本發明屬于黃銅合金技術領域，具體涉及一種鑄造用低鉛易切削硅黃銅合金及其制備方法。
背景技術：
鉛黃銅以其良好的切削性能、鑄造成型性能、力學性能以及高的性價比，而被廣泛應用于水暖衛浴行業龍頭本體、連接配件、閥門等產品的生產。但飲用水系統中黃銅中的Pb在水中會浸出，進入人體會嚴重危害人類健康。因此，世界各國均重視“鉛”造成的危害和污染，相關的法令法規都嚴格限制和禁止鉛黃銅的使用。研究開發無鉛黃銅的關鍵技術是采用其他元素來代替鉛，解決黃銅切削加工性能和使用性能的矛盾。如通過添加鉍、硅、銻、鎂、碲等代替鉛，來提高無鉛黃銅的易切削性能，目前這些新材料均已在一定程度上獲得應用。
其中硅黃銅具有較好的經濟性、防止鑄件冷熱脆性和銅錠容易生產制備等優點而受到行業重視，但目前現有的硅黃銅在鑄造成型性能、切削加工性能上仍與普通鉛黃銅有不小差距，導致了鑄件不良率高、生產成本增加和機加工效率下降。
技術實現要素：
本發明的目的在于克服現有技術缺陷，提供一種鑄造用低鉛易切削硅黃銅合金。
本發明的另一目的在于提供上述鑄造用低鉛易切削硅黃銅合金的制備方法
本發明的具體技術方案如下：
一種鑄造用低鉛易切削硅黃銅合金，該合金由以下重量百分比的各組分組成：63～65wt％的Cu、0.7～1.0wt％的Si、0.8～1.0wt％的Al、0.1～0.2wt％的Pb、大于0且小于0.05wt％變質元素和大于0且小于0.3wt％的其他元素，余量為Zn及不可避免的雜質，其中變質元素為B、Ti、Zr和稀土元素中的至少一種，其他元素為Sn、Fe和Ni中的至少一種，Cu、Si、Al、Zn和Pb的總量大于99.6wt％。
在本發明的一個優選實施方案中，由以下重量百分比的各組分組成：63.2～65wt％的Cu、0.7～0.9wt％的Si、0.85～1.0wt％的Al、0.1～0.18wt％的Pb、大于0且小于0.03wt％變質元素和大于0且小于0.2wt％的其他元素，余量為Zn及不可避免的雜質，Cu、Si、Al、 Zn和Pb的總量大于99.7wt％。
進一步優選的，由以下重量百分比的各組分組成：63.5～64.5wt％的Cu、0.75～0.9wt％的Si、0.85～0.95wt％的Al、0.1～0.15wt％的Pb、大于0且小于0.03wt％變質元素和大于0且小于0.15wt％的其他元素，余量為Zn及不可避免的雜質。
進一步優選的，由以下重量百分比的各組分組成：63.7～64.5wt％的Cu、0.8～0.9wt％的Si、0.9～0.95wt％的Al、0.1～0.15wt％的Pb、大于0且小于0.015wt％變質元素和大于0且小于0.1wt％的其他元素，余量為Zn及不可避免的雜質。
在本發明的一個優選實施方案中，所述其他元素中包括Sn，Sn的含量大于0且小于等于0.1wt％。
一種上述鑄造用低鉛易切削硅黃銅合金的制備方法，包括如下步驟：
(1)按鑄造用低鉛易切削硅黃銅合金的組成稱取Cu、Si、0#Zn、Al、Pb、變質元素和其他元素，變質元素為B、Ti、Zr和稀土元素中的至少一種，其他元素為Sn、Fe和Ni中的至少一種；
(2)將Si和Cu置于感應電爐底層，添加清渣劑精煉并使用木炭覆蓋，升溫至1050～1150℃，直至物料全部熔化，濾去表層浮渣；
(3)調節溫度至1030～1080℃，向步驟(2)所得的物料中添加0#Zn并迅速壓入爐底，待溶化后充分攪拌；
(4)向步驟(3)所得的物料中加入Al、Sn、Pb、Ni和Fe，充分攪拌以保證合金液成分均勻；
(5)向步驟(4)所得的物料中添加變質元素，升溫至1050～1150℃，噴火、攪拌并保溫2～3分鐘；
(6)將步驟(5)所得的物料1000～1050℃靜置保溫10～20分鐘，使合金均勻以及雜質浮起，濾去浮渣及雜質；
(7)將步驟(6)所得的物料升溫至1050～1100℃出爐澆注，冷卻即成。
本發明的技術方案中：
Si(硅)主要作用是改善合金的鑄造性能和焊接性能，提高合金的耐腐蝕性能，Si(硅)含量控制在0.7-1.0wt％，在此范圍內鑄造成型時不易產生縮孔、且合金切削性能優良。含量過低鑄造收縮性變差、切削性能不足；超出此范圍，由于硅的鋅當量系數為10，會導致硬度明顯增加，切削性能下降。
Al(鋁)主要作用是改善合金的鑄造收縮性能、流動性能，有助于鑄造成型，同時 Al(鋁)可在鑄件表面形成Al2O3薄膜，提高鑄件的耐腐蝕性能。Al(鋁)的含量控制在0.8～1.0wt％為宜，低了則合金的鑄造收縮性能變差；高了則高溫脆性大，鑄件易出現脆性開裂，切削性能變差，疏松傾向增加。
Ni(鎳)與Cu(銅)可以形成連續固溶體，使得合金強度升高，塑性和韌性有所降低，而合金塑性降低有利于機加斷屑，提高切削效率。Sn(錫)的作用是抑制黃銅脫鋅，提高黃銅的耐蝕性；添加鐵可細化晶粒組織，提升鑄造成型性能。Ni(鎳)+Sn(錫)+Fe(鐵)的取值范圍控制在不超過0.3wt％，鎳和錫含量過高會導致原材料成本增加，鐵含量過高會導致切削性能和拋光性能下降。
變質劑B(硼)、Ti(鈦)、Zr(鋯)、RE(稀土)主要是細化晶粒并對合金進行變質處理。γ相為合金溫度下降至835℃時由于發生包晶轉變L+β→γ而產生的，鑄態時的γ相主要呈網狀存在于β相的晶界上，在β相晶體內則呈現粗大的星花狀分布，這種分布形式對黃銅的綜合性能產生不利影響。通過變質處理加入人工晶核的辦法，使得在β相結晶的同時γ相也同時結晶，從而使得γ相均勻彌散分布于β相中，提高合金的沖擊韌性和切削性能。同時，變質細化晶粒也可提高合金的鑄造性能。
本發明的有益效果是：
1、本發明的鑄造用低鉛易切削硅黃銅合金通過多元合金化，尤其是通過調整硅、鋁和銅的含量，使得合金的組成為α相+β相+少量γ相，其中γ相用來替代傳統的Pb(鉛)顆粒起到切削斷屑的作用；
2、本發明的鑄造用低鉛易切削硅黃銅合金通過添加適量的變質劑，細化晶粒并改善γ相的分布形態，提高切削效率；
3、本發明的鑄造用低鉛易切削硅黃銅合金的性能優良，特別是鑄造收縮率低，縮孔縮松傾向小，其切削加工效率可達到鉛黃銅C36000的60％以上，原材料成本不高，適用于重力鑄造或低壓鑄造生產水龍頭、閥門等飲用水系統零部件。
具體實施方式
以下通過具體實施方式對本發明的技術方案進行進一步的說明和描述。
一種鑄造用低鉛易切削硅黃銅合金的制備方法包括如下步驟：
(1)按鑄造用低鉛易切削硅黃銅合金的組成稱取Cu、Si、0#Zn、Al、Pb、變質元素和其他元素，變質元素為B、Ti、Zr和稀土元素中的至少一種，其他元素為Sn、Fe和Ni中的至少一種；
(2)將Si和Cu置于感應電爐底層，添加清渣劑精煉并使用木炭覆蓋，升溫至1050～1150℃，直至物料全部熔化，濾去表層浮渣；
(3)調節溫度至1030～1080℃，向步驟(2)所得的物料中添加0#Zn并迅速壓入爐底，待溶化后充分攪拌；
(4)向步驟(3)所得的物料中加入Al、Sn、Pb、Ni和Fe，充分攪拌以保證合金液成分均勻；
(5)向步驟(4)所得的物料中添加變質元素，升溫至1050～1150℃，噴火、攪拌并保溫2～3分鐘；
(6)將步驟(5)所得的物料1000～1050℃靜置保溫10～20分鐘，使合金均勻以及雜質浮起，濾去浮渣及雜質；
(7)將步驟(6)所得的物料升溫至1050～1100℃出爐澆注，冷卻即成。
用上述方法制得下表1所示的各實施例的不同組分的鑄造用低鉛易切削硅黃銅合金和各對比例：
表1
上表中的實施例1至8的鑄造用低鉛易切削硅黃銅合金及對比例樣品的性能測試結果如表2所示，其中：
鑄造性能以通用的體收縮試樣、螺旋試樣、和小澆杯試樣來評價。體收縮試樣收縮深度越淺，鑄造縮孔傾向越??；體收縮試樣和小澆杯試樣內表面越光滑，底部無疏松，合金鑄造疏松傾向越小；螺旋試樣越長，則鑄造流動性能越好；
切削性能以在相同的機械加工條件(轉速：570r/min，進給：0.2mm/r，背吃刀量：單邊2mm)，采用切削力測試儀測得各實施例和對比例合金的切削阻力以及美標C36000鉛黃銅的切削阻力，這樣可得到相對于C36000的切削效率(C36000公認的切削效率為100％)。相對切削效率的計算方法如下：
相對切削效率＝C36000切削阻力/各發明合金和對比合金的切削阻力×100％
若相對切削效率≥75％表示為“優”；相對切削效率在60-74％表示為“良”；相對切削效率在50-59％表示為“較差”；相對切削效率＜50％表示為“差”；
脫鋅腐蝕試驗根據GB/T 10119-2008《黃銅耐脫鋅腐蝕性能的測定》執行，本發明耐脫鋅腐蝕性能用平均脫鋅層深度衡量，平均脫鋅層深度越大，則耐脫鋅腐蝕性能越差；
鉛析出量根據GB/T 18145-2014《陶瓷片密封水嘴》的規定執行，國標規定飲用水系統用黃銅零部件的鉛析出統計值(Q值)應小于5μg/L。Q值越小，則鉛的析出量越少；
力學性能根據GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》和GB/T 231.1-2009《金屬材料布氏硬度試驗第1部分：試驗方法》執行，材料強度和硬度越高，機加工對刀具的磨損就越嚴重。
表2：
本領域普通技術人員可知，本發明的各組分的質量百分比在下述范圍內變化時，仍能夠得到與上述實施例相同或相近的技術效果，皆屬于本發明的保護范圍：
一種鑄造用低鉛易切削硅黃銅合金，該合金由以下重量百分比的各組分組成：63～65wt％的Cu、0.7～1.0wt％的Si、0.8～1.0wt％的Al、0.1～0.2wt％的Pb、大于0且小于0.05wt％變質元素和大于0且小于0.3wt％的其他元素，余量為Zn及不可避免的雜質，其中變質元素為B、Ti、Zr和稀土元素中的至少一種，其他元素為Sn、Fe和Ni中的至少一種，Cu、Si、Al、Zn和Pb的總量大于99.6wt％，若其他元素中包括Sn，則Sn的含量大于0且小于等于0.1wt％。。
優選的，由以下重量百分比的各組分組成：63.2～65wt％的Cu、0.7～0.9wt％的Si、0.85～1.0wt％的Al、0.1～0.18wt％的Pb、大于0且小于0.03wt％變質元素和大于0且小于0.2wt％的其他元素，余量為Zn及不可避免的雜質，Cu、Si、Al、Zn和Pb的總量大于99.7wt％。
進一步優選的，由以下重量百分比的各組分組成：63.5～64.5wt％的Cu、0.75～0.9wt％的Si、0.85～0.95wt％的Al、0.1～0.15wt％的Pb、大于0且小于0.03wt％變質元素和大于0且小于0.15wt％的其他元素，余量為Zn及不可避免的雜質。
進一步優選的，由以下重量百分比的各組分組成：63.7～64.5wt％的Cu、0.8～0.9wt％的Si、0.9～0.95wt％的Al、0.1～0.15wt％的Pb、大于0且小于0.015wt％變質元素和大于0且小于0.1wt％的其他元素，余量為Zn及不可避免的雜質。
以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，故不能依此限定本發明實施的范圍，即依本發明專利范圍及說明書內容所作的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明涵蓋的范圍內。