本發(fā)明屬于環(huán)保黃銅合金領(lǐng)域，具體涉及一種無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

鉛黃銅有著優(yōu)異的切削性能、綜合性能以及價(jià)格的優(yōu)勢，在水暖衛(wèi)浴、電器電子、儀器儀表、機(jī)械制造等各種領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但是鉛元素會在加工生產(chǎn)或使用過程中析出，進(jìn)而危害人體健康。隨著人們對健康與環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，發(fā)達(dá)國家很早就已經(jīng)對鉛黃銅進(jìn)行限制和禁止，我國也加緊了對無鉛黃銅的研究與應(yīng)用。高銅硅黃銅的銅含量高達(dá)70%以上，綜合性能雖好，但成本過高，不易推廣應(yīng)用，而低銅硅黃銅又因?yàn)棣孟嗟漠a(chǎn)生，硬度值高，切削力高，切削性能不佳，有待進(jìn)一步改善。

硅、鎂、磷部分溶于銅，與銅形成金屬間化合物，形成的化合物彌散分布于基體中，在切削時產(chǎn)生“切口效應(yīng)”有利于斷屑。同時硅、鋁元素的添加會使黃銅的耐腐蝕能力增強(qiáng)，錫元素可以顯著地提高合金的耐腐蝕性能。國內(nèi)有許多研究工作者對硅黃銅、鎂黃銅、磷鈣黃銅及其硅、鎂、磷元素的作用都有過研究，但主要是對單個元素進(jìn)行研究。在研究過程中還存在關(guān)鍵問題需要解決，添加單一的1～2種主要元素，加入量太多，一方面在熔煉時易氧化燒損，很難控制合金的質(zhì)量，另一方面會使材料的硬度太高；加入量太少又不能形成有效的斷屑質(zhì)點(diǎn)，切削性能不理想，以至于很難推廣應(yīng)用。

基于硅黃銅與添加其他元素的研究現(xiàn)狀，本發(fā)明是通過復(fù)合添加硅、鎂、磷以及少量的鋁、錫、硼、稀土等元素，并嚴(yán)格控制硅、鎂、磷等元素的添加量及添加比例，期望獲得一定數(shù)量的脆而不硬的質(zhì)點(diǎn)化合物均勻分布在晶內(nèi)晶界的組織，有利于切削的斷屑同時又不會使合金的硬度太高，材料的工藝性能優(yōu)良，合金資源豐富，成本低廉。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金。該硅鎂磷黃銅合金的切削性能優(yōu)異，具有鑄造性能、力學(xué)性能、耐腐蝕性能優(yōu)良的特點(diǎn)。

本發(fā)明還提供了所述的一種無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金的制備方法。

本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。

一種無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金，按重量百分比計(jì)，含有60wt%cu，0.5～0.9wt%si，0.5～0.9wt%mg，0.5～0.7wt%p，0.2～0.4wt%al和選擇添加元素0～0.6wt%，其余為zn和雜質(zhì)，雜質(zhì)合計(jì)小于1wt%。

進(jìn)一步地，si、mg、p的含量配比中，mg、si、p的含量之和處于1.8～2.4wt%，mg與si的含量之和處于1.3～1.6wt%，p的含量在0.5～0.7wt%。

進(jìn)一步地，所述選擇添加元素包括sn、b和re中的一種以上，其中，按重量百分比計(jì)，各元素添加后在合金中的含量為：0.2～0.5wt%sn，0.002～0.006wt%b，0.002～0.006wt%re。

進(jìn)一步地，所述合金的組織結(jié)構(gòu)特征為：包括α和β兩個基本組成相，以及脆性的球狀或短桿狀金屬間化合物，金屬化合物均勻分布在晶內(nèi)及晶界。

更進(jìn)一步地，所述金屬間化合物為cu2mg+cu3p+mg3p2或者cu2mg+γ。

更進(jìn)一步地，所述金屬間化合物的占比為5~10wt%。

制備上述任一項(xiàng)所述的一種無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金的方法，包括如下步驟：

（1）將cu與si以木炭覆蓋，升溫熔化，待cu與si熔化并均勻化后，降溫，順序加入al、zn、mg、p、選擇添加元素，其中si、al、mg、p、選擇添加元素均以中間合金的形式加入，得到合金熔體；

（2）將合金熔體保溫精煉，打渣后，澆注到預(yù)熱好的模具中，冷卻至室溫，脫模，得到所述的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金。

進(jìn)一步地，步驟（1）中，所述升溫熔化是加熱至1050～1100℃進(jìn)行熔化。

進(jìn)一步地，步驟（1）中，所述降溫是降溫至500～700℃。

進(jìn)一步地，步驟（2）中，所述保溫精煉是在1050～1100℃下保溫10～30分鐘。

進(jìn)一步地，步驟（2）中，所述澆注是在1050℃進(jìn)行澆注。

進(jìn)一步地，步驟（2）中，所述預(yù)熱的溫度為200℃。

本發(fā)明控制銅的含量60wt%，鋅的含量不少于37wt%，且不添加稀有貴重金屬，節(jié)約成本。

本發(fā)明合金以硅、鎂和磷作為除鋅外的主要合金元素，鋁次之，并選擇性添加包括錫、硼和稀土中的一種以上。

si的鋅當(dāng)量系數(shù)為10，強(qiáng)烈擴(kuò)大β相區(qū)而減少α相區(qū)，少量的si能降低液相線溫度使固液距離減少，使鑄件致密；同時，si的添加會在合金腐蝕時形成si的氧化物，從而有利于提高合金的耐腐蝕性能。但當(dāng)si含量高于1wt%時，易使合金形成γ相。所以控制si的含量在0.5～0.9wt%之間，使鑄件致密、提高耐腐蝕性能的同時又不會形成太多的γ相，增加合金的硬度。

mg難溶于cu，易與cu、zn形成金屬間化合物，在晶內(nèi)及晶界分布。其中，金屬間化合物主要為cu2mg，且cu2mg質(zhì)點(diǎn)脆而不硬，可有效地改善合金的切削性能。但mg的含量過低則改善合金的切削性能不明顯，mg含量過高則合金的塑性降低，加工性能下降，而且mg在熔煉時容易氧化燒損，因此控制mg的含量在0.5～0.9wt%之間。另外mg與p可形成化合物mg3p2，在切削時易產(chǎn)生熱效應(yīng)使mg3p2熔化或脫落，起到與鉛類似的改善合金切削性能的作用。

加入的p除與mg形成化合物mg3p2外，還與cu形成cu3p改善合金的切削性能。同時，p在熔煉時有脫氧的作用，有利于提高熔體流動性、改善合金的耐蝕性能。

al起固溶強(qiáng)化、提高耐腐蝕性能、脫氧、提高熔體流動性的作用，al的加入還可以減少zn的蒸發(fā)。al的含量不宜過高，否則易氧化成渣降低流動性，反而對鑄造性能不利，控制al的含量為0.2～0.4wt%。

合金中選擇性添加包括sn、b和re中的一種以上，少量的sn在腐蝕時形成一層氧化膜，可以顯著改善合金的耐腐蝕性能；b和re作為晶粒細(xì)化劑，少量添加即可細(xì)化晶粒，提高合金的綜合性能。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

（1）本發(fā)明的合金中不含有稀有貴重金屬，且以si、mg、p元素代替鉛，控制zn的含量不少于37wt%，cu用量較少，成本低廉；

（2）本發(fā)明的硅鎂磷黃銅合金的組織結(jié)構(gòu)特征包括α和β兩個基本組成相，以及脆性的球狀或短桿狀金屬間化合物，這些金屬間化合物為cu2mg+cu3p+mg3p2或者cu2mg+γ，金屬間化合物占比為5～10%，均勻分布在晶內(nèi)晶界，這些富mg、p的金屬間化合物脆而不硬，有利于合金的斷屑；

（3）本發(fā)明控制si、mg、p的含量配比，要求mg、si和p的含量之和處于1.8～2.4wt%；而當(dāng)mg與si的含量處于1.3～1.6wt%時，合金的硬度值不高，鑄態(tài)合金的斷后伸長率較好，合金的切削性能普遍較好；而p的含量在0.5～0.7wt%，會出現(xiàn)富mg、p的金屬間化合物，有利于合金的斷屑；

（4）本發(fā)明合金的切削性能優(yōu)異，耐腐蝕性能優(yōu)良，同時具有優(yōu)良的鑄造性能和力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度達(dá)到344.53～414.33mpa、延伸率為6.10～9.53%、硬度值為120.82～148.81hb，可代替鉛黃銅，具有良好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金的x射線衍射圖；

圖2為實(shí)施例1制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金的光學(xué)形貌圖；

圖3為實(shí)施例2制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金的x射線衍射圖；

圖4為實(shí)施例2制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金的光學(xué)形貌圖；

圖5為實(shí)施例2制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金的掃描電鏡組織圖；

圖6為實(shí)施例2制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金圖5箭頭處能譜圖；

圖7為實(shí)施例3制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金的x射線衍射圖；

圖8為實(shí)施例3制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金的光學(xué)形貌圖；

圖9為實(shí)施例3制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金的掃描電鏡組織圖；

圖10為實(shí)施例3制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金圖9箭頭處能譜圖；

圖11為實(shí)施例4制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金的x射線衍射圖；

圖12為實(shí)施例4制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金的光學(xué)形貌圖；

圖13為實(shí)施例4制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金的掃描電鏡組織圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例1

（1）按無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別稱取cu、zn、si、mg、p、al、b，其中mg、p、al、b都以中間合金的形式加入，上述組分的質(zhì)量百分比如下：cu60wt%、si0.9wt%、mg0.5wt%、p0.6wt%、al0.3wt%，0.003wt%b，其余為zn和其他雜質(zhì)，雜質(zhì)的含量小于1wt%；

（2）在石墨坩堝中熔煉合金，先將cu、si熔化，降溫至700℃順序加入al、zn、mg、p、b，待所有金屬全部融化后，得到的合金熔體在1050℃保溫20分鐘，以實(shí)現(xiàn)合金熔體成分均勻化后，進(jìn)行打渣，于1050℃澆注到事先預(yù)熱至200℃的模具中，冷卻至室溫，脫模，得到所述無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金。

本實(shí)施例制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金的x射線衍射圖如圖1所示，經(jīng)x射線衍射分析表明，該合金組織包括α和β兩個基本組成相；

本實(shí)施例制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金由于添加了si和al元素，si與al元素的添加會在合金腐蝕時形成一層氧化膜，不易使zn流失，本實(shí)例的耐腐蝕性能較好；

本實(shí)施例制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金的光學(xué)形貌圖如圖2所示，由圖2可知，含si、mg、p的硬質(zhì)點(diǎn)化合物均勻分布在晶界與晶內(nèi)；

經(jīng)力學(xué)性能測試，本實(shí)施例制備的鑄態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度為414.33mpa、延伸率為9.53%、硬度值為129.88hb；

本實(shí)施例的切削性能較好，車屑形貌c形屑為主，伴有少量的短螺旋屑。

實(shí)施例2

（1）按無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別稱取cu、zn、si、mg、p、al、b、re，其中mg、p、al、b、re都以中間合金的形式加入，上述組分的質(zhì)量百分比如下：cu60wt%、si0.7wt%、mg0.7wt%、p0.7wt%、al0.3wt%、0.003wt%b，0.003wt%re，其余為zn和其他雜質(zhì)，雜質(zhì)的含量小于1wt%；

（2）在石墨坩堝中熔煉合金，先將cu、si熔化，降溫至700℃順序加入al、zn、mg、p、b、re，待所有金屬全部融化后，得到的合金熔體在1050℃保溫20分鐘，以實(shí)現(xiàn)合金熔體成分均勻化后，進(jìn)行打渣，于1050℃澆注到事先預(yù)熱至200℃的模具中，冷卻至室溫，脫模，得到所述無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金。

本實(shí)施例制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金的x射線衍射圖如圖3所示，經(jīng)x射線衍射分析表明，該合金組織包括α和β兩個基本組成相；

本實(shí)施例制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金由于添加了si、al和sn元素，si、al及少量sn元素的添加會在合金腐蝕時形成一層氧化膜，不易使zn流失，本實(shí)例的耐腐蝕性能較好；

本實(shí)施例制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金的光學(xué)形貌圖和掃面電鏡組織圖分別如圖4和圖5所示，由圖4、圖5可知，含si、mg的硬質(zhì)點(diǎn)化合物均勻分布在晶界與晶內(nèi)；圖6為掃描電鏡組織圖（圖5）中箭頭處的能譜圖，由圖6可知，在晶界及晶內(nèi)分布的短桿狀金屬間化合物含有mg和si，其為cu2mg+γ或是含si、mg的復(fù)雜金屬間化合物；

經(jīng)力學(xué)性能測試，本實(shí)施例制備的鑄態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度為351.17mpa、延伸率為6.10%、硬度值為120.82hb；

本實(shí)施例的切削性能優(yōu)異，車屑形貌均為細(xì)小的c形屑。

實(shí)施例3

（1）按無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別稱取cu、zn、si、mg、p、al，其中mg、p、al都以中間合金的形式加入，上述組分的質(zhì)量百分比如下：cu60wt%、si0.7wt%、mg0.6wt%、p0.5wt%、al0.3wt%，其余為zn和其他雜質(zhì)，雜質(zhì)的含量小于1wt%；

（2）在石墨坩堝中熔煉合金，先將cu、si熔化，降溫至700℃順序加入al、zn、mg、p，待所有金屬全部融化后，得到的合金熔體在1050℃保溫20分鐘，以實(shí)現(xiàn)合金熔體成分均勻化后，進(jìn)行打渣，于1050℃澆注到事先預(yù)熱至200℃的模具中，冷卻至室溫，脫模，得到所述無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金。

本實(shí)施例制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金的x射線衍射圖如圖7所示，經(jīng)x射線衍射分析表明，該合金組織包括α和β兩個基本組成相；

本實(shí)施例制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金由于添加了si和al元素，si、al元素的添加會在合金腐蝕時形成一層氧化膜，不易使zn流失，本實(shí)例的耐腐蝕性能較好；

本實(shí)施例制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金是我光學(xué)形貌圖和掃面電鏡組織圖分別如圖8、圖9所示，由圖8、圖9可知，含si、mg、p的硬質(zhì)點(diǎn)化合物均勻分布在晶界與晶內(nèi)；圖10為掃描電鏡組織圖（圖9）中箭頭處的能譜圖，由圖10可知，在晶界及晶內(nèi)分布的短桿狀金屬間化合物含有mg和p，其為cu2mg+cu3p+mg3p2或是含mg、p的復(fù)雜金屬間化合物；

經(jīng)力學(xué)性能測試，本實(shí)施例制備的鑄態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度為344.53mpa、延伸率為6.60%、硬度值為130.61hb；

本實(shí)施例的切削性能優(yōu)異，車屑形貌均為細(xì)小的c形屑。

實(shí)施例4

（1）按無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別稱取cu、zn、si、mg、p、al、sn、b、re，其中mg、p、al、b、re都以中間合金的形式加入，上述質(zhì)量百分比如下：cu60wt%、si0.9wt%、mg0.7wt%、p0.7wt%、al0.3wt%、sn0.3wt%、0.003wt%b、0.003wt%re，其余為zn和其他雜質(zhì)，雜質(zhì)的含量小于1wt%；

（2）在石墨坩堝中熔煉合金，先將cu、si熔化，降溫至700℃順序加入al、zn、mg、p、sn、b、re，待所有金屬全部融化后，得到的合金熔體在1050℃保溫20分鐘，以實(shí)現(xiàn)合金熔體成分均勻化后，進(jìn)行打渣，于1050℃澆注到事先預(yù)熱至200℃的模具中，冷卻至室溫，脫模，得到所述無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金。

本實(shí)施例制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金的x射線衍射圖如圖11所示，經(jīng)x射線衍射分析表明，該合金組織包括α和β兩個基本組成相；

本實(shí)施例制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金由于添加了si、al和sn元素，si、al及少量sn元素的添加會在合金腐蝕時形成一層氧化膜，不易使zn流失，本實(shí)例的耐腐蝕性能較好；

本實(shí)施例制備的無鉛易切削硅鎂磷黃銅合金的光學(xué)形貌圖和掃面電鏡組織圖分別如圖12、圖13所示，由圖12和圖13可知，含si、mg、p的硬質(zhì)點(diǎn)化合物均勻分布在晶界與晶內(nèi)；

經(jīng)力學(xué)性能測試，本實(shí)施例制備的鑄態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度為372.86mpa、延伸率為6.10%、硬度值為148.81hb；

本實(shí)施例的切削性能優(yōu)良，車屑形貌均為較大的c形屑。

以上所述，僅為本發(fā)明的幾項(xiàng)實(shí)施例而已，故不能依此限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，其它的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下作出的改變、修飾、代替、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。