的一种无铅易切削硅黄铜合金，其特征在于，锌的含量为30 31wt%，硅的含量为2.5 3wt%，硫化锌的含量为I 1.5wt%，余量为铜。4.根据权利要求1所述的一种无铅易切削硅黄铜合金，其特征在于，锌的含量为31wt%，硅的含量为3wt%，硫化锌的含量为lwt%，余量为铜。5.一种制备如权利要求1-4中任一项所述的无铅易切削硅黄铜合金的制备方法，其特征在于，采用以硫化铜为原材料的原位合成法向黄铜...

【专利技术属性】
技术研发人员：万晓峰，岑志剑，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32