本發(fā)明涉及銅基合金，尤其涉及一種無鉛硅黃銅合金及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、鉛黃銅是一種以銅和鋅為基體，添加少量鉛的合金。由于鉛的存在，鉛黃銅具有良好的冷熱成型性能、切削性能和耐腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于儀表零件、電器連接件、衛(wèi)浴行業(yè)的水管、水龍頭和閥門等零部件。然而，鉛是一種重金屬，對人體和環(huán)境具有嚴(yán)重的危害。當(dāng)鉛黃銅用于衛(wèi)浴管道系統(tǒng)時(shí)，鉛會在水的沖刷和浸泡下溶出，進(jìn)入水中，從而對人體健康和環(huán)境造成嚴(yán)重危害。因此，隨著環(huán)保意識的提升，鉛黃銅的應(yīng)用場景受到限制，尤其是在家居衛(wèi)浴領(lǐng)域，逐步被無鉛銅合金產(chǎn)品所取代。

2、為了替代鉛黃銅，目前市場上主要通過添加類似鉛性能的元素(如si、p、ca、sb、或bi等)來改善合金的機(jī)加工性能。然而，這些替代元素存在各種問題：磷(p)的加入會導(dǎo)致硬質(zhì)點(diǎn)和氣孔問題，鈣(ca)原料獲取困難且會引起流動性惡化，銻(sb)具有一定的毒性，鉍(bi)則存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。目前主流方案是通過添加硅元素在一定程度上改善了黃銅的切削性能和綜合性能。

3、然而，隨著衛(wèi)浴行業(yè)的不斷發(fā)展和提升，對材料的需求不斷增加，質(zhì)量要求也在提升。因此，亟需一種無鉛硅黃銅合金及其制備方法與應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種無鉛硅黃銅合金及其制備方法與應(yīng)用。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

3、本發(fā)明的第一方面是提供一種無鉛硅黃銅合金，包括：b、al、si、p、as、zn、cu、bi、以及不可避免的雜質(zhì)；其中，

4、0.005％≤mb≤0.02％；0.4％≤mal≤0.8％；0.4％≤msi≤0.7％；0.004％≤mp≤0.02％；0.005％≤mas≤0.02％；60.0％≤mcu≤64.0％；0.005％≤mbi≤0.02％；

5、其中，mb表示所述b于所述無鉛硅黃銅合金中的質(zhì)量百分比，mal表示所述al于所述無鉛硅黃銅合金中的質(zhì)量百分比，msi表示所述si于所述無鉛硅黃銅合金中的質(zhì)量百分比，mp表示所述p于所述無鉛硅黃銅合金中的質(zhì)量百分比，mas表示所述as于所述無鉛硅黃銅合金中的質(zhì)量百分比，mcu表示所述cu于所述無鉛硅黃銅合金中的質(zhì)量百分比，mbi表示所述bi于所述無鉛硅黃銅合金中的質(zhì)量百分比，所述zn與所述雜質(zhì)為所述無鉛硅黃銅合金中的余量組分；

6、且，所述無鉛硅黃銅合金包括：基體相、以及第二相；所述基體相包括：團(tuán)塊狀的α相、以及β相，所述第二相包括：γ相、以及κ相。

7、本發(fā)明的無鉛硅黃銅合金中，添加si元素，用于形成cu5si3等金屬間化合物，這些金屬間化合物彌散分布在晶界和晶內(nèi)，由于銅硅金屬間化合物屬于硬脆相，在機(jī)加工過程中，它們充當(dāng)斷屑質(zhì)點(diǎn)，避免切削屑沫連續(xù)，從而減少對刀具加工和排屑的影響；添加p元素，且控制添加比例，在不增加cu3p類的硬質(zhì)點(diǎn)的情況下，改善澆鑄銅錠的流動性；添加as元素，提高α相電極電位，降低銅的電極電位，從而獲得較好的耐脫鋅性能；添加bi元素，主要分布在晶界，改善切削性能；增加cu元素的比例，用于改善熔體的流動性，從而提高合金的澆鑄性能；添加第二相能夠改善合金的機(jī)械加工性能，γ相具有硬脆性，在切削時(shí)可起到斷屑的作用，κ相同樣為硬脆性，有助于提升材料的加工性能，但因其存在較大的脆性開裂風(fēng)險(xiǎn)，所以其比例較低，需要盡可能多地分解為γ相。

8、優(yōu)選地，所述β相的面積百分比為50％-75％。

9、本發(fā)明的無鉛硅黃銅合金中，β相能夠有效增強(qiáng)切削作用，β相的面積百分比低于50％時(shí)會出現(xiàn)切削黏刀、排屑不暢的情況，而β相的面積百分比高于75％時(shí)合金會發(fā)脆開裂。優(yōu)選地，所述γ相的面積百分比大于所述κ相的面積百分比。

10、進(jìn)一步地，所述κ相的面積百分比與所述γ相的面積百分比的比值小于0.1。

11、本發(fā)明的無鉛硅黃銅合金中，κ相有助于提高材料的加工性能，但因其存在較大的脆性開裂風(fēng)險(xiǎn)，所以需要將至少90％的κ相分解為γ相，以確保合金于室溫下的加工性能。優(yōu)選地，所述無鉛硅黃銅合金的晶粒度不高于25μm。

12、本發(fā)明的無鉛硅黃銅合金中，不高于25μm晶粒度的組織能夠強(qiáng)化材料的綜合性能，不但能夠改善機(jī)加工性能，而且能夠獲得較好的力學(xué)性能、耐蝕性能等。

13、本發(fā)明的第二方面是提供一種如前所述無鉛硅黃銅合金的制備方法，步驟包括：

14、s1、取晶粒細(xì)化劑、銅原料、硅原料、鉍原料、砷原料、鋅原料、以及鋁原料，依次進(jìn)行混合熔煉、以及保溫靜置，得第一物料；

15、s2、將稀土合金、清渣劑、以及精煉劑加入至所述第一物料中，進(jìn)行撈渣處理，得第二物料；

16、s3、于1000℃-1030℃下，將所述精煉劑加入至所述第二物料中，攪拌30s-1min；升溫至1090℃-1130℃后，保溫1min-2min，加入磷原料，得第三物料；

17、s4、對所述第三物料進(jìn)行取樣，并對所取樣品依次進(jìn)行成分測試、拋光質(zhì)量測試、流動性測試、以及整體鏡面效果測試；

18、若不符合任意一項(xiàng)測試的標(biāo)準(zhǔn)，則返回所述s3；

19、若符合所有測試的標(biāo)準(zhǔn)，則進(jìn)入s5；

20、s5、對所述第三物料進(jìn)行澆鑄，即得所述無鉛硅黃銅合金。

21、優(yōu)選地，按重量份數(shù)計(jì)，所述晶粒細(xì)化劑包括：氟硼酸鉀40-60份、鋁粉30-50份、以及硼粉8-10份。

22、本發(fā)明中，晶粒細(xì)化劑用于生成晶粒組織核心，孕育高熔點(diǎn)化合物，作用于熔體，細(xì)化組織晶粒，這種致密的組織結(jié)構(gòu)有利于切削相的均勻分布，同時(shí)也有利于提升材料的耐脫鋅腐蝕性能。

23、優(yōu)選地，所述s1包括：

24、先加入所述晶粒細(xì)化劑與所述銅原料，待所加物料熔化后再加入黃銅角料、所述硅原料、所述鉍原料與銅砷合金，待所加物料熔化后再加入黃銅末料，待所加物料熔化后再加入所述鋅原料與所述鋁原料，待所加物料熔化后保溫靜置，得第一物料。

25、優(yōu)選地，所述保溫靜置時(shí)的溫度為1000℃-1030℃，時(shí)間為5min-10min。

26、優(yōu)選地，所述s2包括：

27、將所述稀土合金、所述清渣劑、以及所述精煉劑加入至所述第一物料中，待充分?jǐn)嚢韬螅郎刂?090℃-1130℃保持10s-30s，進(jìn)行撈渣處理，得所述第二物料。

28、優(yōu)選地，所述s4中，

29、所述成分測試的標(biāo)準(zhǔn)為判斷所取樣品的成分是否滿足0.005％≤mb≤0.02％；0.4％≤mal≤0.8％；0.4％≤msi≤0.7％；0.004％≤mp≤0.02％；0.005％≤mas≤0.02％；60.0％≤mcu≤64.0％；0.005％≤mbi≤0.02％；

30、所述拋光質(zhì)量測試的標(biāo)準(zhǔn)為判斷所取樣品經(jīng)甩杯試驗(yàn)所得杯樣內(nèi)壁是否存在硬質(zhì)點(diǎn)；

31、所述流動性測試的標(biāo)準(zhǔn)為判斷所取樣品于環(huán)形流道中流動長度是否大于380mm；

32、所述整體鏡面效果測試的標(biāo)準(zhǔn)為判斷所取樣品凝固收縮后與水平面形成的仰角是否大于175°。

33、本發(fā)明的第三方面是提供一種如前所述無鉛硅黃銅合金在制備衛(wèi)浴產(chǎn)品中的應(yīng)用。

34、本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下技術(shù)效果：

35、本發(fā)明的無鉛硅黃銅合金中硬脆相的彌散分布以及團(tuán)塊狀的α相組織有效減少了切削過程中的刀具磨損和排屑問題，顯著提升切削性能至hpb63-3％的75％-80％；致密的組織結(jié)構(gòu)和降低的電極電位提高了無鉛硅黃銅合金在腐蝕環(huán)境中的穩(wěn)定性，顯著改善耐脫鋅腐蝕性能，穩(wěn)定在200μm以內(nèi)；同時(shí)，無鉛硅黃銅合金的組織更加致密，整體性能和使用壽命得到提高；此外，通過添加磷元素和增加銅元素的比例，澆鑄流動性和加工性能得到優(yōu)化，適合大規(guī)模生產(chǎn)；最重要的是，本發(fā)明的無鉛硅黃銅合金不含有害的鉛元素，符合環(huán)保要求，使用更加安全無害，適用于對環(huán)保和安全性要求較高的家居衛(wèi)浴領(lǐng)域。