一种用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料及其制造方法

摘要

本发明涉及一种用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料及其制造方法，属于合金材料技术领域。为了解决现有的抗脱锌和耐腐蚀性能差的问题，提供一种用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料及其制造方法，该铜合金材料主要包括以下百分数的成分：铜：58wt％～63wt％；锡：0.6wt％～1.0wt％；砷：0.02wt％～0.06wt％；铅：≤0.1wt％；余量为锌和不可避免的杂质；该方法包括选取相应铜棒进行切割分段，升温至700℃～800℃进行热锻造成型，得到无铅黄铜球阀组件；再在550℃～600℃进行等温退火处理，降温，得到相应的无铅黄铜球阀组件。通过加入锌和锡能够使具有高抗脱锌、腐蚀性能、高耐磨性和强度性能的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料及其制 造方法，属于合金材料技术领域。

背景技术

由于铜的锻造、切削、拉伸、电镀、焊接等性能优良，被广 泛应用在各行业特别适用于饮水系统中阀门、管件及各种零配件 的制造。但目前，铜阀门的主体、阀盖、阀杆、密封球及压帽与 介质接触的主要材料主要由铅黄铜加工而成，但是，随着人们生 活水平的提高，对水质的要求也随着提高，而阀门组件中采用的 铅黄铜材料中重金属铅对水质有很大的污染，严重影响了人们的 身体健康，出于安全和健康的因素考虑，必须要求使用铜或铜 合金，也就是要求铜或铜合金中的铅(Pb)元素含量必须小于 规定的标准。现有的对于该类铜合金材料的种类也较多，如中国 专利申请(公开号：CN102978435A)公开了一种黄铜合金材料， 其质量百分比且成为：铝为0.3％～0.8％，锡为0.1％～0.8％，铟为 0.01％～1.5％，钙为0.01％～1.0％，磷为0.1％～3.0％，微量元素为 0.1％～0.15％，以及90.95％以上的铜与锌，其中铜的含量为58％～ 70％。该黄铜合金具有环保、健康安全系数高，且材料的抗拉强度， 焊接性能和切削性能及其热成型性能明显提高，但其仅仅是定性 的说明，而且其在抗脱锌性能较差且抗腐蚀等性能方面相对来说 并不能很好的体现出来，仍然存在一定的缺陷。

发明内容

本发明针对以上现有技术中存在的缺陷，提供一种用于无铅 黄铜球阀组件的铜合金材料，解决的问题是如何提高材料的抗脱 锌和耐腐蚀性能。

本发明的目的之一是通过以下技术方案得以实现的，一种用 于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料，该铜合金材料主要包括以下 百分数的成分：

铜：58wt％～63wt％；锡：0.6wt％～1.0wt％；砷：0.02wt％～ 0.06wt％；铅：≤0.1wt％；余量为锌和不可避免的杂质。

本发明通过使合金材料中铜的含量在58％～63％，目的是为了 使合金的整体性能在黄铜要求的含量范围，使具有良好的韧性， 利于材料的后续加工操作，而通过加入锡主要是为了提升合金的 抗腐蚀能力，从而使其还管对淡水或海水均具有较好的耐蚀性， 同时，使通过对含量的调整使不会影响合金的塑性。锌的加入与 锡能够起到较好的协同作用，不仅具有较高的耐腐蚀性和耐磨损 性，同时，还具有抗脱锌能力强的效果，从而也间接的提高了合 金材料的抗腐蚀能力。砷的加入同样是为了提高材料的抗脱锌能 力，还能够例具有较好的强度性能；而使铅的含量控制在0.1％以 下，既能够达到作为铜材料的质量要求，又能够使保持添加铅时 的性能要求，而当合金材料中铅的含量控制在0.1％以下即可以称 之为无铅铜合金材料。

在上述的用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料中，作为优选， 所述铜的含量为59wt％～62wt％。能够更好的提高合金材料的韧 性，提高切削性能。

在上述的用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料中，作为优选， 所述砷的含量为0.03wt％～0.04wt％。能够更进一步的提高合金材 料的抗脱锌腐蚀性能。

在上述的用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料中，作为优选， 所述铜合金材料还含有质量百分数为0.1wt％～0.2wt％的硼元素 和/或质量百分数为0.05wt％～0.08wt％的钾元素。硼和钾的加入 目的是为了细化变质作用，使合金组织的致密性提高，从而减少 了参透现象的产生来提高抗脱锌腐蚀的效果。

在上述的用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料中，作为优选， 所述铜合金材料还含有质量百分数为0.02wt％～0.05wt％的氮化 碳和质量百分数为0.02wt％～0.04wt％的铟元素。铟元素的加入能 够在初期腐蚀过程中形成一层致密的钝化膜，与基材形成紧密结 合，防止内部不会受到腐蚀，而与氮化碳又能够起到协同作用， 使抗脱锌能力更强，共同作用实现提高抗腐蚀性能的效果，且氮 化碳和铟同时加入还具有较好的硬度使具有高耐磨性能。本发明 人还发现当加入氮化碳和铟元素后，若加入的砷的含量过高反而 会影响抗脱锌性能，反而会使耐腐蚀性下降，氮化碳的加入量也 不宜过高，如果加入的过多反而会影响合金的整体性能。因此， 当合金材料中含有氮化碳和铟元素时最好使合金材料中的砷含量 控制在0.02wt％～0.04wt％之间，从而使整体具有较好的抗脱锌能 力，提高耐腐蚀性的效果。作为进一的优选，所述铟元素与氮化 碳的质量比为1：1.25～1.5。

本发明的目的之二是通过以下技术方案得以实现的，一种无 铅黄铜球阀组件的制造方法，所述无铅黄铜球阀组件包括阀体、 阀盖、阀杆、密封球或压帽，该方法包括以下步骤：

A、根据无铅黄铜球阀组件的形状和大小，选取采用上述铜合 金材料制成的铜棒进行切割分段，然后，加热升温至700℃～ 800℃进行热锻造成型，得到相应的无铅黄铜球阀组件毛坯；

B、再控制温度在550℃～600℃进行等温退火处理，降温， 得到相应的成品无铅黄铜球阀组件。

在上述的无铅黄铜球阀组件的制造方法，作为优选，步骤A 中所述热锻造成型的温度为750℃～780℃。能够使合金材料中各 成分更好的熔融为一体，使合金材料具有较好的可塑性，还能够 提高合金成型后的致密性，从而也能够提高材料的抗腐蚀性能。

在上述的无铅黄铜球阀组件的制造方法，作为优选，步骤B 中所述等温退火处理具体为：

先控制温度在550℃～600℃进行等温退火处理，然后，降温 至200℃～250℃后再重新升温至550℃～600℃进行等温退火处 理；再降温至200℃～250℃后再重新升温至550℃～600℃进行等 温退火处理。退火处理能够有效的消除合金材料的应力影响，提 高强度性能；而通过重复等温退火处理目的是为了减少脱锌层的 深度，提高合金材料的抗脱锌能力，从而通过工艺处理能够进一 步提高抗腐蚀能力，提高合金材料制成的相应阀门组件具有更长 的使用寿命。

综上所述，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料，通过加入锌 和锡能够使合金材料具有较高的抗脱锌腐蚀性能，同时还具有高 耐磨性和强度性能。

2.本发明无铅黄铜球阀组件的制造方法，通过采用多次等温 退火处理，提高了抗脱锌能力，使锌元素不易被脱除，从而使采 用本合金材料制成的组件具有抗腐蚀性能强的效果。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的 说明，但是本发明并不限于这些实施例。

实施例1

本用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料，主要包括以下百分 数的成分：

铜：58wt％；锡：0.5wt％；砷：0.06wt％；铅：0.1wt％；余量 为锌和微量元素及不可避免的杂质，且不可避免的杂质的含量≤ 0.2wt％，且不可避免的杂质中铁的含量≤0.1wt％。

其中，无铅黄铜球阀组件可以是阀体、阀盖、阀杆、密封球 (阀芯)或压帽等阀门中的相关组件均可采用以上的铜合金材料 加工而而，更具体的说，上述的相应无铅黄铜球阀组件采用以下 方法制造而成：

根据无铅黄铜球阀组件的形状和大小，选取采用铜合金材料 制成的铜棒进行切割分段，然后，加热升温至700℃～750℃进行 热锻造成型，得到相应的无铅黄铜球阀组件毛坯，然后，再控制 温度在550℃进行第一次等温退火处理2小时，然后，降温至200℃ 后再重新升温至550℃～560℃进行第二次等温退火处理2小时， 再次降温至200℃后再重新升温至550℃～560℃进行第三次等温 退火处理2小时，冷却后进行切边，抛光处理和常规的检测，得 到相应的无铅黄铜球阀组件成品。

实施例2

本用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料，主要包括以下百分 数的成分：

铜：63wt％；锡：1.0wt％；砷：0.02wt％；铅：0.09wt％；余量 为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量≤0.2wt％， 且不可避免的杂质中铁的含量≤0.1wt％。

其中，无铅黄铜球阀组件可以是阀体、阀盖、阀杆、密封球 或压帽等阀门中的相关组件均可采用以上的铜合金材料加工而 而，更具体的说，上述的相应无铅黄铜球阀组件采用以下方法制 造而成：

根据无铅黄铜球阀组件的形状和大小，选取采用铜合金材料 制成的铜棒进行切割分段，然后，加热升温至750℃进行热锻造 成型，得到相应无铅黄铜球阀组件毛坯，然后，再控制温度在 580℃进行第一次等温退火处理1.5小时，然后，降温至250℃后 再重新升温至580℃进行第二次等温退火处理2.0小时，再次降 温至250℃后再重新升温至580℃进行第三次等温退火处理2小 时，冷却后进行切边、抛光处理以及常规的检测，得到相应的无 铅黄铜球阀组件成品。

实施例3

本用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料，主要包括以下百分 数的成分：

铜：60wt％；锡：0.8wt％；砷：0.04wt％；铅：0.08wt％；余 量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量≤0.2wt％， 且不可避免的杂质中铁的含量≤0.1wt％。

其中，无铅黄铜球阀组件可以是阀体、阀盖、阀杆、密封球 或压帽等阀门中的相关组件均可采用以上的铜合金材料加工而 而，更具体的说，上述的相应无铅黄铜球阀组件采用以下方法制 造而成：

根据无铅黄铜球阀组件的形状和大小，选取采用铜合金材料 制成的铜棒进行切割分段，然后，加热升温至800℃进行热锻造 成型，得到相应的无铅黄铜球阀组件毛坯，然后，再控制温度在 600℃进行第一次等温退火处理2.5小时，然后，降温至220℃后 再重新升温至600℃进行第二次等温退火处理2.5小时，再次降 温至220℃后再重新升温至600℃进行第三次等温退火处理2.5 小时，冷却后进行切边、抛光处理以及常规的检测，得到相应的 无铅黄铜球阀组件成品。

实施例4

本用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料，主要包括以下百分 数的成分：

铜：59wt％；锡：0.6wt％；砷：0.03wt％；铅：0.1wt％；余量 为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量≤0.2wt％， 且不可避免的杂质中铁的含量≤0.1wt％。

其中，采用本实施例中的铜合金材料制造黄铜球阀组件的方 法与实施例1中的方法一致，这里不再赘述。

实施例5

本用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料，主要包括以下百分 数的成分：

铜：61wt％；锡：0.8wt％；砷：0.02wt％；铅：0.05wt％；硼： 0.1wt％；余量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含 量≤0.15wt％，且不可避免的杂质中铁的含量≤0.08wt％。

其中，采用本实施例中的铜合金材料制造黄铜球阀组件的方 法与实施例1中的方法一致，这里不再赘述。

实施例6

本用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料，主要包括以下百分 数的成分：

铜：62wt％；锡：0.7wt％；砷：0.05wt％；铅：0.04wt％；硼： 0.2wt％；余量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含 量≤0.2wt％，且不可避免的杂质中铁的含量≤0.1wt％。

其中，采用本实施例中的铜合金材料制造无铅黄铜球阀组件 的方法与实施例1中的方法一致，这里不再赘述。

实施例7

本用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料，主要包括以下百分 数的成分：

铜：61wt％；锡：0.5wt％；砷：0.03wt％；铅：0.09％；钾：0.05wt％； 余量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量≤0.2 wt％，且不可避免的杂质中铁的含量≤0.1wt％。

其中，采用本实施例中的铜合金材料制造黄铜球阀组件的方 法与实施例1中的方法一致，这里不再赘述。

实施例8

本用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料，主要包括以下百分 数的成分：

铜：59wt％；锡：1.0wt％；砷：0.06wt％；铅：0.03wt％；钾： 0.08wt％；余量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含 量≤0.2wt％，且不可避免的杂质中铁的含量≤0.1wt％。

其中，采用本实施例中的铜合金材料制造无铅黄铜球阀组件 的方法与实施例1中的方法一致，这里不再赘述。

实施例9

本用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料，主要包括以下百分 数的成分：

铜：59wt％；锡：0.5wt％；砷：0.03wt％；铅：0.06wt％；硼： 0.15wt％；钾：0.06wt％；余量为锌和不可避免的杂质，其中不可 避免的杂质的含量≤0.2wt％，且不可避免的杂质中铁的含量≤ 0.08wt％。

其中，采用本实施例中的铜合金材料制造无铅黄铜球阀组件 的方法与实施例3中的方法一致，这里不再赘述。

实施例10

本用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料，主要包括以下百分 数的成分：

铜：60wt％；锡：0.7wt％；砷：0.04wt％；铅：0.04wt％；氮化 碳：0.02wt％；铟：0.04wt％；余量为锌和不可避免的杂质，其中 不可避免的杂质的含量≤0.2wt％，且不可避免的杂质中铁的含量 ≤0.1wt％。

其中，采用本实施例中的铜合金材料制造无铅黄铜球阀组件 的方法与实施例3中的方法一致，这里不再赘述。

实施例11

本用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料，主要包括以下百分 数的成分：

铜：58wt％；锡：0.6wt％；砷：0.02wt％；铅：0.04wt％；氮化 碳：0.05wt％；铟：0.04wt％；余量为锌和不可避免的杂质，其中 不可避免的杂质的含量≤0.2wt％，且不可避免的杂质中铁的含量 ≤0.08wt％。

其中，采用本实施例中的铜合金材料制造无铅黄铜球阀组件 的方法与实施例1中的方法一致，这里不再赘述。

实施例12

本用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料，主要包括以下百分 数的成分：

铜：61wt％；锡：0.8wt％；砷：0.03wt％；铅：0.1wt％；氮化 碳：0.04wt％；铟：0.03wt％；硼：0.2wt％；余量为锌和不可避免 的杂质，其中不可避免的杂质的含量≤0.2wt％，且不可避免的杂 质中铁的含量≤0.1wt％。

其中，采用本实施例中的铜合金材料制造无铅黄铜球阀组件 的方法与实施例1中的方法一致，这里不再赘述。

实施例13

本用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料，主要包括以下百分 数的成分：

铜：62wt％；锡：0.6wt％；砷：0.04wt％；铅：0.05wt％；氮化 碳：0.025wt％；铟：0.02wt％；硼：0.1wt％；钾：0.06wt％；余量 为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量≤0.2wt％， 且不可避免的杂质中铁的含量≤0.08wt％。

其中，采用本实施例中的铜合金材料制造无铅黄铜球阀组件 的方法与实施例1中的方法一致，这里不再赘述。

实施例14

本用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料，主要包括以下百分 数的成分：

铜：60wt％；锡：0.8wt％；砷：0.02wt％；铅：0.06wt％；氮化 碳：0.02wt％；铟：0.03wt％；硼：0.15wt％；钾：0.05wt％；余量 为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量≤0.2wt％， 且不可避免的杂质中铁的含量≤0.08wt％。

其中，采用本实施例中的铜合金材料制造无铅黄铜球阀组件 的方法与实施例1中的方法一致，这里不再赘述。

比较例1

本用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料，主要包括以下百分 数的成分：

铜：60wt％；锡：0.8wt％；砷：0.04wt％；铅：0.1wt％；余量 为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量≤0.2wt％， 其中不可避免的杂技中铁≤0.1wt％。

其中，无铅黄铜球阀组件可以是阀体、阀盖、阀杆、密封球 或压帽等阀门中的相关组件均可采用以上的铜合金材料加工而 而，更具体的说，上述的相应无铅黄铜球阀组件采用以下方法制 造而成：

根据无铅黄铜球阀组件的形状和大小，选取采用铜合金材料 制成的铜棒进行切割分段，然后，加热升温至800℃进行热锻造 成型，得到相应的黄铜球阀组件毛坯，然后，再控制温度在600℃ 进行一次等温退火处理4.0小时，退火处理结束后，直接进行冷 却。再进行切边、抛光处理以及常规的检测，得到相应的无铅黄 铜球阀组件成品。

比较例2

本用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料，主要包括以下百分 数的成分：

铜：60wt％；锡：0.7wt％；砷：0.04wt％；铅：0.09wt％；铁： ≤0.08wt％；铟：0.04wt％；余量为锌和不可避免的杂质，其中不 可避免的杂质的含量≤0.2wt％。本比较例中通过不添加氮化碳来 说明本发明加入的氮化碳对抗腐蚀性的影响。

其中，采用本比较例中的铜合金材料制造无铅黄铜球阀组件 的方法与实施例3中的方法一致，这里不再赘述。

比较例3

本用于无铅黄铜球阀组件的铜合金材料，主要包括以下百分 数的成分：

铜：61wt％；锡：0.8wt％；砷：0.1wt％；铅：0.08wt％；氮化 碳：0.04wt％；铟：0.03wt％；硼：0.2wt％；余量为锌和不可避免 的杂质，其中不可避免的杂质的含量≤0.2wt％，且不可避免的杂 质中铁的含量≤0.1wt％。

其中，采用本比较例中的铜合金材料制造无铅黄铜球阀组件 的方法与实施例1中的方法一致，这里不再赘述。

随机选取上述实施例中得到的相应黄铜球阀组件，进行相应 的性能测试，具体的测试结果如下表1所示：

表1：

以上表1中抗脱锌的测试是按照ISO6509-1981中《铜合金抗脱 锌》的标准进行。即腐蚀试验前用酚醛树腊镶样.使其暴露面积为 100mm²，所有试片均经过600#金相砂纸研磨平整，并用蒸馏水洗 净、烘干。试验溶液为现配的1重量％的CuCl₂水溶液，试验温度 为75±2℃。将试片与CuCl₂溶液置于恒温水浴槽中作用24±0.5小 时，取出后沿纵向切开，将试片的剖面抛光后，在光学显微镜下测 量其腐蚀深度来进行表示，以上表1中的数据是通过分析后得到的 相应的结果。

本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说 明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例 做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离 本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施 例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神 和范围可作各种变化或修正是显然的。