專利名稱：：一種環(huán)保無鉛易切削鋅白銅及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種環(huán)保無鉛易切削鋅白銅，尤其涉及一種具有優(yōu)異的機(jī)械性能、切削性能和冷熱加工性能優(yōu)良的易切削鋅白銅合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
：鉛鋅白銅(如德標(biāo)的Cu43Nil2Zn38Mn5Pb2合金)因其優(yōu)良的力學(xué)性能、切削性能、化學(xué)性能，被廣泛用于筆頭、眼鏡配件及儀表零配件等制造行業(yè)，鉛鋅白銅在國內(nèi)外市場用量都比較大。眾所周知，含鉛的零部件在生產(chǎn)或使用過程中會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，危害人體健康，美國、歐盟等相繼出臺相關(guān)的法律法規(guī)對零部件中鉛含量進(jìn)行控制?，F(xiàn)在國內(nèi)外對無鉛易切削黃銅的研究較多，并也取得了顯著的進(jìn)步。但對無鉛易切削鋅白銅的研究較少。國內(nèi)外很多制筆廠、眼鏡廠已經(jīng)提出無鉛的需求，也相繼出臺了一些法規(guī)條例對鉛含量進(jìn)行控制。故研究一種無鉛易切削鋅白銅迫在眉睫。近幾年，國內(nèi)外對無鉛易切削鋅白銅的研究也取得了一些進(jìn)展，例如中國專利申請?zhí)枮?00710118018.1的《一種含鉍無鉛易切削鋅白銅合金》，其具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能、耐蝕性能、易切削性能，其合金組成為60.0-63.0wt%Cu，17.0-19.0wt%Ni+Co，0.6-1.0wt%Bi，《0.5wt%Mn，《0.3wt%Fe，O.03-0.lwt%Ce，余量為Zn和不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)中鉛的含量小于《0.03wt%。，通過半連續(xù)水平鑄造方法制成棒坯，切定尺后經(jīng)870-90(TC擠壓和冷拉拔制成棒(線)材。但該合金添加了鉍元素，制作過程中由于鉍的成本較高，且世界資源臨近枯竭，競爭力不強(qiáng)。而且隨著眼鏡行業(yè)和制筆行業(yè)的相關(guān)法規(guī)條例的出臺，要求合金中鉛的含量《0.Olwt%，而上述合金的鉛含量控制在《0.03wt%，不滿足條例的要求。再如申請?zhí)枮镃N200510061720.X公開的《一種無鉛易切削鋅白銅合金》，這種材料的組分及其重量百分比含量為13.519.5%Ni、18.022.0%Zn、0.120.65%Sb、0.030.12%P、0.030.10XCe、余量Cu。它具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，耐腐蝕性優(yōu)異、冷熱加工成型性好，易切削，可制成線材、棒材和板材，用于制造儀器儀表、醫(yī)療器械、日用品和通訊等領(lǐng)域的精密零件。但該合金含有銻，由于鋅白銅在結(jié)晶時固一液溫度區(qū)間較大，加之原子間相互擴(kuò)散能力較差，同時銻的加入易產(chǎn)生晶界偏聚，降低銅合金的晶界能，使晶界原子結(jié)合弱化，易產(chǎn)生強(qiáng)烈的晶界脆化傾向。故在鋅白銅中添加銻元素，在防止晶界偏聚產(chǎn)生的脆化現(xiàn)象投入的工藝成本較高，而且銻的原材料價格相對硅等元素較高，所以合金的整體成本比較高，競爭力不強(qiáng)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種新型易切削鋅白銅及其制備方法，用硅、磷、鈰等元素代替鉛、鉍、銻等元素，組成新合金，使其切削性能、機(jī)械性能與鉛鋅白銅相當(dāng)，是鉛鋅白銅的理想替代品，滿足環(huán)保要求。本發(fā)明的目的是通過提供具有如下各列合金成分組成的環(huán)保無鉛易切削鋅白銅而實(shí)現(xiàn)的。3本發(fā)明環(huán)保無鉛易切削鋅白銅的重量百分組成為鋅27.0%44.0%，鎳6.0%25.0%，硅0.05%2.5%，鈰0.03%0.1%，磷0.03%1.5%，余量為銅和不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)中鉛的含量小于0.01%。該鋅白銅合金的優(yōu)選重量百分組成之一為鋅32.0%44.0%，鎳6.0%18.0%，硅0.05%2.5%，鈰0.03%0.1%，磷0.03%1.5%，余量為銅和不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)中鉛的含量小于0.01%。該鋅白銅合金的優(yōu)選重量百分組成之二為鋅37.0%42.0%，鎳9.0%13.0%，硅0.1%0.65%，鈰0.03%0.1%，磷0.03%0.8%，余量為銅和不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)中鉛的含量小于0.01%。本發(fā)明環(huán)保無鉛易切削鋅白銅的制備方法為先在1280°C135(TC溫度條件下進(jìn)行合金熔煉，然后通過水平連續(xù)鑄造成鋅白銅棒坯，鑄造溫度為115(TC123(TC，之后進(jìn)行冷加工和熱處理成成品，冷加工率在050%之間，熱處理為在580°C70(TC溫度下處理2.5h4.5h。另外，還可以根據(jù)需要在冷加工之前還進(jìn)行熱擠壓處理，擠壓溫度為750°C850°C。上述環(huán)保無鉛易切削鋅白銅合金為混合的金相組織，其相組成為以a、13兩相為主，和少量細(xì)小點(diǎn)狀均勻分布的含硅和含磷的金屬間化合物的脆化相(見附圖3)。本發(fā)明的環(huán)保無鉛易切削鋅白銅合金是在鋅白銅的基礎(chǔ)上，調(diào)整合金中鎳和鋅的含量，形成系列的鋅白銅合金，同時保證合金為a+P兩相的金相組織。當(dāng)鋅含量低于27.Owt^，材料的切削性能較低，當(dāng)鋅含量高于44.Owt^，雖然材料的切削性能較優(yōu)越，但影響材料的冷加工，材料較脆，易發(fā)生開裂，故選擇鋅的含量范圍為27.Owt%44.Owt%;當(dāng)鎳含量低于6.Owt^，材料的表面色澤呈淡黃色，色澤不柔和，當(dāng)鎳含量高于25.Owt%，材料強(qiáng)度過高，材料冷加工難度大，故選擇鎳的含量范圍為6.Owt%25.Owt%。本發(fā)明合金添加硅元素，在合金晶內(nèi)和晶界處形成Ni和Si的新的化合物，并細(xì)小點(diǎn)狀均勻地分布在基體內(nèi)，且新的脆化相和基體之間有"空穴"存在(見附圖4)，從而提供了斷削點(diǎn)，改善合金的切削性能，并且隨著合金中硅含量的增加，切削效果越發(fā)明顯，而當(dāng)合金中硅的含量小于0.05wt^，改善切削性能不夠明顯；而當(dāng)硅含量高于2.5wt^，合金將變得較脆，影響冷加工性能，故選擇硅含量在硅0.05wt%2.5wt^之間。磷作為輔助元素加入，在合金中晶界處形成含磷的金屬間化合物，且隨著合金晶粒的細(xì)化和晶界相對長度的增加，彌散分布在合金中，形成空穴效應(yīng)(見附圖4)，從而改善合金切削性能，同時添加適量的磷對鋅白銅的吸氣有較好的抑制作用，而當(dāng)磷含量低于0.03wt^，其斷削效果不明顯，而當(dāng)磷含量高于1.5wt^，合金晶界會聚集大量的磷，產(chǎn)生晶界脆化的傾向，影響冷熱加工，故選擇磷的含量范圍為0.03wt%1.5wt%。微量稀土鈰的加入，可以細(xì)化晶粒，提高材料的塑性、韌性和強(qiáng)度，改善合金的冷熱加工性能，還能提高合金的切削性能，故選擇鈰的范圍為0.03%0.1%。本發(fā)明的環(huán)保無鉛易切削鋅白銅合金，可以制備成線材、棒材、型材、管材、帶材、板材及鑄造銅等銅合金制品，廣泛應(yīng)用于眼鏡配件、制筆、鐘表等行業(yè)。本發(fā)明的環(huán)保無鉛易切削鋅白銅具有如下優(yōu)點(diǎn)1、切削性能優(yōu)良。由于添加了硅、磷、鈰等元素，在合金中形成細(xì)小點(diǎn)狀均勻分布的含硅和含磷的金屬間化合物的脆化相，形成斷削點(diǎn)，從而改善切削性能，故本發(fā)4明合金具有較好的切削性能。與切削性能最佳的鉛黃銅C36000合金的相對可切削率(作為100%)相比，本發(fā)明合金的可切削率大于70%，明顯高于普通鋅白銅的20%，與Cu43Nil2Zn38Mn5Pb2合金(75%)和申請?zhí)枮?00710118018.1的合金(72%)基本相當(dāng)。2、合金的冷熱加工性能和焊接性能優(yōu)良。由于添加了硅元素，硅能改善合金的熱加工性能，添加了稀土鈰起到細(xì)化晶粒作用，提高了材料性能和組織的均勻性，易于冷熱加工成型。同時由于硅能充分改善合金在高溫下的流動性和易成型性，對合金的焊接性能有很大的提高。3、綜合機(jī)械性能優(yōu)越。本發(fā)明合金的機(jī)械性能與現(xiàn)有的Cu43Nil2Zn38Mn5Pb2合金相當(dāng)，具體性能對比見表l。4、雜質(zhì)中鉛含量控制較低。發(fā)明合金中鉛的重量百分比小于0.0100%，完全滿足眼鏡和制筆等行業(yè)對鉛含量的要求，符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。5、本發(fā)明制備方法具有工藝簡單、工藝穩(wěn)定的特點(diǎn)，且適合于制備成線材、棒材、型材、管材、帶材、板材及鑄造銅等銅合金制品。圖1為Cu43Nil2Zn38Mn5Pb2鉛鋅白銅合金的車削形貌圖，車削進(jìn)刀量為1毫米。圖2為本發(fā)明合金的車削形貌圖，車削進(jìn)刀量為1毫米。圖3為本發(fā)明合金的500倍金相圖片。圖4為本發(fā)明合金的2000倍掃描電鏡圖片。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例1實(shí)施例16(具體合金成分及性能如表1)采用常規(guī)的銅、鋅、鎳、硅、磷等元素為原料，在工業(yè)化規(guī)模條件下，通過感應(yīng)電爐熔化，熔煉溫度為128(TC135(TC，然后進(jìn)行水平連續(xù)鑄造成無鉛的鋅白銅棒坯，鑄造溫度為1150°C123(TC，如需進(jìn)行熱擠壓，則擠壓溫度750°C85(TC，之后進(jìn)行冷加工，冷加工率在050%之間，最后熱處理，熱處理溫度為580°C70(TC，熱處理時間為2.5h4.5h，從而制備成所需的不同規(guī)格、不同狀態(tài)的產(chǎn)品。本發(fā)明無鉛易切削鋅白銅的工藝路線如下原材料準(zhǔn)備——水平連續(xù)鑄造——(熱擠壓)——拉伸(冷加工)——熱處理——酸洗——拉伸(冷加工)——熱處理——檢驗(yàn)成品包裝。各實(shí)施例(實(shí)施例1實(shí)施例16)中本發(fā)明環(huán)保無鉛易切削鋅白銅按表1中的合金成份熔鑄、拉伸及熱處理，最終得到。4.Omm的線坯；對比合金是德國牌號為Cu43Nil2Zn38Mn5Pb2的鉛鋅白銅、申請?zhí)枮?00710118018.1的合金和美標(biāo)C36000合金。本發(fā)明環(huán)保無鉛易切削鋅白銅的各實(shí)施例及對比合金的具體成份含量見表1所示。力學(xué)性能測試樣品制備通常取自上述拉伸過程中各實(shí)施例本發(fā)明合金和對比合金的。4.Omm半硬態(tài)(30%加工率)的線坯，按照GB/T228標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行樣品的制備及力學(xué)性能檢測，在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其抗拉強(qiáng)度的檢測結(jié)果見表1。切削試驗(yàn)樣品制備通常在感應(yīng)電爐進(jìn)行非真空熔煉，覆蓋劑覆蓋。按表1成分分別熔煉，將各實(shí)施例合金和對比合金，澆鑄在金屬模具中。澆成上端面直徑①70mmX下端面直徑①60mmX高度250mm的鑄錠。然后機(jī)加工成①50X100mm擠壓坯，在3150KN立式擠壓機(jī)上進(jìn)行熱擠壓，擠壓溫度75(TC85(TC。然后用拉絲機(jī)進(jìn)行冷拉加工得到①9.8mm棒坯。?、?.8mmX300mm的坯料，然后采用車床在相同的試驗(yàn)條件下測得各合金的切削力，并由此計(jì)算出各合金相對于C36000合金的切削性指數(shù)([切削性指數(shù)]=[C36000的切削阻力]/各合金的切削阻力X100%)。實(shí)驗(yàn)條件為切削工具WC基超硬質(zhì)合金，切削速度122m/min，切削深度0.5mm，進(jìn)給量0.087mm/圈，切削狀態(tài)干切削。具體試驗(yàn)結(jié)果見表1。對比圖1和圖2所示斷屑的車削形貌圖，可以發(fā)現(xiàn)，德標(biāo)Cu43Nil2Zn38Mn5Pb2的斷屑基本呈塊狀，本發(fā)明合金既有塊狀，也有小巻狀，說明本發(fā)明合金的切削性優(yōu)良，只稍差于德標(biāo)Cu43Nil2Zn38Mn5Pb2。圖3是本發(fā)明合金實(shí)施例12合金的500倍金相照片，從圖中可以看出，其組織是以a相(亮色區(qū)域)、13相(暗色區(qū)域)兩相為主，和少量細(xì)小點(diǎn)狀均勻分布的含硅和含磷的金屬間化合物(黑色點(diǎn)狀)的脆化相。圖4是本發(fā)明合金實(shí)施例13合金的2000倍掃描電鏡圖片，從圖中可以看出在合金晶內(nèi)和晶界處形成新的化合物(白色點(diǎn)狀區(qū)域)，并與基體有空隙存在，均勻地分布在合金中，形成"空穴效應(yīng)"。通過上述實(shí)施例性能測試證明與對比合金相比，本發(fā)明的銅合金兼?zhèn)漭^高機(jī)械性能和較優(yōu)異的切削性能，同時冷熱壓力加工性能優(yōu)良。因此，本發(fā)明環(huán)保無鉛易切削鋅白銅是環(huán)境友好型新材料，符合現(xiàn)代人類進(jìn)步需求，能取代鉛鋅白銅制備各種易切削元器件，可以加工成線、棒、板、帶、型、管及鑄造等銅合金制品，廣泛用于筆頭、眼鏡配件及儀表零配件等制造行業(yè)，是鉛鋅白銅的理想替代品。6<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權(quán)利要求一種環(huán)保無鉛易切削鋅白銅，其特征在于所述合金的重量百分組成為鋅27.0％～44.0％，鎳6.0％～25.0％，硅0.05％～2.5％，鈰0.03％～0.1％，磷0.03％～1.5％，余量為銅和不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)中鉛的含量小于0.01％。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無鉛易切削硅磷鋅白銅，其特征在于鋅32.0%44.0%，鎳6.0%18.0%。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無鉛易切削硅磷鋅白銅，其特征在于鋅37.0%42.0%，鎳9.0%13.0%，硅O.1%0.65%，磷0.03%0.8%。4.一種制備如權(quán)利要求1所述的環(huán)保無鉛易切削鋅白銅的方法，其特征在于先在1280°C135(TC溫度條件下進(jìn)行合金熔煉，然后通過水平連續(xù)鑄造成鋅白銅棒坯，鑄造溫度為1150°C1230°C，之后進(jìn)行冷加工和熱處理成成品，冷加工率在050%之間，熱處理為在580°C700。C溫度下處理2.5h4.5h。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于在冷加工之前還進(jìn)行了熱擠壓處理，擠壓溫度為750°C850°C。全文摘要本發(fā)明公開了一種環(huán)保無鉛易切削鋅白銅及其制備方法。該鋅白銅的重量百分組成為鋅27.0％～44.0％，鎳6.0％～25.0％，硅0.05％～2.5％，鈰0.03％～0.1％，磷0.03％～1.5％，余量為銅和不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)中鉛的含量小于0.01％。制備方法包括熔煉、水平連鑄、冷加工及熱處理等步驟。本發(fā)明的銅合金兼?zhèn)漭^高強(qiáng)度σb＝700MPa～750MPa和較優(yōu)異的切削性能，切削性達(dá)到鉛黃銅C36000的70％以上，可以用熱擠壓成型和水平連鑄成型，冷熱壓力加工性能優(yōu)良，是環(huán)境友好型新材料，完全能取代鉛鋅白銅制備各種易切削元器件，可以加工成線、棒、板、帶、型、管及鑄造等銅合金制品，廣泛用于筆頭、眼鏡配件及儀表零配件等制造行業(yè)，是鉛鋅白銅的理想替代品。文檔編號C22C9/04GK101787463SQ201010146570公開日2010年7月28日申請日期2010年4月9日優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日發(fā)明者馮春發(fā),孟祥鵬,沈明,潘奇漢,莫肇月申請人:寧波博威合金材料股份有限公司