HSi70—2新型無鉛硅黃銅的性能研究

查昭 皮常青

摘 要：黃銅包括銅-鋅二元合金和銅鋅中加入其他組元的多元合金。黃銅有優(yōu)良的機(jī)械性能、耐腐蝕性能、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，同時具有良好的工藝性能，是有色金屬中應(yīng)用最廣泛的合金材料之一，但是一般黃銅都是含鉛黃銅，而鉛是一種嚴(yán)重危害人類健康的重金屬元素，它可影響神經(jīng)、造血、消化、泌尿、生殖和發(fā)育、心血管、內(nèi)分泌、免疫、骨骼等各類器官，主要是神經(jīng)系統(tǒng)和造血系統(tǒng)。因此研究無鉛的環(huán)保黃銅成為現(xiàn)時的主要課題，文章主要研究一種符合美國AB1953法令的無鉛硅黃銅的性能。（AB1953又被稱為“加州上水管道產(chǎn)品鉛含量法令”，它的適用范圍是一切為居民提供飲用水或烹飪用水的設(shè)備，包括水管、閥門、水龍頭等。該法令要求所有這些產(chǎn)品都必須達(dá)到新的無鉛化標(biāo)準(zhǔn)。）

關(guān)鍵詞：無鉛黃銅；硅黃銅；耐脫鋅性能；切削性能

黃銅包括銅-鋅二元合金和銅鋅中加入其他組元的多元合金。黃銅有優(yōu)良的機(jī)械性能、耐腐蝕性能、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，同時具有良好的工藝性能，是有色金屬中應(yīng)用最廣泛的合金材料之一。普通黃銅中的鉛不固溶于銅，呈黑色質(zhì)點(diǎn)存在于晶界上，經(jīng)過壓力，呈游離態(tài)的孤立分布于固溶體中，有相當(dāng)強(qiáng)的潤滑與減磨作用，使合金具有極高的可加工性能，易于切削，但是由于鉛元素對人體危害大，美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）將鉛及其化合物定性為17種嚴(yán)重危害人類壽命與自然環(huán)境的化學(xué)物質(zhì)之一，鉛通過滲入地下水系統(tǒng)而進(jìn)入動物或人類的食物鏈，它可影響神經(jīng)、造血、消化、泌尿、生殖和發(fā)育、心血管、內(nèi)分泌、免疫、骨骼等各類器官，其危害引起人們的高度重視，為了降低鉛的有害作用，日本的三菱公司已研制C69300無鉛銅合金，并已應(yīng)用于水龍頭、閥門等供水部件上，我們也進(jìn)行了研究，添加了一些其他的元素來替代鉛元素，提高黃銅的機(jī)械性能、加工性能、耐腐蝕性等，文章主要探討了浙江萬得凱銅業(yè)有限公司自主研發(fā)的HSi70-2黃銅的實(shí)驗(yàn)方法、特性，該合金與C69300切屑性能相當(dāng)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

研究所用的材料是HSi70-2硅黃銅為擠壓棒。擠壓銅棒主要生產(chǎn)工藝流程為：電爐熔煉→潛液轉(zhuǎn)流→水平連鑄→鋸斷→車外皮→擠壓→拉撥→退火→拉撥→矯直→檢驗(yàn)出廠。HSi70-2硅黃銅的化學(xué)成分見表1。

表1 HSi70-2化學(xué)成分

試樣狀態(tài)分為原始態(tài)、去應(yīng)力退火態(tài)、再結(jié)晶退火態(tài)。去應(yīng)力退火和再結(jié)晶退火態(tài)采用的熱處理工藝見表2。

表2 HSi70-2去應(yīng)力退火與再結(jié)晶退火工藝條件

溫室拉伸試驗(yàn)采用國標(biāo)GB/T 228.1-2010 標(biāo)準(zhǔn)，拉伸試樣的尺寸如圖1所示。

耐脫鋅試驗(yàn)采用澳州標(biāo)準(zhǔn)AS 2345-2010要求見表3。

氨薰試驗(yàn)：

將107±0.1g氯化銨NH4CI溶解于離子水中，配成體積為500ml溶液并保存于1000ml容積的磨口瓶中 試驗(yàn)溫度為25±1℃，將樣件放于磨口瓶中，樣件不直接接觸溶液，24小時后取出樣件，用熱堿溶液除油脂后，放在顯微鏡下觀測。

金相試樣制備腐蝕劑采用：

三氯化鐵鹽酸水溶液3.5g FeCl3，25ml HCl，75ml。

切削試驗(yàn)：

在CK6140數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行，加工方式為車削，進(jìn)給速度為0.05mm/rev 主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min。

2 結(jié)果特性

2.1 金相組織（圖2）

圖2

2.2 抗脫鋅性能

分別將兩種材料裁剪為100mm2試片鑲嵌后，在75±5℃恒溫水浴，用250ml CuCI2稀釋于1000ml 溶液浸泡24小時后，用800#砂紙拋光后，放在以100X顯微鏡下觀測，兩種銅材的抗脫鋅性都是符合AS2345標(biāo)準(zhǔn)的要求，并且兩者性能相當(dāng)。（圖3）

圖3

2.3 切削性能

測試條件：轉(zhuǎn)速480r/min，10mm鉆孔， 鉆孔過程中，兩種銅材排屑順暢，從圖4中可以看出， 切屑大小基本相同， 切削性能相當(dāng)，這是由于刀刃的切削刃在切屑時接觸到大量的硅粒，這些硅粒分割的同時也使刀具的磨損減小，另外，晶界中的銅磷共晶體也有改善切削性能的作用。

2.4 機(jī)械性能（圖5）

圖5

2.5 抗壓性能

首先用車床將銅棒加工成10mm孔徑，壁厚1.5mm管材，之后用臺虎鉗夾持。

從圖6中可以看出HSi70-2銅棒抗壓能力好C69300。

（a） （b）

圖6

2.6 抗應(yīng)力腐蝕性能（氨熏實(shí)驗(yàn)）

圖7

首先用車床將銅棒加工成10mm孔徑，壁厚1.5mm 總長為30-50mm，銅管放與容器內(nèi)，在22±1度溫度下24小時， 氨熏后顯微鏡下未見開裂。（圖7）

3 結(jié)束語

（1）HSi70-2材料在鉛含量小于0.09%時，抗脫鋅、耐腐蝕性能仍較好，切削性能與C69300相當(dāng)。降低對環(huán)境的污染，有利于人體的健康，可以替代高鉛黃銅。

（2）加入適量的硅、磷可以使切削性能得到改善，加入微量砷使抗脫鋅性能符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）該材料從生產(chǎn)工藝、化學(xué)元素、熱處理等環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制必須嚴(yán)格按技術(shù)文件操作。

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作者簡介：查昭（1982，4-），男，湖北省浠水縣，現(xiàn)供職于浙江萬得凱銅業(yè)有限公司，機(jī)械工程師。

皮常青（1984，8-），男，江西省新余市，現(xiàn)供職于浙江萬得凱銅業(yè)有限公司，助理工程師。