具優異熔鑄性的無鉛快削黃銅合金和其制造方法和用途與流程

本發明系關于一種無鉛快削黃銅；特別關于一種無鉛快削黃銅，具備良好的抗漏氣密封性、鑄造回熔性和機械特性。

背景技術：

傳統含鉛銅合金擁有良好切削性和機械性質而廣泛被作為各種工業材料上的應用，例如：水閥、五金零件類的民生工業用途，為重要的工業基礎材料。目前銅合金閥件材料已被廣泛地用在管路零部件當中，然而為能車削出閥件、球閥等零件，良好的車削性是必需的。這些常用于閥件、水暖設備、船舶零件的鑄造銅合金，除了需要抗腐蝕性能之外，另一個重要的添加元素為鉛，鉛在零件車削過程扮演著脆化車屑的角色，使車削加工更為容易。但近年受環保意識抬頭所影響，故必須考慮添加其它合金元素來取代鉛在易切銅合金中所扮演的角色。含鉛銅合金會在生產與使用過程中，產生鉛蒸氣的釋出對人體帶來身體危害，亦會造成環境重金屬鉛污染。近年來各先進國家對環境保護議題日益重視，隨著北美nsf飲用水規范、歐盟rohs2.0指令、加州無鉛法案的通過，紛紛祭出對銅合金中的鉛含量與飲用水中鉛浸出量的嚴格限制。

傳統含鉛銅合金進行無鉛化，主要以元素鉍來取代鉛以加強其易切削效果，中國專利cn102828064b、cn102071336b揭示添加含鉍含量為0.3至3.5重量％的高鉍黃銅，其切削性已相當接近于鉛黃銅。然而，由于鉍的熔點僅有271℃，其在鑄造凝固過程中易產生熱裂傾向，且高鉍黃銅并非作為需進行焊接用途閥件的理想材料，其原因在于，一旦焊接溫度高于鉍的熔點，所述的基于高鉍黃銅的鑄件即產生熱脆缺陷，從而造成輸送高壓氣體、流體的閥件產生泄漏。

為降低鉍的使用，以相對廉價且易取得的硅元素取代鉍，乃是一項新趨勢。先前技術中無鉛黃銅合金所添加的合金元素，包含硅、鉍、石墨、錫、鐵和鈣等元素，其中在黃銅內添加適量硅元素，可產生固溶強化的效果，并增加合金鑄造流動性與可焊接性等優點。因此利用硅元素作為添加元素以制備無鉛黃銅合金，已成為開拓環保硅黃銅合金 的重點。如：先前技術的astmc87800硅黃銅合金，即是透過添加含量為3.8至4.2重量％的硅至黃銅中，從而獲得具有優異機械強度、抗腐蝕的高硅無鉛黃銅合金；然，先前技術的astmc87800合金由于合金中硅含量的提升，造成所述的合金的粥狀區間(mushyzone)大幅擴展，在材料手冊中被歸納為具備寬廣凝固區間的合金(凝固區間溫度為95℃，詳見：americansocietyformetals所出版的「copperandcopperalloys」的鑄造用銅合金章節)，此性質易導致astmc87800合金所形成的鑄件在凝固過程中，生成疏松的缺陷，從而使鑄件氣密性不佳，產生泄漏情形。

另一方面，先前技術c87800硅青銅合金，系由成份為cu-14zn-4si所構成的三元合金，由于所述的合金添加硅元素以和具備低于15重量％鋅含量，其具有與紫銅相似的優良抗脫鋅腐蝕能力；然而合金成份會顯著影響凝固特性，其硅含量高達4重量％，擴大了硅青銅凝固區間，導致凝固過程呈粥狀凝固型態，較適合以鑄模蓄熱系數低的金屬永久模，利用壓鑄法與適當流路設計方案引導鑄件產生方向性凝固的鑄造制程。目前大多數銅合金廠商主要利用砂模鑄造法生產閥件產品，所述的先前技術仍無法符合實用需求。

專利tw577931和tw421674揭示，添加2至4重量％的硅元素作為無鉛黃銅合金的主要合金強化元素，雖然能提高熔湯流動能力以提高鑄造性；但硅元素產生耐磨損的κ、γ硬質析出相會影響刀具使用壽命，并仍需借著微量鉛的添加(少于0.4重量％)，方可進一步得到優選的被削性。

taha等人[ainshamsengineeringjournal，vol.3，2012，pp.383-392.]以先前技術含鉛硅黃銅作為研究基礎(60重量％cu、0.25至5.5重量％si、和0.15至0.5重量％pb)，以六四黃銅合金基底，添加1-4重量％si和0.5重量％al取代鉛進行改良，發現硅含量為3-4重量％si，產生η-cu8znsi與χ-cu8znsi析出物，使組織更微細且強度更高，同時也具備優選流動性，但鑄件孔隙分率提高。puathawee等人[advancedmaterialsresearch，vol.802，2013，pp.169-173]在cu-zn-xsi-0.6sn(x＝0.5，1，2，3)合金，發現隨硅含量提高，γ相從等軸β相晶界析出，形成網狀組織，添加錫之后比起添加前，能使β、γ相更均勻分散，同時提高合金硬度至hv398，γ相的產生能使車削斷屑變得容易，同時γ相硬脆的特性也造成刀具磨損變得嚴重。

由此可見，硅的固溶強化效果相當顯著，因此需調整適當硅添加量防止過多γ硬質相產生使機械性質劣化，日本三寶伸銅工業oishi等人[materialstransactions，vol.67，2003，pp.219-225]，發明一種含有75.5cu-3si-0.1p-zn的無鉛硅黃銅合金成份專利，組織為α+γ+κ相所組成，并沒有觀察到殘留β相和平衡穩定相μ的析出，合金具備良好鍛 造性、易鑄造、抗脫鋅、易切削性能。

由于寬廣的凝固區間會影響液相進行補充收縮的能力，當液相無法有效補充復雜交錯的樹枝狀晶時，導致鑄件產生細微縮孔，因此了解合金的凝固區間顯得相當重要。日本學者小林與丸山[日本金屬學會會報，第43卷，2004，第647-650頁]以熱電偶測量到無鉛cac403(cu-10sn-2zn)較含鉛cac406(cu-5sn-5pb-5zn)的凝固區間更為寬大，表示鉛的移除對于合金的鑄造特性會造成影響，因而在銅合金熔煉與鑄造條件更需要嚴格控制。

因此，業界亟需可符合無鉛化規范且兼備制程生產便利性的新型無鉛黃銅合金材料以取代傳統含鉛銅合金，例如，一種具備熔鑄便利以和易切削加工的無鉛黃銅，在鑄造過程中不生成疏松組織，使鑄件具備氣密性，甚至具有抗脫鋅腐蝕，符合用于運輸氣體、流體用途的高質量閥件所需的性能。

本發明透過成分調整方式改善硅青銅凝固區間寬的特性，針對適合用于砂模鑄造生產的合金成份設計，降低鑄件因粥狀凝固而產生鑄件疏松、縮孔等凝固缺陷傾向，以提升鑄件健全性。

技術實現要素：

本發明為符合環境永續發展與工業應用所需，遵循無鉛化理念和兼具機械強度、易鑄造特性，故選擇以先前技術七三黃銅為基材，添加硅為主合金元素，并微量復合添加鋁、銻、錫、錳、鎳、硼等合金元素，進行無鉛硅黃銅合金特性改善。

本發明的一目的系提供一種無鉛快削黃銅合金，改善了先前技術astmc87800高硅黃銅合金中，因寬廣凝固溫度區間導致凝固過程過長，使鑄物布滿巢狀疏松縮孔，造成鑄件密封性不良導致泄漏的缺點；另一方面，專利tw577931、tw421674所揭露的合金中，其添加了高含量的硅元素于黃銅合金，導致產生κ、γ等硬質相，而損害刀具壽命、增加切削加工所需時間等問題，于本發明中一并獲得解決。

本發明的另一目的系提供易鑄造、低加工耗時具焊接性的含硅無鉛黃銅，此為一種含有：65至75重量％的銅，22.5至32.5重量％的鋅，0.5至2.0重量％的硅和其他不可避免的雜質。此合金組成范圍，系能夠符合生產高質量閥件所需具備的材料制造特性。

前述本發明硅元素的添加，可使少量的合金析出物在樹枝晶間形成，成為車削加工時的車屑斷裂起始源，解決高硅黃銅合金不易鑄造以和不易切削加工的缺點。

令人驚訝地發現，本發明將黃銅合金中鋅含量調整至22.5至32.5重量％、硅含量則降低至0.5至2.0重量％，且其中所述的黃銅合金中銅和鋅的含量的總和系97.5重量％ 或更高，優選系97.5與98.5重量％時，本發明包含銅和鋅的總量為97.5重量％的黃銅合金，可以在兩相區間液相不斷晶出α-cu，同時釋放凝固潛熱而阻止合金內部溫度下降。因此在非平衡凝固條件下，殘余液相內的鋅原子一旦達到包晶反應所需濃度，β相消耗剩余富有溶質的液相，并從初晶α-cu的表面開始成核成長，而發生l+α-cu→β包晶反應轉變，由冷卻曲線可看出，低于液相線后的包晶反應平臺傾斜微幅傾斜，最后在859.7℃結束包晶反應，且仍保有31.7℃兩相區間溫度。能縮小所述的黃銅合金的凝固區間。具體言之，本發明無鉛快削黃銅合金藉由鋅含量的提高，可顯著降低合金液相線溫度；然，黃銅合金中隨銅與鋅以外其他合金元素的添加，其α與β相以外的晶出相所占的比例亦隨之提升，并導致所述的合金兩相間溫度可擴大至50℃或更高；令人驚訝地發現，本發明黃銅合金中銅和鋅的總量系97.5重量％或更高，優選系97.5與98.5重量％的范圍，相較于先前技術所揭露的黃銅合金，其所具有的兩相區間溫度已可大幅降低至約30℃。

另一方面，本發明包含總含量為97.5重量％或更高，優選系97.5與98.5重量％的銅和鋅，與0.5至2.0重量％的硅的黃銅合金中，其合金結構組織系由α+β相所構成；本領域技術人員當能了解，考慮合金α相所具有延性較高的性質，與過量富硅γ相富集于晶界現象可提升斷屑性質的相互權衡；本發明已令人驚訝的發現，藉由上述成分比例的調控，除具有適當延性α相比例之外，亦可使本發明無鉛快削黃銅合金的γ相占有適當的分率，且本發明無鉛快削黃銅合金的γ相可于α和β相界處產生，且析出量明顯減少，同時也大幅降低γ相沿著β相界析出的網狀析出物，γ相轉變成以顆粒狀，并均勻彌散在α相和β相間。因此，前述本發明無鉛快削黃銅合金的組成，業具備適當強度的機械性質、并達到易斷屑的功效。

本發明無鉛快削黃銅合金，其中所述的黃銅合金可進一步包含至少一種選自由鋁、錫、錳、鎳、銻、和硼所組成的群的元素，其中所述的等元素的總含量為2.5重量％或更少。

本發明無鉛快削黃銅合金，其中所述的黃銅合金進一步包含至少一種選自錫、錳、鎳或銻元素，所述的錫、錳或銻元素含量各為0.01至0.55重量％或鎳為0.01至0.8重量％，且其中所述的等元素的總含量系2.5重量％或更少。

本發明無鉛快削黃銅合金，其中所述的黃銅合金進一步包含至少一種選自由0.1至1.0重量％的鋁、0.01至0.55重量％的錫、0.01至0.55重量％的錳、0.01至0.8重量％的鎳、0.01至0.55重量％的銻、和0.001至0.1重量％的硼所組成的群的元素，其中所述的等元素的總含量系2.5重量％或更少。

本發明無鉛快削黃銅合金，其中所述的黃銅合金中銅和鋅含量的總和系97.5重量％或更多，優選為銅與鋅含量的總和為97.5與98.5之間。

本發明無鉛快削黃銅合金，其中銅含量的下限值為65重量％、67重量％、或68重量％，銅含量的上限值為70重量％、73重量％、或75重量％。銅含量的范圍可以為前述下限值和上限值的任意組合，例如優選為68至70重量％。

本發明無鉛快削黃銅合金，其中硅含量的下限值為0.5重量％、0.75重量％、1重量％、1.1重量％、1.15重量％、1.3重量％、或1.45重量％，硅含量的上限值為1.35重量％、1.5重量％、1.75重量％、或2.0重量％。硅含量的范圍可以為前述下限值和上限值的任意組合，例如優選為1.0至1.5重量％、1.1至1.35重量％。

本發明無鉛快削黃銅合金，其中所述的黃銅合金進一步包含鋁，其含量的下限值為0.1重量％、0.15重量％、0.2重量％、或0.25重量％，上限值為0.30重量％、0.45重量％、0.5重量％、0.6重量％、或1.0重量％。鋁含量的范圍可以為前述下限值和上限值的任意組合，例如0.1至1.0重量％，優選為0.2至0.5重量％，更優選為0.15至0.30重量％。

如前述本發明無鉛快削黃銅合金，其中所述的黃銅合金進一步包含0.01至0.55重量％的錫。錫含量的下限值為0.01重量％、0.05重量％、0.075重量％、0.10重量％、0.20重量％、或0.25重量％，上限值為0.10重量％、0.20重量％、0.25重量％、0.3重量％、0.40重量％、0.45重量％、或0.55重量％。錫含量的范圍可以為前述下限值和上限值的任意組合，例如優選為0.01至0.2重量％、0.1重量％或更少。

本發明無鉛快削黃銅合金，其中所述的黃銅合金進一步包含0.01至0.55重量％的錳。錳含量的下限值為0.01重量％、0.05重量％、0.075重量％、0.10重量％、0.20重量％、或0.25重量％，上限值為0.10重量％、0.20重量％、0.25重量％、0.3重量％、0.40重量％、0.45重量％、或0.55重量％。錳含量的范圍可以為前述下限值和上限值的任意組合，例如優選為0.01至0.25重量％，更優選為0.10至0.20重量％。

本發明無鉛快削黃銅合金，其中所述的黃銅合金進一步包含0.8重量％或以下的鎳。鎳含量的下限值為0.01重量％、0.05重量％、0.075重量％、0.10重量％、0.20重量％、或0.25重量％，上限值為0.10重量％、0.20重量％、0.25重量％、0.3重量％、0.40重量％、0.45重量％、或0.55重量％、0.65重量％、0.78重量％、或0.80重量％。鎳含量的范圍可以為前述下限值和上限值的任意組合，例如0.01至0.55重量％，優選為0.01至0.25重量％，更優選為0.10至0.20重量％。

本發明無鉛快削黃銅合金，其中所述的黃銅合金進一步包含0.01至0.55重量％的 銻。銻含量的下限值為0.01重量％、0.05重量％、0.075重量％、0.10重量％、0.20重量％、或0.25重量％，上限值為0.10重量％、0.20重量％、0.25重量％、0.3重量％、0.40重量％、0.45重量％、或0.55重量％。銻含量的范圍可以為前述下限值和上限值的任意組合，例如0.1％至0.45重量％，優選為0.15％至0.45重量％，更優選為0.20％至0.45重量％。

如前述本發明無鉛快削黃銅合金，其中所述的黃銅合金進一步包含0.001至0.1重量％的硼，硼含量的下限值為0.001重量％、0.005重量％、0.01重量％、0.02重量％、0.03重量％、0.04重量％、0.05重量％、0.06重量％、0.07重量％、0.08重量％、或0.09重量％，上限值為0.005重量％、0.01重量％、0.015重量％、0.025重量％、0.035重量％、0.045重量％、0.055重量％、0.065重量％、0.075重量％、0.085重量％、0.095重量％、或0.1重量％。硼含量的范圍可以為前述下限值和上限值的任意組合，優選為0.001至0.05重量％，更佳為0.001至0.02重量％。

如前述本發明無鉛快削黃銅合金，其中所述的黃銅合金不可避免的鉛含量系0.15重量％或更少，優選系0.1重量％或更少。

如前述本發明無鉛快削黃銅合金，其中所述的黃銅合金不可避免的鐵含量系0.15重量％或更少。

如前述本發明無鉛快削黃銅合金，其中所述的黃銅合金所包含其他不可避免的雜質，例如但不限于至少一種選自由鉍、鉛、鐵、硫、磷或硒等，所述的不可避免的雜質的總量系0.5％或更少，例如優選為0.3％或更少。

本發明無鉛快削黃銅合金的一優選態樣，其中所述的黃銅合金進一步包含至少一種選自由0.2至0.5重量％的鋁、0.01至0.2重量％的錫、0.01至0.25重量％的錳、0.01至0.55重量％的鎳、0.1至0.45重量％銻、和0.001至0.05重量％的硼所組成的群的元素，其中所述的元素的總含量系2.5重量％或更少，且其中所述的黃銅合金中鋅與銅的總含量系為97.5重量％或更多。

本發明另關于一種澆鑄方法，其利用如前述的黃銅合金的熔湯，澆鑄于濕砂模、呋喃砂模或金屬模中，以形成鑄件。

如前述本發明的澆鑄方法，其中所述的澆鑄系在1000至1050℃的澆鑄溫度下進行。

如前述本發明的澆鑄方法，其中所述的鑄件進一步經加工機具切削，而產生加工件和其加工屑。

如前述本發明的澆鑄方法，其中所述的黃銅合金的熔湯進一步包含如前述本發明的方法所產生的加工件或其加工屑的回熔。

本發明無鉛快削黃銅合金系如前述具優異熔鑄性，適用于各種鑄物制品，諸如：利用砂模鑄造、重力鑄造、金屬模鑄造制程所獲致的鑄物制品；船舶零件；水用五金；管路零部件和其配件；閥門，諸如：球閥、閘閥、逆止閥、非升桿閘閥、升桿閘閥、蝶閥；過濾器，諸如：y型過濾器；泵浦；或形狀復雜的零件(諸如：軸承、螺絲、螺帽、軸襯、齒輪、油壓構件等)。本發明無鉛快削黃銅合金尤其適用于各種耐壓制品，諸如如高壓閥件、噴嘴、高壓管、壓力泵等。

本發明無鉛快削黃銅合金最終而且最重要的需求特性為材料熔鑄相關的抗泄漏密封性。因此，本發明另關于一種無鉛黃銅合金鑄物制品，諸如：閥件(如，球閥、閘閥、逆止閥、非升桿閘閥、升桿閘閥、或蝶閥)，管路零部件，或過濾器(如，y型過濾器)等，其包含如前述本發明無鉛快削黃銅合金。

如本發明無鉛黃銅合金鑄物制品，諸如：閥件(如，球閥、閘閥、逆止閥、非升桿閘閥、升桿閘閥、或蝶閥)，管路零部件，或過濾器(如，y型過濾器)等，其在900psi或更高的壓力下不產生泄漏。

如本發明無鉛黃銅合金鑄物制品，諸如：閥件(如，球閥、閘閥、逆止閥、非升桿閘閥、升桿閘閥、或蝶閥)，管路零部件，或過濾器(如，y型過濾器)等，其抗拉強度的下限值系280mpa或更高、331mpa或更高、355mpa或更高、409mpa或更高、450mpa或更高。

如本發明無鉛黃銅合金鑄物制品，諸如：閥件(如，球閥、閘閥、逆止閥、非升桿閘閥、升桿閘閥、或蝶閥)，管路零部件，或過濾器(如，y型過濾器)等，其破斷伸長率的下限值系8％或更高、9％或更高、16％或更高、20％或更高、25％或更高、或32％或更高。

本發明無鉛快削黃銅合金具有下列特點與優勢：1.相較于含鉛黃銅，擁有近似的易削特性；2.所述的鑄造合金擁有極佳的回熔性與熔解便利性；3.機械強度優異以和可使用在焊接用途，沒有含鉍黃銅合金有熱脆疑慮且密封性優良；4.具備抗脫鋅腐蝕性，以上特性均能符合高價值、高質量閥件所需具備的材料特色。

本發明無鉛快削黃銅合金的凝固區間

關于本發明的一態樣，本發明無鉛快削黃銅合金，進一步以元素含量分別為0.1至1.0重量％的鋁和0.01至0.55重量％的錫復合添加時，由于微量添加的鋁、錫元素相較于銅，屬于低熔點元素，導致低熔點的液相溶質隨著凝固進行持續釋出潛熱直至凝固結束，因此在較低溫度才完全進入固相區，所述的經鋁、錫復合添加的黃銅合金，其兩相 區溫度區間約為60℃。

關于本發明的一態樣，本發明無鉛快削黃銅合金可進一步添加元素含量0.1至1.0重量％的鋁，其兩相區間仍可保持為35℃；且本發明提高鋁元素添加至1.0重量％，可進一步使固相線溫度下降，且完成包晶反應的溫度相對降低。

關于本發明的一態樣，本發明無鉛快削黃銅合金可進一步添加元素含量為0.01至0.55重量％的錳，所述的黃銅合金具有更窄，約為30℃的兩相區間。

另一方面，本發明無鉛快削黃銅合金可藉由加入至少一種選自由硅、鋁、錫和錳所組成的群的元素，可去除熔湯的有害氣體，以達到凈化熔體，減少凝固過程析出氣體的來源，例如：氧、氮、氫、二氧化碳，此外，本發明無鉛快削黃銅合金的凝固區間較于astmc87800先前技術的硅黃銅合金，除具有更狹窄的凝固溫度區間之外，亦能提高熔湯的充型能力，本發明無鉛快削黃銅合金經鑄造凝固后，可獲得致密的鑄造組織，從而大幅提高鑄件良率與氣密性。

本發明無鉛快削黃銅合金的機械性質

本發明無鉛快削黃銅合金成份，系進一步針對硅含量作修改，調降硅含量至0.5至2.0重量％，優選系1.1至1.35重量％，以防止過量γ相在晶界上析出對機械性質帶來負面影響，本發明無鉛快削黃銅合金成份另可進一步添加0.1至1.0重量％的鋁元素作為合金的固溶強化元素。

本發明無鉛快削黃銅合金將硅含量調整至0.5至2.0重量％，優選系1.1至1.35重量％，其從x射線繞射分析顯示本發明無鉛快削黃銅合金主要由α+β雙相組織構成；此外，本發明無鉛快削黃銅合金的一態樣，其可進一步添加0.1至1.0重量％的鋁元素，經x射線繞射分析后，位于43.4°的β相繞射峰訊號明顯較高，與顯微組織觀察到β相分率較高有一致的趨勢。

關于本發明無鉛快削黃銅合金的鑄態強度觀察，本發明無鉛快削黃銅合金雖將硅調降至0.5至2.0重量％，優選系1.1至1.35重量％，但藉由提升鋅含量至22.5至32.5重量％，或進一步添加0.1至1.0重量％的鋁，其可補足了原硅元素所帶來的固溶強化效果，使得本發明無鉛快削黃銅合金相當接近商用c87800硅青銅的機械強度。

本發明無鉛快削黃銅合金的切削加工性

先前技術系透過易削鉛、鉍元素添加、以改變切削參數來達到提高刀具使用壽命、降低車削加工成本與產生不連續車屑等目的，亦可藉由本發明提高黃銅合金的22.5至 32.5重量％的鋅含量，且銅和鋅的總量系97.5重量％或更多來達成，其鋅含量的增加可使本發明無鉛快削黃銅合金具備較高的硬度、且延性不佳的β相組織亦可提供車屑切削斷裂源位置，同時本發明無鉛快削黃銅合金設計中，所添加至0.5至2.0重量％，優選系1.1至1.35重量％的硅所產生硬脆γ與κ相，亦有前述提升斷屑的功效。

關于本發明的一態樣，本發明無鉛快削黃銅合金可進一步添加0.001至0.1重量％的硼，優選為0.001至0.05重量％，更優選為0.001至0.02重量％的硼元素或0.01至0.8重量％的鎳，本發明無鉛快削黃銅合金中鎳的添加使α相型態發生改變，由針狀費德曼轉變成樹枝狀結構，相較于未添加硼或鎳元素成份的無鉛快削黃銅合金的組織，所述的進一步包含硼或鎳元素合金的γ相，系以顆粒狀型態分布于α+β兩相間；且當添加硼時，γ相尤其沿著相界析出；另一方面，鎳的添加可使富硅溶質液體從已凝固α相的樹枝晶間排出；因此，進一步添加0.001至0.1重量％的硼或0.01至0.8重量％的鎳，可在枝晶間處產生β相與γ相之間金屬化合物，而從eds分析可進一步確認，所述的γ相中鋅和硅的濃度確實較與母相的濃度為高。

雖然前述進一步添加0.001至0.1重量％的硼或0.01至0.8重量％的鎳所產生的γ相，對于合金的延展性可能構成負面影響；但對于本發明無鉛快削黃銅合金而言，由于缺乏傳統易削元素鉛或鉍的添加，因此需要仰賴組織中具有硬脆特性的化合物相產生，藉以達到分斷組織連續性的目的，而引發類似于鉛的在銅合金中切削斷屑作用，同時又不會大幅降低合金機械性質，實有其必要性。據上，本發明無鉛快削黃銅合金，γ相在合金組織中系扮演影響合金機械性質與切削能力的角色；當進一步添加0.001至0.1重量％的硼或0.01至0.8重量％的鎳所產生以顆粒狀型態均勻彌散在α相和β相之間的γ相時，為其理想的析出型態。

本發明無鉛快削黃銅合金的脫鋅腐蝕性

本發明無鉛快削黃銅合金具有22.5至32.5重量％的鋅含量，本發明無鉛快削黃銅合金隨著鋅含量提升，組織內β相分率也隨之變高，當鋅含量高于15重量％便會明顯產生鋅的選擇性溶解問題，遭受腐蝕的脫鋅層會殘留多孔且疏松的純銅，即為脫鋅腐蝕現象。

本發明系提供一種兼備抗脫鋅腐蝕的無鉛快削黃銅合金，本發明黃銅合金可進一步包含微量的硼、鎳或銻，以提高本發明黃銅合金中抗脫鋅能力。

關于本發明無鉛快削黃銅合金的一態樣，其進一步包括0.001至0.1重量％的硼，優選為0.02％或以下的硼元素和/或0.01至0.8重量％，優選0.01至0.55重量％的鎳， 以期提升抗脫鋅腐蝕能力。本發明無鉛快削黃銅合金，亦可進一步添加0.01至0.55重量％，優選為0.15至0.45重量％，更優選為0.25至0.45重量％的銻有抵抗脫鋅腐蝕效果，符合iso6509-1：2014規范低于腐蝕100μm的標準，大幅改善所述的黃銅合金的抗脫鋅腐蝕性。所述的無鉛黃銅合金的合金組成，不但符合無鉛化標準亦具有優選抗脫鋅特性，改良習知黃銅合金所含鋅含量高于15重量％時，便會明顯產生脫鋅腐蝕現象。

本發明無鉛快削黃銅合金的合金重熔特性

良好與便利的材料鑄造回熔性系為發明的一目的。本發明無鉛快削黃銅合金可形成具狹窄凝固區間，有利于凝固階段可較快通過粥狀區；故本發明無鉛快削黃銅合金亦擁有高熔鑄便利性。此處熔鑄便利性系指投入相當為本發明無鉛快削黃銅合金組成范圍所需的合金原料，包括：車屑、流道、二次回爐料，其等經熔解后，由于低熔點的特性，能減低熔解所需時間，而達到鑄造時降低電力耗能的目的，且本發明快削黃銅合金的合金重熔時，毋須藉由額外的物理機械、化學藥劑進行除氣精煉；且熔湯又能具備優異的流動性、清凈度，本發明關于無鉛快削黃銅合金的鑄造方法，可有效重復利用車屑、回爐料降低回收處理成本。由圖1(a)的比較例，清楚顯示習知銅合金進行重熔后的鑄件布滿孔洞缺陷，本發明無鉛快削黃銅合金經重熔鑄造成型后的鑄件，不但凝固收縮狀態良好，組織致密度高且無凝固疏松缺陷產生，如圖1(b)所示。又相較于astmc87800高硅黃銅或tw577931專利所揭示的材料，本發明無鉛快削黃銅合金有著較低的含銅量，具有降低原料成本的優點，且本發明藉由提供一種新穎無鉛黃銅合金以提供現今先前技術中硅黃銅易有凝固缺陷所造成問題的解決方案，且進一步解決習知硅黃銅合金應用于鑄造高壓閥件時，所產生的泄漏問題。

本發明無鉛快削黃銅合金經過添加硼、鎳元素，其合金的凝固區間仍維持在35℃，對兩相區并無造成擴大的影響。

關于本發明無鉛快削黃銅合金的另一態樣，其進一步包括0.01至0.8重量％，優選0.01至0.55重量％的鎳，本發明鎳的添加可使得凝固型態產生變化，本發明無鉛快削黃銅合金在903℃先晶出α-cu，β相則在888℃晶出，溫度降到869℃為合金的固相線溫度，表示β相與液相的包晶反應已結束。從dsc曲線可明顯區分出有兩個放熱峰，分別對應到α相與β相依序晶出，由于鎳為α相穩定化元素且熔點高，造成α相晶出溫度提高。

關于本發明無鉛快削黃銅合金的一優選態樣，其中銅含量系為65重量％與75重量％之間，且銅與鋅含量的總和為97.5與98.5之間，如前述硅元素發揮良好固溶強化效用， 而使所述的合金有優選機械強度和延伸性，故所述的添加元素硅的含量為1.0至1.5重量％；鋁的含量為0.1至0.6重量％；并包含選自由下列元素所組成的群中至少一者：0.01至0.2重量％的錫、0.15至0.45重量％的銻和0.01至0.25的錳重量％。

關于本發明無鉛快削黃銅合金的一優選態樣，其中銅含量為65重量％與75重量％之間，硅含量為1.0重量％與1.5重量％之間，另添加含量為0.01至0.55重量％的銻，獲得兼具易削性與機械強度的無鉛快削黃銅合金。本發明藉由均勻析出于α-cu固溶體相間的銅-硅-銻化合物，從而使本發明無鉛快削黃銅合金于車削加工過程，產生近似鉛、鉍元素添加于黃銅合金的易切效果，再者，本發明無鉛快削黃銅合金，具有相組織單純的優點，兩相區間溫度僅30至35℃。

添加高含量的固溶強化錳元素使其形成金屬間化合物的原理亦被應用于本發明無鉛快削黃銅合金之中，關于本發明無鉛快削黃銅合金一優選態樣，于其中銅含量為65至75重量％之間，鋅含量為22.5至32.5重量％，硅含量為0.5至2.0重量％，錳含量為0.1至0.55重量％之間，其中所述的合金中銅和鋅含量的總和系97.5重量％或更多。令人驚訝地發現，本發明無鉛快削黃銅合金所進一步包含0.1至0.55重量％之間的錳，可形成組織為α相基地和少量β相并散布著mn5si3高硬度的金屬間化合物，從而提供良好耐磨特性，并同時具備較窄的兩相區間，其約為30至35℃。

附圖說明

圖1：回爐料經重熔澆鑄成鑄錠的截面比較，(a)astmc87800先前技術硅黃銅比較例；(b)本發明無鉛快削黃銅合金s73m5，顯示組織致密收縮狀況優良。

圖2：本發明無鉛快削黃銅合金t73m其鑄態顯微組織光學顯微鏡影像：(a)t73m5、(b)t73m5b、(c)t73m5n。

圖3：本發明無鉛快削黃銅合金呈現短c型和不連續狀型態的加工車屑：(a)t73m5、(b)t73m5b、(c)t73m5n。

圖4：利用本發明無鉛快削黃銅合金(t73m5b)所鑄造的閥件，其利用氬焊接合后，焊道周圍無龜裂痕的外觀。

具體實施方式

依本發明的前述技術內容，詳述既有專利材料、商業用無鉛銅材料衍伸出待解決的技術問題點，于以下配合參考本案圖式的優選實施例的詳細說明中，將清楚揭示本發明 無鉛快削黃銅合金的優點與特性，較先前技術材料的優異之處。

本發明具體實施方式藉由以下實例具體說明：

實例1：無鉛快削黃銅合金的制造

本實例材料使用c1100純銅、c87800硅青銅母合金錠、七三黃銅作為熔煉材料，并在出爐前投入額外所需的純鋁(99.9％)、純錫(99.8％)、純銻(99.8％)、硼銅、99％純度的含30至70重量％錳的錳銅母合金、或c7541洋白銅(銅-鋅-15％鎳母合金)。由合金成份設計使用上述熔煉材料進行秤重配料后，依照材料熔點由高至低，依序投入高周波熔解爐進行熔解作業，坩堝材質為石墨。為降低鋅熔解耗損，于930℃添加純鋅，升溫到1050℃±25℃出湯，將熔湯表面氧化渣撈除后，于950℃將熔湯澆鑄到預先準備好的濕砂模內，利用分光儀(廠牌：德國spectromaxx)進行成份分析，檢測結果如表1所示。

本實施例所示范選用的熔煉材料，本領域技術人員當可視需要調整和選用，除其中選用的銅、鋅和硅元素之外，例如鋁或錳，均非達成本發明的必要元素。

表1：本發明無鉛快削黃銅合金的化學成分(重量％)

實例2：含硅量的影響

比較例73m4的黃銅合金(si＞2.0％)主要是以α+β+γ相所組成。其γ相析出集中在β相晶界上以和內部，由于γ相質地硬脆，當析出過量γ相會造成合金強度過高并大幅 降低延伸性。根據eds分析結果所示，γ相為富鋅、硅元素化合物相。由于大量粗化的γ相析出于β相晶界處，可能對機械性能造成負面影響。為了改善硅含量超過2.0重量％時，產生過量富硅γ相富集于晶界的現象，本發明無鉛快削黃銅合金s73m5、sa73m5令人驚訝地發現，將硅含量調整至2.0重量％或以下時(約1.24至1.25重量％)，從繞射分析顯示本發明無鉛快削黃銅合金s73m5、sa73m5主要為α+β雙相組織構成；此外，從繞射圖可看出sa73m5位于43.4°的β相繞射峰訊號較高，與顯微組織觀察到β相分率較高有一致的趨勢。

另一方面，從s73m5、sa73m5的顯微組織觀察可確認α相為針狀費德曼組織，其余為β相與繞射分析結果相符。此外，繞射分析中并未比對到γ相的訊號，由其的sem圖可以發現，γ相主要系從α、β相界處產生，且析出量明顯減少，同時也大幅降低γ相沿著β相界析出的網狀析出物，γ相轉變成以顆粒狀均勻分布在相界處的型態，顯示本發明無鉛快削黃銅合金降低硅含量會使γ相數量減少。因此在本發明無鉛快削黃銅合金透過降低硅含量至2.0重量％或以下的設計策略，可提升合金強度與延展性使銅合金材料具備適當機械性質。

實例3：車削性測試

本實例利用傳統車床車削材料，測試不同成份銅合金材料在相同加工條件下，其斷屑能力。車削刀具材料系以市售舍棄式碳化鎢刀片，刀尖r角為0.4mm，配合車削條件為進刀深度1mm，進刀速度0.09mm/rev，車床轉速550r.p.m進行車削測試，車削完畢后，隨機搜集20根車屑進行稱重與量測車屑長度并結合iso3685規范的車屑型態分類標準做為判別銅合金易削性的良窳。

典型的c36000含鉛快削黃銅組織乃是α+β雙相結構以和散布于α、β晶界的純鉛所構成，以符合對材料切削性、強度需求，同時也是易削程度100％的標準品，為呼應環保法令的要求，本發明無鉛快削黃銅合金t73m5、t73m5b、t73m5n所例示的三種合金的顯微組織，具有提升斷屑效果的γ相析出物形成，圖3顯示t73m5、t73m5b、t73m5n合金的車屑呈c字型不連續狀。

本發明為了在機械性質、車削性質兩個互相矛盾的性質上，選擇了對機械強度影響較低的合金設計策略，透過硅含量的調整，控制硬脆γ相以顆粒狀分布在相界上，降低硬脆析出物對合金強度的負面影響，，從而可獲得等同于c84400含鉛黃銅的易削性(易削程度90％)，貼近習知含鉛黃銅所需的加工時間，顯著地較其他兩種硅黃銅有著大量生產優勢，如表2所示。本發明無鉛快削黃銅合金的車屑型態，如圖3呈現t73m5、 t73m5b、t73m5n合金的車屑呈c型不連續狀，表示車削過程斷屑能力優良，不易與車刀發生車屑黏著現象，因此加工所需時間相較于組織中存在著耐磨的κ、γ能大幅縮短。

表2：等尺寸閥件加工時間

實例4：銅合金抗脫鋅腐蝕測試

本實例依據國際標準化組織所制定的銅合金抗脫鋅腐蝕測試方法(iso6509-1：2014)進行試驗，所述的測試方法適用于鋅含量高于15重量％的銅合金，其抗脫鋅腐蝕性的評估。進行方式為12.7g含水氯化銅(cucl2·2h2o)稀釋于1000ml去離子水(＜20μs/cm)，以隔水加熱法將氯化銅水溶液加熱至75℃±5℃并維持恒溫，將試樣裁切為10×10×5mm大小(試樣與測試溶液接觸的暴露面積為100mm²)，鑲埋完成后以#1000砂紙研磨試片表面，放入測試溶液內保持24h±30min后，取出并用去離子水洗凈試樣表面，以垂直燒杯底面方向將試片裁切，為防止測試表面的脫鋅層脫落，使用#2500砂紙輕輕研磨、并拋光，使脫鋅層能與試樣未腐蝕基材清楚分辨，并量測脫鋅層厚度和均勻腐蝕深度。

比較例七三黃銅的局部脫鋅層總厚度系332μm；比較例c87800氯化銅酸蝕液主要產生均勻腐蝕深度為174μm，但沒有局部脫鋅現象發生；比較例c87850氯化銅酸蝕液均勻腐蝕深度為133μm，加上局部脫鋅層72μm，總滲入試片內部的深度為205μm。

本發明無鉛快削黃銅合金t73m5b的局部脫鋅層厚度系181μm；bs73m，均勻腐蝕深度為45μm，再加上局部脫鋅層9μm，則，總腐蝕深度，只有54μm。t73m5b相較于比較例七三黃銅對氯化銅酸蝕液的局部脫鋅層厚度332μm大幅降低；而bs73m相較于比較例c87800對氯化銅酸蝕液的腐蝕深度為174μm為更低。本發明bs73m合金，其抗均勻腐蝕性能遠較比較例c87800為佳，但是，局部脫鋅性能比c87800略差，總腐蝕厚度則較比較例c87800為佳。而，相較于比較例c87850，本發明bs73m合金的均勻腐蝕與局部脫鋅腐蝕性能，兩者均較比較例c87850佳。

將比較例70重量％銅-30重量％鋅的先前技術七三黃銅合金與本實例t73m5b和bs73m合金對照，局部脫鋅腐蝕深度可由332μm，進一步降低至相當程度，表明本發明無鉛快削黃銅合金具有抗脫鋅腐蝕的功用。綜上，本發明無鉛快削黃銅合金已可同時 符合as2345、iso6509對黃銅合金抗脫鋅能力所設定的標準。

實例5：合金重熔性質測試

比較例c87800合金，在重熔前的巨觀組織主要為柱狀晶結構，且在樹枝晶間，出現未獲得充分補充的疏松孔洞，這種現象在比較例c87800、比較例c87850、與本發明t73m5n合金均可觀察到。合金經重熔后，則可觀察到比較例c87800鑄錠并沒有凝固收縮跡象，鑄錠上方反而鼓脹，同時可清楚看到內部存在大量疏松缺陷產生，此原因推測系由于比較例c87800合金凝固區間較寬，同時沾附水份、切削油的回爐料和車屑回熔而造成合金液體含氣量提高，如此勢必會造成鑄件孔隙率提高，使易鑄造性降低而無法達到c87800合金原本所具有的機械性質。令人驚訝地發現，本發明無鉛快削黃銅合金經重熔后，其具有正常的凝固收縮現象。由實例t73m5、t73m5b的巨觀組織顯示，重熔前、后的巨觀組織，都是由相對較致密的等軸晶所構成，并未觀察到孔洞的存在，代表t73m5、t73m5b合金具備優選的鑄造重熔性質，且機械強度尚佳。

本發明無鉛快削黃銅合金經多次反復熔解鑄造的流道以和加工后沾有切削液的銅屑和加工件，可于回收熔煉時直接投料，且不需添加精煉劑或除氣劑于熔融湯水中還原反應作化學除氣處理或降溫除氣作物理除氣處理。本發明無鉛快削黃銅合金經回收熔煉完成，達到出爐溫度，直接出爐即可；并以1000℃至1050℃澆鑄溫度，優選1000℃至1020℃澆鑄溫度進行澆注作業，充滿于砂模完成后的湯水凝固收縮正常，鑄造性與鑄造便利性、成型率佳，顯示本發明無鉛快削黃銅合金鑄造回熔性佳、成型率佳。

實例6：拉伸性質測試

本發明無鉛快削黃銅合金t73m5雖將硅調降至約1.3wt.％，但透過提升鋅含量補足了硅元素所帶來的固溶強化效果，使得t73m5已接近比較例c87800硅青銅的強度。

由于t73m合金設計具備較高鋅含量，α、β相所能固溶硅元素的量，將會愈來愈低，從組織與破斷面觀察可得知，添加的硅元素未能完全固溶進入α、β相；因此，當硅濃度高于基地相的最大固溶限，就會產生質地硬脆且富含鋅、硅元素的γ相。由實例t73m5的破斷面可觀察到α相經拉伸變形留下的韌窩組織，其中在更細微的韌窩組織內部發現γ相顆粒，顯示γ相顆粒均勻分布在α、β相界上，有助于獲得優選合金延性。令人驚訝地發現，本發明無鉛快削黃銅合金添加硼(t73m5b)、鎳元素后(t73m5n)，延伸率有明顯降低的趨勢，本發明無鉛快削黃銅合金的斷面系沿著α相與γ相界面產生破壞；此外由于添加鎳使破斷面沿著韌性較差的樹枝晶間處蔓延，因此可觀察到β、γ 相在樹枝狀晶表面的破裂痕跡，同時并無明顯α相滑移帶的產生。

實例7：應用例-無鉛黃銅合金閥件

本發明無鉛快削黃銅合金所應用的目的之一，即材料抗泄漏密封性。前述本發明無鉛快削黃銅合金t73m5b、t73m5n、和bs73m經上述條件鑄造、加工后，以形成為閥件，諸如：球閥、閘閥、逆止閥、非升桿閘閥、升桿閘閥、或蝶閥，管路零部件，y型過濾器，或閥蓋。本發明無鉛快削黃銅合金所形成的鑄件，除因鑄造因素所造成鑄件外觀上的渣孔和砂孔外，并未發現有任何材料氣孔或龜裂痕的瑕疵。由本發明無鉛快削黃銅合金t73m5b、t73m5n、和bs73m所形成的鑄件，均可全數符合88psi或更高的氣壓測試，和900psi或更高的高壓水壓測試(實際測試水壓壓力約在1150psi至1450psi)，(msssp-110ballvalves，threaded，socketwelding，solderjoint，groovedandflaredends標準)。因此，本發明無鉛快削黃銅合金材料所具有的組織特性，可適用于壓力需求系900psi或更高的閥件產品。

本實例進一步利用本發明無鉛快削黃銅合金t73m5b、t73m5n、和bs73m的回熔(其包含具有相同合金組成成分的40％車屑與60％回爐料)制作的砂模鑄件，所述的合金經鑄造、加工與氬焊接合后形成閥件。圖4顯示利用本發明無鉛快削黃銅合金t73m5b所鑄造的閥件外觀，利用氬焊接合后，焊道周圍并無產生任何龜裂痕；本實例亦顯示本發明無鉛快削黃銅合金t73m5b、t73m5n、和bs73m回熔鑄件所制造的閥件，可通過高壓測漏標準、且結構無龜裂痕產生，因此，本發明無鉛快削黃銅合金所制得的閥件已充分展現具有抗泄漏密封性的特點。本實例與其他習知合金各項特性的比較另匯整于下表3。

具體而言，本發明無鉛快削黃銅合金t73m5b、t73m5n、和bs73m經回熔鑄造所形成的閥件，其等的抗拉強度分別為355mpa或更高、411mpa或更高、和450mpa或更高、破斷伸長率分別為25％或更高、20％或更高、和16％或更高。前述機械性質另充分顯示，本發明無鉛快削黃銅合金添可藉由添加適量的合金元素，從而展現兼具高抗拉強度與良好延伸性質，同時藉由本發明無鉛快削黃銅合金所熔鑄的閥件，皆可通過900psi或更高，優選1150psi或更高，更優選1500psi或更高的壓力測試驗證而無泄漏。

綜上所述，本發明無論就合金元素控制顯微組織、切削性、回熔鑄造性、機械性質、抗脫鋅腐蝕性能、焊接性能、以和鑄件氣密性均回異于其他習知的銅合金技術特征，上述實施例雖僅揭示使用于流體運輸的閥件組件但不限于其他延伸的應用產品，本發明所主張的權利范圍自應以申請專利范圍所述為準，而非僅限于上述實施例。