HSi70—2新型无铅硅黄铜的性能研究

查昭 皮常青

摘 要：黄铜包括铜-锌二元合金和铜锌中加入其他组元的多元合金。黄铜有优良的机械性能、耐腐蚀性能、导电导热性能，同时具有良好的工艺性能，是有色金属中应用最广泛的合金材料之一，但是一般黄铜都是含铅黄铜，而铅是一种严重危害人类健康的重金属元素，它可影响神经、造血、消化、泌尿、生殖和发育、心血管、内分泌、免疫、骨骼等各类器官，主要是神经系统和造血系统。因此研究无铅的环保黄铜成为现时的主要课题，文章主要研究一种符合美国AB1953法令的无铅硅黄铜的性能。（AB1953又被称为“加州上水管道产品铅含量法令”，它的适用范围是一切为居民提供饮用水或烹饪用水的设备，包括水管、阀门、水龙头等。该法令要求所有这些产品都必须达到新的无铅化标准。）

关键词：无铅黄铜；硅黄铜；耐脱锌性能；切削性能

黄铜包括铜-锌二元合金和铜锌中加入其他组元的多元合金。黄铜有优良的机械性能、耐腐蚀性能、导电导热性能，同时具有良好的工艺性能，是有色金属中应用最广泛的合金材料之一。普通黄铜中的铅不固溶于铜，呈黑色质点存在于晶界上，经过压力，呈游离态的孤立分布于固溶體中，有相当强的润滑与减磨作用，使合金具有极高的可加工性能，易于切削，但是由于铅元素对人体危害大，美国环境保护署（EPA）将铅及其化合物定性为17种严重危害人类寿命与自然环境的化学物质之一，铅通过渗入地下水系统而进入动物或人类的食物链，它可影响神经、造血、消化、泌尿、生殖和发育、心血管、内分泌、免疫、骨骼等各类器官，其危害引起人们的高度重视，为了降低铅的有害作用，日本的三菱公司已研制C69300无铅铜合金，并已应用于水龙头、阀门等供水部件上，我们也进行了研究，添加了一些其他的元素来替代铅元素，提高黄铜的机械性能、加工性能、耐腐蚀性等，文章主要探讨了浙江万得凯铜业有限公司自主研发的HSi70-2黄铜的实验方法、特性，该合金与C69300切屑性能相当。

1 实验方法

研究所用的材料是HSi70-2硅黄铜为挤压棒。挤压铜棒主要生产工艺流程为：电炉熔炼→潜液转流→水平连铸→锯断→车外皮→挤压→拉拨→退火→拉拨→矫直→检验出厂。HSi70-2硅黄铜的化学成分见表1。

表1 HSi70-2化学成分

试样状态分为原始态、去应力退火态、再结晶退火态。去应力退火和再结晶退火态采用的热处理工艺见表2。

表2 HSi70-2去应力退火与再结晶退火工艺条件

温室拉伸试验采用国标GB/T 228.1-2010 标准，拉伸试样的尺寸如图1所示。

耐脱锌试验采用澳州标准AS 2345-2010要求见表3。

氨薰试验：

将107±0.1g氯化铵NH4CI溶解于离子水中，配成体积为500ml溶液并保存于1000ml容积的磨口瓶中 试验温度为25±1℃，将样件放于磨口瓶中，样件不直接接触溶液，24小时后取出样件，用热碱溶液除油脂后，放在显微镜下观测。

金相试样制备腐蚀剂采用：

三氯化铁盐酸水溶液3.5g FeCl3，25ml HCl，75ml。

切削试验：

在CK6140数控机床上进行，加工方式为车削，进给速度为0.05mm/rev 主轴转速为1000r/min。

2 结果特性

2.1 金相组织（图2）

图2

2.2 抗脱锌性能

分别将两种材料裁剪为100mm2试片镶嵌后，在75±5℃恒温水浴，用250ml CuCI2稀释于1000ml 溶液浸泡24小时后，用800#砂纸抛光后，放在以100X显微镜下观测，两种铜材的抗脱锌性都是符合AS2345标准的要求，并且两者性能相当。（图3）

图3

2.3 切削性能

测试条件：转速480r/min，10mm钻孔， 钻孔过程中，两种铜材排屑顺畅，从图4中可以看出， 切屑大小基本相同， 切削性能相当，这是由于刀刃的切削刃在切屑时接触到大量的硅粒，这些硅粒分割的同时也使刀具的磨损减小，另外，晶界中的铜磷共晶体也有改善切削性能的作用。

2.4 机械性能（图5）

图5

2.5 抗压性能

首先用车床将铜棒加工成10mm孔径，壁厚1.5mm管材，之后用台虎钳夹持。

从图6中可以看出HSi70-2铜棒抗压能力好C69300。

（a） （b）

图6

2.6 抗应力腐蚀性能（氨熏实验）

图7

首先用车床将铜棒加工成10mm孔径，壁厚1.5mm 总长为30-50mm，铜管放与容器内，在22±1度温度下24小时， 氨熏后显微镜下未见开裂。（图7）

3 结束语

（1）HSi70-2材料在铅含量小于0.09%时，抗脱锌、耐腐蚀性能仍较好，切削性能与C69300相当。降低对环境的污染，有利于人体的健康，可以替代高铅黄铜。

（2）加入适量的硅、磷可以使切削性能得到改善，加入微量砷使抗脱锌性能符合相应的标准要求。

（3）该材料从生产工艺、化学元素、热处理等环节的质量控制必须严格按技术文件操作。

参考文献

[1]杨晓婵.日本开发无铅、低铅黄铜合金[J].现代材料动态，2002.

[2]田荣璋，王祝堂.铜及铜合金加工手册[M].中南大学出版社，2002.

[3]西北工业大学、北京航空学院.有色金属及热处理[M].国防工业出版社，1981.

[4]庞晋山，肖寅昕.无铅易切削黄铜的研究[J].广东工业大学学报，2001（18）：50-68.

[5]潘叶金.有色金属提取冶金手册[M].北京：冶金工业出版社，1993.

[6]朱权利，刘楷周，等.新型无铅黄铜的耐蚀性能研究[J].热加工工艺，2009：83-87.

作者简介：查昭（1982，4-），男，湖北省浠水县，现供职于浙江万得凯铜业有限公司，机械工程师。

皮常青（1984，8-），男，江西省新余市，现供职于浙江万得凯铜业有限公司，助理工程师。