[发明专利]一种用于制备无铅易切削黄铜的多元添加剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于新材料领域。涉及一种用于制备无铅易切削黄铜的多元添加剂及其制备方法和应用。

背景技术

黄铜以其易切削和优良的物理、化学、力学的性能，成为制造行业中各类零部件广泛使用的材料。为了改善黄铜合金机械加工时的切削性能，黄铜中一般添加了1-3％的铅(Pb)。铅是一种对环境和人体有害的元素，其既不固溶于铜，也不与铜形成金属间化合物，在饮用水中的杂质及有机酸等的作用下含铅铜合金中的铅会缓慢析出，因而其应用日益受到严格的限制。美国自1998年8月6日起，要求饮用水供给系统中铅的浸出量在1.1×10^-5以下，日本也自2003年就开始规定年饮用水中铅含量小于0.03mg/L。近年来，欧盟、美国等更纷纷出台有关法律，要求2010年后禁止使用含铅的黄铜材料用于对人类健康有不利影响的水暖和卫浴制品。现有的含铅铜合金很难满足越来越高的环保要求。

为了应对这一挑战，国内外相继开发了多种无铅黄铜。美国已开发出8个牌号的以铋代铅的铋黄铜，它们分别为：C89325、C89510、C89520、C89837、C89550、C89831、C89833、C89835。日本对易切削铋黄铜也进行了研究，取得了一些成果，申请了这类铜合金的数项专利。国内也有人进行了无铅易切削铋黄铜的研究开发，还有人研究了以硅代铅、以锑代铅、以镁代铅、以锰代铅的新型无铅易切削黄铜的性能。

以上研究中为了取代铅而又同时满足对材料的切削性能的要求，合金中多加入了一些低熔点或化学性质活泼的元素，如铋、锡、稀土等。这些低熔点或化学性质活泼的元素在熔炼过程中容易烧损，经常由于这些元素的烧损严重而未能体现明显的改善切削性能的效果，由此增加工艺复杂程度和生产成本。因此，研究开发出一种用于制备无铅易切削黄铜的多元添加剂，降低低熔点元素和活泼元素的烧损率，简化工艺操作，是实现对已有易切削铅黄铜直接替换的有效措施。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于制备无铅易切削黄铜的多元添加剂及其制备方法和应用。以实现对易切削铅黄铜的直接替换，满足制造业对环境友好的无铅黄铜材料的需求，同时提高熔炼效率、降低生产成本。不仅能有效提高无铅黄铜合金的切削性能、力学性能、加工性能和耐腐蚀性能，而且能降低合金元素烧损，简化熔炼工艺，降低生产成本。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

一种用于制备无铅易切削黄铜的多元添加剂由铜、铋、锡、稀土、磷和不可避免的杂质组成，各组分的质量百分数为：铜(Cu)65-75％；铋(Bi)5-22％；锡(Sn)3-10％；富铈(Ce)稀土0.5-5％；磷(P)0.5-2.5％；杂质含量≤0.05％。

作为进一步的优化，各组分的质量百分数为：铜(Cu)68-73％；铋(Bi)8-20％；锡(Sn)5-9％；富铈(Ce)稀土1-4％；磷(P)1-2％；杂质含量≤0.05％。

所述的富铈稀土中铈的含量不小于70％。

所述的多元添加剂的制备方法是：采用真空熔炼技术制备，熔炼温度1150～1250℃；熔炼时先加入电解铜，熔化后采用纯铜管包封方式将铋、锡、磷和稀土加入铜熔体，静置、扒渣后在铁模中浇注即成。

所述的多元添加剂应用到黄铜熔体中的加入量为20-70g/kg熔体。

以下就选择所述多元添加剂中各合金元素的种类及加入量的原因进行说明。

本发明所述的多元添加剂是一种以Cu为基体的合金。添加剂中除Cu以外的其它元素作为合金元素添加到黄铜熔体中制备成无铅黄铜合金。和铅相同，铋也具有断屑和润滑的作用，能提高切削性能。锡和磷固溶于铜中，能明显降低铜的表面张力，促使铋在铜基体中的分布形态由薄膜状向块状、球状转化。磷与添加的锡在一起还可以抑制脱锌腐蚀，在铸造过程中还能起到脱氧的作用。添加富铈稀土既可以细化组织，还可以使铋更多地分布在β相内，提高合金的热加工性能，还能除气、去渣、净化熔体，提高材料的综合力学性能及耐腐蚀性能。因此，综合考虑合金的切削性能、力学性能、加工性能和耐腐蚀性能，确定无铅黄铜中各成分及其添加量为：铜56-62％；铋：0.3-2.5％；锡0.1-1.5％；富铈稀土0.05-0.5％；磷0.03-0.15％，余量为锌，其中杂质含量≤0.05％。