[发明专利]一种高强耐蚀高导热易切削无铅环保硅黄铜及其制备与应用

说明书

本发明公开了一种高强耐蚀高导热易切削无铅环保硅黄铜及其制备与应用。所述无铅硅黄铜的元素质量百分比为Cu 56～64％，Zn 35～42％，Al 0.2～1.5％，Si 0.5～1.5％，Ti 0.03～0.06％，B 0.003～0.01％，Re 0.03～0.06％，其制备工艺包括成分设计、材料或零件制备、热处理等三个工序，尤其是其热处理工艺为600℃±50℃固溶处理加230℃±20℃时效处理，其微观组织为200～500nm的α相、γ相或金属间化合物弥散分布在β相基体上，使得无铅硅黄铜合金具有优异的力学性能、易切削性能、高耐蚀性、高热导率等良好的综合物化性能。

技术领域

本发明属于铜合金制备技术领域，具体涉及一种高强耐蚀高导热易切削无铅环保硅黄铜及其制备与应用。

背景技术

黄铜作为一种重要的工程材料，广泛应用于热水器阀门、卫浴主体及配件、空调阀门、通讯链接器五金配件、家用五金、散热器、电子仪器、低温管路、航空航天、船舶等各个领域。通常，在黄铜中加入质量分数为1-3％的铅以改善其切削性能。铅极少固溶于Cu-Zn基体，以独立相弥散分布于合金基体中。质软且熔点低的铅质点犹如基体中的孔洞，在切削加工时易产生应力集中，使切屑呈崩碎状断裂，从而实现铅黄铜的高速切削，并获得光洁表面。因此，铅黄铜被称为易切削黄铜。然而，铅对人体的造血、神经和消化等系统有害。当铅黄铜用于与水环境接触的卫浴等产品时，铅会以离子形式析出，严重危害人体健康、污染生态环境。近年来，世界各国相继颁布了相关的法规来限制铅等有害元素在黄铜中的使用，开发对人体和环境无害的无铅黄铜已成为必然趋势。

目前对于无铅黄铜的研究，主要有以铋代铅、以锑代铅、以镁代铅、以石墨代铅、以硫代铅、以钙代铅和以硅代铅等。然而，铋为稀缺资源，同时在黄铜中容易发生晶界偏析。锑为有毒重金属，且易形成脆性化合物。镁黄铜在熔炼时易吸气、氧化，熔炼工艺复杂。石墨和钙密度低，熔炼时易上浮和氧化烧损。硫黄铜中形成的脆性相Cu₂S常分布在晶界，使黄铜的热加工性能严重恶化。在这些开发的无铅黄铜中，无铅硅黄铜被认为是经济上和环境上可行的铅黄铜替代品，因为硅元素在世界范围内储量丰富并且对环境有益。在不加Pb的情况下，为了实现易切削的目的，通常需采用特种铸造方法以获得易切削的组织，生产工艺复杂。而热处理是实现合金微观组织调控的最简单易行的方法，同时还可实现合金各项性能指标的综合优化。参考文献1(李丹阳等，材料热处理学报,2017,38(4):71-77)研究了600～800℃退火处理对65CuZn1Si(α+βphase)和65CuZn3Si(β+γphase)无铅硅黄铜合金组织及性能的影响。研究表明，在水冷条件下，退火温度越高，α相和γ相尺寸越小。细小弥散的γ相可起到类似于铅质点的断屑作用，提高合金的断屑性能。65CuZn3Si合金水冷退火后的显微硬度(294～357HV)、切削性能和耐电化学腐蚀性能均优于铸态。参考文献2(闫静等，材料热处理学报,2007,28(3):85-88)对无铅铋黄铜研究表明，由于冷变形使合金内部产生了大量位错、空位和残余应力，促进了黄铜的脱锌腐蚀过程。在200～350℃退火时，随着退火温度升高，合金的平均脱锌深度先减小后增大。在250℃退火处理后冷加工黄铜的耐脱锌腐蚀性能最好，此时平均脱锌层厚度在175～200μm之间。参考文献3(Toulfatzis等，Metals,2018,8(8):575；Materials Science and Technology,2016,32(17):1771-1781)通过700-850℃固溶处理减少CuZn42、CuZn38As和CuZn36三种无铅黄铜中β相向α相转变，从而降低β相的体积分数，在保证合金强度(396MPa)和塑性(44％)的同时，热处理后合金的断屑能力亦得到提高。

可见，对于黄铜的热处理相关研究涉及内容比较分散。一方面，可以通过热处理减少β相含量以提高合金耐脱锌腐蚀性能；另一方面，可以通过热处理减少α相含量以提高合金的强度并改善切削性能，然而这又影响合金的耐蚀性能。对于本发明中所涉及的无铅硅黄铜合金，在其制备过程中，使用既定的成形工艺很难实现其微观组织的有效调控，使得合金各项性能指标难实现综合优化。因此，制定合适的热处理工艺来调控其微观组织以获得良好的综合性能，是当下亟需解决的关键问题。