一种烧结无铅易切削黄铜及其制备方法 【技术领域】
本发明是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
铅在黄铜熔体中的溶解度很大，而在铜中的固溶度几乎为零，故在铅黄铜熔体凝固时，铅会沉淀而形成弥散而微细的铅颗粒。铅有较脆而不硬的特点，另一方面，铅的熔点只有327.5℃，当对铅黄铜进行切削加工时产生的升温会使铅颗粒更软，当铅黄铜被切削时，这些弥散的软铅颗粒相当于在黄铜中的一个空洞，成为应力集中源，产生所谓的“切口效应”，从而导致切屑易于在此断裂。另外，在刀头与切屑的接触局部因切削加工受热而瞬间熔化，有助于改变切屑的形状，并起到润滑刀具的作用，可以使刀头磨损减少到最低。因此，铅在易切削黄铜材料的切削加工过程中起着碎裂切屑、减少粘结和焊合以及提高切削速度的作用，可大大提高切削加工的效率，并增加刀具的使用寿命。
铅黄铜具有优良的冷热加工性能、极好的切削性能和自润滑等特点，能满足各种形状零部件的机加工，因此含铅黄铜一度被世界公认为重要的基础材料而广泛应用到民用供水系统的铸件及其配件、电子、汽车及机械制造等领域。但是，铅黄铜零配件报废之后，很多小件被作为垃圾遗弃，只有少量被回收利用。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。铅即不固溶于铜，也不与铜形成金属间化合物，而是以单质的颗粒形式存在于晶界。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以离子的形式缓慢析出，现有的含铅铜合金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，如添加锡、镍等合金元素来提高铅黄铜的耐蚀性能，或将可溶性的铅去除然后在除铅的表面再覆盖铬等金属或采取其它的方法抑制铅的浸出等。由于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。
氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体，化学组成为43.6％的硼和56.4％的氮，具有四种不同的变体：六方氮化硼(hBN)、菱方氮化硼(rBN)、立方氮化硼(cBN)和纤锌型氮化硼(wBN)。其中六方氮化硼为白色松散粉末，与石墨性质相似，有“白色石墨”之称。六方氮化硼在高温时也具有良好的润滑性，是一种优良的高温固体润滑剂，具备便于机械加工的优良性能。颗粒细小的六方氮化硼弥散分布在黄铜中，当对黄铜进行切削加工时，能起到断屑的作用。同时，六方氮化硼还能对切削刀具起到润滑作用，提高切削效率。六方氮化硼烧结黄铜是一种优秀的无铅易切削黄铜，有着巨大的应用前景，其应用与推广将产生巨大的经济效益和社会效益。
粉末冶金适宜于生产同一形状而数量多的产品，特别是对小件、异型的产品。活化烧结是指在烧结过程中采用某些物理的或化学的措施，使烧结温度大大降低，烧结时间显著缩短，而烧结体的性能却得到改善和提高。用活化烧结法生产无铅易切削黄铜件，将产生良好的经济效益和社会效益。
【发明内容】
本发明的目的在于有效解决铅黄铜污染环境的问题，可以为电子器件、水暖卫浴、结构件等领域提供一种低成本的无铅易切削黄铜。
本发明的具体内容：
本发明无铅易切削黄铜各元素地质量分数分别为：铜48.0％-70.0％，铝0.3％-0.4％，镁4.0％-4.3％，锰0.1％-0.2％，铈0.08％-0.11％，镧0.01％-0.03％，BN粉0.4％-2.4％，其余为锌及总量不大于0.05％的杂质，其中黄铜粉及锌粉的粒度都小于或等于74μm；BN粉的粒度小于或等于2μm。
本发明工艺流程如下：
本发明的无铅易切削黄铜采用粉末活化烧结法生产。各种粉末和粘结剂按以下质量分数比配好：BN粉0.4％-2.4％，烧结活化剂锌粉2％-4％，粘结剂硬脂酸锌1％，余量为黄铜粉。黄铜粉中各元素的质量分数分别为：铜(Cu)53.5％-70.0％，铝(Al)0.4％，镁(Mg)4.3％，锰(Mn)0.2％，铈(Ce)0.08％，其余为锌(Zn)及总量不大于0.05％的杂质。烧结活化剂锌粉含混合稀土2％-5％，混合稀土的质量比是55％的铈和45％的镧。
行星式球磨架混粉，球料质量比10∶1，混料时间6小时，混粉后立即压制。烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间5小时，以便充分去除粘结剂。烧结温度840℃，烧结时间2小时。烧结气氛为氢气氛。烧结完后快速冷却到室温。
本发明的优点：
1)实现了易切削黄铜的无铅化，合金成分中不含铅，对环境友好。
2)合金的热加工性能良好，能进行红冲加工。合金有良好的切削加工性能。
3)生产工艺简单，粉末冶金法适合于大规模批量生产，生产加工成本低。
4)生产工艺可靠，产品质量稳定。
【具体实施方式】
实施例1：
烧结无铅易切削黄铜粉的成分(均为质量分数)，铜(Cu)53.5％，铝(Al)0.4％，镁(Mg)4.3％，锰(Mn)0.2％，铈(Ce)0.08％，其余为锌(Zn)及总量不大于0.05％的杂质。配粉时BN粉的质量分数为0.4％，粘结剂硬脂酸锌的质量分数为1％，烧结活化剂锌粉3％，余量为黄铜粉末。采用行星式球磨架混粉，球料比10∶1(质量比)，球磨前按粉末总质量的10％放入球磨珠，球磨时间为6小时，混粉后立即压制。烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间5小时，以便充分去除粘结剂。烧结温度840℃，烧结时间5小时。烧结气氛为氢气氛。烧结完后快速冷却到室温。通过切削实验对比，结果发现，该烧结无铅易切削黄铜的切削性能相当于HPb59-1的65％。
实施例2：
烧结无铅易切削黄铜粉的成分(均为质量分数)，铜(Cu)53.5％，铝(Al)0.4％，镁(Mg)4.3％，锰(Mn)0.2％，铈(Ce)0.08％，其余为锌(Zn)及总量不大于0.05％的杂质。配粉时BN粉的质量分数为1.0％，粘结剂硬脂酸锌的质量分数为1％，烧结活化剂锌粉3％，余量为黄铜粉末。采用行星式球磨架混粉，球料比10∶1(质量比)，球磨前按粉末总质量的10％放入球磨珠，球磨时间为6小时，混粉后立即压制。烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间5小时，以便充分去除粘结剂。烧结温度840℃，烧结时间5小时。烧结气氛为氢气氛。烧结完后快速冷却到室温。通过切削实验对比，结果发现，该烧结无铅易切削黄铜的切削性能相当于HPb59-1的67％。
实施例3：
烧结无铅易切削黄铜粉的成分(均为质量分数)，铜(Cu)53.5％，铝(Al)0.4％，镁(Mg)4.3％，锰(Mn)0.2％，铈(Ce)0.08％，其余为锌(Zn)及总量不大于0.05％的杂质。配粉时BN粉的质量分数为1.6％，粘结剂硬脂酸锌的质量分数为1％，烧结活化剂锌粉3％，余量为黄铜粉末。采用行星式球磨架混粉，球料比10∶1(质量比)，球磨前按粉末总质量的10％放入球磨珠，球磨时间为6小时，混粉后立即压制。烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间5小时，以便充分去除粘结剂。烧结温度840℃，烧结时间5小时。烧结气氛为氢气氛。烧结完后快速冷却到室温。通过切削实验对比，结果发现，该烧结无铅易切削黄铜的切削性能相当于HPb59-1的66％。
实施例4：
烧结无铅易切削黄铜粉的成分(均为质量分数)，铜(Cu)53.5％，铝(Al)0.4％，镁(Mg)4.3％，锰(Mn)0.2％，铈(Ce)0.08％，其余为锌(Zn)及总量不大于0.05％的杂质。配粉时BN粉的质量分数为2.4％，粘结剂硬脂酸锌的质量分数为1％，烧结活化剂锌粉2％，余量为黄铜粉末。采用行星式球磨架混粉，球料比10∶1(质量比)，球磨前按粉末总质量的10％放入球磨珠，球磨时间为6小时，混粉后立即压制。烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间5小时，以便充分去除粘结剂。烧结温度840℃，烧结时间5小时。烧结气氛为氢气氛。烧结完后快速冷却到室温。通过切削实验对比，结果发现，该烧结无铅易切削黄铜的切削性能相当于HPb59-1的64％。
实施例5：
烧结无铅易切削黄铜粉的成分(均为质量分数)，铜(Cu)59％，铝(Al)0.4％，镁(Mg)4.3％，锰(Mn)0.2％，铈(Ce)0.08％，其余为锌(Zn)及总量不大于0.05％的杂质。配粉时BN粉的质量分数为0.4％，粘结剂硬脂酸锌的质量分数为1％，烧结活化剂锌粉4％，余量为黄铜粉末。采用行星式球磨架混粉，球料比10∶1(质量比)，球磨前按粉末总质量的10％放入球磨珠，球磨时间为6小时，混粉后立即压制。烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间5小时，以便充分去除粘结剂。烧结温度840℃，烧结时间5小时。烧结气氛为氢气氛。烧结完后快速冷却到室温。通过切削实验对比，结果发现，该烧结无铅易切削黄铜的切削性能相当于HPb59-1的68％。
实施例6：
烧结无铅易切削黄铜粉的成分(均为质量分数)，铜(Cu)59％，铝(Al)0.4％，镁(Mg)4.3％，锰(Mn)0.2％，铈(Ce)0.08％，其余为锌(Zn)及总量不大于0.05％的杂质。配粉时BN粉的质量分数为1.0％，粘结剂硬脂酸锌的质量分数为1％，烧结活化剂锌粉4％，余量为黄铜粉末。采用行星式球磨架混粉，球料比10∶1(质量比)，球磨前按粉末总质量的10％放入球磨珠，球磨时间为6小时，混粉后立即压制。烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间5小时，以便充分去除粘结剂。烧结温度840℃，烧结时间5小时。烧结气氛为氢气氛。烧结完后快速冷却到室温。通过切削实验对比，结果发现，该烧结无铅易切削黄铜的切削性能相当于HPb59-1的70％。
实施例7：
烧结无铅易切削黄铜粉的成分(均为质量分数)，铜(Cu)59％，铝(Al)0.4％，镁(Mg)4.3％，锰(Mn)0.2％，铈(Ce)0.08％，其余为锌(Zn)及总量不大于0.05％的杂质。配粉时BN粉的质量分数为1.6％，粘结剂硬脂酸锌的质量分数为1％，烧结活化剂锌粉4％，余量为黄铜粉末。采用行星式球磨架混粉，球料比10∶1(质量比)，球磨前按粉末总质量的10％放入球磨珠，球磨时间为6小时，混粉后立即压制。烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间5小时，以便充分去除粘结剂。烧结温度840℃，烧结时间5小时。烧结气氛为氢气氛。烧结完后快速冷却到室温。通过切削实验对比，结果发现，该烧结无铅易切削黄铜的切削性能相当于HPb59-1的69％。
实施例8：
烧结无铅易切削黄铜粉的成分(均为质量分数)，铜(Cu)59％，铝(Al)0.4％，镁(Mg)4.3％，锰(Mn)0.2％，铈(Ce)0.08％，其余为锌(Zn)及总量不大于0.05％的杂质。配粉时BN粉的质量分数为2.4％，粘结剂硬脂酸锌的质量分数为1％，烧结活化剂锌粉3％，余量为黄铜粉末。采用行星式球磨架混粉，球料比10∶1(质量比)，球磨前按粉末总质量的10％放入球磨珠，球磨时间为6小时，混粉后立即压制。烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间5小时，以便充分去除粘结剂。烧结温度840℃，烧结时间5小时。烧结气氛为氢气氛。烧结完后快速冷却到室温。通过切削实验对比，结果发现，该烧结无铅易切削黄铜的切削性能相当于HPb59-1的67％。
实施例9：
烧结无铅易切削黄铜粉的成分(均为质量分数)，铜(Cu)65％，铝(Al)0.4％，镁(Mg)4.3％，锰(Mn)0.2％，铈(Ce)0.08％，其余为锌(Zn)及总量不大于0.05％的杂质。配粉时BN粉的质量分数为0.4％，粘结剂硬脂酸锌的质量分数为1％，烧结活化剂锌粉3％，余量为黄铜粉末。采用行星式球磨架混粉，球料比10∶1(质量比)，球磨前按粉末总质量的10％放入球磨珠，球磨时间为6小时，混粉后立即压制。烧结工艺为：从室温开始加热一直到烧结温度，加热时间5小时，以便充分去除粘结剂。烧结温度840℃，烧结时间5小时。烧结气氛为氢气氛。烧结完后快速冷却到室温。通过切削实验对比，结果发现，该烧结无铅易切削黄铜的切削性能相当于HPb59-1的66％。
实施例10：
烧结无铅易切削黄铜粉的成分(均为质量分数)，铜(Cu)65％，铝(Al)0.4％，镁(Mg)4.3％，锰(Mn)0.2％，铈(Ce)0.08％，其余为锌(Zn)及总量不大于0.05％的杂质。配粉时BN粉的质量分数为1.0％，粘结剂硬脂酸锌的质量分数为1％，烧结活化剂锌粉4％，余量为黄铜粉末。采用行星式球磨架混粉，球料比10∶1(质量比)，球磨前按粉末总质量的10％放入球磨珠，球磨时间为6小时，混粉后立即压制。烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间5小时，以便充分去除粘结剂。烧结温度840℃，烧结时间5小时。烧结气氛为氢气氛。烧结完后快速冷却到室温。通过切削实验对比，结果发现，该烧结无铅易切削黄铜的切削性能相当于HPb59-1的68％。
实施例11：
烧结无铅易切削黄铜粉的成分(均为质量分数)，铜(Cu)65％，铝(Al)0.4％，镁(Mg)4.3％，锰(Mn)0.2％，铈(Ce)0.08％，其余为锌(Zn)及总量不大于0.05％的杂质。配粉时BN粉的质量分数为1.6％，粘结剂硬脂酸锌的质量分数为1％，烧结活化剂锌粉3％，余量为黄铜粉末。采用行星式球磨架混粉，球料比10∶1(质量比)，球磨前按粉末总质量的10％放入球磨珠，球磨时间为6小时，混粉后立即压制。烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间5小时，以便充分去除粘结剂。烧结温度840℃，烧结时间5小时。烧结气氛为氢气氛。烧结完后快速冷却到室温。通过切削实验对比，结果发现，该烧结无铅易切削黄铜的切削性能相当于HPb59-1的67％。
实施例12：
烧结无铅易切削黄铜粉的成分(均为质量分数)，铜(Cu)65％，铝(Al)0.4％，镁(Mg)4.3％，锰(Mn)0.2％，铈(Ce)0.08％，其余为锌(Zn)及总量不大于0.05％的杂质。配粉时BN粉的质量分数为2.4％，粘结剂硬脂酸锌的质量分数为1％，烧结活化剂锌粉3％，余量为黄铜粉末。采用行星式球磨架混粉，球料比10∶1(质量比)，球磨前按粉末总质量的10％放入球磨珠，球磨时间为6小时，混粉后立即压制。烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间5小时，以便充分去除粘结剂。烧结温度840℃，烧结时间5小时。烧结气氛为氢气氛。烧结完后快速冷却到室温。通过切削实验对比，结果发现，该烧结无铅易切削黄铜的切削性能相当于HPb59-1的65％。
实施例13：
烧结无铅易切削黄铜粉的成分(均为质量分数)，铜(Cu)70％，铝(Al)0.4％，镁(Mg)4.3％，锰(Mn)0.2％，铈(Ce)0.08％，其余为锌(Zn)及总量不大于0.05％的杂质。配粉时BN粉的质量分数为0.4％，粘结剂硬脂酸锌的质量分数为1％，烧结活化剂锌粉2％，余量为黄铜粉末。采用行星式球磨架混粉，球料比10∶1(质量比)，球磨前按粉末总质量的10％放入球磨珠，球磨时间为6小时，混粉后立即压制。烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间5小时，以便充分去除粘结剂。烧结温度840℃，烧结时间5小时。烧结气氛为氢气氛。烧结完后快速冷却到室温。通过切削实验对比，结果发现，该烧结无铅易切削黄铜的切削性能相当于HPb59-1的64％。
实施例14：
烧结无铅易切削黄铜粉的成分(均为质量分数)，铜(Cu)70％，铝(Al)0.4％，镁(Mg)4.3％，锰(Mn)0.2％，铈(Ce)0.08％，其余为锌(Zn)及总量不大于0.05％的杂质。配粉时BN粉的质量分数为1.0％，粘结剂硬脂酸锌的质量分数为1％，烧结活化剂锌粉3％，余量为黄铜粉末。采用行星式球磨架混粉，球料比10∶1(质量比)，球磨前按粉末总质量的10％放入球磨珠，球磨时间为6小时，混粉后立即压制。烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间5小时，以便充分去除粘结剂。烧结温度840℃，烧结时间5小时。烧结气氛为氢气氛。烧结完后快速冷却到室温。通过切削实验对比，结果发现，该烧结无铅易切削黄铜的切削性能相当于HPb59-1的66％。
实施例15：
烧结无铅易切削黄铜粉的成分(均为质量分数)，铜(Cu)70％，铝(Al)0.4％，镁(Mg)4.3％，锰(Mn)0.2％，铈(Ce)0.08％，其余为锌(Zn)及总量不大于0.05％的杂质。配粉时BN粉的质量分数为1.6％，粘结剂硬脂酸锌的质量分数为1％，烧结活化剂锌粉3％，余量为黄铜粉末。采用行星式球磨架混粉，球料比10∶1(质量比)，球磨前按粉末总质量的10％放入球磨珠，球磨时间为6小时，混粉后立即压制。烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间5小时，以便充分去除粘结剂。烧结温度840℃，烧结时间5小时。烧结气氛为氢气氛。烧结完后快速冷却到室温。通过切削实验对比，结果发现，该烧结无铅易切削黄铜的切削性能相当于HPb59-1的65％。
实施例16：
烧结无铅易切削黄铜粉的成分(均为质量分数)，铜(Cu)70％，铝(Al)0.4％，镁(Mg)4.3％，锰(Mn)0.2％，铈(Ce)0.08％，其余为锌(Zn)及总量不大于0.05％的杂质。配粉时BN粉的质量分数为2.4％，粘结剂硬脂酸锌的质量分数为1％，烧结活化剂锌粉2％，余量为黄铜粉末。采用行星式球磨架混粉，球料比10∶1(质量比)，球磨前按粉末总质量的10％放入球磨珠，球磨时间为6小时，混粉后立即压制。烧结工艺为：从室温开始加热至烧结温度，加热时间5小时，以便充分去除粘结剂。烧结温度840℃，烧结时间5小时。烧结气氛为氢气氛。烧结完后快速冷却到室温。通过切削实验对比，结果发现，该烧结无铅易切削黄铜的切削性能相当于HPb59-1的63％。