閥門用銅合金材料的選用與研究

  1 概述

  銅合金在閥門以及閥用零件上得到了充分應(yīng)用，其中選用較多的是錫青銅、鋁青銅、鉛黃銅及硅黃銅。我國(guó)現(xiàn)有各類銅閥門標(biāo)準(zhǔn)約112個(gè)，其中在164個(gè)船用閥門的GB和CB中有86個(gè)是銅閥門標(biāo)準(zhǔn)，在已有的9個(gè)氣瓶閥門GB中，有8個(gè)是銅閥門標(biāo)準(zhǔn)，此外在GB、JB、QB和CJ等標(biāo)準(zhǔn)中還有近20個(gè)可選擇銅合金殼體的閥門標(biāo)準(zhǔn)。確切把握各種銅合金特性，定量分析金屬添加元素的作用，合理選擇閥用銅合金，對(duì)于保證閥門具有良好的使用性能、工作壽命和較低的生產(chǎn)成本是有益的。

  2 銅及銅合金的基本特性

  銅及銅合金除了具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱和抗磁特性外，還呈現(xiàn)出耐蝕性、抑菌性、裝飾性、耐磨性、低溫性、成形性、切削性、可鍍性、密封副組裝性、經(jīng)濟(jì)性和適用性等基本特性。

  （1）耐蝕性銅的耐蝕性能很好，在與大氣、水等接觸時(shí)，反應(yīng)生成難溶于水的堿式硫酸銅CuSO₄·3Cu（OH）₂和堿式碳酸銅CuCO₃·Cu（OH）₂薄膜，又稱“銅綠”。這層致密的薄膜與銅基體結(jié)合牢固，能防止銅被繼續(xù)腐蝕，因此銅在大氣、純凈淡水或流速緩慢的海水中都具有很強(qiáng)的耐蝕性。在大氣中的腐蝕速率為0.02mm/a，在海水中的腐蝕率為0.02～0.04mm/a。但在某些介質(zhì)中銅及銅合金并不耐蝕，例如銅離子遇NH₃會(huì)反應(yīng)生成藍(lán)色的銅氨絡(luò)合物，遇硫離子會(huì)生成黑色CuS沉淀物等，因此在潮濕的大氣、含氨（或NH4+）或硫化物介質(zhì)的大氣或水中、過(guò)熱蒸汽以及汞或汞鹽溶液中，很容易產(chǎn)生腐蝕破裂而被禁用。

  （2）抑菌性當(dāng)溶液中銅離子的濃度超過(guò)0.002mg/L時(shí)，即可抑制細(xì)菌等微生物的生長(zhǎng)，在水介質(zhì)中5h可以滅菌99%。其抑菌性有別于其他加工過(guò)的材料或涂層，是可以長(zhǎng)期穩(wěn)定地提供抑菌保護(hù)而不會(huì)消失，因此常用于飲用水管道及附件、食品器皿和海洋工程等。但銅合金表面的抑菌性起到的只是輔助殺菌作用，并不能夠防止交叉污染并取代標(biāo)準(zhǔn)的防感染措施。

   （3）裝飾性純銅通過(guò)添加合金元素，或借助化學(xué)藥品、顏料和藝術(shù)加工的綜合作用，使其表面由紫色轉(zhuǎn)為黃色、青色或白色等其他顏色或裝飾紋，有很強(qiáng)的裝飾性。由于銅及銅合金有很好的抗氧化性能，在大氣中于室溫下，銅氧化速度非常緩慢，因此能長(zhǎng)期保持本色。當(dāng)溫度超過(guò)130℃時(shí)，銅表面開(kāi)始氧化，生成黑色的CuO。在高溫下，銅的氧化速度加快，由CuO分解出致密的紅色氧化亞銅（Cu₂O）和游離氧。

  （4）耐磨性銅合金具有優(yōu)良的減摩性和耐磨性（如青銅及部分黃銅），良好的抗海水、抗大氣腐蝕性能，抗擦傷，塑性好，加工性能好，因而被廣泛地應(yīng)用于閥門密封副的制造。

  （5）低溫性一般的鋼材在低溫狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)低溫脆性，但銅及銅合金在低溫下塑性不變，強(qiáng)度則略有增強(qiáng)（表1）。這是因?yàn)殂~的金相和奧氏體不銹鋼及鋁一樣都是面心立方晶體結(jié)構(gòu)。所以在JB/T9081《空氣分離設(shè)備用低溫截止閥和節(jié)流閥》標(biāo)準(zhǔn)中，選用了同樣具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的銅、奧氏體不銹鋼和鋁用于閥體材料，適用介質(zhì)溫度為-196～80℃。雖然銅及銅合金在耐磨耐擦傷性方面比鋁及鋁合金好，但304、316等奧氏體不銹鋼以-252℃最低使用溫度和更穩(wěn)定的低溫力學(xué)性能，使銅及銅合金一般只限于中小口徑或中低壓閥門。

  （6）成形性銅及銅合金的面心立方晶體結(jié)構(gòu)有12個(gè)滑移系，因此塑性變形能力強(qiáng)，可以在冷、熱狀態(tài)下進(jìn)行各種壓力加工成形，如擠壓、軋制、沖壓及模鍛等。鑄造合金也有很好的鑄造性能。

  （7）切削性機(jī)加工切削性能好，工件表面光潔度高。

  （8）可鍍性由于一些金屬易于在銅層上沉積，而且結(jié)合力好，往往將銅層用作電鍍的底層，如Cu-Ni-Cr鍍層以厚銅薄鎳層作為防護(hù)性鍍層。銅層在提高基體與鍍層間的結(jié)合力，改善鍍層韌性以及耐蝕性等方面有顯著作用。

  （9）密封副組裝性閥用銅合金的彈性模量98～110GPa（約為鋼的一半），用較小的密封力就能使銅合金密封面產(chǎn)生足夠的彈塑性變形，使閥門達(dá)到密封要求。

  （10）經(jīng)濟(jì)性由于銅的儲(chǔ)藏量較小，材料價(jià)格較貴，但是銅合金的優(yōu)良特性給閥門帶來(lái)較高的性能價(jià)格比。

  （11）適用性純銅的基本特性不能滿足各種閥門零件對(duì)耐磨耐蝕耐擦傷等性能的要求。合金化可以改變其組織與結(jié)構(gòu)，使材料性能多樣化。α固溶體是銅合金的基體，一般為無(wú)序固溶體，如溶入其他元素原子，則晶體常數(shù)會(huì)有所改變。某些元素與銅形成的銅基α固溶體，例如Cu-Zn和Cu-Al等系α固溶體以及某些銅合金β、γ中間相（如Cu-Zn系中的β-CuZn）在一定成分比以及某一臨界溫度下由無(wú)序過(guò)渡到有序狀態(tài)，形成有序固溶體，使銅合金強(qiáng)度明顯提高，從而使金屬材料性能多樣化，滿足諸多條件的要求，形成了各種牌號(hào)的銅合金，在閥門以及閥門零件上得到了充分應(yīng)用（表2）。

  3 黃銅的特性及其選用

  普通黃銅（即二元黃銅）有一定的強(qiáng)度、硬度和良好的鑄造性能，其塑性隨Zn含量的增加逐漸提高，至20%～32%（大體出現(xiàn)β相之前）時(shí)達(dá)最大值，但其耐磨性、耐蝕性及其對(duì)流動(dòng)海水、蒸汽和無(wú)機(jī)酸的耐蝕性能較差。所以，通常在以鋅為主的普通黃銅基礎(chǔ)上添加其他組元來(lái)改善其性能，形成高切削性能的鉛黃銅、高強(qiáng)度的硅黃銅、錳黃銅和鐵黃銅以及耐蝕的鎳黃銅和鋁黃銅等特殊黃銅。通常，含Zn量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%，下同）小于36時(shí)為α單相黃銅，36～46.3為α+β雙相黃銅。

  3.1 HPb59-1鉛黃銅

  鉛黃銅冷或熱壓力加工性好，易釬焊，再結(jié)晶溫度為360℃。其Pb含量為0.8%～1.9%，在黃銅中溶解度僅為0.4%，常以純鉛相存在，呈點(diǎn)狀分布。這些鉛質(zhì)點(diǎn)的潤(rùn)滑和減摩性能使鉛黃銅的可比切削性達(dá)到80%（與HPb63-3比較，下同），切屑易碎，工件表面光潔，適宜熱鍛和自動(dòng)高速車床加工，是閥門中較為常用的銅合金。脫鋅與應(yīng)力腐蝕破裂是HPb59-1鉛黃銅常見(jiàn)的兩種腐蝕形式。由于鋅的電位遠(yuǎn)低于銅，所以當(dāng)黃銅在中性鹽水溶液中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，鋅總是作為陽(yáng)極被首先溶解，銅則呈紅色多孔海綿狀薄膜殘留在表面，并與表面下的黃銅組成微電池，而加速腐蝕。黃銅脫鋅與鋅含量有關(guān)，當(dāng)鋅含量小于15%時(shí)，一般不脫鋅，但不抗沖蝕。隨著鋅含量增加，抗沖蝕能力提高，卻增加了脫鋅的敏感性，尤其是鋅含量大于30%時(shí)更加明顯。加入少量砷（0.04%）可防止脫鋅。但不能抑制兩相Cu-Zn合金（α+β黃銅，39%Zn）的脫鋅。若加入1%～2%Sn時(shí)，在一定程度上也能起到抑制脫鋅的作用。黃銅產(chǎn)品在存放期會(huì)產(chǎn)生自動(dòng)破裂現(xiàn)象（又稱季裂）。當(dāng)黃銅產(chǎn)品內(nèi)存在殘余應(yīng)力時(shí)，在氨、SO2及潮濕空氣等介質(zhì)作用下往往會(huì)產(chǎn)生季裂，尤其是含量為20%～40%Zn的黃銅最為敏感。為減少季裂現(xiàn)象發(fā)生，可以及時(shí)對(duì)黃銅產(chǎn)品或半成品進(jìn)行低溫退火，消除制品內(nèi)因加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，或在黃銅中加入1.0%～1.5%Si或0.02%～0.06%As或少量的Sn、Ni、Al等，都具有良好效果。在產(chǎn)品表面鍍鋅或鎘也能防止季裂。

  （1） 氣瓶閥

  氣瓶閥是在環(huán)境溫度為-40～60℃，公稱壓力為PN1～300的氣瓶上使用。由于氣瓶本身具有潛在的危險(xiǎn)性，而氣瓶閥是氣瓶上重要的安全附件，國(guó)家對(duì)液化石油氣瓶閥、氧氣瓶閥、溶解乙炔氣瓶閥、氬氣瓶閥、液氯瓶閥、車用壓縮天然氣瓶閥、機(jī)動(dòng)車液化石油氣鋼瓶集成閥及工業(yè)用非重復(fù)充裝瓶閥等9個(gè)品種的氣瓶閥頒發(fā)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。在GB15382《氣瓶閥通用技術(shù)條件》的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“閥體及主要零件一般采用HPb59-1鉛黃銅棒或性能不低于它的材料制造”。HPb59-1棒材經(jīng)過(guò)鍛造成型，組織致密。

  鉛黃銅在氨氣介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，HPb59-1鉛黃銅不適用于液氨瓶閥，因此在標(biāo)準(zhǔn)GB17877《液氨瓶閥》中規(guī)定閥體采用20鋼。鉛黃銅對(duì)干燥氯氣（含水量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<0.015%）有較好的耐腐蝕性，但不能承受由介質(zhì)中或環(huán)境中的濕氯氣而生成的次氯酸和高氯酸帶來(lái)的強(qiáng)烈腐蝕。如果按GB13439《液氯瓶閥》規(guī)定，優(yōu)先采用ZCuAl10Fe3鋁青銅，可提高抗蝕性。對(duì)于溶解乙炔氣瓶閥在使用其他銅合金材料時(shí)，含銅量應(yīng)小于70%。

  （2） 暖通空調(diào)管路系統(tǒng)閥門

  在空調(diào)、制冷機(jī)組中使用的低壓小口徑閘閥、截止閥和球閥一般選用HPb59-1鉛黃銅制作。但有2種工況應(yīng)予注意：其一，在制冷工程中需要一種物質(zhì)不斷來(lái)往于蒸發(fā)器和被冷卻的物質(zhì)之間傳遞冷量，這種物質(zhì)被稱為截冷劑。常用的截冷劑有水和鹽水等。鹽水中的NaCl、CaCl2、MgCl2對(duì)金屬的腐蝕性很大，鹽水中氯量越大其腐蝕性越強(qiáng)。因此對(duì)于以鹽水為截冷劑的制冷機(jī)組（一般是大中型的）不能使用HPb59-1鉛黃銅閥門。其二，在氨制冷系統(tǒng)中，不允許使用銅及銅合金材料。

  （3） 給排水管路系統(tǒng)閥門

  銅的抑菌性使HPb59-1鉛黃銅被廣泛用于制作安裝在盥洗室（洗手間、浴室等）、廚房和化驗(yàn)室等衛(wèi)生設(shè)施上各種結(jié)構(gòu)的水嘴和供水管道上的小口徑的閘閥、球閥、截止閥、過(guò)濾器、JB水力控制閥、倒流防止器、比例式減壓閥及平衡閥等。

  當(dāng)銅合金閥門用于飲用水系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)按GB/T172193《生活飲用水輸配水設(shè)備及防護(hù)材料的安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行浸泡試驗(yàn)，Pb在浸泡水中含量應(yīng)≤0.005mg/L。雖然在美國(guó)水道協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/AWWAC515-2001《供水系統(tǒng)用薄壁、彈性密封閘閥》中規(guī)定“與飲用水相接觸的銅合金，其含鉛量應(yīng)不超過(guò)8%（1986年修訂的美國(guó)安全飲用水條例）”。但目前國(guó)外對(duì)食品及飲用水供水系統(tǒng)用的銅閥門已開(kāi)始采用無(wú)鉛黃銅，其中鉛的含量不超過(guò)0.1%，如BS2874-CZ109規(guī)定為59%～62%Cu、0.10%Pb、Zn余量。

  鉛黃銅在蒸汽環(huán)境下容易產(chǎn)生脫鋅腐蝕，降低了閥門強(qiáng)度和密封性能，因此HPb59-1鉛黃銅一般不適用鍋爐給水系統(tǒng)。需要時(shí)應(yīng)改用錫黃銅和鋁黃銅。若水質(zhì)具有特殊腐蝕性而誘發(fā)脫鋅，則應(yīng)改用抗脫鋅黃銅，如BS2874-CZ132規(guī)定為35%～37%Zn、1.7%～2.8%Pb、0.08%～0.15%As、Cu余量。鉛黃銅不耐海水和污垢的腐蝕，海船利用海水沖洗或排污等閥門一般不采用HPb59-1鉛
黃銅。

  （4） 燃?xì)夤苈废到y(tǒng)閥門

  燃?xì)夤苈烽y門及其零部件應(yīng)采用耐腐蝕、耐磨損及熔點(diǎn)高于350℃的金屬材料。由于民用燃?xì)鈨H限于一、二類天然氣，其中硫化氫含量分別小于6mg/m³和20mg/m³，因此HPb59-1鉛黃銅在安裝于民用燃?xì)夤苈肺炊说拈y門中也被普遍采用。但在三類天然氣中，硫化氫含量的上限達(dá)460mg/m³。因此在CJ/T3005《城鎮(zhèn)燃?xì)庥没诣T鐵閥門的通用技術(shù)要求》和CJ/T3056《城鎮(zhèn)燃?xì)庥们蚰T
鐵、鑄鋼制閥門的通用技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)中都規(guī)定“在燃?xì)忾y門中與介質(zhì)接觸的零部件不得使用銅材”，尤其是在潮濕環(huán)境中。

  3.2 HNi56-3鎳黃銅

  高鋅黃銅中添加鎳后，可獲得含有少量β相的高強(qiáng)度合金，因此可提高黃銅的強(qiáng)度和韌性、抗脫鋅和抗應(yīng)力腐蝕破裂的能力、以及抗湍流沖擊腐蝕的能力，適合用于壓力表管和船舶冷凝管及其附件。鎳黃銅還有很好的壓力加工性能，可比切削性30%。但因鎳的價(jià)格較貴，用的不多。潛艇或艦艇高壓空氣管路上的PN200～250-DN10～32的小口徑高壓截止閥、截止止回閥、止回閥以及節(jié)流閥等8個(gè)系列的閥體選用HNi56-3鎳黃銅。與其配套的閥蓋、閥瓣和閥桿則選用QAl10-3-1.5鋁青銅。QAl10-3-1.5鋁青銅具有耐熱、耐磨和高強(qiáng)度性能，高溫（400℃）下力學(xué)性能穩(wěn)定，有良好的減摩性，在大氣、淡水和海水中耐蝕性好，熱態(tài)下壓力加工性良好，可熱處理強(qiáng)化，焊接性好，可比切削性30%。

  3.3 ZCuZn16Si4硅黃銅

  ZCuZn16Si4硅黃銅具有密排六方結(jié)構(gòu)的κ相，在高溫下有足夠的塑性和力學(xué)性能，并能有效地防止α黃銅的應(yīng)力腐蝕傾向。硅黃銅的鑄造和壓力加工性均好，可焊接，可比切削性30%，適用于工作壓力小于4.5MPa的空氣、淡水、海水、燃油以及溫度不高于250℃的蒸汽為介質(zhì)的閥門。

  （1）船用閥門

  PN≤30DN40～65船用法蘭消火栓；

  PN30 DN40～250通海閥、排污舷側(cè)閥；

  PN10～30DN15～25船用空氣減壓閥；

  PN6 DN10～80膠管接頭截止閥、截止止回閥、止回閥（也可選用ZCuSn10Zn2）；

  PN4 DN20～25大便池沖洗閥；

  PN40 DN6壓力表閥，適用于介質(zhì)為淡水、空氣、CO₂、滑油、燃油和溫度不高于250℃蒸汽的船舶管路；

  PN6 DN32～80旋塞閥等

  （2）GB氧氣用截止閥

  PN16 DN15～500截止閥（適用溫度-40～150℃）。

  3.4 HMn58-2錳黃銅

  錳為縮小金屬α相的元素，對(duì)黃銅有固溶強(qiáng)化作用，能提高其對(duì)海水、氯化物和過(guò)熱蒸汽的抗腐蝕性能。錳黃銅熱壓力加工性良好，冷壓力加工性尚可，可比切削性30%。HMn58-2錳黃銅有腐蝕性破裂傾向，僅適用于小口徑船用銅閥門的閥體。

  PN4～16DN10～32波紋管式疏水閥，適用于船舶飽和蒸汽及凝水管路；

  PN160DN10、DN15外螺紋黃銅空氣快速起動(dòng)閥，適用船舶主機(jī)起動(dòng)空氣管路。

  3.5 HFe59-1-1鐵黃銅

  鐵在黃銅中的固溶度極低，超過(guò)固溶度的鐵以富鐵相顆粒存在，其熔點(diǎn)高，既能細(xì)化鑄錠組織，又能阻抑再結(jié)晶時(shí)的晶粒長(zhǎng)大，從而提高黃銅的力學(xué)性能與工藝性能。同時(shí)加入少量的Mn以及Sn、Al、Ni等元素，可以大幅度提高其強(qiáng)度和在大氣、海水中的耐蝕性，因而鐵黃銅適合于制造承受摩擦及海水腐蝕的部件。Fe含量不宜超過(guò)1.5%，否則會(huì)降低耐蝕性，并會(huì)影響電鍍層表面質(zhì)量?？杀惹邢餍?5%。

  4 青銅的特性及其選用

  青銅按化學(xué)成分可分為錫青銅和無(wú)錫青銅（可分為鋁青銅、錳青銅等）。

   鑄造錫青銅表面能形成致密的SnO₂薄膜，有很好的保護(hù)作用，在大氣、淡水或海水中都有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，優(yōu)于純銅和黃銅。在過(guò)熱的蒸汽中（250℃），當(dāng)壓力不超過(guò)20MPa時(shí)也具有耐蝕性。鑄造錫青銅的力學(xué)性能與含錫量有關(guān)，當(dāng)Sn≤5%～6%時(shí)，組織中出現(xiàn)硬而脆的δ相，形成面心立方晶格的α固溶體。隨著錫含量的增加，合金的強(qiáng)度和塑性都增加。當(dāng)>6%Sn時(shí)，雖然強(qiáng)度繼續(xù)升高，但塑性卻會(huì)下降。在<5%Sn時(shí)，錫青銅適宜于冷加工，5%～7%Sn時(shí)，錫青銅宜于熱加工，當(dāng)>10%Sn時(shí)，錫青銅適宜于鑄造。除Sn以外，錫青銅中一般含有少量的Zn、Pb等元素，Zn能提高錫青銅的力學(xué)性能和流動(dòng)性，縮小結(jié)晶溫度區(qū)間，減輕偏析，含量一般不大于5%。Pb不固溶于α相，其含量不超過(guò)5%，以游離狀態(tài)存在并呈黑色質(zhì)點(diǎn)分布于枝晶之間。在1%～2%Pb時(shí)，主要是改善切削性能；4%～5%Pb時(shí)，可降低摩擦系數(shù)，改善耐磨性能，但合金的力學(xué)性能略有下降。船用閥門中用量最多的是ZCuSn10Zn2和ZCuSn5Pb5Zn5。前者比后者的鑄造性能好，不易產(chǎn)生縮孔，且抗拉強(qiáng)度高出其20%，但價(jià)格也高出10%左右?？杀惹邢餍苑謩e為30%和80%。

  （1）ZCuSn10Zn2鑄造錫青銅閥門適用于介質(zhì)為海水、淡水、燃油和溫度不高于250℃蒸汽的船舶管路。中壓（200Lb）以上的或低壓較大口徑的以及需承受較高蒸汽溫度的青銅閥門閥體一般都選用ZCuSn10Zn2。

  PN≤30 DN50～150法蘭截止閥、截止止回閥和止回閥；

  PN≤16 DN6～32外（內(nèi)）螺紋截止閥、截止止回閥和止回閥；

  PN≤1 DN50～150防浪閥；

  PN≤6 DN50～500通海閥、法蘭閘閥；

  PN≤6 DN15～50旋塞閥；

  PN≤6 DN32～100法蘭節(jié)流閥等；

  也可用于CB的水力控制閥的閥體和閥蓋。

  （2）ZCuSn5Pb5Zn5鑄錫青銅適用于海水、淡水、空氣或其他氣體、油以及溫度不高于205℃蒸汽等介質(zhì)的船舶管路系統(tǒng)。J類青銅閥門標(biāo)準(zhǔn)（按JIS標(biāo)準(zhǔn)修訂的）均選用其制作低壓殼體。

  PN5 DN15～40法蘭閘閥；

  PN5～22DN15～40法蘭截止閥、截止止回閥、止回閥等；

  PN16 DN6～10法蘭旋塞閥；

  PN1～25DN6～32外螺紋泄放旋塞；

  PN5～7DN25～40旋啟式止回閥等；

  PN5～10DN40、DN50、DN65外卡式消防接頭和法蘭消防栓等；

  PN8～16DN32～80水減壓閥。

  4.2 ZCuAl9Mn2鑄鋁青銅和QAl9-2鋁青銅鋁青銅的表面具有性能穩(wěn)定的氧化膜（鋁和銅的氧化物混合體），所以其耐蝕性優(yōu)于黃銅和錫青銅。由于鋁青銅相圖的液相線與固相線間的垂直距離很近，即其結(jié)晶溫度范圍為10～30℃，具有較好的流動(dòng)性，形成晶內(nèi)偏析和分散縮孔的傾向小，容易得到致密的鑄件。在鋁青銅中加入錳，可以提高合金的強(qiáng)度、耐蝕性和冷熱壓力加工的能力，具
有耐磨損、耐寒冷和受沖擊時(shí)不發(fā)生火花等特點(diǎn)。可比切削性為25%。在250℃以下蒸汽工作的高壓小口徑船用閥門選用居多。

  PN≤100 DN6～32外螺紋截止閥、節(jié)流閥；

  PN≤250 DN6～32外螺紋空氣截止閥；

  PN1～32 DN10～25外螺紋安全閥；

  PN≤10 DN50～500板式止回閥；

  PN≤30 DN100～200法蘭青銅閘閥（適用于潛艇海水管路）；

  PN200 DN40～80高壓手動(dòng)球閥（介質(zhì)為二氧化碳，適用于船舶空氣、二氧化碳滅火及液壓油管路）等。

  鋁青銅在高溫氧化性氣氛或在氫氟酸中會(huì)發(fā)生脫鋁腐蝕，鑄件內(nèi)容易產(chǎn)生難熔的氧化鋁，難于進(jìn)行釬焊等弱點(diǎn)限制了其使用范圍。

  5 閥用銅合金零件的材料選用

  在閥用銅合金零件（除殼體外）中選用最多的銅合金有鑄錫青銅ZCuSn5Pb5Zn5和ZCuSn10Zn2、鑄鋁青銅ZCuAl9Mn2（或QAl9-2鋁青銅）和ZCuAl10Fe3（或QAl9-4鋁青銅），以及鑄錳黃銅ZCuZn38Mn2Pb2和鑄鉛黃銅ZCuZn40Pb2（或HPb59-1鉛黃銅）。除此以外，被標(biāo)準(zhǔn)列為可選擇的銅合金牌號(hào)還有10余種，其中有高強(qiáng)度的鑄鋁青銅ZCuAl9Fe4Ni4Mn2和ZCuZn25Al6Fe3Mn3。

  （1）ZCuAl10Fe3鑄鋁青銅或QAl9-4鋁青銅在鋁青銅中，少量的Fe可固溶于Cu-Al合金的α固溶體中，若過(guò)量則會(huì)形成針狀FeAl₃使合金的力學(xué)性能與抗蝕性能降低。因此，F(xiàn)e含量不應(yīng)超過(guò)5%，適量鐵能細(xì)化鋁青銅鑄造與再結(jié)晶晶粒，提高力學(xué)性能。鋁含量在10%左右時(shí)，合金溫度達(dá)最大值（液相點(diǎn)為1039℃），使其抗蝕性能與抗磨性能強(qiáng)，可比切削性為50%，適用于制作要求高強(qiáng)度的耐磨耐蝕件。如鋼制閥門的閥桿螺母，GB軟密封蝶閥、GB金屬隔膜閥和JB氧氣用截止閥的啟閉件和閥桿等，JB水力控制閥的閥桿和閥座，GB先導(dǎo)式減壓閥的活塞氣缸等。

  （2）ZCuAl9Mn2鑄鋁青銅或QAl9-2鋁青銅適用于制作中壓船用閥門的螺紋截止閥閥瓣和閥桿，法蘭閘閥方螺母、上襯套、下襯套、閥體密封圈和閥芯密封圈等，GB法蘭鐵制閘閥的閥桿螺母、閘板密封圈和閥體密封圈，JB金屬密封蝶閥軸套等。

  （3）ZCuSn10Zn2鑄錫青銅

  適用于制作中壓船用閥門零件，如法蘭青銅截止閥閥瓣、填料壓蓋、閥座、閘板、旋塞、止回閥襯套和壓緊螺母（含上密封面），GB先導(dǎo)式減壓閥活塞氣缸等。

  （4）ZCuZn38Mn2Pb2鑄錳黃銅

  適用于制作中低壓鐵閥門的軸套、閥座、啟閉件、閥桿螺母以及蝶板等。

  （5）ZCuZn40Pb2鑄鉛黃銅或HPb59-1鉛黃銅

  適用于制作低壓給排水閥門零件，如水暖閥門的閥桿、閥瓣和球體等，JB水力控制閥的閥座和閥瓣等，GB金屬隔膜閥的閥桿螺母，船用閥門中的J類法蘭截止閥閥桿（PN16DN50～400）等。

  （6）ZCuSn5Pb5Zn5鑄錫青銅

  適用于制作低壓船用閥門中的螺紋截止閥閥瓣、止回閥導(dǎo)向桿和旋塞等，CJ給排水用軟密封閘閥的支架螺母和閘板螺母，JB對(duì)夾式刀形閘閥的閥桿螺母等。

   6 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)閥用銅合金技術(shù)分析

  （1）選擇范圍國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)一般提供的是一組選用范圍，而不止一二個(gè)牌號(hào)。例如在標(biāo)準(zhǔn)BSEN11288-2003《工業(yè)閥門-銅合金閘閥》中為閥體/閥蓋列出的銅合金牌號(hào)為6個(gè)。標(biāo)準(zhǔn)ANSI/AWWAC515-2001《供水系統(tǒng)用薄壁、彈性密封閘閥》中閥桿/閥桿螺母列出12個(gè)銅合金牌號(hào)后還注明“實(shí)際用的或規(guī)定的合金不僅限于表列”。

  （2）技術(shù)要求國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)閥門銅合金的耐腐蝕性能和含鉛量作出了相應(yīng)的規(guī)定。例如ANSI/AWWAC515除了要求按材料規(guī)范制造以及進(jìn)行硝酸亞汞試驗(yàn)外，還規(guī)定含鋅量超過(guò)16%或鋁青銅不能用于己被證明可能促進(jìn)脫鋅或脫鋁的水中。含鋅量超過(guò)16%的銅合金，其含銅量不能低于57%。含鋅量小于或等于16%的銅合金，其含銅量不能低于79%。銅合金零件應(yīng)能承受應(yīng)力腐蝕。與飲用水相接觸的銅合金，其含鉛量應(yīng)不超過(guò)8%等。標(biāo)準(zhǔn)JISB2011：2003《青銅閘閥、截止閥、角閥和止回閥》對(duì)代用材料強(qiáng)調(diào)“或材料的機(jī)械性能和耐腐蝕性能等于或高于附表中給出材料的機(jī)械性能和耐腐蝕性能”，還為無(wú)鉛銅和抗脫鋅黃銅列出詳盡的技術(shù)要求。BSEN12288：2003標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“應(yīng)避免使用過(guò)程中發(fā)生電化腐蝕的材料或材料組合”，強(qiáng)調(diào)“飲用水用的閥門結(jié)構(gòu)或組件中不允許使用含鉛的軟釬焊合金和含鎘的硬釬焊合金”。

  （3）分級(jí)選用國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)有時(shí)對(duì)不同壓力等級(jí)的閥用零件，列出不同選擇范圍的銅合金牌號(hào)。例如在標(biāo)準(zhǔn)MSSSP-80-2003《青銅閘閥、截止閥、角閥和止回閥》中：125Lb和150Lb（PN20）的閥體選用C83600（相當(dāng)于ZCuSn5Pb5Zn5），而200Lb、300Lb（PN50）和350Lb的閥體則選用C92200（86%～89%Cu，5.8%～6.5%Sn，1.0%～1.8%Pb，3.5%～5.0%Zn，σb≥283MPa，σs≥110MPa）。

  （4）鑄件修補(bǔ)ASTMB62-2002《青銅或高銅黃銅鑄件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定所有的銅“鑄件不得進(jìn)行修補(bǔ)、堵塞、補(bǔ)焊或熔補(bǔ)?！边@與GB規(guī)定的“在鑄件的密封面、螺紋部位和承受高溫、強(qiáng)腐蝕等部件上的缺陷，不允許修補(bǔ)?！钡囊?guī)定是有差異的。

  7 銅合金選用原則

  閥用銅合金選擇（代用）的一般原則是從使用性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)綜合考慮，使所選銅合金的性能滿足零部件的使用要求，耐腐蝕，易加工，成本低。

  7.1 使用性

  銅合金各項(xiàng)性能應(yīng)與產(chǎn)品的使用條件和工況要求相一致。

   （1）防腐蝕金屬材料的年腐蝕速率分為4級(jí)（表3）。根據(jù)工作環(huán)境和介質(zhì)的腐蝕性及其銅合金的年腐蝕速率，可按設(shè)計(jì)壽命確定壁厚的腐蝕余量C1。對(duì)于尚耐蝕材料，可根據(jù)其技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性的比較，確定應(yīng)用或者另選較高級(jí)別的耐蝕材料。

   為減緩閥門在海水中或在關(guān)閉瞬間受到紊流的沖擊腐蝕，選擇牌號(hào)時(shí)應(yīng)考慮閥門的設(shè)計(jì)限制流速不應(yīng)超過(guò)相應(yīng)的銅合金臨界流速（表4）。

  銅合金的耐腐蝕性既與其所處的環(huán)境和使用介質(zhì)有關(guān)，同時(shí)受到材料自身和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。因此銅合金的選擇還應(yīng)防止或有效應(yīng)對(duì)使用過(guò)程出現(xiàn)脫成分腐蝕（鉛黃銅脫鋅、鋁青銅的脫鋁和銅鎳合金的脫鎳等）和應(yīng)力腐蝕（機(jī)構(gòu)震動(dòng)及零件殘余引力誘發(fā)的應(yīng)力腐蝕）。零件設(shè)計(jì)也應(yīng)防止接觸性腐蝕。由于銅的電位高，與其他金屬接觸時(shí)，能使被接觸金屬的腐蝕加快。因此與銅合金零件組合的重要零件也應(yīng)選用銅合金，例如與銅閥桿配合的上密封座。當(dāng)零件接觸縫隙寬度在0.025～0.1mm時(shí)，最容易發(fā)生縫隙腐蝕?？p隙窄，腐蝕介質(zhì)不能進(jìn)入?？p隙寬則存在對(duì)流與擴(kuò)散，因而不能形成縫隙閉塞區(qū)苛刻的腐蝕環(huán)境，例如暗桿閥門中的閥桿和閥桿螺母的梯形螺紋腐蝕的就比較快，應(yīng)考慮銅合金有相應(yīng)的耐蝕能力，防止閥門過(guò)早失效。

  （2）耐磨損帶有傳動(dòng)螺紋的閥桿、閥桿螺母（螺紋套）及閥蓋等零件的銅合金應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和耐磨性。對(duì)于中高溫鋼制閥門的閥桿螺母用銅合金的熔點(diǎn)應(yīng)在955℃以上。

  （3）耐擦傷閥門密封面在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)因摩擦而引起擦傷損壞，尤其是閘閥。因此閥瓣、密封圈（閥座）、閘板、含上密封面的壓緊螺母以及直接加工密封面的閥體等零件的銅合金應(yīng)具有較高的許用比壓，以耐擦傷。對(duì)于在高溫、高壓蒸汽介質(zhì)中使用的節(jié)流閥、安全閥和減壓閥還應(yīng)防止沖蝕和氣蝕對(duì)密封面的破壞。表5列出了閥門密封圈的銅合金在小于200℃介質(zhì)中的許用比壓。

   （4）對(duì)用于閃點(diǎn)小于60℃油介質(zhì)的船用閥門，其閥桿、閥座和閥瓣等具有摩擦的部件應(yīng)選用在動(dòng)作時(shí)不致產(chǎn)生火花的材料。

  7.2 工藝性

  根據(jù)企業(yè)自身?xiàng)l件，選擇合適的成形工藝和加工工藝，確保材料性能穩(wěn)定。

  （1）鑄造充分利用添加元素的組元改善鑄造工藝性能。由于砂型和金屬型銅合金鑄件最小壁厚應(yīng)大于3mm，因此對(duì)小口徑或薄壁鑄件宜改用熱鍛或壓鑄等其他成形工藝。

  （2）鍛造鍛造可使毛坯金屬獲得較細(xì)的晶粒，同時(shí)能壓合鑄造組織內(nèi)部的缺陷（如微小裂紋、氣孔等），因而提高了金屬的力學(xué)性能和使用中的可靠性，一般可使強(qiáng)度提高20%，韌性提高一倍左右。如采用熱鍛或壓鑄，銅合金的最小壁厚應(yīng)為2mm以上（技術(shù)上的可能性為1mm）。

  （3）熱處理去應(yīng)力退火要求在18h以內(nèi)及時(shí)進(jìn)行，否則易產(chǎn)生應(yīng)力開(kāi)裂。溫度一般比再結(jié)晶溫度低30～100℃，溫度過(guò)高，工件的強(qiáng)度和硬度降低較大，影響產(chǎn)品質(zhì)量，若溫度偏低，則影響生產(chǎn)效率。因此熱處理爐的工序能力（爐內(nèi)溫差等）以及熱處理的成本和合格率等也應(yīng)成為選材的因素。

  （4）切削加工對(duì)于用自動(dòng)高速機(jī)床加工的零件，尤其需進(jìn)行小尺寸梯形螺紋攻絲的零件，應(yīng)考慮選擇可比切削性較高的銅合金。

  7.3 經(jīng)濟(jì)性

  選用材料的經(jīng)濟(jì)性，首先應(yīng)能保證零件有良好的使用性能、較高的或合同要求的使用壽命以及制造工藝的合理性。

  （1）壁厚在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有規(guī)定時(shí)，銅合金閥門殼體的最小壁厚t可計(jì)算得出。

  式中t———計(jì)算殼體壁厚，mm
   PN———公稱壓力，MPa
   d———閥體端部基本內(nèi)徑，mm
   S———應(yīng)力系數(shù)，MPa
   C———腐蝕和鑄造工藝裕量，mm

  按此式在材料的強(qiáng)度（許用應(yīng)力）、年腐蝕速率、設(shè)計(jì)使用年限和材料價(jià)格等因素中找出最經(jīng)濟(jì)的平衡點(diǎn)。

  （2）在材料成形合格率、可比切削性、銅合金牌號(hào)和價(jià)格之間尋求符合要求的平衡點(diǎn)。

  8 結(jié)語(yǔ)

  銅合金的基本特性和優(yōu)良特性在閥門中被廣泛選用。了解和掌握各種銅合金性能，有利于合理地選擇和使用閥用銅合金。了解和掌握各種添加元素在銅合金中的量化作用，有利于設(shè)計(jì)和控制銅合金的質(zhì)量。了解和吸收國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中的先進(jìn)要素，有利于提升銅閥門的性價(jià)比。

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