权利要求
1.一种易切削环保黄
铜合金，其特征在于，所述易切削环保黄
铜合金，以质量百分比计，包括以下组分：
Zn：32%～36%;Al：0.8%～1.2%;Mg：0.4%～0.6%;Ca：0.4%～0.6%;Ga：0.4%～0.6%;La：0.1%～0.3%;Ce：0.1%～0.3%;Dy：0.1%～0.3%;余量为Cu。
2.根据权利要求1所述的易切削环保黄铜合金，其特征在于，所述易切削环保黄铜合金的维氏硬度为180-195HV，抗拉强度为559-602MPa，切削力为372-406N，表面粗糙度为3.338-3.625μm。
3.一种权利要求1或2任一项所述的易切削环保黄铜合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.按照预设原料配方称取纯铜、纯
锌、纯
锰、纯
镍、纯铬和纯
钴，加热熔炼，再倒入模具浇筑，得到铸锭;
S2.去除铸锭表面缺陷，再进行均匀化处理，水冷冷却后得到均匀化铸锭;
S3.对均匀化铸锭进行加热保温，再进行热轧，得到合金板材;
S4.对合金板材进行若干道次冷轧处理，得到合金板材2;
S5.对合金板材2加热保温进行固溶处理，冷却后得到固溶后的合金板材;
S6.对固溶后的合金板材加热保温进行时效处理，冷却后得到所述易切削环保黄铜合金。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述加热熔炼的温度为1200～1300℃，时间为2-4h。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述均匀化处理的工艺条件为：在850～920℃的温度下，保温4～8h;所述冷却为水冷冷却。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述加热保温的温度为800～850℃，保温时间为1～3h;所述热轧的型变量为60～80%，轧制道次为1-6次。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述冷轧的形变量为70～90%，轧制道次为2-10次。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S5中，所述固溶处理的温度为840～880℃，保温时间为4～8h;所述冷却采用水冷冷却。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S6中，所述时效处理的温度为300～500℃，保温时间为6～10h。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于铜合金制备领域，具体涉及一种易切削环保黄铜合金及其制备方法。
背景技术
[0002]黄铜合金作为铜锌基固溶体材料，凭借其优异的机械性能、加工性能及耐腐蚀性能，已成为水暖卫浴(占比45%)、电子接插件(占比28%)、汽车零部件(占比17%)等领域的核心材料。传统易切削
铅黄铜(如C3560：Cu 62-65%、Pb 0.8-1.9%、Ni 0-1.0%、Zn余量)通过添加0.8-3.0%铅元素，利用铅单质相在晶界形成"润滑-断裂"机制，使切屑平均长度缩短至未改性黄铜的1/3，显著提升加工效率。然而，铅(Pb)的神经毒性(WHO限值0.01mg/L)和镍(Ni)的致敏性(接触性皮炎发病率达12-18%)导致全球范围内47个国家实施铅含量≤0.25%的强制标准(如欧盟RoHS指令2011/65/EU)，直接导致传统铅黄铜在医疗器械、饮用水系统等领域的市场份额下降63%。
[0003]现有无铅替代技术存在显著技术瓶颈，其中铋(Bi)黄铜虽能形成类似铅的晶界相，但需添加量达1.5-3.0%(成本增加40%)，且高温加工时Bi相偏聚导致材料脆性断裂风险提升2-3倍。硅(Si)黄铜(HSi80-3)因固溶强化效应使切削力增加30%，刀具磨损率提高50%。锑(Sb)-
锡(Sn)复合体系(Sb 0.4%、Sn 1.0%)虽能将切削性能提升至铅黄铜的85%，但材料在湿热环境(85℃/85%RH)中腐蚀速率达0.35mm/a，远超传统黄铜的0.02mm/a。铋基黄铜废料回收率不足30%(铅黄铜为92%)，因Bi-Zn二元合金相图存在共晶偏析，导致二次熔炼时产生硬脆相。因此，开发一种不含铅、镍元素的易切削环保黄铜合金，降低其危害影响，具有重要意义。
发明内容
[0004]本发明的目的之一在于提供一种易切削环保黄铜合金，通过往黄铜合金中添加
铝、镁、钙、镓等元素，替代有毒元素铅和镍，同时添加少量
稀土元素(镧、铈、镝)净化合金成分，细化基体组织，降低析出相在晶界处的聚集度，提高合金的机械性能、加工性能和耐腐蚀性能，有效破除铅黄铜合金的使用限制。
[0005]本发明的目的之二在于提供所述易切削环保黄铜合金的制备方法。
[0006]本发明提供一种易切削环保黄铜合金，所述易切削环保黄铜合金，以质量百分比计，包括以下组分：
[0007]Zn：32%～36%;Al：0.8%～1.2%;Mg：0.4%～0.6%;Ca：0.4%～0.6%;Ga：0.4%～0.6%;La：0.1%～0.3%;Ce：0.1%～0.3%;Dy：0.1%～0.3%;余量为Cu。
[0008]进一步的，所述易切削环保黄铜合金的维氏硬度为180-195HV，抗拉强度为559-602MPa，切削力为372-406N，表面粗糙度为3.338-3.625μm。
[0009]本发明还提供一种易切削环保黄铜合金的制备方法，包括以下步骤：
[0010]S1.按照预设原料配方称取纯铜、纯锌、纯锰、纯镍、纯铬和纯钴，加热熔炼，再倒入模具浇筑，得到铸锭;
[0011]S2.去除铸锭表面缺陷，再进行均匀化处理，水冷冷却后得到均匀化铸锭;
[0012]S3.对均匀化铸锭进行加热保温，再进行热轧，得到合金板材;
[0013]S4.对合金板材进行若干道次冷轧处理，得到合金板材2;
[0014]S5.对合金板材2加热保温进行固溶处理，冷却后得到固溶后的合金板材;
[0015]S6.对固溶后的合金板材加热保温进行时效处理，冷却后得到所述易切削环保黄铜合金。
[0016]进一步的，步骤S1中，所述加热熔炼的温度为1200～1300℃，时间为2-4h。
[0017]优选的，所述铸锭的规格为20*20*100mm。
[0018]进一步的，步骤S2中，所述均匀化处理的工艺条件为：在850～920℃的温度下，保温4～8h;所述冷却为水冷冷却。
[0019]进一步的，步骤S3中，所述加热保温的温度为800～850℃，保温时间为1～3h;所述热轧的型变量为60～80%，轧制道次为1-6次;
[0020]进一步的，步骤S4中，所述冷轧的形变量为70～90%，轧制道次为2-10次。
[0021]进一步的，步骤S5中，所述固溶处理的温度为840～880℃，保温时间为4～8h;所述冷却采用水冷冷却。
[0022]进一步的，步骤S6中，所述时效处理的温度为300～500℃，保温时间为6～10h。
[0023]本发明的原理：
[0024]本发明通过往黄铜合金中添加铝、镁、钙、镓等元素，替代有毒元素铅和镍，提高合金的机械性能、加工性能和耐腐蚀性能。同时添加少量稀土元素(镧、铈、镝)净化合金成分，细化基体组织，降低析出相在晶界处的聚集度，进一步优化合金的性能。经过合适的形变热处理工艺，制备出一种环保易切削的黄铜合金，具备高强度、耐腐蚀、易加工等优异性能,合金成分中不含有铅和镍有毒元素，避免对人体和环境的危害，可有效破除铅黄铜合金的使用限制。
[0025]本发明的有益效果：
[0026](1)本发明通过合金原料配比设计，往合金中，加入铝、镁、钙、镓等元素替代有毒元素铅和镍，提高合金的机械性能、加工性能和耐腐蚀性能;
[0027](2)本发明方法设计了新型铜
锌合金的形变热处理工艺，充分发挥合金元素的固溶强化和第二相强化，提高了合金的强度、耐腐蚀、易加工等优异性能;
[0028](3)本发明通过设计优化合金成分，使得合金成分中不含有铅和镍有毒元素，避免对人体和环境的危害，可有效破除铅黄铜合金的使用限制。
附图说明
[0029]图1为实施例1所得合金的铸态组织金相;
[0030]图2为实施例1所得合金的热轧态组织金相;
[0031]图3为实施例1所得合金的冷轧态组织金相;
[0032]图4为实施例1所得合金的拉伸应力-应变曲线图;
[0033]图5为实施例1所得合金经过切削后样品的表面形貌。
具体实施方式
[0034]实施例1
[0035](1)熔炼：称取锌：34%、铝：1.0%、镁：0.5%、钙：0.5%、镓：0.5%、镧：0.2%、铈：0.2%、镝：0.2%、余量为铜按照质量比备用(纯度≥99.99%)。采用中频炉将铜、锌、铝加热至1250℃，利用铜皮包裹镁、钙、镓、镧、铈、镝压入到铜液中，降低烧损率。合金元素全部熔化后，采用木炭覆盖静置2h，倒入到水冷模具中冷却，得到20x20x100mm合金铸锭。
[0036](2)均匀化处理：铸锭除去表面的缺陷后，在900℃温度下保温6h均匀化处理，水冷快速冷却。
[0037](3)轧制：冷却后的铸锭在820℃温度下保温2h后进行热轧，变形量为70%，按照40%、30%、30%道次变形量分3次热轧，热轧完后水冷冷却，得到合金板材;将合金板材去除边部缺陷后进行冷轧，变形量为85%，按照50%、30%、30%、20%、20%道次变形量分5次冷轧。
[0038](4)时效：冷轧板材去除边部缺陷后在860℃温度下保温6h进行固溶处理，水冷冷却后进行时效，时效温度为400℃，时效时间为8h，水冷冷却后测量合金的性能。
[0039]实施例2
[0040](1)熔炼：称取锌：34.2%、铝：1.1%、镁：0.48%、钙：0.52%、镓：0.53%、镧：0.19%、铈：0.21%、镝：0.22%、余量为铜按照质量比备用(纯度≥99.99%)。采用中频炉将铜、锌、铝加热至1260℃，利用铜皮包裹镁、钙、镓、镧、铈、镝压入到铜液中，降低烧损率。合金元素全部熔化后，采用木炭覆盖静置2h，倒入到水冷模具中冷却，得到20x20x100mm合金铸锭。
[0041](2)均匀化处理：铸锭除去表面的缺陷后，在890℃温度下保温6h均匀化处理，水冷快速冷却。
[0042](3)轧制：冷却后的铸锭在825℃温度下保温2h后进行热轧，变形量为75%，按照40%、35%、35%道次变形量分3次热轧，热轧完后水冷冷却，得到合金板材;将合金板材去除边部缺陷后进行冷轧，变形量为80%，按照50%、30%、30%、10%、10%道次变形量分5次冷轧。
[0043](4)时效：冷轧板材去除边部缺陷后在860℃温度下保温6h进行固溶处理，水冷冷却后进行时效，时效温度为400℃，时效时间为8h，水冷冷却后测量合金的性能。
[0044]实施例3
[0045]与实施例1相比，合金成分为锌：34.0%、铝：1.0%、镁：0.40%、钙：0.40%、镓：0.40%、镧：0.20%、铈：0.20%、镝：0.20%、余量为铜，其他步骤完全相同。
[0046]实施例4
[0047]与实施例1相比，合金成分为锌：34.0%、铝：1.0%、镁：0.60%、钙：0.60%、镓：0.60%、镧：0.20%、铈：0.20%、镝：0.20%、余量为铜，其他步骤完全相同。
[0048]实施例5
[0049]与实施例1相比，合金成分为锌：34.0%、铝：1.0%、镁：0.50%、钙：0.50%、镓：0.50%、镧：0.10%、铈：0.10%、镝：0.10%、余量为铜，其他步骤完全相同。
[0050]实施例6
[0051]与实施例1相比，合金成分为锌：34.0%、铝：1.0%、镁：0.50%、钙：0.50%、镓：0.50%、镧：0.30%、铈：0.30%、镝：0.30%、余量为铜，其他步骤完全相同。
[0052]实施例7
[0053]与实施例1相比，合金成分为锌：34.2%、铝：0.8%、镁：0.50%、钙：0.50%、镓：0.50%、镧：0.20%、铈：0.20%、镝：0.20%、余量为铜，其他步骤完全相同。
[0054]实施例8
[0055]与实施例1相比，合金成分为锌：34.1%、铝：1.2%、镁：0.50%、钙：0.50%、镓：0.50%、镧：0.20%、铈：0.20%、镝：0.20%、余量为铜，其他步骤完全相同。
[0056]实施例9
[0057]与实施例1相比，合金成分为锌：33.8%、铝：0.8%、镁：0.40%、钙：0.40%、镓：0.40%、镧：0.10%、铈：0.10%、镝：0.10%、余量为铜，其他步骤完全相同。
[0058]实施例10
[0059]与实施例1相比，合金成分为锌：34.3%、铝：1.2%、镁：0.60%、钙：0.60%、镓：0.60%、镧：0.30%、铈：0.30%、镝：0.30%、余量为铜，其他步骤完全相同。
[0060]对比例1
[0061]与实施例1相比，合金成分为锌：34.1%、铅：1.6%、铝：0.4%、镍：0.6%、铁：0.05%、余量为铜，其他步骤完全相同。
[0062]对比例2
[0063]与实施例1相比，合金成分为锌：34.1%、铅：0.8%、铝：0.2%、镍：0.2%、铁：0.02%、余量为铜，其他步骤完全相同。
[0064]对比例3
[0065]与实施例1相比，合金成分为锌：34.3%、铅：1.9%、铝：0.5%、镍：0.9%、铁：0.08%、余量为铜，其他步骤完全相同。
[0066]对比例4
[0067]与实施例1相比，合金成分为锌：33.9%、铝：1.0%、镁：0.50%、钙：0.50%、镓：0.50%、余量为铜，其他步骤完全相同。
[0068]对比例5
[0069]与实施例1相比，合金成分为锌：34.0%、铝：1.0%、镧：0.20%、铈：0.20%、镝：0.20%、余量为铜，其他步骤完全相同。
[0070]表1对比例和实施例合金成分表
[0071]
[0072]
[0073]对以上实施例及对比例所得合金进行力学性能测试，结果如下表：
[0074]表2对比例和实施例合金性能对比
[0075]
序号维氏硬度(Hv)抗拉强度(MPa)切削力(N)表面粗糙度(μm)实施例11885853863.445实施例21905893823.412实施例31845723923.495实施例41895883843.424实施例51865793903.471实施例61905893813.419实施例71845713943.512实施例81935993723.376实施例91805594063.625实施例101956023723.338对比例11765464123.723对比例21655124654.157对比例31835683993.572对比例41845713953.514对比例51775494103.689
[0076]从实施例和对比例的性能对比可知，本发明设计的易切削环保黄铜合金的力学性能和切削性能优于传统的C3560铅黄铜。合金中不含有铅、镍等有害元素，可替代C3560铅黄铜用于水暖卫浴、电子接插件、装饰件等行业。往黄铜合金中添加铝、镁、钙、镓等元素，替代有毒元素铅和镍，同时添加少量稀土元素(镧、铈、镝)净化合金成分，细化基体组织，降低析出相在晶界处的聚集度，提高合金的机械性能、加工性能和耐腐蚀性能，有效破除铅黄铜合金的使用限制。合金经过形变热处理后，铝、镁、钙、镓等元素以化合物的形式存在于基体中，通过固溶强化和第二相强化提高合金的力学性能，防止合金在服役过程中出现失效风险。同时，合金元素以化合物的形式均匀分布在合金基体中，在切削加工过程中起到润滑作用，避免出现粘刀具的情况。传统的C3560铅黄铜含有大量的铅、镍等元素，能够提高合金的强度和切削性能，但是铅、镍为有毒元素，限制了其在诸多应用场景的使用。对比实施例1和实施例10的性能可知，增加了铝、镁、钙、镓、镧、铈、镝等元素的含量，力学性能和切削性能提升幅度不大，仅提高了合金的成本和合金的制备难度。通过综合性能对比，新设计的易切削环保黄铜合金的成分为Cu-34Zn-1.0Al-0.5Mg-0.5Ca-0.5Ga-0.2La-0.2Ce-0.2Dy。
说明书附图(5)
声明：
“易切削环保黄铜合金及其制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
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编辑：北方有色网
来源：湘潭新煌新材料有限公司, 广水新煌新材料有限公司
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