[发明专利]一种无铅易切削高硫含锰铜合金及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属材料及其制造方法，特别是无铅易切削铜合金及其制造方法。

背景技术

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要求。铅黄铜一度被世界公认为一种重要的基础金属材料而广泛应用到民用供水系统、电子、汽车及机械制造等领域。由于铅黄铜被广泛使用，废弃的铅黄铜零配件数量很多,其中只有少量被回收利用，很多小件被作为垃圾遗弃。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，而是以单质微颗粒的形式存在于晶界，有时在晶内也有。在饮用水中的杂质及离子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，如添加少量的锡、镍等合金元素来提高铅黄铜的耐蚀性能，或将一定厚度的可溶性铅溶解去除然后在除铅的表面再覆盖铬等耐蚀金属或采取其它的方法抑制铅的浸出等。由于基体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。以铅元素作为一种主要元素改善黄铜切削性能的铅黄铜在环保法令的规定下，不得不逐步退出历史的舞台。

无论从国内外的环保法律法规，还是从技术经济的角度出发，对铅黄铜再进行修修补补的改进已无大的价值，唯有开发无铅的新型铜合金。人们对金属、合金、化合物的研究有一个长期积累的过程，对其特性的认识已相当丰富。铋、锑、镁、磷、硅、硫、钙、碲、硒等元素加入到铜合金中对其切削性能的改善已取得共识，国内外都有大量的专利公开。必须指出的是，与易切削铅黄铜相比，目前所有的无铅易切削铜合金的加工性能、使用性能及成本，如：冷热加工性能、切削加工性能等工艺性能或抗脱锌性能、耐氨薰性能等使用性能或多或少地存在一些问题，其综合性能及性价比与铅黄铜相比差距还比较大。以金属铋作为改善切削性能的主要元素时，由于铋的价格贵，市场无法接受高铋含量的铜合金。低铋含量铜合金的切削性能虽然也比较好，但与铅黄铜相比还存在较大差距。另一方面，铋离子对人体健康的影响至今还不是很明确，其副作用的大小尚无定论，在一些国家和地区还不愿意接受铋黄铜。铋资源的有限性，也注定其不能做为易切削含铅铜合金中铅的主要替代元素。铋会使铜合金产生脆性，严重恶化铜合金的压力加工性能，特别是热加工性能，其回收料甚至会危害整个铜加工行业，这会严重降低其回收价值，对含铋易切削铜合金的市场推广不利。锑是对人体有微毒的元素，其在水中的浸出浓度受到非常严格的限制，尽管锑黄铜的切削性能也较好，但其使用亦受到很大的限制。锑黄铜的热加工性能也不太理想；锑的价格也不便宜，对其市场推广也不利。镁能明显改善黄铜的切削性能，但其添加量不能过多，当其质量分数超过0.2％时，合金的延伸率开始下降，添加量越多，其延伸性能下降越明显，对黄铜的使用性能不利，这也不利于镁黄铜的应用。镁是非常容易烧损的元素，这对铜合金镁的含量控制带来很大的挑战，对其生产过程中的成分控制也是不利的。磷添加到黄铜中有利于改善其切削性能，但同时降低合金的塑性，低压铸造时合金热裂倾向增大。这使磷在黄铜中的添加量受到很大的限制，也使磷黄铜的使用受到很大限制。由于锡、碲、硒价格高昴，锡黄铜以及含碲、硒黄铜很难在市场广泛推广。锡对改善铜合金切削性能的作用亦非常有限。已有专利硅黄铜分两种，一种是低锌硅黄铜，如C69300，由于含铜量高，密度偏高，价格贵，市场份额不大。另一种是高锌硅黄铜，切削性能不足。硫的熔点仅为113℃，沸点也仅445℃，在铜合金的生产过程中很容易进入周围环境而成为污染源，在环保法规越来越严格的今天，其生产的无污染也是个难题，这也对其应用推广极为不利。铜合金中没有锰时，硫在铜合金中通常以低熔点的共晶存在于晶界，使铜合金产生脆性，硫系易切削铜合金进行压力加工的难度一般比较大、成本也比较高。当黄铜熔体中存在锰时，如果加入硫或与硫亲和力小于锰与硫亲和力的硫化物，硫或硫化物就会和锰反应生成硫化锰，在铜合金熔体中以渣的形式浮出，使硫的切削作用明显减弱直至消失。黄铜中锌的含量高，锌是易挥发元素，黄铜熔体中的锰元素与硫元素生成的硫化锰很容易被气态锌带到熔体表面，而且黄铜生产中在出炉之前通常采用喷火工艺以脱气，这会使所生成的硫化锰渣大量被带到熔体表面而以渣的形式去除，这也是铸造黄铜中锰与硫很难共存的重要原因之一。已公开中国发明专利201110035313.7在实验室小锭制备中有较好的效果，但是正如其权利要求3所述，必须“快速加锌，加锌完成后立即浇铸成铸锭”，在工业化大规模生产中，无法满足上述条件，硫化锰生成物的易切削作用随着铜合金熔体停留时间的延长快速减弱直至消失。而且随着硫含量增加，所生成的硫化锰越多，其变成渣上浮得越快，其切削作用的减弱也越明显。从硫化锰在铜合金中的易切削机理中可知，在不显著恶化铜合金的工艺性能和使用性能的条件下，硫含量越高、硫化锰生成物越多，合金的切削加工性能越好，但是用熔铸法生产时，硫化锰反而更容易浮出熔体，使其提高切削性能的作用减弱得越快，这说明高硫含锰铜合金不宜用熔铸法生产制造。在实际开发中，工程技术人员大多采用合金元素多元化的方法，在铜合金中复合添加多种对切削性能有改进作用的合金元素。但实践证明，添加多种改善切削性能元素的方法也并不理想，一方面，由于元素之间的相互作用，有的会相互降低改善切削性能的效果。另一方面，由于添加多种金属元素后，会产生合金强化的效果，使铜合金的强度、硬度都提高，在一定程度还会降低铜合金的压力加工和机加工性能。而且稀、贵元素的加入量过多也会使铜合金的成本提高，对市场推广应用也不利。利用多种元素的叠加来改善铜合金的工艺性能与使用性能也有很大的局限性。