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一种铸造低铅易切削黄铜
    技术领域  本发明是一种金属材料，涉及低铅易切削黄铜。

    背景技术  铅在铅黄铜熔体浇铸凝固时，在合金中沉淀而形成弥散而微细的铅颗粒，铅黄铜中这种弥散分布的铅微小颗粒在晶界和晶内都有。铅有较脆而软的特点，当铅黄铜被切削加工时，切屑被刀头从工件上切削剥离，这些弥散的铅颗粒成为应力集中源，产生所谓的“切口效应”，从而导致切屑易于在此断裂；而且这些弥散的铅颗粒较软，可以使刀头磨损减少到最低。由于铅微粒在晶内和晶界都有，当铅黄铜在切削加工时，切屑很快就遇到铅微粒而断裂，所以切屑细而短。另外，铅颗粒的熔点较低(铅的熔点仅为327.5℃)，切削加工时刀头对切削工件做功，变形能、摩擦能转变成热能，使刀头与切屑接触的局部瞬间快速升温，很容易接近甚至超过铅的熔化温度。软化甚至熔化的铅可以起到润滑刀具的作用，能降低切削阻力并提高切削效率。因此，铅在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，可大大增加刀具的使用寿命。

    由于铅固有的禀性，其在铅黄铜中的大小、形貌、数量、特性、分布状况、分布位置不但使铅黄铜具有优异的切削性能，而且使铅黄铜具有优良的铸造性能、冷加工性能、热加工性能以及自润滑等优点，能满足各种形状零部件的机加工要求。含铅黄铜一度被世界公认为重要的基础材料，广泛应用到民用供水系统的铸件及其配件、电子、汽车及机械制造等许多领域。

    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。铅黄铜由于铅在其中的存在形式的原因，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。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。

    开发新型环保易切削黄铜是一个国际性的课题，目前虽然已取得了很大的成果，但还有大量的工作需要去完成以提高性能、增加品种、拓宽应用范围。美日欧已经发明大量的无铅易切削铋黄铜专利，我国也发明了多个无铅易切削铋黄铜专利，如：无铅易切削黄铜合金材料和它的制造方法，02121991.5；无铅易切削黄铜合金，200310109162.0；生态环保新型无铅易切削低锑铋黄铜合金及其制造方法，200510050425.4；无铅铜合金，200610005689.2；一种无铅的易切削镁铋黄铜合金，200710098481.4。上述无铅易切削黄铜在切削性能、冷热加工性能、力学性能、抗应力开裂性能、抗腐蚀性能等方面有一种或几种优异的性能，个别性能甚至接近铅黄铜的性能。但是，与铅黄铜相比，在铸造性能上还有较大的差距。事实上，要想开发一种新型的所有性能均完全与铅黄铜相媲美的无铅易切削黄铜，目前来看还不可能。美国NSF(饮用水中由45μg/L降至1.5μg/L)、日本JIS、德国DIN50930及欧盟的相关标准及法令规定：从2006年开始，水道的铅溶出标准必须从过去的0.05mg/L降低到0.01mg/L。在不超过铅的溶出极限浓度的前提下，黄铜中可以含有一定量的铅，只要其质量分数不超过0.2％即可。由于铅对提高易切削黄铜中的铸造性能、切削加工性能具有非常积极的作用，在易切削黄铜中加入少量的铅，将对提高其切削性能和铸造性能非常有益。当然，仅加入不超过0.2％的铅，无论黄铜的铸造性能还是切削加工性能与铅黄铜相对均有较大差距。这就要求设计一种新型低铅易切削黄铜，使其铸造性能与切削加工性能接近于铅黄铜。

    【发明内容】

    本发明的目的是开发一种铸造用低铅易切削黄铜，使铅的质量分数不超过0.2％，同时发挥铅与合金元素对铸造性能和切削性能积极作用。所发明的黄铜生产的铸件无需进行冷加工或热加工，只需将铸件直接机械切削加工后即完成所有加工工序。本发明能有效解决铅黄铜中铅含量过高而污染环境的问题，可以为电子器件、水暖卫浴、结构件等领域提供一种铸造性能优良的低铅易切削黄铜。从一系列的成分中筛选出具有良好切削性能和铸造性能的黄铜成分。

    低铅易切削黄铜的成分质量分数：铜(Cu)56.0％-68.0％，锰(Mn)2.0％-2.3％，锑(Sb)2.1％-2.4％，铅(Pb)0.18％-0.20％，硅(Si)0-0.1％，铝(Al)0.2％-0.3％，钙(Ca)或钡(Ba)0.3％-0.5％，余量为锌(Zn)，锰和锑的总和不超过4.5％、杂质总量不超过0.05％。

    本发明工艺流程如下：

    本发明所述铸造低铅易切削黄铜的制备使用工频感应电炉、中频感应电炉或电阻炉，首先将紫铜板熔化，后续加料顺序为：硅、铝、锑、铅、锰、钙或钡，最后加入锌。待所有合金元素熔化后，升温、喷火、出炉浇入铁模和砂型。得到切削加工试样和螺旋形试样，分别测试合金的切削性能、流动性。将切削加工所产生的所有切屑收集，过30目筛，分别称取筛上切屑和筛下的切屑质量，计算切屑的细屑百分数。按标准取样，分别测试黄铜的布氏硬度，观察打布氏硬度留下的凹坑的形貌。

    本发明的原理如下：

    在实践应用中，由于具体的工作环境不可能完全相同，其对合金材料的要求事实上是不同的。针对具体的要求，有时其对合金可以只需考虑一二个主要性能指标，其它性能指标只要满足常规的要求即可。如果只考虑一二个主要性能，不过多地考虑合金的综合性能，在合金设计开发上就相对容易得多。比如，如果不考虑易切削黄铜的冷加工性能和热加工性能，则完全能开发出与铅黄铜性能接近的无铅黄铜。本发明的目的就是要开发一种铸造用无铅易切削黄铜，铸件无需进行冷加工或热加工，只需将铸件进行机械切削加工即完成所有的加工工序。本发明黄铜的主要特点就是具有优异的切削性能与铸造性能。

    锰虽是一个缩小α相区的元素，但其作用不明显，对黄铜组织的影响也不大。锰对黄铜有固溶强化作用，并能大大增强黄铜对海水、氯化物和过热蒸汽的抗腐蚀性能。锰黄铜有相当好的加工性能。添加锰主要是为了提高合金的耐蚀性能，并利用锰对黄铜的固溶强化作用。有观点认为锰对黄铜的流动性不利，在铸造工艺中，锰含量不宜过高，最好控制在0.6％以下，否则更高含量的锰，导致合金硬度增加。但是在本发明的研究中发现，锰对流动性是有利的，其原因在于本发明中添加了少量的金属钙或钡。一方面，钙或钡能净化晶界，提高黄铜的流动性；另一方面，钙或钡能生成且促使生成细小的第二相粒子，对提高流动性和切削性能极为有利。本发明黄铜的流动性提高的原因还利益于铝、锰与钙、钡、硅、铅的综合作用。本发明黄铜中锰的含量控制在2.0％-2.3％。

    锑在铜中的溶解度随着温度的下降而急剧减小，在其含量还不到0.1％时，就会形成性脆的Cu₂Sb，呈网状分布于晶界，使黄铜的冷加工性能大幅度下降。由于锑在高温下在铜中的溶解度较大，因而固溶处理可提高含锑黄铜的冷加工性能。另一方面，添加少量的稀土元素，能改善Cu₂Sb的网状结构，减少其对黄铜冷加工性能的不利影响。锑还使铜合金产生热脆性，过高的锑使黄铜的热加工性能恶化，不利于热加工，导致制品的成本提高。脆性的Cu₂Sb颗粒虽然对黄铜的加工性能不利，但在对黄铜进行切削加工时，对断屑却非常有利，因而锑明显提高黄铜的切削加工能力。一般认为锑在易切削黄铜中的添加量不能超过2％，否则会严重恶化黄铜的使用性能。但本发明表明，锑的添加量超过2％，一直增加至2.4％时，在同时添加少量的钙、钡，在提高易切削黄铜切削加工性能的同时，还能保证其使用性能不下降，本发明锑含量控制在2.1％-2.4％，能明显优化黄铜的切削加工性能的作用。

    铝显著缩小α相区，铝含量高时，会出现γ相，提高合金的强度与硬度，但大幅度降低塑性。铝在黄铜中通过提高其流动性来提高其铸造性能，但铝对提高黄铜的脱锌能力不利。在铝黄铜中，铝的表面离子化倾向比锌的大，优先形成致密而坚固的氧化铝膜，可防止合金的进一步氧化。铝的密度仅为2.7g/cm³，是典型的轻金属，且价格便宜，属于贱金属。黄铜中加入铝能降低黄铜的成本，提高其市场竞争能力。随着铝含量的增加，黄铜的某些性能在改善的同时，另外一些性能则可能会恶化，所以其加入量有一个最优的范围。本发明铝含量控制在0.2％-0.3％，能达到使黄铜的强度、硬度与塑性，抗脱锌能力与铸造性能、成本之间的平衡。

    硅是缩小α相区能力最强的合金元素，它能增加黄铜锌当量并形成γ相，改善黄铜的切削性能。硅还能通过脱氧改善合金的铸造性能和焊接性能，提高黄铜的耐蚀性，尤其是提高其抗脱锌腐蚀性能。本发明黄铜中硅含量控制在0-0.1％范围内。

    选择添加钙和钡一方面它们有变质细化合金晶粒的作用，使金属间化合物分布更为弥散均匀，还能使锑在提高黄铜的切削性能的同时确保其使用性能不下降。另一方面它们对熔体也具有脱氧作用，其对熔体流动性的改善也非常明显，对提高黄铜的铸造性能非常有利。本发明中选择性添加元素的含量分别控制如下：钙(Ca)0.3％-0.5％，钡(Ba)0.3％-0.5％。钙或钡的含量再进一步提高，黄铜的硬度提高，不利于切削性能的提高且对流动性的改善也基本达到峰值，钙或钡的含量均不超过0.5％。铅在黄铜中的作用机理是非常清楚的，它既对黄铜的流动性有明显的改善，也对断屑有良好的作用，所以黄铜中的少量铅对提高黄铜的铸造性能和切削性能极为有利。

    必须指出的是，单独就某一种元素对黄铜的切削性能影响，基本是清楚的，无论是从影响机理还是在影响规律上来看，有比较公认的看法。但多种元素加在一起的时候，我们已经不能用简单的叠加法去推测其影响规律。多种元素加在一起，由于可能会有复杂的反应与生成物，同时还能互相溶解，因此其影响非常复杂，很多机理也尚不清楚。很多时候还处在半理论、半经验的状态。所以对多元素无铅易切削黄铜的开发上，只能在理论基础上去运用试错实验，这样就需要大量的实验才能确定优化的黄铜成分。在本发明黄铜中，微观组织中有大量弥散分布的多元素反应生成的脆性金属间化合物粒子，如：Cu₃Mn2Al，ε相，Mn₂Si，β′相及其他一些富含锆、钒的结构与组成尚不清楚的金属间化合物相。β′是有序体心晶体结构金属间化合物，比β相硬脆，对提高切削性能是有利的。

    本发明黄铜的流动性好，具有优异的铸造性能，同时黄铜的微观组织有利于断屑，其切削性能优良。

    【具体实施方式】

    实施例1：

    低铅易切削黄铜的成分质量分数为：铜(Cu)56.0％，锰(Mn)2.0％，锑(Sb)2.1％，铅(Pb)0.18％，铝(Al)0.2％，钙(Ca)0.3％，余量为锌(Zn)，杂质总量不超过0.05％。准备原材料后，首先将紫铜板熔化，后续加料顺序为：铝、锑、铅、锰、钙，最后加入锌。待所有合金元素熔化后，升温、喷火、出炉浇入铁模和砂型。得到切削加工试样和螺旋形试样，分别测试合金的布氏硬度、切削性能、流动性，计算细屑百分数，观察凹坑形貌。结果发现，该成分的黄铜布氏硬度为HB91.2，细屑百分比为28.5％，流动性为61cm，切削性能相当于HPb59-1的84％。对凹坑形貌观察发现，只能看到形变范围，隆突已不易辨认，且坑内形变硬化不明显。

    实施例2：

    低铅易切削黄铜的成分质量分数为：铜(Cu)56.0％，锰(Mn)2.1％，锑(Sb)2.2％，铅(Pb)0.18％，铝(Al)0.2％，钙(Ca)0.4％，余量为锌(Zn)，杂质总量不超过0.05％。准备原材料后，首先将紫铜板熔化，后续加料顺序为：铝、锑、铅、锰、钙，最后加入锌。待所有合金元素熔化后，升温、喷火、出炉浇入铁模和砂型。得到切削加工试样和螺旋形试样，分别测试合金的布氏硬度、切削性能、流动性，计算细屑百分数，观察凹坑形貌。结果发现，该成分的黄铜布氏硬度为HB90.6，细屑百分比为28.9％，流动性为63cm，切削性能相当于HPb59-1的90％。对凹坑形貌观察发现，只能看到形变范围，隆突已不易辨认，且坑内形变硬化不明显。

    实施例3：

    低铅易切削黄铜的成分质量分数为：铜(Cu)60.0％，锰(Mn)2.2％，锑(Sb)2.3％，铅(Pb)0.2％，铝(Al)0.3％，钙(Ca)0.3％，余量为锌(Zn)，杂质总量不超过0.05％。准备原材料后，首先将紫铜板熔化，后续加料顺序为：铝、锑、锰、铅、钙，最后加入锌。待所有合金元素熔化后，升温、喷火、出炉浇入铁模和砂型。得到切削加工试样和螺旋形试样，分别测试合金的布氏硬度、切削性能、流动性，计算细屑百分数，观察凹坑形貌。结果发现，该成分的黄铜布氏硬度为HB91.4，细屑百分比为28.2％，流动性为69cm，切削性能相当于HPb59-1的84％。对凹坑形貌观察发现，只能看到形变范围，隆突已不易辨认，且坑内形变硬化不明显。

    实施例4：

    低铅易切削黄铜的成分质量分数为：铜(Cu)64.0％，锰(Mn)2.1％，锑(Sb)2.2％，铅(Pb)0.18％，铝(Al)0.2％，钙(Ca)0.5％，余量为锌(Zn)，杂质总量不超过0.05％。该成分的黄铜布氏硬度为HB90.9，细屑百分比为28.1％，流动性为68cm，切削性能相当于HPb59-1的85％。

    实施例5：

    低铅易切削黄铜的成分质量分数为：铜(Cu)68.0％，锰(Mn)2.0％，锑(Sb)2.4％，铅(Pb)0.2％，铝(Al)0.3％，钙(Ca)0.3％，余量为锌(Zn)，杂质总量不超过0.05％。该成分的黄铜布氏硬度为HB91.4，细屑百分比为28.1％，流动性为67cm，切削性能相当于HPb59-1的86％。

    实施例6：

    低铅易切削黄铜的成分质量分数为：铜(Cu)60.0％，锰(Mn)2.2％，锑(Sb)2.3％，铅(Pb)0.18％，铝(Al)0.3％，钙(Ca)0.4％，余量为锌(Zn)，杂质总量不超过0.05％。该成分的黄铜布氏硬度为HB90.9，细屑百分比为27.9％，流动性为67cm，切削性能相当于HPb59-1的88％。

    实施例7：

    低铅易切削黄铜的成分质量分数为：铜(Cu)64.0％，锰(Mn)2.3％，锑(Sb)2.2％，铅(Pb)0.2％，铝(Al)0.2％，钙(Ca)0.3％，余量为锌(Zn)，杂质总量不超过0.05％。该成分的黄铜布氏硬度为HB92.2，细屑百分比为27.8％，流动性为70cm，切削性能相当于HPb59-1的80％。

    实施例8：

    低铅易切削黄铜的成分质量分数为：铜(Cu)68.0％，锰(Mn)2.1％，锑(Sb)2.1％，铅(Pb)0.2％，铝(Al)0.2％，钙(Ca)0.3％，余量为锌(Zn)，杂质总量不超过0.05％。该成分的黄铜布氏硬度为HB91.4，细屑百分比为28.0％，流动性为70cm，切削性能相当于HPb59-1的81％。

    实施例9：

    低铅易切削黄铜的成分质量分数为：铜(Cu)56.0％，锰(Mn)2.1％，锑(Sb)2.1％，铅(Pb)0.2％，铝(Al)0.3％，钡(Ba)0.3％，余量为锌(Zn)，杂质总量不超过0.05％。该成分的黄铜布氏硬度为HB91.2，细屑百分比为28.3％，流动性为64cm，切削性能相当于HPb59-1的83％。对凹坑形貌观察发现，只能看到形变范围，隆突已不易辨认，且坑内形变硬化不明显。

    实施例10：

    低铅易切削黄铜的成分质量分数为：铜(Cu)56.0％，锰(Mn)2.2％，锑(Sb)2.3％，铅(Pb)0.18％，铝(Al)0.2％，钡(Ba)0.4％，余量为锌(Zn)，杂质总量不超过0.05％。该成分的黄铜布氏硬度为HB90.5，细屑百分比为28.8％，流动性为63cm，切削性能相当于HPb59-1的89％。对凹坑形貌观察发现，只能看到形变范围，隆突已不易辨认，且坑内形变硬化不明显。

    实施例11：

    低铅易切削黄铜的成分质量分数为：铜(Cu)60.0％，锰(Mn)2.2％，锑(Sb)2.3％，铅(Pb)0.2％，铝(Al)0.3％，钡(Ba)0.3％，余量为锌(Zn)，杂质总量不超过0.05％。该成分的黄铜布氏硬度为HB91.2，细屑百分比为28.1％，流动性为71cm，切削性能相当于HPb59-1的84％。对凹坑形貌观察发现，只能看到形变范围，隆突已不易辨认，且坑内形变硬化不明显。

    实施例12：

    低铅易切削黄铜的成分质量分数为：铜(Cu)64.0％，锰(Mn)2.1％，锑(Sb)2.2％，铅(Pb)0.18％，铝(Al)0.2％，钡(Ba)0.5％，余量为锌(Zn)，杂质总量不超过0.05％。该成分的黄铜布氏硬度为HB91.9，细屑百分比为27.7％，流动性为67cm，切削性能相当于HPb59-1的83％。对凹坑形貌观察发现，只能看到形变范围，隆突已不易辨认，且坑内形变硬化不明显。

    实施例13：

    低铅易切削黄铜的成分质量分数为：铜(Cu)68.0％，锰(Mn)2.0％，锑(Sb)2.3％，铅(Pb)0.2％，铝(Al)0.3％，钡(Ba)0.3％，余量为锌(Zn)，杂质总量不超过0.05％。该成分的黄铜布氏硬度为HB91.6，细屑百分比为28.3％，流动性为65cm，切削性能相当于HPb59-1的83％。对凹坑形貌观察发现，只能看到形变范围，隆突已不易辨认，且坑内形变硬化不明显。

    实施例14：

    低铅易切削黄铜的成分质量分数为：铜(Cu)60.0％，锰(Mn)2.1％，锑(Sb)2.4％，铅(Pb)0.18％，铝(Al)0.3％，钡(Ba)0.4％，余量为锌(Zn)，杂质总量不超过0.05％。该成分的黄铜布氏硬度为HB90.6，细屑百分比为28.6％，流动性为67cm，切削性能相当于HPb59-1的88％。对凹坑形貌观察发现，只能看到形变范围，隆突已不易辨认，且坑内形变硬化不明显。

    实施例15：

    低铅易切削黄铜的成分质量分数为：铜(Cu)64.0％，锰(Mn)2.3％，锑(Sb)2.2％，铅(Pb)0.2％，铝(Al)0.2％，钡(Ba)0.3％，余量为锌(Zn)，杂质总量不超过0.05％。该成分的黄铜布氏硬度为HB91.0，细屑百分比为28.7％，流动性为62cm，切削性能相当于HPb59-1的88％。

    实施例16：

    低铅易切削黄铜的成分质量分数为：铜(Cu)68.0％，锰(Mn)2.2％，锑(Sb)2.3％，铅(Pb)0.2％，铝(Al)0.3％，钡(Ba)0.5％，余量为锌(Zn)，杂质总量不超过0.05％。该成分的黄铜布氏硬度为HB91.1，细屑百分比为28.4％，流动性为67cm，切削性能相当于HPb59-1的85％。