[发明专利]含有陶瓷纳米粒子并具有改进的机械加工性能的黄铜合金

说明书

本发明涉及一种黄铜合金，其中Al₂O₃以陶瓷纳米粒子的形式存在于合金中。此外，本发明还涉及一种制备黄铜合金的方法。

技术领域

本发明涉及一种Pb的质量百分比含量最高为0.25％的黄铜合金，以及一种制备该黄铜合金的方法，其中Al₂O₃以陶瓷纳米粒子的形式存在于合金中，从而带来优越的切削性能。

背景技术

黄铜是一种涉及许多应用机遇和应用领域的材料。黄铜的基本成分是铜(Cu)和锌(Zn)。通过添加各种不同的合金材料，比如铅(Pb)、锡(Sn)、铁(Fe)、铝(Al)、镍(Ni)、锰(Mn)、硅(Si)和/或砷(As)，黄铜可被赋予独特的性能，从而使黄铜具有许多不同的特征而用于不同类型的机械加工和成品。黄铜还可以含有锑(Sb)、磷(P)、硼(B)和/或硫(S)。

可以以条棒、型材和钢坯的形式将黄铜制成半成品，这些半成品需要进一步精制。此类成品的样品有螺钉、螺母、供水和卫浴部件、锁具零件、电子元件、装饰品等。最重要的是，黄铜是一种闭式循环材料，在促进环境保护的车间生产中具有特定的位置。黄铜的回收是可以带来经济效益的，并且因此几乎80％的原料是以废黄铜的形式存在，这些废黄铜中的一部分是作为来自工业车间的废料，还有一部分来源于回收企业。

根据所谓的“卫生级铜合金成分表”中针对无铅黄铜的规定，获得Pb的0.2％的百分比。EAS(欧洲认证体系)这项工作于1997年启动并被欧盟委员会批准，而这份化学成分表是之前EAS(欧洲认证体系)的延伸，于2013年12月1日开始在签署4MS(四成员国)声明的国家中生效，要求黄铜和其它金属的合金以及与饮用水接触的材料需遵守上述化学成分表中的规定。4MS声明的目标是要为所有27个欧盟国家建立一项通用的指令。而且，针对黄铜合金中Pb的含量百分比，在比如USA的其它国家也有的类似的规定。USA和欧洲之间的主要区别在于美国这一个国家专注于对单独制品中铅的限制(Pb的质量百分比含量平均值最高为0.25％)，而在欧洲是专注于饮用水本身中的铅的限制。USA饮用水本身中的允许值高于欧洲，分别为15μg/l和10μg/l[1]。符合上述作为无铅黄铜所限定的需求的黄铜合金样品为CW511L和[1，2]。

针对析出到饮用水中的铅的环保规定，还要求去除材料本身中的铅。上述工作不仅可以通过各种政府性规定来推进，还可以通过所谓的环境分类系统等在自愿的基础上推进。比如在瑞典，可以提及建筑材料评估()，而在Basta则要求无铅合金材料。

EN编号为CW614N和CW617N的黄铜合金是切削加工和锻造中最常用的两种黄铜合金[3]，比如这些合金可以应用于供水和卫浴部件、供油和供气部件，以及用于电子工业、机械工业和汽车工业的多种不同的零件。这两种黄铜合金容易被打磨和抛光，而得到非常高的表面光洁度。CW614N含有39wt％的Zn、3wt％的Pb，余量为Cu，因此成分设计为CuZn39Pb3。这种CW614N可应用于自动化机械加工，因此又被称为易切削黄铜。CW617N合金应用于热锻零件。

通过在诸如CW614N的黄铜合金中掺入铅，可以增强其机械加工性能。0.2wt％的这一小部分铅熔解到黄铜合金中以后，由于铅原子比铜原子和锌原子大很多，以及由于这种原子的尺寸，使得他们阻碍了位错运动。机械加工性能的增强对于切屑折断尤为重要。其余的铅原子形成了铅-铜相，并在晶界析出。在切削过程中，铅-铜相在切削区中普遍的温度下熔化，熔态金属在切削工艺中起到了润滑作用。铅含量降低到0.2wt％以下，通常认为黄铜合金的机械加工性能被严重破坏。

通过切削加工，在晶界析出的部分铅-铜相构成了工件的部分表面。由于低强度和高延性，因此相对于剩余部分的表面，铅-铜相更容易延展，其也可以呈液态。这种表面常见于水龙头等与饮用水接触的产品/元件。在这种情况下，铅容易析出到饮用水中，从而对我们的健康产生有害影响。