專利名稱：：一種環保無鉛易切削鋅白銅及其制備方法
技術領域：
：本發明涉及一種環保無鉛易切削鋅白銅，尤其涉及一種具有優異的機械性能、切削性能和冷熱加工性能優良的易切削鋅白銅合金及其制備方法。
背景技術：
：鉛鋅白銅(如德標的Cu43Nil2Zn38Mn5Pb2合金)因其優良的力學性能、切削性能、化學性能，被廣泛用于筆頭、眼鏡配件及儀表零配件等制造行業，鉛鋅白銅在國內外市場用量都比較大。眾所周知，含鉛的零部件在生產或使用過程中會造成嚴重的環境污染，危害人體健康，美國、歐盟等相繼出臺相關的法律法規對零部件中鉛含量進行控制?，F在國內外對無鉛易切削黃銅的研究較多，并也取得了顯著的進步。但對無鉛易切削鋅白銅的研究較少。國內外很多制筆廠、眼鏡廠已經提出無鉛的需求，也相繼出臺了一些法規條例對鉛含量進行控制。故研究一種無鉛易切削鋅白銅迫在眉睫。近幾年，國內外對無鉛易切削鋅白銅的研究也取得了一些進展，例如中國專利申請號為200710118018.1的《一種含鉍無鉛易切削鋅白銅合金》，其具有優良的綜合機械性能、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，雜質中鉛的含量小于《0.03wt%。，通過半連續水平鑄造方法制成棒坯，切定尺后經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。而且隨著眼鏡行業和制筆行業的相關法規條例的出臺，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。再如申請號為CN200510061720.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。它具有優良的綜合機械性能，耐腐蝕性優異、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、醫療器械、日用品和通訊等領域的精密零件。但該合金含有銻，由于鋅白銅在結晶時固一液溫度區間較大，加之原子間相互擴散能力較差，同時銻的加入易產生晶界偏聚，降低銅合金的晶界能，使晶界原子結合弱化，易產生強烈的晶界脆化傾向。故在鋅白銅中添加銻元素，在防止晶界偏聚產生的脆化現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。
發明內容本發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、機械性能與鉛鋅白銅相當，是鉛鋅白銅的理想替代品，滿足環保要求。本發明的目的是通過提供具有如下各列合金成分組成的環保無鉛易切削鋅白銅而實現的。3本發明環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，雜質中鉛的含量小于0.01%。該鋅白銅合金的優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，雜質中鉛的含量小于0.01%。該鋅白銅合金的優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，雜質中鉛的含量小于0.01%。本發明環保無鉛易切削鋅白銅的制備方法為先在1280°C135(TC溫度條件下進行合金熔煉，然后通過水平連續鑄造成鋅白銅棒坯，鑄造溫度為115(TC123(TC，之后進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，還可以根據需要在冷加工之前還進行熱擠壓處理，擠壓溫度為750°C850°C。上述環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，和少量細小點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)。本發明的環保無鉛易切削鋅白銅合金是在鋅白銅的基礎上，調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。當鋅含量低于27.Owt^，材料的切削性能較低，當鋅含量高于44.Owt^，雖然材料的切削性能較優越，但影響材料的冷加工，材料較脆，易發生開裂，故選擇鋅的含量范圍為27.Owt%44.Owt%;當鎳含量低于6.Owt^，材料的表面色澤呈淡黃色，色澤不柔和，當鎳含量高于25.Owt%，材料強度過高，材料冷加工難度大，故選擇鎳的含量范圍為6.Owt%25.Owt%。本發明合金添加硅元素，在合金晶內和晶界處形成Ni和Si的新的化合物，并細小點狀均勻地分布在基體內，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，改善合金的切削性能，并且隨著合金中硅含量的增加，切削效果越發明顯，而當合金中硅的含量小于0.05wt^，改善切削性能不夠明顯；而當硅含量高于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(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，而當磷含量低于0.03wt^，其斷削效果不明顯，而當磷含量高于1.5wt^，合金晶界會聚集大量的磷，產生晶界脆化的傾向，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，可以細化晶粒，提高材料的塑性、韌性和強度，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%。本發明的環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，廣泛應用于眼鏡配件、制筆、鐘表等行業。本發明的環保無鉛易切削鋅白銅具有如下優點1、切削性能優良。由于添加了硅、磷、鈰等元素，在合金中形成細小點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，從而改善切削性能，故本發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%)和申請號為200710118018.1的合金(72%)基本相當。2、合金的冷熱加工性能和焊接性能優良。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、綜合機械性能優越。本發明合金的機械性能與現有的Cu43Nil2Zn38Mn5Pb2合金相當，具體性能對比見表l。4、雜質中鉛含量控制較低。發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對鉛含量的要求，符合環保標準。5、本發明制備方法具有工藝簡單、工藝穩定的特點，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，車削進刀量為1毫米。圖2為本發明合金的車削形貌圖，車削進刀量為1毫米。圖3為本發明合金的500倍金相圖片。圖4為本發明合金的2000倍掃描電鏡圖片。具體實施例方式以下結合具體實施例對本發明作進一步詳細描述本發明的實施例1實施例16(具體合金成分及性能如表1)采用常規的銅、鋅、鎳、硅、磷等元素為原料，在工業化規模條件下，通過感應電爐熔化，熔煉溫度為128(TC135(TC，然后進行水平連續鑄造成無鉛的鋅白銅棒坯，鑄造溫度為1150°C123(TC，如需進行熱擠壓，則擠壓溫度750°C85(TC，之后進行冷加工，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格、不同狀態的產品。本發明無鉛易切削鋅白銅的工藝路線如下原材料準備——水平連續鑄造——(熱擠壓)——拉伸(冷加工)——熱處理——酸洗——拉伸(冷加工)——熱處理——檢驗成品包裝。各實施例(實施例1實施例16)中本發明環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、申請號為200710118018.1的合金和美標C36000合金。本發明環保無鉛易切削鋅白銅的各實施例及對比合金的具體成份含量見表1所示。力學性能測試樣品制備通常取自上述拉伸過程中各實施例本發明合金和對比合金的。4.Omm半硬態(30%加工率)的線坯，按照GB/T228標準進行樣品的制備及力學性能檢測，在萬能試驗機上進行，其抗拉強度的檢測結果見表1。切削試驗樣品制備通常在感應電爐進行非真空熔煉，覆蓋劑覆蓋。按表1成分分別熔煉，將各實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。然后機加工成①50X100mm擠壓坯，在3150KN立式擠壓機上進行熱擠壓，擠壓溫度75(TC85(TC。然后用拉絲機進行冷拉加工得到①9.8mm棒坯。?、?.8mmX300mm的坯料，然后采用車床在相同的試驗條件下測得各合金的切削力，并由此計算出各合金相對于C36000合金的切削性指數([切削性指數]=[C36000的切削阻力]/各合金的切削阻力X100%)。實驗條件為切削工具WC基超硬質合金，切削速度122m/min，切削深度0.5mm，進給量0.087mm/圈，切削狀態干切削。具體試驗結果見表1。對比圖1和圖2所示斷屑的車削形貌圖，可以發現，德標Cu43Nil2Zn38Mn5Pb2的斷屑基本呈塊狀，本發明合金既有塊狀，也有小巻狀，說明本發明合金的切削性優良，只稍差于德標Cu43Nil2Zn38Mn5Pb2。圖3是本發明合金實施例12合金的500倍金相照片，從圖中可以看出，其組織是以a相(亮色區域)、13相(暗色區域)兩相為主，和少量細小點狀均勻分布的含硅和含磷的金屬間化合物(黑色點狀)的脆化相。圖4是本發明合金實施例13合金的2000倍掃描電鏡圖片，從圖中可以看出在合金晶內和晶界處形成新的化合物(白色點狀區域)，并與基體有空隙存在，均勻地分布在合金中，形成"空穴效應"。通過上述實施例性能測試證明與對比合金相比，本發明的銅合金兼備較高機械性能和較優異的切削性能，同時冷熱壓力加工性能優良。因此，本發明環保無鉛易切削鋅白銅是環境友好型新材料，符合現代人類進步需求，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，是鉛鋅白銅的理想替代品。6<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權利要求一種環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，雜質中鉛的含量小于0.01％。2.根據權利要求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.根據權利要求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%。4.一種制備如權利要求1所述的環保無鉛易切削鋅白銅的方法，其特征在于先在1280°C135(TC溫度條件下進行合金熔煉，然后通過水平連續鑄造成鋅白銅棒坯，鑄造溫度為1150°C1230°C，之后進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.根據權利要求4所述的方法，其特征在于在冷加工之前還進行了熱擠壓處理，擠壓溫度為750°C850°C。全文摘要本發明公開了一種環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，雜質中鉛的含量小于0.01％。制備方法包括熔煉、水平連鑄、冷加工及熱處理等步驟。本發明的銅合金兼備較高強度σb＝700MPa～750MPa和較優異的切削性能，切削性達到鉛黃銅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良，是環境友好型新材料，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，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日優先權日2010年4月9日發明者馮春發,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