CN103114221B - 一种无铅易切削硅黄铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种无铅易切削硅黄铜合金及其制备方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

根据本发明的一个方面，提供了无铅易切削硅黄铜合金，其组分和含量

包括：

在一些实施方式中，合金中不可避免的杂质含量≤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1～1.5wt%，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1wt%，余量为铜。

本发明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℃，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℃，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℃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、γ相时，由于γ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。本发明中，锌的含量为28～34wt%，锌含量小于28wt%时，γ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、γ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。本发明中，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。本发明中硫化锌的含量为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%。

本发明与现有技术相比，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，所以本发明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为本发明实施例1的无铅易切削硅黄铜的切削性能切屑形貌；

图2为本发明实施例2的无铅易切削硅黄铜的切削性能切屑形貌；

图3为本发明实施例3的无铅易切削硅黄铜的切削性能切屑形貌；

图4为本发明实施例4的无铅易切削硅黄铜的切削性能切屑形貌；

图5为本发明实施例1的无铅易切削硅黄铜的SEM组织形貌图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。

一、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℃，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℃，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满足△G≤0。

根据热力学第二定律，在等温等压条件下，有：

$\mathrm{\Δ}{G}_T^{\mathrm{\θ}}=\mathrm{\Δ}{H}_T^{\mathrm{\θ}}-\mathrm{T\Δ}{S}_T^{\mathrm{\θ}}$

式中，上标为标准大气压，为反应的标准吉布斯自由能变化，为反应的标准焓变化，为反应的标准熵变化，T为绝对温度。式中 为温度的函数，分别为：

$\mathrm{\Δ}{H}_T^{\mathrm{\θ}}=\mathrm{\Δ}{H}_{298}^{\mathrm{\θ}}+{\∫}_{298}^T\mathrm{\Δ}{C}_p{d}_T$

$\mathrm{\Δ}{S}_T^{\mathrm{\θ}}=\mathrm{\Δ}{S}_{298}^{\mathrm{\θ}}+{\∫}_{298}^T\frac{\mathrm{\Δ}{C}_p{d}_T}{T}$

两式中△C_p为生成物与反应物的热容差，物质的热容为一个温度的函数，即下式：

C_p=A₁+A₂×10^-3T+A₃×10⁵T^-2+A₄×10^-6T²+A₅×10⁸T^-3

式中A₁，A₂，A₃，A₄，A₅为由实验数据回归得到的常数，

由此可得：

△C_p=△A₁+△A₂×10^-3T+△A₃×10⁵T^-2+△A₄×10^-6T²+△A₅×10⁸T^-3

各反应物及生成物的A₁、A₂、A₃、A₄、A₅值均可通过查找热力学数据手册获得，通过计算就可得到指定温度下的反应前后吉布斯自由能变化值从而可以用吉布斯判据来判断该温度下反应的可行性。本发明所描述的硫化物原位合成工艺依据这一热力学判据而设计，该反应过程：CuS+Zn→ZnS+Cu，涉及的各热力学数据列于表a中。根据表中数据可计算出与T的关系函数。本发明熔炼温度下，该反应的吉布斯自由能小于0，表明设计的这个反应可以自发进行。

表a为所用各物质的热力学数据

步骤4、将铜合金液浇铸于铁模得到硅黄铜合金铸锭；

步骤5、将硅黄铜合金铸锭加热到700～750℃，并将模具预热到150～200℃，以挤压比为9:1进行热挤压成品。

实施例1

按表1设计合金成分并制备预制块后，先将电解铜加入到熔炼炉中随炉熔化，炉温控制在1040℃，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℃，加入纯锌，充分搅拌使其成分均匀，保温5分钟，将铜合金液浇铸于铁模得到硅黄铜合金铸锭；将硅黄铜合金铸锭加热到700℃，并将模具预热到150℃，以挤压比为9:1进行热挤压成品。

表1为本发明黄铜合金成分（wt%）

合金元素	铜	锌	硅	硫化锌	预制块成分质量配比
						含量	余量	28	2.2	1.8	铜：硫化铜：锌=4:3:3

实施例2

按表2设计合金成分并制备预制块后，先将电解铜加入到熔炼炉中随炉熔化，炉温控制在1050℃，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℃，加入纯锌，充分搅拌使其成分均匀，保温8分钟，将铜合金液浇铸于铁模得到硅黄铜合金铸锭；将硅黄铜合金铸锭加热到750℃，并将模具预热到150℃，以挤压比为9:1进行热挤压成品。

表2为本发明黄铜合金成分（wt%）

合金元素	铜	锌	硅	硫化锌	预制块成分质量配比
						含量	余量	30	2.5	1.5	铜：硫化铜：锌=4:3:3

实施例3

按表3设计合金成分并制备预制块后，先将电解铜加入到熔炼炉中随炉熔化，炉温控制在1100℃，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500℃，加入纯锌，充分搅拌使其成分均匀，保温15分钟，将铜合金液浇铸于铁模得到硅黄铜合金铸锭；将硅黄铜合金铸锭加热到700℃，并将模具预热到150℃，以挤压比为9:1进行热挤压成品。

表3为本发明黄铜合金成分（wt%）

合金元素	铜	锌	硅	硫化锌	预制块成分质量配比
						含量	余量	31	3	1	铜：硫化铜：锌=4:3:3

实施例4

按表4设计合金成分并制备预制块后，先将电解铜加入到熔炼炉中随炉熔化，炉温控制在1100℃，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500℃，加入纯锌，充分搅拌使其成分均匀，保温15分钟，将铜合金液浇铸于铁模得到硅黄铜合金铸锭；将硅黄铜合金铸锭加热到720℃，并将模具预热到150℃，以挤压比为9:1进行热挤压成品。

表4为本发明黄铜合金成分（wt%）

合金元素	铜	锌	硅	硫化锌	预制块成分质量配比
						含量	余量	34	3.5	0.5	铜：硫化铜：锌=4:3:3

上述所有实施方式中，硅黄铜合金均存在不可避免的杂质，该不可避免的杂质含量≤0.8wt%。

比较例

以HPb59-1铅黄铜作为比较例，其成分为铜57.0～60.0wt%、铅0.8～1.9wt%、铝≤0.2、铁≤0.5、锑≤0.01、铋≤0.003、磷≤0.02，余量为锌。

二、各实施例和比较例的黄铜合金的性能测试

取本发明实施例的合金以及比较例的合金在相同条件下进行性能测试，主要涉及抗拉强度、延伸率、布氏硬度以及切削性指数的测试。

切削性能指数的测试是采用外圆车削试验，切削加工性能的评定指标主要采用断屑的难易：采用GSK928TC-2数控车床进行切削试验，刀具材料YG8，主转轴转速1000r/min，背吃刀量2mm，进给速度0.15mm/r。

以HPb59-1铅黄铜（成分为铜57.0～60.0wt%、铅0.8～1.9wt%、铝≤0.2、铁≤0.5、锑≤0.01、铋≤0.003、磷≤0.02，余量为锌）的切削性能为80%，以此标准来评价本发明各个实施例的其它黄铜的切削性能。

表5为各实施例与比较例的抗拉强度、延伸率和布氏硬度以及切削性指数

本发明各个实施例的无铅易切削硅黄铜合金的切屑形貌如图1～图4所示。从图中可以看出，切屑均为光亮崩碎C型短屑，说明合金的切削性能优良。

本发明实施例1无铅易切削硅黄铜合金的显微组织形貌如图5所示。从图中的SEM照片可以看出，无铅易切削硅黄铜合金中除了基体相之外，还在晶内及晶界处存在颗粒状和条状的微孔洞。对孔洞内侧残余的部分相进行了能谱分析判断，这些孔洞是ZnS颗粒脱落留下的痕迹。脱落的原因是化合物ZnS呈脆性，且与基体相结合力较弱，在金相样品预磨制备的过程中易脱落。根据这些孔洞所在的形态及分布，可以得知合金组织中在基体相晶界及晶内存在较多的的ZnS颗粒，试验中金属硫化物引入取得成功。

从表5可以看出，本发明的无铅易切削硅黄铜合金综合性能良好，且其切削性指数与对比例中的铅黄铜的切削性指数接近，具有良好的切削性能。

综上所述，本发明的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切削性能，所得黄铜合金力学性能与切削性能良好，同时产品成本较低，有利于黄铜合金的实际应用。

Claims (1)

1.一种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合金中引进硫化锌，具体包括以下步骤：

步骤1、设计合金成分配比：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的重量比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℃，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℃，加入纯锌并搅拌，然后保温5～15分钟；

步骤4、将铜合金液浇铸于铸模中得到硅黄铜合金铸锭；

将所述的硅黄铜合金铸锭加热到700～750℃进行热挤压成品。