一种易切削无铅石墨黄铜及其制备方法与流程

本发明属于黄铜制备技术领域，具体涉及一种易切削无铅石墨黄铜，还涉及了该无铅石墨黄铜的制备方法。

背景技术：

铅黄铜是应用最为广泛的一种复杂黄铜，它具有优良切削性能、耐磨性能和高强度，主要用于机械工程中各种连接件、阀门、阀杆轴承保持中。易切削铅黄铜中，细小的铅颗粒呈弥散分布，起到润滑和断屑功能，从而提高生产效率，降低加工成本的作用。然而，当铅黄铜用作水龙头、管接头等饮用水管道配件时，铅会浸出而进入水中，严重危害人体健康；零部件中的铅极易进人土壤，如被焚烧还会进大气从而严重污染环境，因而其应用应该受到严格限制。铅对人类的危害主要表现为：损伤大脑中枢及周围神经系统；破坏造血系统，阻碍血红素的合成，导致贫血；影响消化系统的功能等。美国及欧盟《ROHS指令》新标准及法令规定：到2006年，水道的铅溶出标准必须从现在的0.05mg/L降低到0.01mg/L。目前我国的水道铅溶出量远远高于0.05mg/L，一般为0.1mg/L。从环境保护和人身安全方面考虑，使用的黄铜应该为低铅或者无铅的环保易切削铜合金。

2005年，日本三越金属株式会社申请的发明专利《黄铜》(中国专利号200580001492.5，公开号：1906317，公开日：2007.01.31)，提供了锻造和耐腐蚀性能较好的无铅黄铜，其特点是含Bi 0.5-2.5wt.％。然而，此类黄铜在试用过程中，产品容易开裂造成较大的事故，目前已经停止了使用。2008年，中国宁波博威集团申请的发明专利《一种耐脱锌腐蚀的低锑铝黄铜合金及其制造方法》(专利号200810163233.8，公开号：101440443公开日：2009.05.27)中，提供了一种耐脱锌腐蚀的低锑铝黄铜合金及其制造方法，通过添加微量锑和铝，结合合金精炼-连续铸锭-挤压-拉伸-热处理-酸洗-消除应力退火-成品的工艺流程，工艺流程长，耐脱锌腐蚀性能不佳，生产成本高。

目前已有的材料及制备技术中，存在的主要问题是：仍然添加微量铅在黄铜中，另外添加的铋在黄铜使用过程中，易产生脱锌腐蚀和开裂而引发安全事故；而耐脱锌腐蚀的低锑铝黄铜合金中仍然含有微量铅以及锑，耐脱锌腐蚀性能也不理想。因此，需要开发一种环保、高强度黄铜合金并研究其制备方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种易切削无铅石墨黄铜，解决了现有含铅黄铜有毒且抗拉强度和切削性能不能兼顾的问题。

本发明的另一目的是提供上述易切削无铅石墨黄铜的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种易切削无铅石墨黄铜，包括以下质量百分比的元素：铜53.25-59.85wt.％，锌38-41wt.％，石墨0.5-3wt.％，铬0.55-0.75wt.％，铁0.1-0.3wt.％，锡0.50-1.00wt.％，钛0.5-0.7％，以上元素质量百分比总和为100％。

本发明所采用的另一个技术方案是，上述易切削无铅石墨黄铜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，固溶处理

分别称取原料粉末，其中，Cu粉53.25-59.85wt.％、Zn粉38-41wt.％、石墨粉0.5-3wt.％、Cr粉0.55-0.75wt.％、Sn粉0.50-1.00wt.％、Ti粉0.5-0.7％以及Fe粉0.1-0.3wt.％。将Cu粉、Fe粉、Sn粉、Ti粉、Cr粉及Zn粉在1600-1700K下熔化，并保温固溶50-70min，得到CuZnCrFeSnTi过饱和固溶黄铜合金。

步骤2，制粉

将CuZnCrFeSnTi过饱和固溶合金制备成过饱和固溶黄铜合金粉末，将过饱和固溶黄铜合金粉末与石墨粉混合，并制成分散均匀的混合粉末。

步骤3，热压烧结

先将混合粉末压制成棒坯，再放入马弗炉中1000-1100K条件下烧结20-40min，然后随炉冷却到350-400K以下。

步骤4，依次经锻造、热压、拉拔，得到所述无铅石墨黄铜。

本方法的特点还在于：

优选地，步骤2中过饱和固溶黄铜合金粉末的粒径在150-250μm。

优选地，步骤2中过饱和固溶黄铜合金粉末采用水雾化法，其压力为8-10MPa、温度为1273K-1673K℃，喷嘴尺寸为10mm。

优选地，步骤2中混合粉末的粒径不大于10μm。

优选地，步骤2中过饱和固溶黄铜合金粉末与石墨粉采用振动球磨法制备混合粉末，球磨1-3小时，转速300-450rpm，球料比1-3：1。

优选地，步骤4中锻造具体为，在950-1150K加热锻造，773-873K均匀化退火。

优选地，步骤1中原料粉末的粒径均在30-50μm。

本发明的有益效果是，本发明的无铅石墨黄铜完全不含铅，安全无毒，且具有目前很高的抗拉强度和切削性能，解决了传统黄铜含铅，且抗拉强度和切削性能不能兼顾的问题。本发明石墨黄铜的强度是目前市场销售铅黄铜的两倍，达到316不锈钢的同等级水平，而切削性能是不锈钢产品的两到三倍，实现产品的小型化、轻质化和低成本化，得到了国内国际同行的广泛关注。

附图说明

图1是本发明易切削无铅石墨黄铜制备方法流程路图；

图2是本发明易切削无铅石墨黄铜切削屑SEM-EDS能谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施方式。

本发明的易切削无铅石墨黄铜包括铜、锌、石墨、铬、铁、锡、钛和杂质元素；其各元素及含量为：铜53.25-59.85wt.％，锌38-41wt.％，石墨0.5-3wt.％，铬0.55-0.75wt.％，铁0.1-0.3wt.％，锡0.50-1.00wt.％，钛0.5-0.7％，杂质元素低于0.4wt.％。

上述元素中，石墨颗粒是一种固体润滑剂，具有良好的耐磨性，在黄铜中能够起到润滑和断屑的作用，能替代铅提高切削性能，具有环境污染小、低成本、资源丰富的特点。锡具有提高耐脱锌腐蚀性能、切削性能和机械性能的作用，当锡含量小于0.50wt.％，固溶强化和耐脱锌效果不明显，当锡含量大于1.00wt.％，会影响本合金的成型性能，，故锡含量为0.50-1.00wt.％。铬、铁在本合金中起提高耐脱锌腐蚀性能，细化晶粒，增加合金强度、塑性及抗应力腐蚀能力。

该无铅石墨黄铜的制备如图1所示，具体为：

称取粒径范围在30-50μm的各原料粉末，铜粉53.25-59.85wt.％，锌粉38-41wt.％，石墨粉0.5-3wt.％，铬粉0.55-0.75wt.％，铁粉0.1-0.3wt.％，锡粉0.50-1.00wt.％，钛粉0.5-0.7％(杂质总量低于0.4wt.％)；将Cu粉、Fe粉、Sn粉、Ti粉、Cr粉及Zn粉加入中频感应炉，在1600-1700K下熔化并保温固溶50-70min，得到CuZnCrFeSnTi过饱和固溶黄铜合金。采用水雾化法，利用高压水雾喷向金属熔滴，液态溶滴在高压水雾的冲击下破碎为细小的液滴并迅速冷却、凝固，制备成黄铜合金粉末。本发明在压力8-10MPa、温度1273-1673K条件下，喷嘴尺寸10mm，将CuZnCrFeSnTi过饱和固溶合金制备成过饱和固溶黄铜合金粉末，粉末粒径控制在150-250μm。将黄铜合金粉末与石墨粉采用振动球磨法混合1-3小时，转速300-450rpm，球料比1-3：1，得到粒径不大于10μm的混合粉末。采用油压机，在500-700MPa，673-873K下将混合粉末压制成棒坯，将压制好的坯料在有氮气保护的马弗炉中1000-1100K条件下烧结20-40min，然后随炉冷却到350-400K以下。在950K-1150K加热锻造，773-873K均匀化退火。将经过退火处理的坯料预热至800-900K，进行热挤压得到挤压坯，再经过拉拔制得本发明的无铅石墨黄铜棒材。

下面以实施例进一步说明本发明易切削无铅石墨黄铜的制备方法。

实施例1

称取粒径均在30-50μm的铜粉59.85wt.％，锌粉38wt.％，石墨粉0.5wt％，铬粉0.55wt％，铁粉0.1wt.％，锡粉0.5wt.％，钛粉0.5wt.％。将Cu粉、Fe粉、Sn粉、Cr粉、Zn粉及Ti粉加入中频感应炉中，在1600K熔化，并保温50min进行固溶处理。然后在压力8MPa、温度1673K，喷嘴尺寸10mm条件下，经过水雾化法制备粒径大小在150-250μm过饱和固溶CuZnCrFeSnTi黄铜粉末；将所制备的黄铜合金粉末与石墨粉采用振动球磨法混合3小时，转速450rpm，球料比1：1。采用200t油压机，在压力500MPa、温度873K条件下将混粉压制成直径50mm的棒坯，将压制好的坯料在有氮气保护的马弗炉中1000K条件下烧结20min,然后随炉冷却到350K以下。热压烧结后的坯料在950K加热锻造，773K均匀化退火处理。热处理后的坯料预热至800K，经过2500T挤压机内挤压，得到直径30mm的挤压坯，再经过拉拔得到直径28mm的拉拔棒材。

该合金的具体成分含量为：铜59.85wt.％，锌38wt.％，石墨0.5wt％，铬0.55wt％，铁0.1wt.％，锡0.5wt.％，钛0.5wt.％。

实施例2

无铅石墨黄铜的制备方法及过程与实施例1相同，称取粒径均在30-50μm的铜粉56.89wt.％，锌粉40wt.％,石墨粉0.9wt％,铬粉0.75wt％,铁粉0.2wt.％,锡粉0.6wt.％，钛粉0.66wt.％。将Cu粉、Fe粉、Sn粉、Cr粉、Zn粉及Ti粉加入中频感应炉中，在1673K下熔化，保温60min固溶处理，将固溶处理得到的过饱和黄铜合金通过水雾化法，压力9MPa、温度1373K、喷嘴尺寸10mm，制成粒径150-250um的黄铜合金粉末，将所制备的黄铜合金粉末与0.9wt％石墨粉采用振动球磨法混合3小时，转速400rpm，球料比2：1。采用200t油压机，在压力600MPa条件下将混粉压制成直径50mm的棒坯，将压制好的坯料在有氮气保护的马弗炉中1050K条件下烧结30min,然后随炉冷却到380K以下。热压烧结后的坯料在973K加热锻造，805K均匀化退火处理。热处理后的坯料预热至873k，经过2500T挤压机内挤压，得到直径30mm的挤压坯，再经过拉拔得到直径28mm的拉拔棒材。

该合金的具体含量为：铜56.89wt.％，锌40wt.％,石墨0.9wt％,铬0.75wt％,铁0.2wt.％,锡0.6wt.％,钛0.66wt.％。

实施例3

无铅石墨黄铜的制备方法及过程与实施例1相同，称取粒径均在30-50μm的铜粉56.84wt.％，锌粉40wt.％，石墨粉1.0wt％，铬粉0.7wt％，铁粉0.2wt.％，锡粉0.6wt.％，钛粉0.66wt.％，将Cu粉、Fe粉、Sn粉、Cr粉、Zn粉及Ti粉加入中频感应炉中，在1673K下熔化，保温60min固溶处理，将固溶处理得到的过饱和黄铜合金通过水雾化法，压力9MPa、温度1373K、喷嘴尺寸10mm，制成粒径150-250um的黄铜合金粉末，将所制备的黄铜合金粉末与1.0wt％石墨粉采用振动球磨法混合2小时，转速400rpm，球料比2：1。采用200t油压机，在压力600MPa条件下将混粉压制成直径50mm的棒坯，将压制好的坯料在有氮气保护的马弗炉中1050K条件下烧结30min，然后随炉冷却到380K以下。热压烧结后的坯料在973K加热锻造，803K均匀化退火处理。热处理后的坯料预热至873k，经过2500T挤压机内挤压，得到直径30mm的挤压坯，再经过拉拔得到直径28mm的拉拔棒材。

该合金的具体含量为：铜56.84wt.％，锌40wt.％，石墨1.0wt％，铬0.7wt％，铁0.2wt.％，锡0.6wt.％，钛0.66wt.％。

实施例4

无铅石墨黄铜的制备方法及过程与实施例1相同，称取粒径均在30-50μm的铜粉53.25wt.％，锌粉41wt.％，石墨粉3wt％，铬粉0.75wt％，铁粉0.3wt.％，锡粉1wt.％，钛粉0.7wt.％，将Cu粉、Fe粉、Sn粉、Cr粉、Zn粉及Ti粉加入中频感应炉中，在1700K下熔化，保温70min固溶处理，将固溶处理得到的过饱和黄铜合金通过水雾化法，压力10MPa、温度1273K，喷嘴尺寸10mm，制成粒径150-250um的黄铜合金粉末，将所制备的黄铜合金粉末与3wt％石墨粉采用振动球磨法混合3小时，转速300rpm，球料比3：1。采用200t油压机，在压力700MPa，温度673K条件下将混粉压制成直径50mm的棒坯，将压制好的坯料在有氮气保护的马弗炉中1100K条件下烧结40min,然后随炉冷却到400K以下。热压烧结后的坯料在1150K加热锻造，873K均匀化退火处理。热处理后的坯料预热至900K，经过2500T挤压机内挤压，得到直径30mm的挤压坯，再经过拉拔得到直径28mm的拉拔棒材。

该合金的具体含量为：铜53.25wt.％，锌41wt.％,石墨3wt％,铬0.75wt％,铁0.3wt.％,锡1wt.％，钛0.7wt.％。

通过对本发明拉拔棒材的检测分析，得到所制备出的无铅石墨黄铜的抗拉强度在740-795MPa，屈服强度在670-700MPa，断后伸长率9％-12％，力学性能优于316L不锈钢(316L不锈钢的拉伸强度620MPa，屈服强度310MPa)，切削速率0.2-0.4mm/s是不锈钢的2-3倍(不锈钢在0.12-0.2mm/s)。切削得到的层状铜屑具有良好排屑能力，通过对铜屑的微观组织进行EDS能谱分析，如图2所示，石墨均匀的分散在合金中，有利于提高合金的切削性能。

当石墨含量为0.9wt.％时拉拔棒材的抗拉强度为767MPa，断后伸长率10.2％，切削速率0.23mm/s。石墨含量为1wt.％时，无铅黄铜的抗拉强度为750MPa，断后延伸率9.9％，切削速率0.30mm/s。可以看出，随着石墨含量升高，断后延伸率和力学性能有所下降但依然保持在较高水平，切削性能提高明显，使得石墨含量较高时，该无铅黄铜更适合做大型铸件。