專利名稱：低鉛的銅合金的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種銅合金，尤其是，本發明涉及一種低鉛的黃銅合金。
背景技術：
黃銅的主要成份為銅和鋅，兩者的比例通常為約7 3或6 4，此外通常包含少 量雜質。為了改善黃銅性質，公知黃銅是含鉛(多為l_3wt%)以達到產業所需要的機械特 性，并因此成為工業上重要材料，廣泛應用于管線、水龍頭、供水/排水系統的金屬裝置或 金屬閥等制品。然而，隨著環保意識抬頭，重金屬對于人體健康的影響及對環境污染的問題逐漸 受到重視。因此，限制含鉛合金的使用為目前的趨勢。日本、美國等國陸續修訂相關法規， 極力推動降低環境中的含鉛率，涵蓋用于家電、汽車、水外圍產品的含鉛合金材料，特別要 求不可從產品溶出鉛至飲用水，且在加工制備過程中必須避免鉛污染。另外，當黃銅中的鋅含量超過20重量％時易發生脫鋅(dezincification)的腐蝕 現象，由于脫鋅作用會嚴重破壞黃銅合金的結構，使黃銅制品的表層強度降低，甚至導致黃 銅管穿孔，大大縮短黃銅制品的使用壽命，并造成應用上的問題。針對上述高含鉛量及脫鋅問題，業界持續開發銅合金配方，除了銅及鋅的必要成 分外，例如 US6413330、US7354489、US20070062615、US20060078458、US2004023441 揭露 無鉛的銅合金配方，上述合金切削性不佳、加工效率低、不適于大批量產、有裂紋、夾渣等 缺陷。另外，例如 US7297215、US6974509、US6955378、US6149739、US5942056、US5653827、 US5487867、US5330712、US2006000590U US20040094243、US5637160、US20070039667 等揭 露含鉍的無鉛或低鉛的黃銅合金配方，上述配方的鉍含量約涵蓋0. 5襯％至7襯％的范圍， 然而，高鉍含量易產生裂紋、夾渣等缺陷，致使加工效率低。另外，針對抗脫鋅的配方，除了銅及鋅的必要成分外，目前已有US4417929揭露包 含鐵、鋁及硅等成分；US5507885及US6395110揭露包含磷、錫及鎳等成分；US5653827揭露 包含鐵、鎳及鉍等成分；U 6974509揭露包含錫、鉍、鐵、鎳及磷的成分；US6787101揭露同 時包含磷、錫、鎳、鐵、鋁、硅及砷；以及US6599378及US5637160等專利揭露以硒及磷等成 分添加至黃銅合金以達到抗脫鋅的效果。然而，公知抗脫鋅的黃銅含鉛量通常較高(多為 l-3wt% )，以利于黃銅材料的冷/熱加工，但不符合環保要求，鉛溶出量高，且易于制備過 程中產生鉛污染。因此，業界亟欲開發新的黃銅材料，尋找可替代含鉛黃銅，并可達到抗脫鋅腐蝕 性，但仍須兼顧鑄造性能、切削性、耐腐蝕性、與機械性質的合金配方。
發明內容
為達上述及其它目的，本發明提供一種低鉛的銅合金，包括0. 05至0. 3重量％ (wt% )的鉛(Pb) ；0. 3至0. 8重量％的鋁(Al) ；0. 01至0. 4重量％的鉍(Bi) ；0. 1至2重 量％的鎳(Ni)；以及96. 5重量％以上的銅(Cu)與鋅(Zn)，其中，銅在該低鉛的銅合金中的含量為58至70重量％。本發明的低鉛的銅合金為黃銅合金，銅與鋅的總含量可達96. 5重量％以上。在實 施例中，銅含量為58至70重量％，此范圍含量的銅可提供合金良好的韌性，以利于合金材 料后續加工。在優選實施例中，銅含量為62至65重量％。在本發明的銅合金中，鋁含量為0.3至0.8重量％。在優選實施例中，鋁含量為 0. 4至0. 7重量％，更優選為0. 5至0. 65重量％。添加適量的鋁可增加銅水的流動性，并改 善該合金材料的鑄造性能。 在本發明的銅合金中，鉍含量為0. 4重量％以下。在優選實施例中，鉍含量為0. 01 至0. 4重量％，優選為0. 05至0. 3重量％，更優選為0. 1至0. 2重量％。在本發明的銅合金中，鎳含量為0. 1至2重量％。在優選實施例中，鎳含量為0. 5 至1重量％。在該銅合金中添加適量的鎳可作為高熔點元素，鎳在合金結晶時作為非自發 形成核的異質核心，使成核點增多而能細化合金晶粒；且鎳可凈化銅基體及晶界，以提高銅 合金的力學性能和耐腐蝕性。本發明銅合金所包含的鉛含量極低，為0. 3重量％以下。在實施例中，鉛含量為 0.05至0.3重量％，優選為0. 1至0.25重量％，更優選為0. 15至0.20重量％。而該合金 中也可能具有雜質，這種不可避免的雜質含量為0. 1重量％以下。本發明銅合金可替代公知的含鉛黃銅，而更能達到環保及降低鉛污染的效果，也 具備抗脫鋅腐蝕性，并可同時兼顧合金的鑄造性能、切削性、耐腐蝕性、與機械性質等優點。
圖IA為本發明低鉛的銅合金試片的金相組織分布圖；圖IB為高鎳無鉛黃銅試片的金相組織分布圖；圖IC為H59鉛黃銅試片的金相組織分布圖；圖ID為低鎳無鉛黃銅試片的金相組織分布圖；圖2A為本發明低鉛的銅合金試片的抗脫鋅腐蝕測試的金相組織分布圖；以及圖2B為H59鉛黃銅試片的抗脫鋅腐蝕測試的金相組織分布圖。
具體實施例方式以下通過特定的具體實施例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明 書所揭示的內容了解本發明的其它優點與功效。在本說明書中，除非另有說明，否則抗脫鋅的銅合金所包含的成分均以該合金總 重量為基準，并以重量百分比)表示。當以公知高含量鉍(lwt%以上)添加入黃銅合金時，在微觀上，容易在黃銅合金 的晶粒中形成鉍的液態薄膜，最后在晶界偏析而產生連續片狀的鉍，遮蔽晶界，使得合金的 機械強度潰散而使合金的熱脆性及冷脆性提高，造成材料開裂。然而，依據本發明的低鉛的 黃銅合金配方，僅需使用0. 4襯％以下的鉍，不但可解決材料開裂的缺陷且仍可達到鉛黃銅 (如公知的H59鉛黃銅)所具備的材料特性(如切削性等)，且不易產生裂紋或夾雜等產品 缺陷。因此，本發明的低鉛的黃銅合金可大大降低鉍用量，有效降低低鉛的黃銅合金的生產 成本，對于商業量產及應用上極具優勢。
另外，依據本發明的低鉛的黃銅合金配方，可以使合金的鉛含量降低至 0. 05-0. 3wt%，符合對于與水接觸的管線材料的鉛含量的國際規定。因此，依據本發明的低 鉛的黃銅合金有利于制造水龍頭及衛浴零組件、自來水管線、供水系統等應用。在一實施例中，本發明的低鉛的黃銅合金包括0. 05至0. 3重量％的鉛；0. 3至 0. 8重量％的鋁；0. 01至0. 4重量％的鉍；0. 1至2重量％的鎳；以及96. 5至99. 54重量％ 的銅與鋅，其中，銅在該低鉛的黃銅合金中的含量為58至70重量％。在另一實施例中，本發明的含鎳低鉛的黃銅合金包括0. 1至0. 25重量％的鉛； 0. 4至0.7重量％的鋁；0. 05至0.3重量％的鉍；0.5至1重量％的鎳；58至70重量％的 銅；以及余量為鋅；且不可避免的雜質含量為0. 1重量％以下。在一實施例中，本發明的含鎳低鉛的黃銅合金包括0. 15至0. 20重量％的鉛；0. 5 至0. 65重量％的鋁；0. 1至0.2重量％的鉍；0.5至1重量％的鎳；62至65重量％的銅；以 及余量為鋅；且不可避免的雜質含量為0. 1重量％以下。以下，將以例示性實施例詳細闡述本發明。用于后述試驗例的本發明低鉛的銅合金的成分，如下所述，其中，各成分的比例以
合金總重量為基準實施例1
Cu 61. 54wt%Al:0. 457wt%
Bi 0. 197wt%Ni:0. 584wt%
Pb :0. 144wt%Zn余量
實施例2
Cu 62. 72wt%Al:0. 634wt%
Bi :0. 126wt%Ni:0. 853wt%
Pb :0. 178wt%Zn余量
實施例3
Cu 62. 45wt%Al:0. 582wt%
Bi :0. 159wt%Ni:0. 696wt%
Pb :0. 156wt%Zn余量
試驗例1 :以圓型砂、尿醛樹脂、呋喃樹脂及固化劑為原料以射芯機制備砂芯，并以發氣性試 驗機測量樹脂發氣量。所得砂芯須于5小時內使用完畢，否則需以烘箱烘干。將本發明的低鉛的黃銅合金及回爐料預熱15分鐘，使溫度達400°C以上，再將兩 者以重量比為7 1的比例以感應爐進行熔煉，并添加0.2wt%的精煉清渣劑，待該黃銅合 金達到一定的熔融狀態(下稱熔解銅液)，以金屬型重力鑄造機配合砂芯及重鑄模具進行 澆鑄，并以溫度監測系統控制，使澆鑄溫度維持于1010-1060°C之間。澆鑄的每次投料量以 l-2kg為宜，澆鑄時間控制在3-8秒內。待模具冷卻凝固后開模卸料清理澆冒口，監測模具溫度，使模具溫度控制在 200-220°C之間并形成鑄件，隨后進行鑄件脫模。每模鑄件取出后，清潔模具，確保芯頭位置 干凈，在模具表面噴石墨后再行浸水冷卻。用以冷卻模具的石墨水的溫度為30-36°C為宜， 比重為1. 05 1. 06。
將冷卻的鑄件進行自檢并送入清砂機滾筒陶砂清理。接著，進行毛胚處理(鑄造 坯件的熱處理(清除應力退火)，以消除鑄造產生的內應力)。將坯件進行后續機械加工及 拋光，以使鑄件內腔不附有砂、金屬屑或其它雜質。進行質量檢驗分析并計算生產總合格 率生產總合格率=合格品數/全部產品數X 100%制備過程的生產總合格率系反映生產制備過程質量穩定性，質量穩定性越高，越 能保證正常生產。另外以高鎳的無鉛黃銅及公知H59鉛黃銅作為比較例，以與上述相同的制備過 程制備對象。各合金的成分、加工特性及生產總合格率如表1所示，其中，鉛含量低于 0. 05襯％的黃銅材料即視為無鉛黃銅。表 權利要求
1.一種低鉛的銅合金，包括 0. 05至0.3重量％的鉛；0. 3至0.8重量％的鋁； 0.01至0.4重量％的鉍； 0. 1至2重量％的鎳；以及96. 5重量％以上的銅與鋅，其中，銅在所述低鉛的銅合金中的含量為58至70重量％。
2.如權利要求1的低鉛的銅合金，其中，銅含量為62至65重量％。
3.如權利要求1的低鉛的銅合金，其中，鉛含量為0.15至0. 25重量％。
4.如權利要求1的低鉛的銅合金，其中，鋁含量為0.5至0. 65重量％。
5.如權利要求1的低鉛的銅合金，其中，鉍含量為0.1至0. 2重量％。
6.如權利要求1的低鉛的銅合金，其中，鎳含量為0.5至1重量％。
全文摘要
一種低鉛的銅合金，包括0.05至0.3重量％(wt％)的鉛(Pb)；0.3至0.8重量％的鋁(Al)；0.01至0.4重量％的鉍(Bi)；0.1至2重量％的鎳(Ni)；以及96.5重量％以上的銅(Cu)和鋅(Zn)，其中，銅在所述低鉛的銅合金中的含量為58至70重量％。本發明的低鉛的銅合金具有優良的材料性能，具有良好韌性及加工性，可提高合金強度及耐腐蝕性。
文檔編號C22C9/04GK101994026SQ20091017102
公開日2011年3月30日 申請日期2009年8月28日 優先權日2009年8月28日
發明者彭曉明, 羅文麟 申請人:摩登島股份有限公司