[发明专利]一种无铅易切削镁黄铜及其制造方法

说明书

技术领域  本发明涉及一种金属材料及其制造技术，特别是无铅易切削黄铜及其制造方法。

背景技术  铅黄铜具有优良的冷热加工性能、极好的切削性能，能满足各种形状零部件的机加工要求。铅黄铜一度被世界公认为一种重要的基础金属材料而广泛应用到民用供水系统、电子、汽车及机械制造等领域。由于铅黄铜被广泛使用，废弃的铅黄铜零配件数量很多, 其中只有少量被回收利用，很多小件被作为垃圾遗弃。废弃的铅黄铜与土壤接触，其所含的铅在雨水及大气的长期作用下，进入土壤，从而污染土壤及水源。废弃铅黄铜被当作垃圾焚烧时, 铅蒸气散发于大气之中, 对人体产生极大危害，因而其应用日益受到严格的限制。铅既不固溶于铜，也不与铜形成金属间化合物，而是以单质微颗粒的形式存在于晶界。在饮用水中的杂质及离子等的作用下含铅黄铜中的铅以离子的形式缓慢析出，现有的含铅黄铜很难满足环保法令的要求。为了降低铅的有害作用，科研人员就饮用水对黄铜的腐蚀机理及添加元素对黄铜的腐蚀性影响进行了系统的研究，并采取了多种措施，如添加少量的锡、镍等合金元素来提高铅黄铜的耐蚀性能，或将一定厚度的可溶性铅溶解去除然后在除铅的表面再覆盖铬等耐蚀金属或采取其它的方法抑制铅的浸出等。由于基体黄铜中始终存在着铅，所以这些方法无法从根本上消除铅的有害作用。如果从浸水铅析出的长期效果考虑，以上方法都让人非常担心。以铅元素作为一种主要元素改善黄铜切削性能的铅黄铜在环保法令的规定下，不得不逐步退出历史的舞台。

无论从国内外的环保法律法规，还是从技术经济的角度出发，对铅黄铜再进行修修补补的改进已无大的价值，唯有开发无铅的新型黄铜。人们对金属、合金、化合物的研究有一个长期积累的过程，对其特性的认识已相当丰富。铋、锑、镁、磷、硅、硫、钙、碲、硒等元素加入到黄铜中对其切削性能的改善已取得共识，国内外都有大量的专利公开。必须指出的是，与易切削铅黄铜相比，目前所有的无铅易切削黄铜的加工性能、使用性能及成本，如：冷热加工性能、切削加工性能等工艺性能或抗脱锌性能、耐氨薰性能等使用性能或多或少地存在一些问题，其综合性能与铅黄铜相比差距还比较大。以金属铋作为改善切削性能的主要元素时，由于铋的价格贵，市场无法接受高铋含量的黄铜。低铋含量黄铜的切削性能虽然也比较好，但与铅黄铜相比还存在较大差距。另一方面，铋离子对人体健康的影响至今还不是很明确，其副作用的大小尚无定论，在一些国家和地区还不愿意接受铋黄铜。铋资源的有限性，也注定其不能做为易切削铅黄铜中铅的主要替代元素。铋会使黄铜产生脆性，严重恶化黄铜的压力加工性能，特别是热加工性能，其回收料甚至会危害整个铜加工行业，这会严重降低其回收价值，对含铋易切削黄铜的市场推广不利。锑是对人体有微毒的元素，其在水中的溶出浓度受到非常严格的限制，其容许浸出浓度比铅还低很多。尽管锑黄铜的切削性能也较好，但其使用亦受到很大的限制。锑的热加工性能也不太理想；锑的价格也不便宜，对其市场推广也不利。镁能明显改善黄铜的切削性能，但镁是非常容易烧损的元素，而连铸机的熔炼炉通常都是以吨计的大炉，为提高生产效率，采用连续加料连续拉锭。这使镁在生产过程中一直处于一个与大气接触而连续氧化烧损的过程，在不同的时刻拉出的锭坯镁含量不同。这对黄铜中镁的含量控制带来很大的挑战，对其产品性能的稳定控制也非常不利，生产商特别是客户对最终产品的性能无法预期，也就不能接受。磷添加到黄铜中有利于改善其切削性能，但同时降低合金的塑性，低压铸造时合金热裂倾向增大。这使磷在黄铜中的添加量受到很大的限制，也使磷黄铜的使用受到很大限制。由于锡、碲、硒价格高昴，锡黄铜以及含碲、硒黄铜很难在市场广泛推广。锡对改善黄铜切削性能的作用亦非常有限。硅黄铜由于含铜量高，密度偏高，价格贵，市场份额不大。硫的熔点仅为113℃，沸点也仅445℃，在黄铜的生产过程中很容易进入周围环境而成为污染源，在环保法规越来越严格的今天，其生产的无污染也是个难题，这也对其应用推广极为不利。在实际开发中，工程技术人员大多采用合金元素多元化的方法，在黄铜中复合添加多种对切削性能有改进作用的合金元素。但实践证明，添加多种改善切削性能元素的方法也并不理想，一方面，由于元素之间的相互作用，有的会相互降低改善切削性能的效果。另一方面，由于添加多种金属元素后，会产生合金强化的效果，使黄铜的强度、硬度都提高，在一定程度还会降低黄铜的压力加工和机加工性能。而且稀、贵元素的加入量过多也会使黄铜的成本提高，对市场推广应用也不利。利用多种元素的叠加来改善黄铜的工艺性能与使用性能也有很大的局限性。