專利名稱：環(huán)保黃銅合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種環(huán)保黃銅合金，尤其是，本發(fā)明涉及一種無(wú)鉛無(wú)鉍的環(huán)保黃銅合金。·
背景技術(shù)：
現(xiàn)有非環(huán)保含鉛黃銅合金的主要成份為銅與鋅，且銅與鋅的比例通常為約7 3或6 4，此外通常含有多量合金雜質(zhì)。為了達(dá)到黃銅合金具備機(jī)械加工性質(zhì)，公知黃銅合金是含重金屬鉛(多為I至3重量％，例如公知的H59鉛黃銅合金)以達(dá)到產(chǎn)業(yè)所需的機(jī)械特性，并因此成為工業(yè)上重要材料，廣泛應(yīng)用于管線、水龍頭、供水/排水系統(tǒng)的金屬裝置或金屬閥等制品。然而，隨著環(huán)保意識(shí)抬頭，重金屬對(duì)于人體健康的影響及對(duì)環(huán)境污染的問(wèn)題逐漸受到重視，因此，限制含鉛合金的使用為目前的趨勢(shì)。已知日本、美國(guó)等國(guó)陸續(xù)修訂相關(guān)法規(guī)，極力推動(dòng)降低環(huán)境中的含鉛率，涵蓋用于家電、汽車、水外圍產(chǎn)品的含鉛合金材料，特別要求不可從該產(chǎn)品溶出鉛至飲用水，且在加工制程中必須避免鉛污染。例如，美國(guó)加州在2010年I月I日正式生效的AB 1953法案，即是使家居用水管等的含鉛量從目前的8%大幅降低至IJ O. 25%。目前，已有許多無(wú)鉛黃銅合金配方被報(bào)導(dǎo)，例如第421674號(hào)臺(tái)灣專利，第7354489號(hào)美國(guó)專利、第20070062615號(hào)美國(guó)專利、第20060078458號(hào)美國(guó)專利、第2004023441號(hào)美國(guó)專利及第20110104000A I號(hào)美國(guó)專利揭露以硅(Si)為主要成分而取代鉛添加于黃銅合金中，惟上述專利所揭露的無(wú)鉛銅合金具有切削性不佳的缺點(diǎn)。為了改善黃銅合金的切削性性能，亦有文獻(xiàn)及專利揭露以添加鉍(Bi)為主要成分而取代鉛添加于黃銅合金中，以增加整體的切削性。例如第7297215號(hào)美國(guó)專利、第6974509號(hào)美國(guó)專利、第6955378號(hào)美國(guó)專利、第6149739號(hào)美國(guó)專利、第5942056號(hào)美國(guó)專利、第5653827號(hào)美國(guó)專利、第5487867號(hào)美國(guó)專利、第5330712號(hào)美國(guó)專利、第20060005901號(hào)美國(guó)專利、第20040094243號(hào)美國(guó)專利、第5637160號(hào)美國(guó)專利及第20070039667號(hào)美國(guó)專利等專利所揭露的合金配方的鉍含量介于約O. 03至7. O重量％的范圍，然而，在黃銅合金中，高鉍含量易產(chǎn)生裂紋、夾渣等缺陷。也有專利揭露黃銅合金配方除了含有鉍之外，另包含不同的元素成分及特定比例。例如，第101403056號(hào)中國(guó)專利揭露以鉍及錳代替鉛的無(wú)鉛黃銅合金，然而，黃銅合金中，鉍含量低而錳含量高，會(huì)使黃銅合金的硬度高，不易斷屑，切削性差。例如，第6413330號(hào)美國(guó)專利揭露同時(shí)包含鉍、硅及其它成分的無(wú)鉛黃銅合金配方；第101440444號(hào)中國(guó)專利揭露高鋅硅無(wú)鉛黃銅合金，然而，因黃銅合金的含硅量高但含銅量較低，會(huì)使合金的熔湯流動(dòng)性差，在金屬模中比較難充滿型腔，易產(chǎn)生澆不足等鑄造缺陷，且由于硅的鋅當(dāng)量過(guò)高，使Cu-Zn系中的α/(α+β)相界顯著移向銅側(cè)，即強(qiáng)烈縮小α相區(qū)，容易產(chǎn)生脆性Y相，使得鑄件因太脆而容易承受不住凝固時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力而破裂。高含量的硅元素，其本身熔點(diǎn)(1410°C)及硬度高，會(huì)造成硬質(zhì)點(diǎn)多，產(chǎn)品拋光難度高，后續(xù)在表面處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生麻點(diǎn)，嚴(yán)重影響合格率。另外，也有對(duì)于無(wú)鉛黃銅合金的制程或洗鉛制程的改良的報(bào)導(dǎo)，例如，第5904783號(hào)美國(guó)專利揭露一種使用鈉、鉀金屬在高溫下處理黃銅合金以減少鉛濾出到供給液的方法；第491897號(hào)臺(tái)灣專利揭露一種含有I至2. 6重量％鉍的黃銅合金的制法。然而，上述專利所揭露的洗鉛制程僅能在含鉛產(chǎn)品在浸入水中時(shí)，減少與水接觸表面的鉛析出，無(wú)法將生產(chǎn)原料成分中鉛含量降低至O. 25重量％以下，即不符合美國(guó)加州AB 1953法令規(guī)定的無(wú)鉛標(biāo)準(zhǔn)。因此，黃銅合金所用的元素材料，在重金屬鉛對(duì)于人體健康的影響及對(duì)環(huán)境污染等環(huán)保意識(shí)下有符合標(biāo)準(zhǔn)的需要。此外，在具體應(yīng)用上仍須考慮黃銅合金的切削性、耐腐蝕性、產(chǎn)生裂紋、夾渣等鑄造性能及機(jī)械性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種環(huán)保黃銅合金，包含0. 3至O. 8重量％的鋁O. I至·O. 8重量％的錫O. 01至I. 5重量％的銦；0. 01至I. O重量％的鈣O. I至3.0重量％的磷O. I至O. 15重量％的微量元素；以及90. 95重量％以上的銅與鋅,其中，銅在該環(huán)保黃銅合金中的含量為58至70重量％。在本發(fā)明的環(huán)保黃銅合金中，鋁(Al)含量為0.3至0.8重量％。在本發(fā)明環(huán)保黃銅合金的含量的鋁可增加銅水的流動(dòng)性，改善該合金材料的鑄造性能。在優(yōu)選實(shí)施例中，鋁含量為O. 35至O. 7重量％，更優(yōu)選為O. 35至O. 65重量％。相對(duì)地，過(guò)量的鋁元素會(huì)在銅水液面產(chǎn)生大量鋁氧化膜，使銅液中夾渣亦在后續(xù)澆鑄銅鑄件時(shí)形成夾層(Lamination)，造成鑄件缺陷的產(chǎn)生。在本發(fā)明的環(huán)保黃銅合金中，錫(Sn)含量為O. I至0.8重量％，在此范圍含量的銅可提高晶界強(qiáng)度，因而提高黃銅的抗腐蝕性能。在最優(yōu)選的實(shí)施例中，錫含量為O. 2至
O.6重量％。在本發(fā)明的環(huán)保黃銅合金中，銦(In)含量為O. 01至I. 5重量％。在最優(yōu)選的實(shí)施例中，銦含量為O. I至O. 7重量％。在鑄造制程中，添加適量的銦可提高極化電阻，減小腐蝕電流，提高黃銅的抗腐蝕性能，這是由于當(dāng)銦元素腐蝕后會(huì)形成一層致密且完整的鈍化膜，此鈍化膜會(huì)與黃銅基材緊密的結(jié)合，保護(hù)黃銅內(nèi)部不繼續(xù)受到腐蝕。此外，銦元素的熔點(diǎn)低(156. 60C )，在受到刀具切削時(shí)，散布在黃銅基底的銦會(huì)產(chǎn)生軟化，降低切削阻力，有效提升加工性能。因此，在本發(fā)明中，此范圍含量的銦可改善機(jī)械性質(zhì)與焊接性。在本發(fā)明的環(huán)保黃銅合金中，鈣(Ca)含量為O. 01至I. O重量％。在優(yōu)選實(shí)施例中，鈣含量為O. I至O. 4重量％。鑄造制程中，添加適量的鈣會(huì)在黃銅基底釋出，形成鈣的介金屬化合物，該介金屬化合物脆而不硬，能降低黃銅鑄件的切削阻力，改善黃銅切削性能。在本發(fā)明之環(huán)保黃銅合金中，磷(P)含量為O. I至3. O重量％。在優(yōu)選實(shí)施例中，磷含量為O. 2至O. 7重量％。在鑄造制程中，添加適量的磷可提高銅水的流動(dòng)性并改善銅及合金的焊接性能。此外，也可降低黃銅鑄件的切削阻力，改善黃銅切削性能。在本發(fā)明的環(huán)保黃銅合金中，銅與鋅的總含量占90. 95重量％以上，其中，銅在該環(huán)保黃銅合金中的含量為58至70重量％。在本發(fā)明中，此范圍含量的銅可提供黃銅合金良好的韌性，有利于合金材料后續(xù)加工，且鋅也可提供合金硬度及彈力，避免撓曲、腐蝕破裂。在優(yōu)選實(shí)施例中，銅含量?jī)?yōu)選為62至65重量％。本發(fā)明的環(huán)保黃銅合金中所包含的O. I至O. 15重量％的微量元素為稀土元素及/或不可避免的雜質(zhì)，其中，該稀土元素包括鈰、鈧、釔、鑭系元素等，該稀土元素可單獨(dú)使用或組合使用。由于鉍的價(jià)格昂貴，且在上述以添加鉍為主要成分而取代鉛添加于黃銅合金的專利中，也顯示有易產(chǎn)生裂紋和夾渣等缺點(diǎn)。在本發(fā)明中，以鈣和磷代替鉍的使用，除了可保持黃銅的易切削性能外，同時(shí)可提高機(jī)械加工程度及減少氧化渣物污染銅液。此外，在本發(fā)明的環(huán)保黃銅合金中，不含鉍與錳，故不會(huì)有第101403056號(hào)中國(guó)專利所揭露的使黃銅合金的硬度高，不易斷屑，切削性差的缺點(diǎn)。此外，本發(fā)明的環(huán)保黃銅合金也不含硅，同樣也不會(huì)有第6413330號(hào)美國(guó)專利和第101440444號(hào)中國(guó)專利所揭露的使合金的熔湯流動(dòng)性差和易產(chǎn)生澆不足等鑄造缺陷。因此，本發(fā)明的環(huán)保黃銅合金可明顯改善材料開(kāi)裂或產(chǎn)品夾渣等缺陷，符合美國(guó)加州州政府定義的“無(wú)鉛”標(biāo)準(zhǔn)，具有不易產(chǎn)生裂紋、切削性佳、耐腐蝕性等鑄造性能與機(jī)械 性質(zhì)，為一種無(wú)鉛無(wú)鉍的高性能環(huán)保黃銅合金。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例I的環(huán)保黃銅合金試片在掃描式電子顯微鏡下的微觀形貌；圖2A是本發(fā)明環(huán)保黃銅合金試片的金相組織分布；圖2B是鉍無(wú)鉛黃銅試片的金相組織分布；圖2C是H59鉛黃銅試片的金相組織分布；圖3是鉍無(wú)鉛黃銅試片的鉍的連續(xù)薄膜SEM顯微組織圖；圖4A是鉍無(wú)鉛黃銅試片的抗脫鋅腐蝕測(cè)試的金相組織分布；圖4B是H59鉛黃銅試片的抗脫鋅腐蝕測(cè)試的金相組織分布；圖4C是本發(fā)明環(huán)保黃銅合金試片的抗脫鋅腐蝕測(cè)試的金相組織分布；圖5A是鉍無(wú)鉛黃銅的機(jī)械加工后表面刀痕；圖5B是本發(fā)明環(huán)保黃銅合金機(jī)械加工后表面刀痕；圖5C是H59鉛黃銅的機(jī)械加工后表面刀痕；圖6A是鉍無(wú)鉛黃銅的切屑；圖6B是H59鉛黃銅的切屑；以及圖6C是本發(fā)明環(huán)保黃銅合金的切屑試驗(yàn)。主要組件符號(hào)說(shuō)明31連續(xù)片狀鉍32粒狀鉍
具體實(shí)施例方式以下是通過(guò)特定的具體實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書所揭示的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及功效。本發(fā)明也可通過(guò)其它不同的實(shí)施方式加以施行或應(yīng)用，本說(shuō)明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在不悖離本發(fā)明所揭示的精神下賦予不同的修改與變更。
在本說(shuō)明書中，除非另有說(shuō)明，否則環(huán)保黃銅合金所包含的成分都以該合金總重量為基準(zhǔn)，并以重量百分比(重量％)表示。本發(fā)明提供了一種環(huán)保黃銅合金，包括鋁、錫、銦、鈣、磷、微量元素及銅與鋅。在本發(fā)明的環(huán)保黃銅合金中，鉛含量為O. 05至O. 25重量％，符合美國(guó)加州AB1953號(hào)法案規(guī)定對(duì)于與水接觸的管線材料的鉛含量的無(wú)鉛標(biāo)準(zhǔn)。因此，本發(fā)明的環(huán)保黃銅合金有利于制造水龍頭及衛(wèi)浴零組件、自來(lái)水管線、供水系統(tǒng)等的應(yīng)用。在優(yōu)選實(shí)施例中，鉛含量為O. I至O. 25重量％，更優(yōu)選為O. 15至O. 20重量％。為改善在黃銅合金中，公知使用鉍取代鉛添加于黃銅合金易產(chǎn)生裂紋和夾渣的缺陷，本案發(fā)明人開(kāi)發(fā)一種無(wú)鉛無(wú)鉍配比的環(huán)保黃銅合金，在優(yōu)選具體實(shí)施例中，該環(huán)保黃銅合金包含0. 3至0.8重量％的鋁O. I至0.8重量％的錫O. 01至I. 5重量％的銦O. 01至
I.O重量％的|丐O. I至3. O重量％的磷O. I至O. 15重量％的微量元素；以及90. 95重量％ 以上的銅與鋅，其中，銅在環(huán)保黃銅合金中的含量為58至70重量％。當(dāng)將高含量鉍(O. 5重量％以上)添加入黃銅合金時(shí)，在微觀上，易于黃銅合金的晶粒中形成鉍的連續(xù)薄膜，最后于晶界偏析而產(chǎn)生連續(xù)片狀的鉍，遮蔽晶界，使得合金的機(jī)械強(qiáng)度潰散而使合金的熱脆性及冷脆性提高，造成材料開(kāi)裂。此外，由于鉍相為菱方晶格，晶格常數(shù)為4. 7457X10_1(lm，晶軸間夾角a = 57° 14. 2’，故黃銅合金中的銅于鉍在固態(tài)基本上均不互溶，因此，少量鉍就會(huì)在組織中出現(xiàn)單獨(dú)的鉍相。另外，鉍常呈連續(xù)的脆性薄膜分布在黃銅晶界上，既產(chǎn)生熱脆性，又產(chǎn)生冷脆性，雖然能改善黃銅切削性能，但其冷、熱脆性會(huì)使成品容易產(chǎn)生裂紋，影響生產(chǎn)合格率。為解決此項(xiàng)缺失，本發(fā)明的環(huán)保黃銅合金配方不使用鉍元素，而使用鈣和磷元素取代鉍添加至該黃銅合金配方內(nèi)，這是因?yàn)殁}磷在室溫下幾乎不溶于銅，而以鈣磷介金屬化合物形態(tài)作為脆性合金組織，分布于晶界處，降低晶界強(qiáng)度，故當(dāng)機(jī)械切削時(shí)，脆而不硬的鈣磷介金屬化合物組織容易斷削以提高機(jī)械加工程度。除此之外，在鑄造制程中，高銅量的銅液中含氣量越高，在澆鑄入模具凝固后易形成氣泡，使鑄件結(jié)構(gòu)松散，機(jī)械強(qiáng)度降低，故鑄件含大量氣孔，易發(fā)生應(yīng)力腐蝕行為。因此，加入磷元素可凈化銅液，減少氧化渣物污染銅液，具有除氣脫氧的功效，而使銅液流動(dòng)性良好。在具體應(yīng)用上，本發(fā)明不但解決材料開(kāi)裂的缺陷，同時(shí)仍可達(dá)到黃銅合金(如公知H59鉛黃銅)所具備的材料特性(如切削性等)，及不易產(chǎn)生裂紋或夾渣等產(chǎn)品缺陷。所以，本發(fā)明的高性能無(wú)鉛無(wú)鉍環(huán)保黃銅合金大幅降低鉍用量，有效降低高性能無(wú)鉛無(wú)鉍環(huán)保黃銅合金的生產(chǎn)成本，對(duì)于商業(yè)量產(chǎn)及應(yīng)用上極具優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明的環(huán)保黃銅合金可還包含O. 001至O. 05重量％的硼(B)。在優(yōu)選實(shí)施例中，硼含量為O. 010至O. 015重量％。添加微量的硼得以起到細(xì)化變質(zhì)作用，使比較粗大的枝狀晶變?yōu)榧?xì)小的等軸晶組織。在一實(shí)施方案中，本發(fā)明的環(huán)保黃銅合金包含0. 3至O. 8重量％的鋁；0. I至O. 8重量％的錫；0. 01至1.5重量％的銦O. 01至1.0重量％的鈣；0. 2至3.0重量％的磷；0. I至O. 15重量％的微量元素；0. 05至O. 25重量％的鉛；0. 001至O. 05重量％的硼；以及90. 95重量％以上的銅與鋅，其中，銅在該高性能無(wú)鉛無(wú)鉍環(huán)保黃銅合金中的含量為58至
70重量％。
在本發(fā)明的環(huán)保黃銅合金中，添加適量的稀土元素(例如鈰(Ce))可強(qiáng)烈地細(xì)化合金材料的鑄態(tài)組織，并可使重結(jié)晶退火后的ct、β相的相對(duì)量及結(jié)晶形貌(morphology)發(fā)生變化，且可與鉛等元素形成顆粒狀雜質(zhì)，因而改善合金材料中雜質(zhì)的分布，并改善合金的物理性質(zhì)及加工性質(zhì)。在一實(shí)施方案中，稀土元素為鋪，其含量為O. I至O. 15重量％。在一實(shí)施方案中，本發(fā)明的環(huán)保黃銅合金包含0. 35至O. 65重量％的鋁；0. 2至O. 6重量％的錫；0. I至O. 7重量％的銦(且鋁與銦的總含量為I. 2重量％以下)；0. I至O. 4重量％的鈣；0. 2至0.7重量％的磷；0. 15至O. 20重量％的鉛；0. 010至O. 015重量％的硼；62至65重量％的銅；0. I至O. 15重量％的鋪及余量鋅,且不可避免的雜質(zhì)含量為O. I重量％以下。一般而言，本發(fā)明的環(huán)保黃銅合金中所包含的O. I至O. 15重量％的微量元素可為稀土元素和/或不可避免的雜質(zhì)，其中，該稀土元素除了包括鈰外，也可為鈧、釔、鑭系元素等，該稀土元素可單獨(dú)使用或組合使用。在本發(fā)明的環(huán)保黃銅合金中，銅與鋅的總含量為90. 95重量％以上，且優(yōu)選為90. 95至99. 54重量％，更優(yōu)選為96重量％以上，其中，銅在該環(huán)保黃銅合金中的含量為58至70重量％，此范圍含量的銅可提供合金良好的韌性，和良好的加工性。在優(yōu)選實(shí)施例中，銅含量?jī)?yōu)選為62至65重量％。以下通過(guò)特定的具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的特點(diǎn)與功效，但非用于限制本發(fā)明的范疇。以下，將以例示性實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的黃銅合金。將各種合金成分一起熔化而得到如下表I的本發(fā)明黃銅合金配比(單位為重量百分比)，其中，各成分的比例以合金總重為基準(zhǔn)表I
權(quán)利要求
1.一種環(huán)保黃銅合金，包含 O. 3至0.8重量％的鋁； O. I至0.8重量％的錫； 0.01至I. 5重量％的銦； 0.01至I. O重量％的鈣； O. I至3. O重量％的磷； O. I至O. 15重量％的微量元素；以及 90. 95重量％以上的銅與鋅，其中，銅在所述環(huán)保黃銅合金中的含量為58至70重量％。
2.如權(quán)利要求I所述的環(huán)保黃銅合金，其還包含O.05至O. 25重量％的鉛。
3.如權(quán)利要求2所述的環(huán)保黃銅合金，其中，鉛含量為O.15至O. 2重量％。
4.如權(quán)利要求I所述的環(huán)保黃銅合金，其中，鋁含量為O.35至O. 65重量％。
5.如權(quán)利要求I所述的環(huán)保黃銅合金，其中，錫含量為O.2至O. 6重量％。
6.如權(quán)利要求I所述的環(huán)保黃銅合金，其中，銦含量為O.I至O. 7重量％。
7.如權(quán)利要求I所述的環(huán)保黃銅合金，其中，鈣含量為O.I至O. 4重量％。
8.如權(quán)利要求I所述的環(huán)保黃銅合金，其中，磷含量為O.2至O. 7重量％。
9.如權(quán)利要求I所述的環(huán)保黃銅合金，其中，銅在所述環(huán)保黃銅合金中的含量為62至65重量％。
10.如權(quán)利要求I所述的環(huán)保黃銅合金，還包含O.010至O. 015重量％的硼。
11.如權(quán)利要求I所述的環(huán)保黃銅合金，其中，所述微量元素為稀土元素、雜質(zhì)或其二者。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種環(huán)保黃銅合金，包括0.3至0.8重量％的鋁；0.1至0.8重量％的錫；0.01至1.5重量％的銦；0.01至1.0重量％的鈣；0.1至3.0重量％的磷0.1至0.15重量％的微量元素；以及90.95重量％以上的銅與鋅，其中，銅在該環(huán)保黃銅合金中的含量為58至70重量％。本發(fā)明的環(huán)保黃銅合金為不含鉍的無(wú)鉛環(huán)保黃銅合金，具有優(yōu)異鑄造性能與機(jī)械性質(zhì)。
文檔編號(hào)C22C9/04GK102978435SQ20111026397
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2011年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月2日
發(fā)明者吳威德, 羅文麟, 呂鴻慶 申請(qǐng)人:摩登島股份有限公司