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用，其中選用較多的是錫青銅、鋁青銅、鉛黃銅及硅黃銅。我國現(xiàn)有各類銅閥門標準約112個，其中在164個船用閥門的GB和CB中有86個是銅閥門標準，在已有的9個氣瓶閥門GB中，有8個是銅閥門標準，此外在GB、JB、QB和CJ等標準中還有近20個可選擇銅合金殼體的閥門標準。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，對于保證閥門具有良好的使用性能、工作壽命和較低的生產成本是有益的。

  2 銅及銅合金的基本特性

  銅及銅合金除了具有導電、導熱和抗磁特性外，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、經濟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，反應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。但在某些介質中銅及銅合金并不耐蝕，例如銅離子遇NH₃會反應生成藍色的銅氨絡合物，遇硫離子會生成黑色CuS沉淀物等，因此在潮濕的大氣、含氨（或NH4+）或硫化物介質的大氣或水中、過熱蒸汽以及汞或汞鹽溶液中，很容易產生腐蝕破裂而被禁用。

  （2）抑菌性當溶液中銅離子的濃度超過0.002mg/L時，即可抑制細菌等微生物的生長，在水介質中5h可以滅菌99%。其抑菌性有別于其他加工過的材料或涂層，是可以長期穩(wěn)定地提供抑菌保護而不會消失，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準的防感染措施。

   （3）裝飾性純銅通過添加合金元素，或借助化學藥品、顏料和藝術加工的綜合作用，使其表面由紫色轉為黃色、青色或白色等其他顏色或裝飾紋，有很強的裝飾性。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，因此能長期保持本色。當溫度超過130℃時，銅表面開始氧化，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)下會出現(xiàn)低溫脆性，但銅及銅合金在低溫下塑性不變，強度則略有增強（表1）。這是因為銅的金相和奧氏體不銹鋼及鋁一樣都是面心立方晶體結構。所以在JB/T9081《空氣分離設備用低溫截止閥和節(jié)流閥》標準中，選用了同樣具有面心立方晶體結構的銅、奧氏體不銹鋼和鋁用于閥體材料，適用介質溫度為-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構有12個滑移系，因此塑性變形能力強，可以在冷、熱狀態(tài)下進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性鍍層。銅層在提高基體與鍍層間的結合力，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生足夠的彈塑性變形，使閥門達到密封要求。

  （10）經濟性由于銅的儲藏量較小，材料價格較貴，但是銅合金的優(yōu)良特性給閥門帶來較高的性能價格比。

  （11）適用性純銅的基本特性不能滿足各種閥門零件對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構，使材料性能多樣化。α固溶體是銅合金的基體，一般為無序固溶體，如溶入其他元素原子，則晶體常數(shù)會有所改變。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序過渡到有序狀態(tài)，形成有序固溶體，使銅合金強度明顯提高，從而使金屬材料性能多樣化，滿足諸多條件的要求，形成了各種牌號的銅合金，在閥門以及閥門零件上得到了充分應用（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）時達最大值，但其耐磨性、耐蝕性及其對流動海水、蒸汽和無機酸的耐蝕性能較差。所以，通常在以鋅為主的普通黃銅基礎上添加其他組元來改善其性能，形成高切削性能的鉛黃銅、高強度的硅黃銅、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（質量分數(shù)/%，下同）小于36時為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，呈點狀分布。這些鉛質點的潤滑和減摩性能使鉛黃銅的可比切削性達到80%（與HPb63-3比較，下同），切屑易碎，工件表面光潔，適宜熱鍛和自動高速車床加工，是閥門中較為常用的銅合金。脫鋅與應力腐蝕破裂是HPb59-1鉛黃銅常見的兩種腐蝕形式。由于鋅的電位遠低于銅，所以當黃銅在中性鹽水溶液中產生化學反應時，鋅總是作為陽極被首先溶解，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，當鋅含量小于15%時，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，在一定程度上也能起到抑制脫鋅的作用。黃銅產品在存放期會產生自動破裂現(xiàn)象（又稱季裂）。當黃銅產品內存在殘余應力時，在氨、SO2及潮濕空氣等介質作用下往往會產生季裂，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，可以及時對黃銅產品或半成品進行低溫退火，消除制品內因加工產生的殘余應力，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性，而氣瓶閥是氣瓶上重要的安全附件，國家對液化石油氣瓶閥、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、機動車液化石油氣鋼瓶集成閥及工業(yè)用非重復充裝瓶閥等9個品種的氣瓶閥頒發(fā)強制性標準。在GB15382《氣瓶閥通用技術條件》的標準中規(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棒材經過鍛造成型，組織致密。

  鉛黃銅在氨氣介質中會產生應力腐蝕，HPb59-1鉛黃銅不適用于液氨瓶閥，因此在標準GB17877《液氨瓶閥》中規(guī)定閥體采用20鋼。鉛黃銅對干燥氯氣（含水量的質量分數(shù)<0.015%）有較好的耐腐蝕性，但不能承受由介質中或環(huán)境中的濕氯氣而生成的次氯酸和高氯酸帶來的強烈腐蝕。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。對于溶解乙炔氣瓶閥在使用其他銅合金材料時，含銅量應小于70%。

  （2） 暖通空調管路系統(tǒng)閥門

  在空調、制冷機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種工況應予注意：其一，在制冷工程中需要一種物質不斷來往于蒸發(fā)器和被冷卻的物質之間傳遞冷量，這種物質被稱為截冷劑。常用的截冷劑有水和鹽水等。鹽水中的NaCl、CaCl2、MgCl2對金屬的腐蝕性很大，鹽水中氯量越大其腐蝕性越強。因此對于以鹽水為截冷劑的制冷機組（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）、廚房和化驗室等衛(wèi)生設施上各種結構的水嘴和供水管道上的小口徑的閘閥、球閥、截止閥、過濾器、JB水力控制閥、倒流防止器、比例式減壓閥及平衡閥等。

  當銅合金閥門用于飲用水系統(tǒng)時，應按GB/T172193《生活飲用水輸配水設備及防護材料的安全性評價標準》的規(guī)定進行浸泡試驗，Pb在浸泡水中含量應≤0.005mg/L。雖然在美國水道協(xié)會標準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，其含鉛量應不超過8%（1986年修訂的美國安全飲用水條例）”。但目前國外對食品及飲用水供水系統(tǒng)用的銅閥門已開始采用無鉛黃銅，其中鉛的含量不超過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)境下容易產生脫鋅腐蝕，降低了閥門強度和密封性能，因此HPb59-1鉛黃銅一般不適用鍋爐給水系統(tǒng)。需要時應改用錫黃銅和鋁黃銅。若水質具有特殊腐蝕性而誘發(fā)脫鋅，則應改用抗脫鋅黃銅，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） 燃氣管路系統(tǒng)閥門

  燃氣管路閥門及其零部件應采用耐腐蝕、耐磨損及熔點高于350℃的金屬材料。由于民用燃氣僅限于一、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氣管路未端的閥門中也被普遍采用。但在三類天然氣中，硫化氫含量的上限達460mg/m³。因此在CJ/T3005《城鎮(zhèn)燃氣用灰鑄鐵閥門的通用技術要求》和CJ/T3056《城鎮(zhèn)燃氣用球墨鑄
鐵、鑄鋼制閥門的通用技術要求》標準中都規(guī)定“在燃氣閥門中與介質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相的高強度合金，因此可提高黃銅的強度和韌性、抗脫鋅和抗應力腐蝕破裂的能力、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、耐磨和高強度性能，高溫（400℃）下力學性能穩(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構的κ相，在高溫下有足夠的塑性和力學性能，并能有效地防止α黃銅的應力腐蝕傾向。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，對黃銅有固溶強化作用，能提高其對海水、氯化物和過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閥，適用船舶主機起動空氣管路。

  3.5 HFe59-1-1鐵黃銅

  鐵在黃銅中的固溶度極低，超過固溶度的鐵以富鐵相顆粒存在，其熔點高，既能細化鑄錠組織，又能阻抑再結晶時的晶粒長大，從而提高黃銅的力學性能與工藝性能。同時加入少量的Mn以及Sn、Al、Ni等元素，可以大幅度提高其強度和在大氣、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1.5%，否則會降低耐蝕性，并會影響電鍍層表面質量。可比切削性25%。

  4 青銅的特性及其選用

  青銅按化學成分可分為錫青銅和無錫青銅（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，有很好的保護作用，在大氣、淡水或海水中都有很高的化學穩(wěn)定性，優(yōu)于純銅和黃銅。在過熱的蒸汽中（250℃），當壓力不超過20MPa時也具有耐蝕性。鑄造錫青銅的力學性能與含錫量有關，當Sn≤5%～6%時，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，合金的強度和塑性都增加。當>6%Sn時，雖然強度繼續(xù)升高，但塑性卻會下降。在<5%Sn時，錫青銅適宜于冷加工，5%～7%Sn時，錫青銅宜于熱加工，當>10%Sn時，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性能和流動性，縮小結晶溫度區(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5%，以游離狀態(tài)存在并呈黑色質點分布于枝晶之間。在1%～2%Pb時，主要是改善切削性能；4%～5%Pb時，可降低摩擦系數(shù)，改善耐磨性能，但合金的力學性能略有下降。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，不易產生縮孔，且抗拉強度高出其20%，但價格也高出10%左右。可比切削性分別為30%和80%。

  （1）ZCuSn10Zn2鑄造錫青銅閥門適用于介質為海水、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）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℃蒸汽等介質的船舶管路系統(tǒng)。J類青銅閥門標準（按JIS標準修訂的）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，即其結晶溫度范圍為10～30℃，具有較好的流動性，形成晶內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、耐寒冷和受沖擊時不發(fā)生火花等特點。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高壓手動球閥（介質為二氧化碳，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發(fā)生脫鋁腐蝕，鑄件內容易產生難熔的氧化鋁，難于進行釬焊等弱點限制了其使用范圍。

  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，被標準列為可選擇的銅合金牌號還有10余種，其中有高強度的鑄鋁青銅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，若過量則會形成針狀FeAl₃使合金的力學性能與抗蝕性能降低。因此，F(xiàn)e含量不應超過5%，適量鐵能細化鋁青銅鑄造與再結晶晶粒，提高力學性能。鋁含量在10%左右時，合金溫度達最大值（液相點為1039℃），使其抗蝕性能與抗磨性能強，可比切削性為50%，適用于制作要求高強度的耐磨耐蝕件。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對夾式刀形閘閥的閥桿螺母等。

   6 國外標準閥用銅合金技術分析

  （1）選擇范圍國外標準一般提供的是一組選用范圍，而不止一二個牌號。例如在標準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為6個。標準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個銅合金牌號后還注明“實際用的或規(guī)定的合金不僅限于表列”。

  （2）技術要求國外標準對閥門銅合金的耐腐蝕性能和含鉛量作出了相應的規(guī)定。例如ANSI/AWWAC515除了要求按材料規(guī)范制造以及進行硝酸亞汞試驗外，還規(guī)定含鋅量超過16%或鋁青銅不能用于己被證明可能促進脫鋅或脫鋁的水中。含鋅量超過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%。銅合金零件應能承受應力腐蝕。與飲用水相接觸的銅合金，其含鉛量應不超過8%等。標準JISB2011：2003《青銅閘閥、截止閥、角閥和止回閥》對代用材料強調“或材料的機械性能和耐腐蝕性能等于或高于附表中給出材料的機械性能和耐腐蝕性能”，還為無鉛銅和抗脫鋅黃銅列出詳盡的技術要求。BSEN12288：2003標準中規(guī)定“應避免使用過程中發(fā)生電化腐蝕的材料或材料組合”，強調“飲用水用的閥門結構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）分級選用國外標準有時對不同壓力等級的閥用零件，列出不同選擇范圍的銅合金牌號。例如在標準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ASTMB62-2002《青銅或高銅黃銅鑄件標準規(guī)范》規(guī)定所有的銅“鑄件不得進行修補、堵塞、補焊或熔補。”這與GB規(guī)定的“在鑄件的密封面、螺紋部位和承受高溫、強腐蝕等部件上的缺陷，不允許修補。”的規(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、工藝性和經濟性等方面進綜合考慮，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

  銅合金各項性能應與產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（表3）。根據(jù)工作環(huán)境和介質的腐蝕性及其銅合金的年腐蝕速率，可按設計壽命確定壁厚的腐蝕余量C1。對于尚耐蝕材料，可根據(jù)其技術性與經濟性的比較，確定應用或者另選較高級別的耐蝕材料。

   為減緩閥門在海水中或在關閉瞬間受到紊流的沖擊腐蝕，選擇牌號時應考慮閥門的設計限制流速不應超過相應的銅合金臨界流速（表4）。

  銅合金的耐腐蝕性既與其所處的環(huán)境和使用介質有關，同時受到材料自身和結構設計的影響。因此銅合金的選擇還應防止或有效應對使用過程出現(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）和應力腐蝕（機構震動及零件殘余引力誘發(fā)的應力腐蝕）。零件設計也應防止接觸性腐蝕。由于銅的電位高，與其他金屬接觸時，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選用銅合金，例如與銅閥桿配合的上密封座。當零件接觸縫隙寬度在0.025～0.1mm時，最容易發(fā)生縫隙腐蝕。縫隙窄，腐蝕介質不能進入。縫隙寬則存在對流與擴散，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，應考慮銅合金有相應的耐蝕能力，防止閥門過早失效。

  （2）耐磨損帶有傳動螺紋的閥桿、閥桿螺母（螺紋套）及閥蓋等零件的銅合金應具有足夠的強度和耐磨性。對于中高溫鋼制閥門的閥桿螺母用銅合金的熔點應在955℃以上。

  （3）耐擦傷閥門密封面在相對運動過程中會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具有較高的許用比壓，以耐擦傷。對于在高溫、高壓蒸汽介質中使用的節(jié)流閥、安全閥和減壓閥還應防止沖蝕和氣蝕對密封面的破壞。表5列出了閥門密封圈的銅合金在小于200℃介質中的許用比壓。

   （4）對用于閃點小于60℃油介質的船用閥門，其閥桿、閥座和閥瓣等具有摩擦的部件應選用在動作時不致產生火花的材料。

  7.2 工藝性

  根據(jù)企業(yè)自身條件，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大于3mm，因此對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的晶粒，同時能壓合鑄造組織內部的缺陷（如微小裂紋、氣孔等），因而提高了金屬的力學性能和使用中的可靠性，一般可使強度提高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為2mm以上（技術上的可能性為1mm）。

  （3）熱處理去應力退火要求在18h以內及時進行，否則易產生應力開裂。溫度一般比再結晶溫度低30～100℃，溫度過高，工件的強度和硬度降低較大，影響產品質量，若溫度偏低，則影響生產效率。因此熱處理爐的工序能力（爐內溫差等）以及熱處理的成本和合格率等也應成為選材的因素。

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

  7.3 經濟性

  選用材料的經濟性，首先應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）壁厚在產品標準沒有規(guī)定時，銅合金閥門殼體的最小壁厚t可計算得出。

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

  按此式在材料的強度（許用應力）、年腐蝕速率、設計使用年限和材料價格等因素中找出最經濟的平衡點。

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

  8 結語

  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，有利于設計和控制銅合金的質量。了解和吸收國外標準中的先進要素，有利于提升銅閥門的性價比。

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