CN101098976B

CN101098976B - 含有极少量铅的易切削铜合金

Info

Publication number: CN101098976B
Application number: CN200580046460.7A
Authority: CN
Inventors: 大石惠一郎
Original assignee: Mitsubishi Shindoh Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Shindoh Co Ltd
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2025-09-22
Also published as: EP1929057B1; CA2619357C; ES2387065T3; JP4951623B2; WO2007034571A1; ATE557108T1; EG25433A; JP2009509031A; EP1929057A1; BRPI0519837B1; US7883589B2; US20070062615A1; KR20080050399A; CA2619357A1; KR101211206B1; MXPA06002911A; CN101098976A; BRPI0519837A2

Abstract

本发明提供一种易切削铜合金，与以往的易切削铜合金相比包括相当少量的铅，但提供工业上满足的切削加工性。上述易切削铜合金包括铜：71.5～78.5重量％、硅：2.0～4.5重量％、铅：0.005以上～小于0.02重量％、及锌：剩余量。

Description

含有极少量铅的易切削铜合金

相关技术的交叉引用

本发明涉及于1999年10月27日申请的美国专利申请第09/983,029号，其全部公开内容结合在此作为参照，上述申请是于1999年10月27日申请的美国专利申请第09/403,834号的部分继续申请，其全部公开内容结合在此作为参照，该申请要求于1998年10月9日申请的日本申请第10-287921的优先权，其全部公开内容结合在此作为参照。本申请还涉及于2001年11月13日申请的美国专利申请第09/987,173号，目前美国专利6,413,330号，其全部公开内容结合在此作为参照，上述申请是于2000年6月8日申请的美国专利申请第09/555,881号的部分继续申请，其全部公开内容结合在此作为参照，该申请要求于1998年10月12日申请的日本申请第10-288590号的优先权，其全部公开内容结合在此作为参照。

技术领域

本发明涉及易切削铜合金，如用于所有产业领域的易切削铜合金，尤其，涉及用于对人类提供饮用水的领域的合金。

背景技术

在具有出色的切削加工性的铜合金中有，青铜合金如具有JIS名称H5111BC6的青铜合金和黄铜合金如具有JIS名称H3250-C3604及C3771的黄铜合金。这些合金添加1.0～6.0重量％的铅，提高了切削加工性，从而作为易加工的铜合金，提供工业上满意的产物。因其出色的切削加工性，含铅的铜合金对水龙头、上/下水道金属零件、阀门等的各种物品成为重要的基础材质。

在这些现有的易切削铜合金中，铅不是在基体内形成固溶体，而是通过以粒状分散，而提高合金的切削加工性。以往，为了生产所希望的产物，必须添加多达2.0重量％以上的铅。对于这种合金，若铅的添加量小于1.0重量％，则如图1G所示，切屑成为螺旋形。螺旋形的切屑会导致例如缠绕于切削机等的各种问题。另一方面，铅的含量在1.0重量％以上2.0重量％以下时，虽然导致切削阻力的减少等结果，可是切削面变粗糙。因而，一般添加2.0重量％以上的铅。在一些需要高度的切削特性的膨胀铜合金中含有大约3.0重量％以上的铅。并且，在一些青铜铸件中含有多达约5.0重量％以上的铅。例如，具有JIS名称H5111BC6的合金含有大约5.0重量％的铅。

在含少量百分比铅的合金中，微细的铅粒子分散于金属结构内。在切削处理中，应力可能集中在这些微细柔软的铅粒子。其结果，切削而产生的切屑变小，其切削力也减低。在这种情况下，铅粒子起破屑机的作用。

另一方面，当2.0～4.5％的Si在规定的组成范围和产生条件下，添加于Cu-Zn合金时，在金属结构中出现与α相不同的一个以上的富含Si的κ、γ、μ或β相。这些相中，κ、γ、μ坚固，具有与Pb完全不同的性质。但在切削时，应力集中在出现这3相的部分上，因此这3相起破屑机作用，从而所要求的切削力减低。这意味着，即使铅与在Cu-Zn-Si合金中生成的κ、γ、μ相几乎或者根本没有其性质及/或特性的共同点，它们都将切屑分解，其结果，减少所要求的切削力。

尽管如此，具有κ、γ、μ相的Cu-Zn-Si合金的被提高的切削加工性与分别包括5、3、2重量％的铅的C86300(含铅红黄铜)、C36000(易切削黄铜)、及C37700(锻造黄铜)相比时，在某些方面不足。

含于合金内的铅为环境污染物质给人类造成危害，因此，近几年大幅度限制混合有铅的合金的使用。即，由于铅存在于在溶解及铸造等高温下处理合金的过程中发生的金属蒸气中，所以含铅的合金给人类的健康和环境卫生造成威胁。含于由这种合金构成的供水设备的金属零件、阀门等的铅也有可能溶解在饮用水中的危险性。

由这种原因，最近，美国及其他先进国家，为了彻底降低铜合金的铅许可水准，开始加强含铅的铜合金的标准。在日本也逐渐限制含铅合金的使用，而增加对含有少量铅的易切削铜合金的开发的要求。无需说明，尽量减少铅含量为佳。

随着最近的发展，如US2002-0159912A1(美国专利申请第10/287921号公报)揭示，易切削铜合金的含铅量减少到了0.02％。但是社会对含铅量的强烈关注来看，更加减少含铅量为佳。尽管如在美国专利6,413,330中揭示，无铅合金是本领域公知的，但本发明者却发现在合金中的少量铅具有某些优点。

发明内容

本发明的一个目的在于，提供一种含有极少量(即，0.005～小于0.02重量％)的作为提高切削加工性的元素的铅的易切削铜合金。本发明的一个目的在于，提供一种切屑加工性优秀，还可用作含有相对多量铅的传统易切削合金的安全替代物。本发明的一个目的在于，提供一种允许切屑的回收利用，并对环境卫生没有问题的合金，从而提供对含铅产品的规制要求的适时的解决方案。本发明通过了解并利用κ、γ、μ相与少量Pb的组合对切削加工性的协同效果，从而，在某些优选实施方案中达到这些结果。

本发明的另一目的在于，提供一种具有与出色的切削加工性所结合的高耐蚀性的易切削铜合金，其适合于作为切削制造物、锻件、铸件等所需的基础物质，从而拥有很高的实用价值。可采用本发明合金的切削制造物、锻件、铸件等包括水龙头、上/下水道的金属零件、水量计、洒水装置、接头、止水阀、阀门、管道、供热水管零件、轴、及热交换器部件。

本发明的另一个目的在于，提供一种具有与易切削性结合的高强度、耐磨性的易切削铜合金，适合作为用于制造要求高强度、耐磨性的切削制造件、锻件、铸件和其它用途的基础物质，例如轴承、螺丝、螺母、轴瓦、齿轮、缝机部件、汽缸部件、阀座、同步器齿环、滑动部件及液压系统部件。因此，易切削铜合金具有相当高的实用价值。

本发明的另一个目的在于，提供一种易切削铜合金，具有与易切削性结合的出色的高温抗氧化性，适合作为用于制造必需具有高温抗氧化性的切削制造件、锻件、铸件和其它用途的基础物质，例如用于煤油及煤气炉用喷头、燃烧器头部、及热水壶用气体喷头。因此，易切削铜合金具有相当高的实用价值。

本发明的另一个目的在于，提供一种易切削铜合金，具有出色的切削加工性与高耐冲击性，适合作为用于制造因在切削处理后实行填隙处理而需要由耐冲击性物质制成的产品的基础物质，例如所谓“内接头”的管连接器、电缆连接器、零件、夹板、家具用金属铰链、汽车传感器部件等。

上述本发明的一个或多个目的，通过提供以下铜合金而达成。

第1发明合金

作为具有出色的易切削性的易切削铜合金，上述合金是由铜：71.5～78.5重量％、硅：2.0～4.5重量％、铅：0.005～小于0.02重量％、锌：剩余量组成，在上述铜合金中的铜和硅的重量％满足61-50Pb≤X-4Y≤66+50Pb的关系，其中Pb为铅的重量％，X为铜的重量％，Y为硅的重量％。为了简单化，以下，上述铜合金称之为“第1发明合金”。

铅不是在基体内形成固溶体，而是作为铅粒子以粒状分散，从而提高切削加工性。在铜合金内的即使少量的铅粒子也能提高切削加工性。另一方面，硅通过在金属结构中产生γ相及/或κ相(有时μ相)，从而提高易切削性。硅与铅，在有效提高切削加工性方面是相同的，但对于合金的其他性质的作用有很大的区别。基于这种认识，将硅添加于第1发明合金，可以达到满足工业要求的高度的切削加工性，同时能够大量减少合金中的铅含量，因此可以消除铅对人类的毒性危害。即，第1发明合金是通过添加硅形成γ相和κ相而提高切削加工性。因而，第1发明合金具有在工业上满意的切削加工性，这意味着第1发明合金在干燥的条件下，以高速度切削时，具有与现有的易切削铜合金的切削加工性相同的切削加工性。换言之，第1发明合金具有通过添加硅形成γ、κ、及μ相而提高的切削加工性，以及通过添加极其少量的铅(即，大致0.005重量％～小于0.02重量％的铅)而提高的切削加工性。

若添加小于2.0重量％的硅，金属合金不能形成充分确保能够满足工业上的切削加工性的γ相或κ相。若增加硅的添加，则提高切削加工性。但，若硅的添加量超过4.5重量％，切削加工性不会成比例地提高。可是，问题在于，硅由于熔点高、比重低，并容易被氧化，因此，在融化步骤中将未混合的硅进料于熔炉，硅会浮在融化的金属上面，被氧化成硅的氧化物(即，二氧化硅)而妨碍含硅的铜合金的制造。因此，在铸造含硅铜合金的铸块时，通常以Cu-Si合金的形式添加硅而增加制造成本。如果硅量过多，形成的γ/κ相的部分在金属构造的总面积中变得过大。这些相的过度存在妨碍它们作为应力集中区域起作用，并且使合金比要求的还坚硬。因而，以超过提高切削加工性的饱和点或平台的量，即，添加4.5重量％以上的硅是不太理想的。实验表明，在添加2.0～4.5重量％的硅时，为了保持Cu-Zn合金的固有性质，考虑与锌的含量的关系，将铜的含量保持在大约71.5～78.5重量％为理想。为此，第1发明合金由铜：71.5～78.5重量％和硅：2.0～4.5重量％组成。硅的添加不仅改善切削加工性，而且还改善熔融金属流的(a)铸造性、(b)强度、(c)耐磨性、(d)耐应力腐蚀裂纹性、及(e)高温抗氧化性的特性。然而，在第1发明合金中，若铜和硅的重量％不满足61-50Pb≤X-4Y≤66+50Pb的关系，这些特性则不会出现。在此，X为铜的重量％、Y为硅的重量％、Pb为铅的重量％。并且，延性及耐脱锌腐蚀性也会得到一定的改善。

为此，在第1发明合金中，铅的添加被设定为0.005～小于0.02重量％。在第1发明合金中，即使减少铅的添加，通过添加具有导致γ相与/或κ相的上述效果的硅也获得适当的切削加工性。然而，如果上述合金在切削加工性上要比以往的易切削铜合金出色，就得添加0.005重量％以上的Cu-Zn合金。另一方面，添加较多量的铅会对合金的性质造成不利影响，导致表面粗糙、不良的热加工性，不良的锻造性能及可冷锻性的降低。同时，含有0.02重量％以下的少量铅，期待能够通过政府的有关铅的标准，但是，将来，包括日本的先进国家可能更加严格地强化规定。因此，在第1和稍后描述的第2、第3发明合金中，合金中添加的铅的范围被设定为0.005～小于0.02重量％。根据本发明，第1、第2、及第3发明合金的变体都包括这种低的铅添加范围。

第2发明合金

本发明的另一实施方案是同样具有出色的易切削性的易切削铜合金，其由铜：71.5～78.5重量％；硅：2.0～4.5重量％；铅：0.005～小于0.02重量％；选自磷：0.01～0.2重量％、锑：0.02～0.2重量％、砷：0.02～0.2重量％、锡：0.1～1.2重量％、及铝：0.1～2.0重量％中的至少一种元素；及锌：剩余量组成。在此，上述铜合金的铜、硅及被选的其它元素(即，磷、锑、砷、锡、铝)满足61-50Pb≤X-4Y+aZ≤66+50Pb的关系，此处，Pb为铅的重量％，X为铜的重量％，Y为硅的重量％、及Z是选自磷、锑、砷、锡、及铝的元素的重量％，a为被选的元素的系数，此处，被选的元素是磷时a为-3、被选的元素是锑时a为0、被选的元素是砷时a为0、被选的元素是锡时a为-1、被选的元素是铝时a为-2。以下，这种第2铜合金称之为“第2发明合金”。上述第2发明合金是对脱锌、腐蚀等具有出色的耐蚀性，并具有更加改善的切削加工性的易切削合金。

铝与硅同样，具有有效地促进γ相的形成的功能。即，若添加铝，则形成γ相，该γ相提高Cu-Si-Zn合金的切削加工性。铝不仅提高Cu-Si-Zn合金的切削加工性，也会提高强度、耐磨性、及高温抗氧化性。并且，铝有助于保持低比重。如果在根本上由该元素提高切削加工性，应该添加至少0.1重量％的铝。但是，超过2.0重量％的添加不能导致成比例的结果，反而，添加超过2.0重量％的铝会降低金属合金的延性，因为，由如此的添加过多地形成γ相，而不再提高切削加工性。

对于磷，不具有如铝那样的形成γ相的性质。但是，磷确实具有将通过单独或与铝组合添加硅而形成的γ相均匀地分散且分布的功能。如此，通过γ相的形成实现的切削加工性改善，由于磷使在金属合金内的γ相均匀地分散且分布的能力而进一步增加。除使γ相分散以外，磷使在基体的α相的晶粒微细化，因此，提高高温加工性、强度、及应力腐蚀龟裂抵抗性。并且，磷不仅提高耐脱锌性，而且充分地增加在于铸造时的熔融金属的流动性。为了得到这种结果，必须添加0.01重量％以上的磷。然而，若超过0.20重量％添加磷，则得不到相应的效果。相反，可能降低热锻性质和铜金属合金的可挤压性。

第2发明合金，除第1发明合金外，还包括从磷：0.01～0.2重量％、锑：0.02～0.2重量％、砷：0.02～0.2重量％、锡：0.1～1.2重量％、及铝：0.1～2.0重量％中选择的至少一种元素。如上所述，磷通过使γ相均匀地分散且使在基体的α相的晶粒微细化，提高切削加工性和耐蚀性(即，脱锌耐蚀性)、锻造性、应力腐蚀龟裂抵抗性、及合金的机械强度特性。于是，第2发明合金通过磷的作用提高耐蚀性和其他特性，并且主要通过添加硅而提高切削加工性。添加极少量的0.01重量％以上的磷，可以产生有利的效果。然而，超过0.20重量％的添加量并不如由加入的磷的量所期待的那样有效。相反，若添加0.20重量％以上的磷，则会降低减少高温锻造性和可挤压性。同时，砷或锑即使添加0.02重量％以上的少量，也会提高耐脱锌性。即，可以产生有益的结果。

锡加快γ相的形成，同时使在α基体内形成的γ及/或κ相更加均匀地分散和分布。因此，锡进一步提高Cu-Zn-Si金属合金的切削加工性。并且，锡还提高耐蚀性，尤其是抗磨损腐蚀、脱锌侵蚀性。为了得到这样的抗蚀的理想的效果，应该添加0.1重量％以上的锡。另一方面，超过1.2重量％添加时，过剩的锡减少延性，并减少本发明合金的冲击值，随之铸造时易发生龟裂。因此，为了避免延性及冲击值的降低，同时确保被添加的锡的理想的效果，根据本发明，添加0.2～0.8重量％的锡为理想。

上述的内容显示，第2发明合金通过除了添加与第1发明合金相同量的铜和硅以外，还以上述限定范围内的量添加选自磷、锑、砷(提高耐蚀性)、锡、及铝中的至少一种元素，而提高切削加工性和耐蚀性、及其他特性。在第2发明合金中，与第1发明合金相同，铜和硅的添加量分别设定为71.5～78.5重量％、2.0～4.5重量％，其中除硅和少量的铅以外不添加其他切削加工性改善剂，因为，磷，如锑和砷那样，主要作为耐蚀性改善剂起作用。

第3发明合金

一种同样具有出色的易切削性和出色的高强度特性及高耐蚀性的易切削铜合金，该合金由铜：71.5～78.5重量％；硅：2.0～4.5重量％；铅：0.005～小于0.02重量％；从磷：0.01～0.2重量％、锑：0.02～0.2重量％、砷：0.02～0.15重量％、锡：0.1～1.2重量％、及铝：0.1～2.0重量％中选择的至少一种元素；和从锰：0.3～4.0重量％、镍：0.2～3.0重量％中选择的至少一种元素(锰和镍总的重量％在0.3～4.0重量％之间)；及锌：剩余重量％构成，其中上述铜合金中的铜、硅、及选择的元素(即，磷、锑、砷、锡、铝、锰、及镍)的重量％满足61-50Pb≤X-4Y+aZ≤66+50Pb的关系，所述关系式中，Pb为铅的重量％，X为铜的重量％，Y为硅的重量％、及Z是选自磷、锑、砷、锡、铝、锰、及镍中的至少一种元素的重量％，a为被选择的元素的系数，其中选磷时a为-3、选锑时a为0、选砷时a为0、选锡时a为-1、选铝时a为-2、选锰时a为2.5、及选镍时a为2.5。以下，上述第3铜合金称之为“第3发明合金”。第3发明合金是不仅具有提高的切削加工性，还具有高强度、出色耐磨性、及耐蚀性的易切削铜合金。

锰和镍与硅结合形成以Mn_xSi_y或Ni_xSi_y表示的金属间化合物，其在基体内均匀地析出，由此提高耐磨性和强度。因此，通过添加锰和镍中的任一种或两种，提高第3发明合金的高强度特性和耐磨性。这种效果，在将锰和镍分别添加0.2重量％以上时会出现。然而，在镍为3.0重量％时和锰为4.0重量％时达到饱和状态。因此，即使增加锰及/或镍的添加量也得不到相应的提高效果。考虑与锰和镍形成金属间化合物的硅的消耗，将硅的添加量设定为2.0～4.5重量％以与锰及/或镍的添加相匹配。

还注意到铝和磷有助于强化基体的α相，籍此提高切削加工性。磷使α和γ相分散，由此强度、耐磨性、及切削加工性也提高。铝也有助于耐磨性的提高，并且在添加大致0.1重量％以上时表现出使基体强化的效果。然而，铝的添加若超过2.0重量％，则因过量的α相或β相形成(其更易发生)，而延性会降低。因而，考虑需要提高的切削加工性，铝的添加设定为0.1～2.0。并且，磷的添加会使γ相分散，并使基体α相的晶粒粉碎，从而，铜合金的高温加工性和强度及耐磨性也被提高。更且，磷对在铸造中提高熔融金属的流动性非常有效。磷的添加量为0.01～0.2重量％时能够得到此结果。考虑到硅的添加量和与硅结合的锰及镍的特性，铜的含量设定为71.5～78.5重量％。

铝是提高强度、切削加工性、耐磨性、还提高高温抗氧化性的元素。硅也具有提高切削加工性、强度、耐磨性、耐应力腐蚀龟裂、还提高高温抗氧化性的性质。铝以0.1重量％以上的量与硅一起使用时，起提高高温抗氧化性的作用。然而，即使铝添加量超过2.0重量％，也不能期待相应的结果。为此，铝的添加设定为0.1～2.0重量％。

磷是为了加强在铸造时的熔融金属的流动性而被添加。磷具有提高熔融金属的流动性的同时，提高上述切削加工性、耐脱锌腐蚀性、及高温抗氧化性的功能。添加0.01重量％以上的磷时，出现这些效果。然而，即使超过0.20重量％使用也不会导致相应效果的成比例增加，反而造成上述合金的脆弱化。考虑到这些问题，在0.01～0.2重量％的范围内添加磷。

如上所述，硅是为了提高切削加工性而被添加，但是硅也能够像磷那样提高熔融金属的流动性。在添加2.0重量％以上的硅时出现提高熔融金属的流动性的效果。为了提高流动性的添加范围与为了提高切削加工性的范围重叠。考虑到这些问题，硅的添加设定为2.0～4.5重量％。

第4发明合金

本发明的另一实施方案是同样具有出色的易切削性的易切削铜合金，该合金由铜：71.5～78.5重量％；硅：2.0～4.5重量％；铅：0.005～小于0.02重量％；选自铋：0.01～0.2重量％、碲：0.03～0.2重量％、及硒：0.03～0.2重量％中的一种附加元素；及锌：剩余重量％构成，其中，上述合金中的铜和硅的重量％满足61-50Pb≤X-4Y≤66+50Pb的关系，Pb为铅的重量％，X为铜的重量％，Y为硅的重量％。以下，上述第4铜合金称为“第4发明合金”。

即，上述第4发明合金由第1发明合金，另外还有选自铋：0.01～0.2重量％、碲：0.03～0.2重量％、及硒：0.03～0.2重量％中的一种元素构成。

铋、碲、及硒，与使用铅一样，不与基体形成固溶体，而是通过以粒状分散而提高切削加工性。在提高切削加工性时，添加铋、碲、及硒能补充易切削铜合金中的铅含量的减少。若与硅和铅一同添加这些元素中的任一种，切削加工性则高出只添加硅和铅时的水平。从此结果，开发了第4发明合金，其中混合选自铋、碲、及硒中的一种元素。通过不仅添加硅和铅，还添加铋、碲、或硒，使铜合金具有能够以高速度自由地切出复杂形状的切削加工性。然而，添加少于0.01重量％的铋、碲、或硒不能实现切削加工性的提高。换言之，在这些元素的添加对切削加工性带来相当的效果之前，至少得添加0.01重量％的铋或至少得添加0.03重量％的碲或硒。然而，这三种元素价格比铜高，为了制造具有商业价值的合金将元素适当地混合是重要的。因此，即使铋、碲、或硒的添加量超过0.2重量％，切削加工性的提高比例非常小，并也不经济。更且，这些元素的添加量若超过0.4重量％，合金的可锻性等的高温加工特性和延性等的冷加工特性恶化。尽管铋等的重金属会引起类似铅的问题，但添加小于0.2重量％的极少量是微不足道的，不会引起健康上的问题。考虑到这些问题，第4发明合金将铋的添加量保持在0.01～0.2重量％，将碲或硒的添加量保持在0.03～0.2重量％。对此，将铅和铋、碲或硒的合并含量保持在0.4重量％以下为理想。这个限制是因为，在这四种元素的合并含量超过合金的0.4重量％时，即使只是略微过量，合金的高温加工性和冷延性开始恶化，而且，担心切屑的形态从图1B所示的那些转变为图1A所示的那些。然而，添加通过如上所述的与硅不同的机理提高铜合金切削加工性的铋、碲或硒，不会对合金中的铜和硅的适当含量(即重量％)带来影响。为此，第4发明合金中的铜和硅的含量设定为与第1发明合金的含量相同的水平。

考虑上述内容，第4发明合金，通过向第1发明合金Cu-Si-Pb-Zn合金中添加选自铋：0.01～0.2重量％、碲：0.03～0.2重量％及硒：0.03～0.2重量％中的至少一种附加元素，从而提高切削加工性。

第5发明合金

一种还具有出色的易切削性的易切削铜合金，其由铜：71.5～78.5重量％；硅：2.0～4.5重量％；铅：0.005～小于0.02重量％；选自磷：0.01～0.2重量％、锑：0.02～0.2重量％、砷：0.02～0.2重量％、锡：0.1～1.2重量％、及铝：0.1～2.0重量％中的至少一种元素；选自铋：0.01～0.2重量％、碲：0.03～0.2重量％、硒：0.03～0.2重量％中的至少一种元素；及锌：剩余重量％构成，其中，在上述铜合金中的铜、硅、及被选的其它元素(即，磷、锑、砷、锡及铝)的重量％满足61-50Pb≤X-4Y+aZ≤66+50Pb的关系，此处，Pb为铅的重量％，X为铜的重量％，Y为硅的重量％、及Z是选自磷、锑、砷、锡及铝中的元素的重量％，a为选择的元素的系数，选磷时a为-3、选锑时a为0、选砷时a为0、选锡时a为-1、及选铝时a为-2。这种易切削铜合金是上述的第5发明合金，以下，称为“第5发明合金”。

第5发明合金包括，除第2发明合金的组分外，选自铋：0.01～0.2重量％、碲：0.03～0.2重量％、硒：0.03～0.2重量％中的任何一种元素。混合这些附加元素和设定所添加量的根据与第4发明合金相同。

第6发明合金

一种同时具有出色的易切削性和优秀的高温抗氧化性的易切削铜合金，上述合金由铜：71.5～78.5重量％；硅：2.0～4.5重量％；铅：0.005～小于0.02重量％；选自磷：0.01～0.2重量％、锑：0.02～0.2重量％、砷：0.02～0.15重量％、锡：0.1～1.2重量％、及铝：0.1～0.2重量％中的至少一种元素；选自铋：0.01～0.2重量％、碲：0.03～0.2重量％、及硒：0.03～0.2重量％中的至少一种元素；选自锰：0.3～4重量％、镍：0.2～3.0重量％中的至少一种元素(锰和镍的总重量％为0.3～4.0％之间)；及锌：剩余重量％构成，其中，上述铜合金中的铜、硅及选自磷、锑、砷、锡、铝、锰及镍中的元素的重量％满足61-50Pb≤X-4Y+aZ≤66+50Pb的关系，Pb为铅的重量％，X为铜的重量％，Y为硅的重量％、及Z是选自磷、锑、砷、锡、铝、锰及镍中的至少一种元素的重量％，a为选择的元素的系数，选磷时a为-3、选锑时a为0、选砷时a为0、选锡时a为-1、选铝时a为-2、选锰时a为2.5、及选镍时a为2.5。以下，将上述第6铜合金称为“第6发明合金”。

第6发明合金含有，除第3发明合金的组分外，选自铋：0.01～小于0.2重量％、碲：0.03～0.2重量％、硒：0.03～0.2重量％中的一种元素。在确保与第3发明合金一样优秀的高温抗氧化性的同时，通过添加选自铋和其它像铅那样有效地提高切削加工性的元素中的一种元素，进一步提高了切削加工性。

第7发明合金

一种具有出色的易切削性的易切削铜合金，并且通过进一步限制第1～第6发明合金的组成使合金含有0.5重量％以下的铁，获得第1～第6发明合金的其它理想特性。制造铜合金时，铁是不可避免的杂质。然而，通过将该杂质的范围限制在0.5重量％以下，可以得到更多益处。具体而言，铁使第1～第6发明合金的切削加工性下降，且降低抛光和电镀特性。因此，根据本发明的第7合金是还具有附加限制的第1～第6发明合金中任一个，该附加限制为含有0.5重量％以下的铁。以下，第7铜合金称为“第7发明合金”。

第8发明合金

一种具有进一步提高的易切削性的易切削铜合金，通过对上述各发明合金中的任一个在400℃～600℃进行30分钟～5个小时的热处理而得到。以下第8铜合金称为“第8发明合金”。

第9和第10发明合金

一种具有进一步提高的易切削性的易切削铜合金，其通过构造上述各发明合金中的任一个以包括(a)包含α相的基体和(b)选自γ相和κ相中的一个以上的相而得到。以下，第9铜合金称为“第9发明合金”。并且，根据“第10发明合金”，可以再改性第9发明合金，使得选自γ相和κ相中的一个以上的相在α基体内均匀地分散。

第11发明合金

一种易切削性进一步提高的易切削铜合金，其通过进一步限制上述各发明合金中的任一个使得上述合金的金属结构满足下述的附加关系而获得：(i)上述合金的总相面积中0％≤β相≤5％；(ii)上述合金的总相面积中0％≤μ相≤20％；及(iii)上述合金的总相面积中18-500(Pb)％≤κ相+γ相+0.3(μ相)-β相≤56+500(Pb)％。以下，上述第11铜合金称为“第11发明合金”。

第12和第13发明合金

根据本发明，实际显示易切削性得到改善的易切削铜合金是通过上述第1～第11发明合金中任一个的构造而得到的，其中从挤压棒形成的或作为上述合金的铸件的圆形试验片，在干燥条件下，不用破屑机，通过碳化钨工具，在-6度的倾角及0.4mm的刀尖半径，以60～200m/min的切削速度、1.0mm的切削深度，及0.11mm/rev的进给速度在圆周面上切削时，产生具有选自弓形、针形及板形中的一个以上的形状的切屑。以下，上述第12铜合金称为“第12发明合金”。同样，根据本发明，实际显示易切削性得到改善的另一易切削铜合金，通过上述第1～第11发明合金中任一个的干燥而得到，其中，从挤压棒形成的或作为上述合金的铸件所形成的圆形试验片，通过具有10mm的钻头直径和53mm的钻头长度的钢号钻头，在32度的螺旋角和118度的顶角，以80m/min的切削速度、40mm的钻孔深度、0.20mm/rev的进给速度在圆周表面上进行钻孔时，产生具有选自弓形及针形中的一个以上的形状的切屑。以下，上述第13铜合金称为“第13发明合金”。

第1～第13发明合金，含有提高切削加工性的元素如硅，并且通过添加这些元素具有出色的切削加工性。这些提高切削加工性的元素的效果通过热处理将会更加提高。例如，γ相少、κ相多的铜含量高的第1～第13发明合金通过热处理可以进行从κ相到γ相的相变。结果，上述γ相被微细地分散并沉淀，而切削加工性被提高。在于实际铸件、板网、及热锻的制造方法中，根据锻造条件、高温加工(例如，高温挤压、热锻等)后的生产能力、工作环境、及其他因素，往往空气强制冷却或水冷却上述物质。在第1～第13发明合金的这种情况下，特别是具有相对低的铜含量的合金的γ相及/或κ相的含有量相当低，并且含有β相。通过受控的热处理，β相变为γ相及/或κ相，并且γ相及/或κ相被微细地分散或沉淀，而提高切削加工性。

然而，小于400℃的热处理温度在任何情况下，都不经济实用。因为，上述的相变进行缓慢，且要求相当的时间。另一方面，在600℃以上的温度，将以不导致切削加工性提高的方式生长K相或出现β相。因此，从实用观点来看，当利用热处理，通过改变金属结构的相而改变合金的切削加工性时，以400℃～600℃的温度热处理30分钟～5个小时为理想。

附图说明

图1A～1G显示了由车床车削切削铜合金的圆棒时所形成的各种形式的切削物的透视图。

图2是拍摄的本发明的第1发明合金的金属构造的放大图。

图3A及图3B显示了本发明合金的切削力和式Cu-4Si+X+50Pb(％)之间的关系，其中切削速度v＝120m/min。

图4A及图4B显示了本发明合金的切削力和式Cu-4Si+X+50Pb(％)之间的关系，其中切削速度v＝200m/min。

图5A及图5B显示了本发明合金的切削力和式K+γ+0.3μ-β+500Pb之间的关系，其中切削速度v＝120m/min。

图6A及图6B显示了本发明合金的切削力和式K+γ+0.3μ-β+500Pb之间的关系，其中切削速度v＝200m/min。

图7显示了式76(Cu)-3.1(Si)-Pb(％)的合金中的切削力和铅的重量％之间的关系。

具体实施方式

本发明的合金分别包括铜、硅、锌及铅。有些发明合金另外包括磷、锡、锑、砷、铝、铋、碲、硒、锰、及镍等的不同组成元素。这些各个元素对本发明合金给予一定效果。例如，铜是本发明合金的主要构成元素。基于本发明者所实施的研究，为了保持Cu-Zn合金一定的固有性质，如一定的机械特性、耐蚀性、流动性等的，铜含量大致为71.5～78.5重量％为理想。而且，若添加硅时，这种铜的范围可以有效形成金属结构中的γ相及/或K相(及有时μ相)，而带来对工业上满意的切削加工性。然而，若铜含量超过78.5重量％，不管γ相及/或κ相的形成程度，也不能达到工业上满意的切削加工性，因此设定上阈值。并且，若铜含量超过78.5重量％，合金的可铸性则降低。另一方面，铜含量降低到71.5重量％以下时，则在金属结构中容易形成β相。即使在金属结构中存在γ相及/或κ相，β相的形成也会使切削加工性降低。β相的形成导致对脱锌的耐蚀性减少、应力腐蚀龟裂增加、及伸长减少等的反作用。

硅是上述发明合金的另一主要元素。特别是硅具有提高铜合金的切削加工性的功能。硅用于在包含α相的基体内形成γ相、κ相及/或μ相，从而具有提高切削加工性的效果。在铜合金中添加小于2.0重量％的硅，不能充分地形成γ相、κ相及/或μ相，从而不能达到工业上满足的切削加工性。虽然切削加工性随着硅在上述合金中的添加量的增加而提高，但是，所添加的硅的量若超过约4.5重量％，切削加工性则不会成比例地提高。实际上，由于γ相及/或κ相在金属结构中的比率变得过大，所以切削加工性在包含超过约4.5重量％的硅的合金中开始下降。而且，上述合金的导热性随着硅超过约4.5重量％而下降。从而，不仅为了提高流动性、强度、耐磨性、应力腐蚀龟裂性、高温抗氧化性及耐脱锌性等的其它合金的特性，而且为了提高切削加工性，需要添加适当量的硅。

锌也是本发明合金的主要构成元素。添加铜和硅时，锌对于γ、κ、的形成，有时对于μ相的形成有影响。锌还具有使上述发明合金的机械强度、切削加工性、及流动性提高的作用。根据本发明，由于锌占据除其它两个主要成分(即，铜和硅)和极少量的铅及其它构成元素之外的本发明合金的剩余部分，所以上述锌的含量的范围是间接确定的。

铅也存在于本发明合金中，因为铅不形成固溶体，而是以铅粒子分散在金属结构的基体内，从而提高切削加工性。尽管通过添加硅在金属结构形成中γ相及/或κ相达到了一定程度的切削加工性，但是为了进一步提高本发明合金的切削加工性，还添加超过0.005重量％的铅。实际上，在目前工业上强烈推荐的干燥的条件(即，无润滑剂)下，在高速切削时，本发明合金的切削加工性至少等于，并且经常好于常规的易切削铜合金的切削加工性。对于组成范围属于本发明的范围内的Cu-Zn-Si合金，固溶体状态的铅的最高含量为0.003重量％，任何过量的铅作为铅粒子存在于合金的结构中。若适当量的γ相及/或κ相存在于金属结构中时，铅大致在0.005重量％时开始提高切削加工性，这只稍高于在固溶体中的铅含量的上极限。因此，例如，从上述合金浸出并进入饮用水的铅的量极微少。而且，随着铅量增加到超过0.005重量％，上述铜合金的切削加工性显著提高，原因在于下述(a)和(b)的出人意料的协同效应：(a)沉淀于基体结构内并被微细地分散的铅和(b)具有通过不同的作用机理提高切削加工性的功能的硬质γ相及κ相。但是，金属合金中的铅含量若超过0.02重量％，包含于铸造产品中的铅，尤其是包含于大型铸造产品中的铅，从金属合金开始向外部环境浸出(即，进入饮用水)，从而可能对人造成铅中毒。为此，本发明合金的铅含量设定为0.005～0.02重量％。

磷具有将形成于金属结构的α基体内的γ相及/或κ相均匀地分散及分布的作用。因此，根据本发明，在特定实施例中添加磷会使本发明铜合金的切削加工性更加强化并稳定化。而且，磷提高耐蚀性、尤其提高耐脱锌腐蚀性，及流动性。为了得到这种效果，在上述发明合金应添加0.01重量％以上的磷。然而，若磷的添加量超过0.2重量％，不仅得不到正面效果而且延性还下降。根据本发明，从添加的磷的效果来看，磷的添加量设定为0.02～0.12重量％为理想。

如上所述，锡加速γ相的形成，同时具有将形成于α基体内的γ及/或K相更加均匀地分散和分布的作用，因此锡进一步提高Cu-Zn-Si金属合金的切削加工性。锡还提高耐蚀性，尤其提高对磨损腐蚀、脱锌侵蚀的耐蚀性。为了得到这种耐腐蚀的效果，应添加超过0.1重量％的锡。另一方面，锡的添加量若超过1.2重量％，由于形成过多的γ相并且因β相出现，剩余的锡会使本发明合金的延性和冲击值减少，从而在铸造时容易发生龟裂。因此，为了确保添加的锡的正面效果，同时避免延性和冲击值的下降，根据本发明，锡的添加量设定为0.2～0.8重量％为理想。

根据本发明，锑和砷是为了提高金属合金的耐脱锌腐蚀性而被添加的元素。因此，在本发明合金应添加0.02重量％以上的锑及/或砷。这些元素的添加若超过0.2重量％，则得不到积极效果而延性降低。从添加这些元素的作用来看，根据本发明，锑及/或砷的添加量设定为0.03～0.1重量％为理想。

铝加速γ相的形成，同时具有将形成于α基体内的γ及/或κ相更加均匀地分散及分布的作用。从而，铝进一步提高Cu-Zn-Si合金的切削加工性。而且，铝提高机械强度、耐磨性、高温抗氧化性、耐磨损腐蚀性。为了得到这种正面的效果，在本发明合金应添加0.1重量％以上的铝。然而铝的添加量若超过2.0重量％，由于形成过多的γ相，并且因β相出现，剩余的铝会使延性变脆弱，并且易发生铸造龟裂。因此，根据本发明，铝的添加量设定为0.1～2.0重量％为理想。

与铅相似，被添加的铋、碲、及硒分散在α基体内，通过γ、κ、及μ相等的硬质相的协同效应使切削加工性显著提高。铋、碲、及硒的添加量分别为0.01重量％以上、0.03重量％以上、及0.03重量％以上时，可以得到这种协同效应。然而，这些元素对环境的安全性还没得到确认，并且，不够充足。因此，根据本发明，将这些元素每一种的上限设定为0.2重量％。根据本发明，铋、碲、及硒的范围分别设定为0.01～0.05重量％、0.03～0.10重量％、0.03～0.1重量％为理想。

锰和镍通过与硅结合形成金属间化合物而提高本发明的Cu-Si-Zn合金的耐磨性和强度。为了这种提高，所需要的锰的添加量为0.3重量％以上，镍为0.2重量％以上。若锰和镍的添加量分别超过4.0及3.0重量％，耐磨性不再提高，而延性和流动也下降。因此，根据本发明，所添加的锰和镍的总量应为0.3重量％以上，而不能超过4重量％。这是因为，即使添加更多量也不会提高耐磨性，而在更高的水平上对切削加工性和流动起相反作用。当然，在向本发明合金添加锰及/或镍时，由于这些元素与硅结合形成金属间化合物而使硅的消耗增加，从而只留下较少的可用于形成γ相及/或κ相且提高切削加工性的硅。因此，根据本发明，为了达到包含锰及/或镍的Cu-Si-Zn合金的工业上满意的切削加工性，应满足下述的关系：

2+0.6(U+V)≤Y≤4+0.6(U+V)

在此，Y为硅的重量％，U为锰的重量％、V为镍的重量％。以这种方式，硅以足够的量存在于上述合金内，从而形成金属间化合物并形成γ、K及/或μ相。

铁与本发明的Cu-Si-Zn合金中包含的硅结合形成金属间化合物。然而，这种含铁金属间化合物使本发明合金的切削加工性下降，并且在通常通过铸造而非机械加工制造的水龙头和供水阀的制造过程中所实行的抛光和电镀处理带来负面影响。合金中的铁含量若超过0.5重量％，则会清楚地观察到上述负面效应，尽管负面效应在含有0.3重量％的铁时也会识别。根据本发明，虽然铁是Cu-Si-Zn合金不可避免的杂质，铁的含量不超过0.5重量％，并且不超过0.25重量％为理想。

表1显示了按照第1发明合金制造的一些合金，以及按照第4发明合金及第7发明合金～第11发明合金制造的合金。表1还包括不在本发明的范围内的一些比较合金。表2显示了按照第2和第3发明合金制造的一些合金，以及按照第5发明合金～第11发明合金制造的合金。表2还包含不在本发明的范围内的一些比较合金。按照以下各种试验的说明解释表1和表2中汇编的结果，所述试验用于比较本发明合金与不在本发明的范围内的类似合金的特性。

示例性样品

作为本发明的合金与比较合金的例子，将具有如表1和2所示的组成，每个外径100mm和长度150mm的圆柱铸块，在约750℃高温挤压成具有20mm的外径的圆棒以制备试样，尽管一些试样是在650℃或800℃高温挤压的。对于每个挤压的合金铸块，用本发明中采用的化学式所表示的元素及相组成一起说明元素及相组成。并且提供与下所述的试验结果。从表中的数据可以得知，对于规定的元素组成的合金，如下所述，挤压温度对相组成和材料性质带来非常大的影响。而且，将与圆柱铸块具有相同的元素组成的熔融金属注入直径30mm和深度200mm的永久铸型内以形成铸造试样。此后，这种铸造试样由车床被切削成外径为20mm的圆棒，使得铸造片的大小与挤压片相同。合金铸造代替高温挤压，如表1和2汇编的，显示了制造条件对金属结构和合金的其他特性带来的影响，将在以下进行说明。

切削试验

为了研究各种合金的切削加工性，实施车床车削试验和钻切试验以确定合金是否具有工业上满意的切削加工性。为了进行确定，合金切削加工性一般应该在工业上所适用的切削条件下进行评价。例如，采用车床车削或钻切时，工业上铜合金的切削速度一般为60～200m/min。因此，对于表中所提供的例子，车床车削试验以60、120、及200m/min的速度实施，钻切试验以80m/min的速度实施。在上述试验中，根据切削力和切屑的状态进行了评价。由于切削润滑剂会对环境带来坏影响，因此理想的是在无润滑剂的情况下进行切削，从而不必丢弃切削润滑剂。因此，根据本发明，切削试验是在干燥的条件下(即，无润滑剂)实施的，尽管这是不易于切削处理的条件。

上述车床车削试验如以下方式进行。将如上所述得到的直径为20mm的挤压试样或铸造件，在干燥的条件下，用具有真锋车刀的车床的，尤其以无破屑机的碳化钨工具、以前角为-6°、刀尖半径0.4mm、以60、120、200米/分钟(m/min)的切削速度、1.0mm的切削深度，0.11mm/rev的进给速度在圆周面上进行切削。将来自装载于上述工具上的3元测力计的信号变换为电压信号，在记录器上记录，然后将上述信号变换为切削阻力。因此，通过确定切削阻力，尤其在切削时显示最大值的主要切削力，评价合金的切削加工性。而且，在车床车削时产生的金属合金切屑，作为评价被车床加工的材料的切削加工性的一部分而进行检测及分类。应指出，尽管完全精确而言，切削阻力的大小应由切削力、供给力及推力3种分力进行判断，但是决定只基于切削力(N)评价切削阻力。车床车削试验的结果示于表1和2中。从表1和2的数据可以得知，本发明的合金并不需要过度的切削力。

钻切试验以如下方式实施。将如上所述得到的直径为20mm的挤压试样或铸造件，在干燥的条件下，利用具有钻头直径：10mm和钻头长度：95mm的钢材型号M7的钻孔机，以顶角：118度和螺旋角：32度，以切削速度：80m/min、钻孔深度：40mm、及进给速度：0.20mm/rev进行切削。在钻切时产生的上述金属合金切屑，以作为上述被钻孔材料的切削加工性的评价部分而进行检测分类。

检测切削时产生的切屑，并且基于图1A～1G所示并如以下说明的切屑的几何形状分成(A)～(G)7类。图1A表示微细地分裂的针形的“针形切屑”，在表中用●表示。针形切屑是切削具有工业上满意的切削加工性的金属合金时所产生的工业上满意的切屑产品。图1B表示具有弓形或小于1个卷的弧拱形的“弓形切屑”，在表中用◎表示。弓形切屑是切削具有最理想的切削加工性特性的材料所产生的工业上满意的切屑产品。图1C表示，长度小于25mm的矩形切屑的“短矩形切屑”，在表中用○表示。短矩形切屑是，切削虽不如在切削时产生弓形切屑的合金，但比产生针形切屑的合金优秀，且具有工业上满意的切削加工性的合金时所产生的工业上满意的切屑，短矩形切屑还称为“板形”。图1D表示长度为25mm～75mm的矩形切屑的“中矩形切屑”，在表中用▲表示。图1E表示长度超过75mm的矩形切屑的“长切屑”，在表中用×表示。图1F表示具有1～3个卷的螺旋形的“短螺旋形切屑”，在表中用△表示。短螺旋形切屑也是，切削具有工业上满意的切削加工性的金属合金时产生的工业上满意的切屑制品。最后，图1G表示具有3个以上的卷的螺旋形切屑的“长螺旋形切屑”，在表中用××表示。切削试验时产生的切屑的结果记入表1和2。

切削时产生切屑，提供关于合金材料质量的指标。产生长切屑(×)或长螺旋形切屑(××)的金属合金不能生产工业上满意的切屑。另一方面，产生弓形切屑(◎)的金属合金生产出最理想的切屑，产生短矩形切屑(○)的金属合金能生产出第2理想的切屑，产生针形切屑(●)的金属合金生产出第3理想的切屑，产生短螺旋形切屑(△)的金属合金也生产出工业上理想的切屑。与此相关，如图1G所示的3卷以上的螺旋形切屑难以进行处理(即，回收、重复利用)，在进行切削工件时会发生问题，例如，与切削工具的缠结、切削金属面的损伤。如图1F所示的半卷～2或3卷的螺旋弓形的切屑不造成像超过3卷的螺旋形切屑那样严重的问题，但短螺旋形切屑也不容易除去，并且可能与切削工具缠结或损伤切削金属面。

与此相反，图1A所示的细针形或图1B所示的弓形切屑形态的切屑不出现如上述的问题，也不比如图1F和图1G所示的切屑庞大，易于回收或重复利用。然而，如图1A所示的细针形切屑仍可能混入车床等的机械工具的滑台而造成机械问题，或者可能刺入工作人员的手指、眼睛、或其他身体部位而造成危险。考虑到这些因素，在评价切削加工性和总的工业生产时，产生图1B所示的切屑的本发明合金最满足工业上的要求，另一方面，产生图1C所示的切屑的金属合金为第2、产生图1A所示的切屑的金属合金为第3。如上所述，产生图1E及图1G所示的切屑的金属合金在工业观点上来看，不太理想。因为，这种切屑难以回收或重复利用，并有可能会损伤切削工具或被切削的工件。在表1和2中，图1A、1B、1C、1D、1E、1F、及1G所示的切屑，由各种合金而产生，分别用符号“●”、“◎”、“○”、“▲”、“×”、“△”及“××”表示。可以得知，本发明的合金通常可以制造出最好形态的切屑。

对于理想的工业切削加工性，为了概括切屑的质量分类(降序)，弓形切屑(◎)、短矩形切屑(○)、及细针形切屑(●)评价为具有最出色的切削加工性(即，弓形切屑)、出色的切削加工性(即，短矩形切屑)、满意的切削加工性(即，细针形切屑)。虽然在工业上允许使用，但中矩形切屑(▲)和短螺旋形切屑(△)在切削时可能与切削工具缠结。因此，这些切屑不如由评价为具有满意至最优秀的切削加工性的合金所产生的切屑理想。

最近，在工业上，制造业以自动化(尤其夜间作动中)为首，一名工人同时监视几种切削机械的操作。若在切削时，所生产的切屑体积变得过大，而一个人难以处理时，切屑与切削工具可能缠结或甚至发生切削机械停止等切削操作问题。实际上，长矩形切屑(×)和长螺旋形切屑(××)是为比弓形切屑、短矩形切屑、及细针形切屑具有明显大的体积的大切屑。所以，在切削时，长矩形切屑和长螺旋形切屑的体积以更小的切屑(即，弓形切屑、短矩形切屑、及细针形切屑)的100倍的比率被积累。因此，在机械加工产生体积大的长矩形切屑或长螺旋形切屑的合金时，夜间机械操作并不实用，或者需要更多的人监视切削机械。相反，中矩形切屑(▲)和短矩形切屑(△)体积远小于长矩形切屑或长螺旋形切屑，只比弓形切屑、短矩形切屑、及细针形切屑的体积大几倍。

结果，在切削过程中产生中等长度矩形切屑和短螺旋形切屑的合金仍是“在工业上允许”的，因为所生产的切屑的体积不像长矩形切屑或长螺旋形切屑那样以不可接受的快速度积累。另方面，由于中等长度矩形切屑和短螺旋形切屑可能会与切削工具缠结，因此，在切削时应仔细地监视产生这些切屑的合金。因此，这种合金的切削加工性，不如产生弓形切屑、短矩形切屑、或细针形切屑这些致密的且不易与切削工具缠结的切屑的合金理想。关于中等长度矩形切屑和短螺旋形切屑，切削时产生中等长度矩形切屑的合金比产生短螺旋形切屑的合金具有略好的切削加工性。因为，尽管两种切屑形态都有可能与切削工具缠结，但中等长度矩形切屑与切削工具缠结后更容易解除。而且，中等长度矩形切屑比短螺旋形切屑具有更小的体积，所以，在切削时，比短螺旋形切屑以更缓慢的速度积累。

脱锌腐蚀试验

此外，按照在“IS零,gif6509”中规定的试验方法，对多种合金进行脱锌腐蚀试验，以检测它们的耐蚀性。在采用“IS零,gif 6509”方法的脱锌腐蚀试验中，将从每个经过试验的挤压试样中选取的试样，放置并且嵌埋在酚醛树脂材料中，使得暴露的试样的表面与挤压试样的挤压方向垂直。将试样表面用1200号砂纸抛光后，在纯净水中用超声波洗净并干燥。将这样获得的试样浸渍在1.0％的二水合氯化铜(CuCl₂·2H₂零,gif)的12.7g/L水溶液中，在75℃下静置24小时之后，从水溶液中取出各试样，如下述测定其脱锌腐蚀深度的最大值。将试样再次放置并且嵌埋在酚醛树脂材料中，使得暴露的试样的表面与挤压方向保持垂直。然后，切削试样以获得切削截面。随后抛光上述试样，以10显微视野，用100×～500×的冶金显微镜观察腐蚀深度。腐蚀的最深的地点记录为被测定的最大脱锌腐蚀深度。最大脱锌腐蚀深度的测量值如表1及2所示。

从在表1和2所示的脱锌腐蚀试验的结果可以明确得知，第1～第3发明合金，耐蚀性优秀。如表1和2所示，尤其是第4～第11发明合金的耐蚀性非常高。

冲蚀试验

使用从挤压试验材料切削的试样来评价本发明合金的耐冲蚀性。在接触盐水溶液96小时之前，用电子称测定各试样的重量。在30℃下，将含 0.01％的二水合氯化铜(CuCl₂·2H₂O)的3％盐水溶液，以11m/s的流速，用口径2mm的喷嘴，持续地向试样喷射96个小时。在接触盐水溶液96个小时后，如下评价质量损失。将各试样吹干后，由电子称再测定重量。将盐水接触前和盐水接触后的试样的重量差作为被测定的质量损失而记录，以反映盐水溶液对合金的冲蚀程度。

使用对冲蚀具有优秀抵抗力的合金进行制造对于特定产品非常重要。例如，供水水龙头和阀门不仅需要一般的耐蚀性，还需要对冲蚀的抵抗力。因为这些装置可能遭受由通过这些装置流动的流体的开闭所发生的逆流或供水速度的突然变化。例如，表2所示的比较合金28(C83600)由于包括5重量％的锡和5重量％的铅，因此，在急流也表现出优秀的耐冲蚀性。如表2所示，比较合金28(以下，CA No.28)具有因冲蚀导致的最少的重量损失。CA No.28的耐冲蚀性是由于形成了保护合金在急流下不被腐蚀的富锡薄膜。遗憾的是，CA No.28含有不可接受的高的铅含量，因此不适合用于提供饮用水的系统。

比较而言，如由表1的第1发明合金2所证明，第1发明合金也具有优秀的耐冲蚀性。然而，如由第2发明合金11所示，添加0.3重量％的锡会使耐冲蚀性提高。实际上，虽然形成相同的富锡的锡-硅基薄膜在此也适用，但对第1发明合金添加0.3重量％的锡(只不过是使用于CA No.28的锡量的一部分)却提供具有耐冲蚀性的第2发明合金。换言之，含有例如仅约0.3重量％的锡的本发明的合金达到了包括更加高百分率(即，5重量％)的锡的CA No.28的耐冲蚀性水平。

铅可浸出性的性能试验

为了评价铅的浸出性的试验是，按照“供水装置-可浸出性能试验”的方法，根据“JIS S3200-7：2004”而实施的。根据JIS S3200-7：2004，用于试验的浸出溶液制备方法如下：向水中添加(a)具有0.3mg/ml的有效氯浓度的次氯酸钠溶液1ml，(b)0.04mol/L的碳酸氢钠水溶液22.5ml，(c)0.04mol/L的氯化钙水溶液11.3ml，使试验溶液总量达到1公升。其后，通过添加1.0％或0.1％的盐酸和0.1mol/L或0.01mol/L的氢氧化钠而调整该水溶液，使用于试验的溶液满足以下的参数：pH7.0±0.1、硬度45mg/L±5mg/L、碱度： 35mg/L±5mg/L、及残余氯：0.3mg/L±0.1mg/L。由铸造得到的样品铸块，通过用钻孔机钻孔，可以获得内径25mm、深度180mm的杯形状的试样。将这种杯形状的试样冲洗并调整后，以23℃的温度与浸出溶液一起保管。接着，将上述试样密封储存在保持23℃的温度的场所。16个小时后收集浸出液并且进行检测以分析铅浸出液。没有以试样的体积、表面积、或形状对铅浸出液的分析结果进行任何校正。

合金组成限制式

本发明的铜合金的另一特性是，各铜合金组成由通式关系限制的。

(1)61-50Pb≤X-4Y+a_oZ_o≤66+50Pb，

在此，Pb为铅的重量％，X为铜的重量％，Y为硅的重量％，a_oZ_o表示除铜、硅及锌以外的元素对上述关系的贡献。换言之，要求合金组成限制式(1)表示的关系是为了使铜合金组合物具有上述效果。若不满足式(1)，通过试验可以得知，所得到的铜合金不能提供如表1和2所示的切削加工性程度和其他性质。然而，由式(1)提供的铜、锌及硅的含量范围的单纯限制本身不能决定形成于金属合金结构中的κ、γ、及μ相的量。如上所述，相结构和κ、γ、及μ相的量具有提高切削加工性的作用。而且，由式(1)所提供的上述元素关系本身不能决定所形成的起恶化切削加工性作用的β相的量。因此，式(1)提供经过试验而得到的指数，用以决定可以获得适当量的各构成相(即，使恶化切削加工性的β相的形成最小化，同时优化提高切削加工性的γ、κ、及μ相的组合)的合金组成，。

以下式(2)说明了铜、硅、及锌以外的元素对限制式(1)的关系的作用。

(2)a_oZ_o＝a₁Z₁+a₂Z₂+a₃Z₃+......

在此，a₁、a₂、a₃等作为系数，由试验确定，Z₁、Z₂、Z₃等在铜、硅、及锌以外的组成中的元素的重量％。关于式(1)，换句话说，Z为被选择的元素的量、a为被选择的元素的系数。

具体而言，为了实现本发明的铜合金，系数“a”如下确定。铅、铋、碲、硒、锑、及砷的系数a为0；铝的系数a为-2；磷的系数a为-3；及锰和镍的系数a为+2.5。本领域技术人员应理解，式(1)不直接限制在本发明的铜合金中的铅、铋、碲、硒、锑、及砷的量，这是因为这些元素的系数a皆为0。然而，这些元素是受间接限制的，因为铜、硅、及铜合金中具有非0的系数a的元素的重量％应满足限制式(1)。

并且，即使少量的铅也作为提高切削加工性的组分在本发明的合金中发挥重要作用。因此，在导出式(1)时，考虑到了铅的作用。X-4Y+aZ小于61-50Pb时，在整体上不能获得达到工业上满意的切削加工性所需的相组成，即使通过铅的效果也不能得到。另一方面，X-4Y+aZ大于66+50Pb时，尽管铅对切削加工性具有正面效果，所形成的γ、κ及/或μ相的超过量使这些合金得不到工业上满意的切削加工性。因此，满足关系62-50Pb≤X-4Y+aZ≤65+50Pb时为更加理想。

为了更加具体化，对于第1和第4发明合金，限制式(1)为如下。

(3)61-50Pb≤X-4Y≤66+50Pb，

在此，Pb为铅的重量％，X为铜的重量％，Y为硅的重量％。第1和第4发明合金的易切削铜合金不仅具有工业上满意的切削加工性，还具有高强度。因此，这些合金实用价值高，并可用于制造目前以常规易切削铜合金制造的机械加工物、锻件、铸件。例如，第1和第4发明合金适用于制造螺丝、螺母、螺纹、轴、棒、阀座环、阀门、上下水道金属零件、齿轮、一般的机械配件、凸缘、测量设备配件、建设配件、及夹具。

对于第2和第5发明合金，限制式(1)为如下。

(4)61-50Pb≤X-4Y+aZ≤66+50Pb，

在此，Pb为铅的重量％，X为铜的重量％，Y为硅的重量％，及Z是选自磷、锑、砷、锡、及铝中的一个以上的元素的重量％，此处，磷的a为-3、锑和砷的a为0、锡的a为-1、及铝的a为-2。第2和第5发明合金不仅具有工业上满意的切削加工性，还具有高耐蚀性。因此，这些合金非常实用，可以用于制造需要对腐蚀具有抵抗力的机械加工物、锻件、铸件。例如，第2和第5发明合金适用于制造供水水龙头、热水供水管零件、轴、连接配件、热交换器用配件、洒水装置、供水栓、阀座、水量计、传感器配件、压力容器、工业用阀、盖螺母、管道配件、海洋结构的金属设备、接头、水止阀、阀门、软管转接器、电缆连接器，及零件。

对于第3和第6发明合金，限制式(1)为如下。

(5)61-50Pb≤X-4Y+aZ≤66+50Pb

在此，Pb为铅的重量％，X为铜的重量％，Y为硅的重量％，及Z₁是选自磷、锑、砷、锡及铝中的一个以上的元素的重量％，磷的a₁为-3、锑和砷的a₁为0、锡的a₁为-1、及铝的a₁为-2，Z₂是选自锰和镍中的至少一种元素的重量％，锰和镍的a₂为2.5。第3和第6发明合金的易切削铜合金不仅具有工业上满意的切削加工性，还具有高耐磨性和高强度。因此，这些合金可以用于需要高耐磨性和高强度的机械加工物、锻件、及铸件的制造。例如，第3和第6发明合金适用于制造轴承、轴瓦、齿轮、缝机配件、液压系统配件、煤油和烟气加热器的喷嘴、分度圈、套管、钓鱼转轴、飞机零件、滑动构件、气缸配件、阀座、同步器齿环、及高压阀门。

对于锰及/或镍与硅结合形成金属间化合物的发明合金，合金组成由式(6)表示的关系进一步限制。

(6)2+0.6(U+V)≤Y≤4+0.6(U+V)

在此，Y为硅的重量％、U为锰的重量％、V为镍的重量％。

总之，本发明的第1～13发明合金都应满足合金组成限制式(1)，表1和2中的根据本发明提供的所有列举实例均符合该组成限制。另一方面，第3和6发明合金由式(8)的第二合金组成限制进一步限制。包含与本发明的铜合金相同的元素，但是不具有满足式(1)(以及在适当的时候，式8)的条件的组成的另外铜合金不会具有如下说明的表1和2所示的本发明的铜合金的性质。

图3A、3B、4A及4B图示了组成限制式(5)对Cu-Si-Zn合金的切削加工性的一般的作用。图3A及3B分别表示，随着限制式X-4Y+aZ+50Pb(％)接近下限61或限制式X-4Y+aZ-50Pb(％)接近上限66，机械加工合金时所需的切削力如何上升。同时，在超过限制式的上限和下限时，所产生的切屑在120m/min的切削速度下，发生从理想的弓形切屑和短矩形切屑(分别为◎和○)到不理想的中等长度矩形切屑(▲)的特性变化。类似地，图4A和4B分别表示，随着限制式X-4Y+aZ+50Pb(％)接近下限61或限制式X-4Y+aZ-50Pb(％)接近上限66，机械加工合金时所需的切削力如何上升。然而，这种切削力的上升在200m/min的高切削速度下更加明显。同时，在超过限制式的上限和下限时，所产生出的切屑在200m/min的切削速度下，发生从理想的弓形切屑和短矩形切屑(分别为◎和○)到不理想的中等长度矩形切屑和长矩形(分别为▲和×)的特性变化。因此，增加的切削速度同样影响切削时产生的切屑的特性。

金属结构

本发明的铜合金的另一重要特征是，由组分金属的多种相状态整合形成的金属结构，即金属的基体，由铜合金的复合相产生。具体而言，本领域的技术人员将理解，规定的合金按照生产环境会具有不同的特性。例如，熟知的有，加热以回火钢铁。规定的金属合金按照锻造的条件可以具有不同的行为，是因为金属组分整合和转化成不同的相状态。如表1和2所示，本发明的铜合金都包括α相，约为整个相面积的30％以上，以实施本发明。这是因为α相为使金属合金具有一定程度的冷加工性的唯一的相。按照本发明，为了表示金属结构的相关系，在图2显示了放大×186和×364的显微照片。该例中拍摄的金属合金是表1的2号合金，第1发明合金。从显微照片可以得知，金属结构包括其中分散有γ相及/或κ相中一个以上的α相基体。虽未出现在该显微照片上，但上述金属结构还可以包括μ相等的其它相。本领域的技术人员会理解，铜合金若包含占金属的整个相面积小于约30％的α相，上述铜合金则没有冷加工性，并且都不能通过以任何实际方式切削来进一步加工。因此，本发明的所有铜合金都具有复合相的金属结构，其中向α相基体提供的其它相。

如上所述，本发明铜合金中硅的存在，会提高铜合金的切削加工性，其部分原因在于硅诱导γ相。铜合金的γ、κ及μ相中任一个的硅浓度为α相中的1.5～3.5倍。各种相的硅浓度，按照高低为μ≥γ≥κ≥β≥α。γ、κ及μ相都比α相更硬且易碎，并且赋予合金适当的硬度，使得合金可机械加工，以及如图1所示，减少由机械加工所产生的切削物对切削工具的损伤。因此，为了使本发明实用化，而且为了提供铜合金适当的硬度，各铜合金应在α相中包括γ相、κ相及μ相或这些相的组合中的至少一个相。

β相一般使现有技术的Cu-Zn合金的切削加工性提高，在现有技术的C36000和C37700合金内包含有5～20％。与不包含β相的C2700(65％的Cu和35％的Zn)和包含10％β相的C28000(60％的Cu和40％的Zn)相比较时，C28000比C2700(参照“Metals Handbook Volume2，10th Edition，ASM P217，218)具有更好的切削加工性。另一方面，对本发明合金进行的试验显示，β相对切削加工性没有贡献，实际上，以意外的方式减少切削加工性。结果，β相以约1:1的比例抵消κ和γ相的提高切削加工性效力。因此，对于本发明的合金而言，在金属结构中不希望有β相，因为其恶化切削加工性。而且，由于β相降低合金的耐蚀性所以更加不理想。

因此，本发明的铜合金的另外目的在于，限制在金属结构的α基体中的β相的量。由于β相对铜合金的切削加工性或冷加工性没有贡献，因此，将β相限制为整个相面积的5％以下为理想。优选本发明的金属结构中不存在β相，但允许β相占整个相面积的至多5％。

在提高切削加工性方面，μ相的效果较小，为κ及γ相的效果的30％。因此将μ相限制为不超过20％为理想、不超过10％为更理想。

如图7所示，切削加工性与Pb的增加一起提高，图7显示了弓形切屑(◎)、短矩形切屑(○)、及短螺旋形切屑(△)的产生。本发明通过κ、γ及μ相等的坚固的相与柔软、微细地分散的Pb粒子的协同效应，表现出相应于Pb含量增加的切削加工性的急剧提高。若满足上述相限制，如图7所示，对于工业上满意的切削加工性，Pb的含量可以低到0.005％。然而，图7所示的效应通过与76(Cu)-3.1(Si)-Pb(％)合金的金属结构的协同效应而发生，上述合金根据以下的式(7)的关系而被限制时，提供工业上满意的切削加工性。图7证实，若铅的量降低到0.005％以下时，一般所要求的切削力的量明显增加，尤其在v＝120m/min及v＝200m/min的高切削速度下。并且，切削物的特性容易发生变化。

如表1及2所示，根据本发明的第11发明合金的铜合金，附加地限制金属结构如下：(1)约30％以上的α相基体；(2)5％以下的β相；(3)20％以下的μ相；及因此(4)以下式(7)所示的关系：

(7)18-500Pb≤κ+γ+0.3μ-β≤56+500Pb，(0.005％≤Pb≤0.02％)在式(7)中，Pb为铅的重量％，κ、γ、β及μ分别表示金属结构的总的相面积中κ、γ、β及μ相的各个百分比。式(7)只适用于0.005重量％≤Pb≤0.0重量2％的情况。在这种限制下，根据本发明合金，γ和κ相对提高的切削加工性起最重要的作用。然而，仅存在γ及/或κ相不足以得到工业上满意的切削加工性。为了得到这种切削加工性，有必要确定在上述结构中的γ 及κ相的总比例。而且，必须考虑在金属结构中μ和β相等其它相的影响。经验上，本发明者发现，μ相对提高切削加工性也有效，但其效果相对于κ及/或γ相较小。更具体而言，μ相对切削加工性提高的贡献仅为γ及/或κ相对切削加工性作出的贡献的约30％。关于β相的存在对切削加工性的影响，本发明者从经验上发现，β相的逆效果与γ及/或K相的正面效果1:1抵消。换言之，为了得到特定水平的提高的切削加工性所要求的γ及κ相的组合量，与为了解除这种提高所要求的β相的量相同。

然而，应考虑向本发明的合金添加的极少量的铅对切削加工性的贡献，该铅具有通过与γ及κ相不同的机理提高切削加工性的功能。若将铅作为一个因素考虑对切削加工性的作用，由κ+γ+0.3μ-β计算的可接受的相的组合的范围可以扩大。经验上，本发明者发现，通过对合金添加0.01重量％的铅，可以具有与5％的γ或κ相相同的提高切削加工性的效果，但，仅限于铅为0.005重量％≤Pb≤0.02重量％的情况。因此，通过计算κ+γ+0.3μ-β而得到的可接受的相的组合范围，应基于这种比例扩大。因此，各相的量，即，提高切削加工性的γ和κ相、比γ和κ相效果稍差但也提高切削加工性的μ相、及降低切削加工性的β相的量，应通过相的添加或消除在限制式(7)的范围内进行改变。换言之，式(7)应作为决定切削加工性的重要指数而考虑。若κ+γ+0.3μ-β值小于18-500Pb，则得不到工业上满意的切削加工性。并且，满足22-500Pb≤κ+γ+0.3μ-β≤50+500Pb的关系为更理想。

图5A、5B、6A及6B图示了相限制式(7)对Cu-Si-Zn合金的切削加工性的一般效果。图5A和5B分别显示，机械加工合金所需的切削力是如何随着限制式κ+γ+0.3μ-β+500Pb(％)接近下限18或限制式κ+γ+0.3μ-β-500Pb(％)接近上限56而上升的。同时，当超过上述限制式的上限和下限时，所产生的切屑在120m/min的切削速度下发生从理想的弓形切屑和短矩形切屑及短螺旋形切屑(即，◎、○和△)到不理想的中等长度矩形切屑(即，▲)的特性变化。同样，图6A和6B分别显示，机械加工合金所需的切削力是如何随着限制式κ+γ+0.3μ-β+500Pb(％)接近下限18或限制式κ+γ+0.3μ-β-500Pb(％)接近上限56而上升的。然而，这种切削力的上升在200m/min的高切削速度下更加明显。同时，当超过上述限制式的下限和上限时，所产生的切屑在200m/min的切削速度下发生从理想的弓形切屑、短矩形切屑(即，◎、○)到主要的不理想的中等长度矩形切屑和长切屑(即，▲和×)的特性变化。因此，增加的切削速度也对切削时产生的切屑特性带来影响。

需要指出的是，即使可能有其中γ、κ及μ相的和超过整个相面积的70％的不同金属结构，得到切削加工性上没问题的铜合金，但是作为α相基体小于30％的结果，使得冷加工性差，以致该合金的使用价值下降。可以包含的铅和β相连同γ、κ及μ相的百分比的最大值为70％。备选地，可以确定α相为整个相面积的至少30％。另一方面，若铜由γ、κ及μ相构成的总相面积小于5％，则铜合金的切削加工性不令人满意。由于β相对铜合金的切削加工性或冷加工性没有贡献，将β相最小化为小于整个相面积的5％。并且，α相为金属结构的软相，因此，具有延展性，从而通过添加甚至极少量的铅，也能极大地提高铜合金的切削加工性。结果，本发明的合金结构使用α相作为其中分散γ、κ及μ相的基体。

热处理

本领域技术人员应了解，金属结构不能由合金的构成元素单独决定。相反，金属结构还取决于用于形成合金所使用的温度、压力等各种条件。例如，通过在铸造、挤压、及燃烧(blazing)后淬火而得到的合金金属结构与通过缓慢冷却得到的并且在大部分情况下包括大量的β相的合金金属结构相当不同。因此，根据本发明的第8发明合金，在合金制造需要淬火的情况和被制造的合金具有没有理想地分散的在金属结构中的γ及/或κ相时，为了使β相变换为γ及/或κ相或者为了改善γ及/或κ相的分散，应在460℃～600℃，进行20分钟～6小时的热处理。通过如上述的热处理，由于减少β相的量并分散γ及/或κ相，可以得到具有更好的工业上满意的切削加工性的合金。

发明合金与非发明合金的比较

首先，说明表1中的结果。表1中的所有合金，除了比较合金1、4、5、6、9、13、14、18、19、20、21、22及23以外，均在第1发明合金的范围内。合金1A、1B、2、3、11、24、25及26全部在第1发明合金的范围内和进一步限制的第4～第11发明合金中一个以上的范围内。提供表1中的剩余合金是为了显示在不满足式(7)的相关系或不满足第4～第11发明合金的某一其它限制时的各种结果。为了解释切削加工性的结果，按照本发明，在所有4种切削试验(即，在60、120、及200m/min的车床车削和在80m/min的钻切)中产生的切屑是如图1A的针形、或如图1B的弓形、或如图1C的短矩形(即，长度<25mm)时，达到优秀的切削加工性。然而，在所有4种切削试验(即，在60、120及200m/min的车床车削和在80m/min的钻切)中所产生的切屑是如图1A的针形、或如图1B的弓形、或如图1C的短矩形(即，长度<25mm)或图1F所示的1～3卷的短螺旋形时，达到工业上满意的切削加工性。另一方面，对于4种切削试验(即，在60、120、及200m/min的车床车削和在80m/min的钻切)中的任一个，所产生的切屑是图1D所示的中矩形(即，长度25mm～75mm)、或图1E所示的长矩形切屑(即，长度>75mm)、或图1G所示的>3卷的长螺旋形时，在工业上切削加工性不理想。

例如，第1发明合金(“FIA”)1A和1B具有相同的组成，包括具有α相基体和γ及κ相，不具有β相的金属结构。这些合金的不同点在于，FIA1A是挤压而成的、FIA1B是铸造而成的。FIA1A和1B各自显示517和416N/mm²的优秀的抗张强度和由在车床车削及钻切时产生理想的弓形切屑或短矩形切屑所显示的优秀的切削加工性。此外，机械加工FIA1A和FIA1B所需的切削力是适当的(即，约105～119N)。另一方面，比较合金(“CA”)No.1，在组成上与FIA1A和FIA1B稍有差异，含有0.002重量％的铅，这导致在更高的切削速度(即，80、120、及200m/min)下所产生的切屑性质向短螺旋形切屑的变化。因此，通过将铅的含量从在FIA No.1中的含量稍微减少至CA No.1中的含量，合金的切削加工性从出色降低到仅满足工业上要求的程度。

FIA Nos.2和3以挤压及铸造的形态而被制造。除拉伸强度在被挤压的试样中显著高以外，上述两种形态显示类似的特性。FIA No.2和FIANo.3都通过施加适当的切削力，在工业车床和钻切条件下，产生弓形切屑或短矩形切屑。因此，FIA No.2和3的切削加工性出色。FIA Nos.1A、1B、 2和3也证明了优秀的耐蚀性(即，最大腐蚀深度为140-160μm)。只有FIANo.2经过耐冲蚀试验，损失量为60mg重量，非常优秀。FIA No.1A、2及3的铅浸出性低，同样是理想的，其铅浸出液分别在0.001～0.006，g，mg/L铅的范围内。FIA No.11是具有出色的切削加工性的另一第1发明合金(即，产生弓形、针形、或板形切屑)。

CA No.4和5显示了增加的铅对铸造合金的铅浸出性的影响。CANos.4和5分别包含0.28和0.55重量％的铅，这些合金的铅浸出液分别为0.015和0.026g，mg/L的铅，比按照第1发明合金制造的低铅合金高出约2.5～26倍。另一方面，在750℃下挤压的CA No.6显示了在Cu-Si-Zn合金减少铅的重量％对切削加工性的影响。在铅小于0.005重量％的情况下，通常需要提高切削力，并且所产生的切屑成为不理想的25～75mm的长矩形切屑或超过3卷的螺旋切屑。换言之，CA No.6的切削加工性在工业上不理想。

FIA No.7显示，不是所有的第1发明合金都具有工业上满意的切削加工性。如上所述，切削加工性取决于合金的元素含量和金属相的结构。因此，根据第11发明合金，采用进一步限制关系18-500Pb≤κ+γ+0.3μ-β≤56+500Pb来选择性地识别具有工业上满意的切削加工性的另外的合金。从表1可以得知，FIA No.7不在第11发明合金的范围内。

FIA No.8显示了所采用的制造方法可能对本发明的金属合金的切削加工性的特性带来的影响。具体而言，FIA No.8是以挤压和铸造形态提供的，包括在750℃下挤压的形态、在650℃下挤压的形态、铸造形态、及其后在550℃下施加50分钟热处理的铸造形态。从FIA No.8的这4种形态可以得知，增加的β相的存在对切削加工性带来不利影响。尤其，铸造形态具有最不理想的切削加工性和4％的β相，与此相反，挤压形态具有最少量的β相和出色的切削加工性。根据第8发明合金，FIA No.8的铸造形态若受热处理(例如，该例中以550℃热处理50分钟)，则β相发生转化，从而增加γ+κ相的百分比。这种γ+κ相百分比的增加带来改善的切削加工性(即，所要求的切削力减小，并且如表1所示，切削产生的切屑从中等长度矩形和长矩形切屑变化为弓形或短矩形切屑)。因此，FIA No.8的热处理的铸造形态具有出色的切削加工性。

CA No.9和FIA No.10显示了铅在具有α相基体和γ、κ、及μ相的挤压合金中的效果。具体而言，FIA No.10是以4种形态提供的：在750℃下挤压的形态、在750℃挤压后，在490℃下施加100分钟热处理的形态、在650℃下挤压的形态，及铸造形态。从表1可以得知，CA No.9和在750℃下挤压的FIA No.10具有类似的切削特性。另一方面，在650℃下挤压或铸造的FIA No.10的形态具有工业上满意的切削加工性，在切削试验的整个范围内产生弓形切屑或短矩形切屑。根据本发明，通过在750℃下挤压的FIA No.10的形态施加热处理，得到具有工业上满意的切削加工性的第8发明合金。

CA No.13和14显示了第1发明合金的铅、铜、及硅的百分比之间的61-50Pb≤X-4Y≤66+50Pb的关系的重要性。CA No.13和14不满足这种限制，为不在本发明的范围内的合金。CA No.13和14的切削加工性在工业上不理想。

铸造时，FIA No.15是具有出色的切削加工性的根据本发明的合金。但是，该实施方案显示，通过在750℃及650℃下挤压形成的该合金的挤压形态在更高切削速度(即，80、120、及200m/min)表现出显著不同的切削加工性特性。如表1所示，该合金的挤压形态的金属结构不满足18-500Pb≤κ+γ+0.3μ-β≤56+500Pb的关系。因此，尽管FIA No.15的3种形态全部为第1发明合金，但只有铸造形态具有工业上满意的切削加工性。FIA No.15的铸造形态也是第11发明合金。

FIA No.16和17是具有出色的切削加工性的挤压的第1发明合金。FIANo.17A虽然具有与FIA No.17相同的元素组成，但是，在较低温度下挤压。在实施方案FIA No.17A中，存在过量μ相(μ>20％)，在工业上不理想。因此，FIA No.17和17A再次强调具有相同元素构成的合金可以具有显著不同的金属结构和显著不同的切削加工性特性。

CA No.18～23皆为具有非常差的切削加工性特性的并且切削时要求比较高的切削力(即，130～195N)的在750℃下挤压的合金。CA No.18是不满足61-50Pb≤X-4Y≤66+50Pb的关系的合金，它还具有纯α相金属结构。CA No.19和21具有由α相构成的单相金属结构，尽管与第1发明合金的元素组成比较时，CA No.19具有过少的硅，而CA No.21具有过多的铜。如上所说明，预期具有单α相金属结构的合金具有的工业上不可接受的切削加工性。CA No.20和23证明比较多的β相(即，β>5％)使切削加工性下降。CA No.22具有过量的铜，并且其α相只有金属结构的20％，这很可能是该合金的切削加工性在工业上不理想的理由。

FIA No.24～26分别具有根据本发明的第1发明合金的出色的切削加工性。提供FIA No.27是为了显示，若合金中存在的污染铁的量超过0.5重量％，其它可接受的元素组成可能具有工业上不理想的切削加工性。

表2的结果

表2是对第2和第3发明合金和相关的比较合金的汇总。具体而言，合金2、3、7、8、10、11、14及14B都在第2发明合金的范围内，合金15、16、17、18、19、21、22、23及24在第3发明合金的范围内。合金1、4、5、6、9、12、13、20、25、26、27、28、29及30是比较合金，不在本发明的范围内。合金25对应于现有技术合金JIS:C3604、CDA:C36000；合金26对应于现有技术合金JIS:C3771、CDA:C37700；合金27对应于现有技术合金JIS:CAC802、CDA:C87500；合金28对应于现有技术合金JIS:CAC203、CDA:C85700；合金29对应于现有技术合金JIS:CAC406、CDA:C83600；合金30对应于现有技术合金JIS:C2800、CDA:C2800。

如表2所示，第2发明合金(“SIA”)2和3含有磷，并且以挤压和铸造形态提供。SIA No.3另外包含锑。SIA No.2和3包括具有α相基体及γ和κ相、不含β相的金属结构。SIA No.2和3分别显示了对于挤压形态大致525N/mm²和对于铸造形态大致426N/mm²的优秀的拉伸强度，和由在车床车削和钻切时产生理想的弓形切屑或短矩形切屑所示的出色的切削加工性。而且，机械加工SIA No.2和3所需的切削力是适当的(即，约98～112N)。另一方面，比较合金(“CA”)1与SIA No.2在组成上稍有差异，具有0.002重量％的铅，这导致以更高的车床车削速度(即，120和200m/min)切削时产生的切屑性质向短螺旋形切屑的变化。因此，通过将铅的含量从SIA

No.2的含量稍微减少至CA No.1的含量，合金的切削加工性可从出色降低到仅满足工业上要求的程度。

SIA No.2和3以挤压及铸造的形态制造。除拉伸强度在挤压的试样中明显更高以外，两种形态表现出类似的特性。SIA No.2和SIA No.3都通过施加适当的切削力，在工业的车床和钻切条件下，产生弓形切屑或短矩形切屑。因此，SIA No.2和3切削加工性出色。作为添加磷的结果，SIA No.2和3还证明了优秀的耐蚀性(即，最大腐蚀深度<-10μm)。只有SIA No.2经过耐冲蚀试验，损失量为50～55mg重量，非常优秀。SIA No.2和3的铅浸出性也低，同样是理想的，其中铅浸出液分别在<0.001～0.005，g，mg/L的铅的范围内。SIA No.11、14及14B是含有磷、表现出出色的切削加工性(即，产生弓形切屑、针形切屑、或板形切屑)、优秀的拉伸强度及优秀的耐蚀性的另外第2发明合金。

CA No.4和5显示了增加铅对铸造合金的铅浸出性液的影响。CA No.4和5分别包含0.29和0.048重量％的铅，这些合金的铅浸出液分别为0.015和0.023g，mg/L的铅，显著高于按照第2发明合金制造的低铅合金。应指出，对应于JIS:CAC203、CDA:C85700的CA No.28是，含有磷和铅且具有出色的切削加工性和优秀的耐蚀性的现有技术铸造合金。然而，如表2所示，该合金的拉伸强度大致为本发明的第2发明合金的拉伸强度的1/2，并且现有技术合金的铅浸出液比从本发明的第2发明合金的浸出液含有约78倍多的铅。另一方面，在750℃下挤压的CA No.6显示了在Cu-Si-Zn合金中减少铅的重量％对切削加工性的影响。在铅小于0.005重量％的情况下，通常需要增加切削力，并且产生的切屑成为不理想的25～75mm之间的长矩形切屑或具有3卷以上的螺旋形切屑。换言之，CA No.6的切削加工性在工业上不理想。

SIA No.7显示不是所有的第2发明合金都具有工业上满意的切削加工性。如上所述，切削加工性取决于合金的元素含量和金属相结构。因此，根据本发明的第11发明合金，采用进一步限制关系18-500Pb≤κ+γ+0.3μ-β≤56+500Pb来选择性地识别具有工业上满意的切削加工性的另外的合金。从表2可以得知，SIA No.7不在第11发明合金的范围内。

SIA No.8显示了所采用的制造方法可能对本发明的金属合金的切削加工性特性带来的影响。具体而言，SIA No.8是以挤压及铸造的形态提供的，包括在750℃下挤压的形态、在650℃下挤压的形态、及铸造形态。从SIA No.8的这3种形态可以了解，增加的β相的存在对切削加工性带来不利影响。尤其，铸造形态具有最不理想的切削加工性和5％的β相，与此相反，挤压形态具有最少量的β相和出色的切削加工性。因此，合金是否是铸造或挤压的可以影响合金能否具有优秀的切削加工性或能否满足工业上满意的切削加工性的条件。

CA No.9和SIA No.10显示了在具有α相基体和γ、κ及μ相的挤压的合金中的铅的效果。具体而言，SIA No.10是以在750℃下挤压的形态、在750℃下挤压后，在580℃下施加20分钟热处理的形态、在650℃下挤压的形态，及铸造形态的4种形态提供的。从表2可以得知，CA No.9和在750℃挤压的SIA No.10具有类似的切削特性。另一方面，在650℃下挤压或铸造的SIA No.10的形态具有工业上满意的切削加工性，在整个切削试验的范围内产生弓形切屑或短矩形切屑。根据本发明，通过对在750℃下挤压的SIA No.10的形态施加热处理，得到具有工业上满意的切削加工性的第8发明合金。

CA No.12及13显示了第2发明合金的铅、铜、硅及被选的其它元素的重量％之间的61-50Pb≤X-4Y+aZ≤66+50Pb的关系的重要性。CA No.13和14不满足这些限制，是不在本发明的范围内的合金。CA No.13和14的切削加工性在工业上不理想。

如表2所示，第3发明合金(“TIA”)No.15、16、17、18、及19包含锰或镍，并且以挤压的形态提供。根据第3发明合金的这些实施例，包括具有α相基体及γ和κ相，而不具有β相的金属结构。这些合金趋向于具有超过第2发明合金的增加的拉伸强度。TIA No.15、16、17、18及19，如通过在车床车削和钻切时产生理想的弓形切屑或短矩形切屑而证明，表现出出色的切削加工性。而且，机械加工TIA No.15、16、17、18、及19所要求的切削力为适度(即，约112～129N)。另一方面，CA No.20是不满足式(1)的关系的合金。结果，该合金的切削加工性在工业上不理想且产生不理想的具有3卷以上的螺旋形切屑。

TIA No.21、22、23、及24显示不是所有的第3发明合金都具有工业上满意的切削加工性。例如，TIA No.21和23具有过量的β相(即，β相为10％，超过5％的β相)。切削时，TIA No.21产生不理想的3卷以上的螺旋形切屑。TIA No.23在钻孔时，产生不理想的3卷以上的螺旋形切屑，在高速车床车削时，产生不理想的长切屑。然而，TIA No.24对应于TIANo.23的热处理的形态。TIA No.24通过在热处理中β相变成γ及/或κ相，从而只具有3％的β相。TIA No.24具有工业上满意的出色的切削加工性。TIA No.22包含少量的铁(Fe＝0.35重量％)，车床车削时产生理想的板形切屑，但钻切时产生不理想的中等长度矩形切屑。因此，TIA No.22表现出工业上不理想的切削加工性。

CA Nos.25～30显示了在现有技术中的Cu-Zn合金的各种缺点。CANos.25、26、及28不具有硅、γ及/或κ相、及比较多量的铅。尽管这些金属合金在工业上具有满足的切削加工性，但却是通过较多量的铅而实现的。结果，铅浸出性高，铅浸出液分别为0.35、0.29、及0.39mg/L，以致于不能适用于例如提供饮用水的系统。另一方面，CA No.27具有过多量的铜和包含85％的K相的金属结构。这意味着只存在大致15％的α相，因而CA No.27不具有α相基体。从表2所示，CA No.27不具有工业上满意的切削加工性。CA No.29是具有少量的铜和多量的锌及铅的合金。尽管CA No.29随着车床车削速度的增加(即，60-120-200m/min)其切削加工性降低，产生的切屑由弓形变成板形再变成中矩形的切屑。而且，不具有工业上满意的切削加工性的CA No.29还具有0.21mg/L铅浸出液的高铅浸出性。最后，CA No.30是不具有硅，只具有少量铅(即，0.01重量％的铅)的Cu-Zn金属合金。但是，该合金具有α相基体，该α相基体具有分散在其中的10％的β相，而γ及/或κ相不存在。CA No.30由于不具有多量的铅，也不具有γ及/或κ相，因此，为工业切削加工性不良的合金。

CA Nos.25～30显示了元素组成、铅含量、及金属结构对Cu-Zn合金的切削加工性的复杂的多因子作用。尽管多量的铅可以使切削加工性提高，但这会导致因铅的可浸出性的高费用。另一方面，含有少量铅的Cu-Zn合金趋向于具有不能提供工业上满意的切削加工性的金属结构。另一方面，本发明的第1、第2及第3发明合金，利用较少量的铅(即，0.005～小于0.02重量％的铅)和在α相基体内存在的提高切削加工性的γ及/或K相之间的协同效应，获得工业上满意的Cu-Zn金属合金，该合金由于不浸出明显的铅量，因此对环境是安全的。

尽管本发明是参照特定的优选实施方案进行了说明，但本领域的技术人员将认识到，可以在保持在由后附权利要求限定的本发明的精神及范围内的同时，进行添加、删除、置换、变更、及改良。

Claims

1.一种易切削铜合金，基本上由铜：71.5～78.5重量％；硅：2.0～4.5重量％；铅：0.005～小于0.02重量％；及锌：剩余量组成，

其中上述铜合金的铜和硅的重量％满足关系

61-50Pb≤X-4Y≤66+50Pb，

其中，Pb为铅的重量％，

X为铜的重量％，并且

Y为硅的重量％，并且其中

满足以下附加关系中的每一个：

上述合金的总的相面积中30％≤α相

上述合金的总的相面积中0％≤β相≤5％；

上述合金的总的相面积中0％≤μ相≤20％；及

上述合金的总的相面积中18-500(Pb)％≤κ相+γ相+0.3(μ相)-β相≤56+500(Pb)％。

2.一种易切削铜合金，基本上由铜：71.5～78.5重量％；硅：2.0～4.5重量％；铅：0.005～小于0.02重量％；选自磷：0.01～0.2重量％、锑：0.02～0.2重量％、砷：0.02～0.2重量％、锡：0.1～1.2重量％及铝：0.1～2.0重量％中的至少一种元素；及锌：剩余量组成，其中上述铜合金的铜和硅的重量％满足关系：

61-50Pb≤X-4Y+aZ≤66+50Pb，

其中，

Pb为铅的重量％，

X为铜的重量％，

Y为硅的重量％，并且

aZ＝a₁Z₁+a₂Z₂+a₃Z₃+......

其中Z₁、Z₂、Z₃等是选自磷、锑、砷，锡及铝的元素的重量％，并且a₁、a₂、a₃等为被选择的元素的用实验确定的系数，其中在被选择的元素是磷时a为-3、在被选择的元素是锑时a为0、在被选择的元素是砷时a为0、在被选择的元素是锡时a为-1、及在被选择的元素是铝时a为-2，并且其中

满足以下附加关系中的每一个：

上述合金的总的相面积中30％≤α相

上述合金的总的相面积中0％≤β相≤5％；

上述合金的总的相面积中0％≤μ相≤20％；及

3.一种易切削铜合金，基本上由铜：71.5～78.5重量％；硅：2.0～4.5重量％；铅：0.005～小于0.02重量％；选自磷：0.01～0.2重量％、锑：0.02～0.2重量％、砷：0.02～0.15重量％、锡：0.1～1.2重量％、及铝：0.1～2.0重量％中的至少一种元素；选自锰：0.3～4.0重量％、镍：0.2～3.0重量％中的至少一种元素，以便锰和镍的合计重量％在0.3～4.0重量％之间；及锌：剩余量组成，其中上述铜合金的铜和硅的重量％满足关系：

61-50Pb≤X-4Y+aZ≤66+50Pb，

其中，

Pb为铅的重量％，

X为铜的重量％，

Y为硅的重量％、及

aZ＝a₁Z₁+a₂Z₂+a₃Z₃+......

其中Z₁、Z₂、Z₃等是选自磷、锑、砷、锡、铝、锰及镍中的元素的重量％，并且a₁、a₂、a₃等为被选择的元素的用实验确定系数，其中在被选择的元素是磷时a为-3、在被选择的元素是锑时a为0、在被选择的元素是砷时a为0、在被选择的元素是锡时a为-1、在被选择的元素是铝时a为-2、在被选择的元素是锰时a为2.5、及在被选择的元素是镍时a为2.5，并且其中

满足以下附加关系中的每一个：

上述合金的总的相面积中30％≤α相

上述合金的总的相面积中0％≤β相≤5％；

上述合金的总的相面积中0％≤μ相≤20％；及

4.根据权利要求1所述的易切削铜合金，其中上述合金包括，选自由铋：0.01～0.2重量％、碲：0.03～0.2重量％、及硒：0.03～0.2重量％构成的组中的至少一种元素。

5.根据权利要求2所述的易切削铜合金，其中上述合金包括，选自由铋：0.01～0.2重量％、碲：0.03～0.2重量％、及硒：0.03～0.2重量％构成的组中的至少一种元素。

6.根据权利要求3所述的易切削铜合金，其中上述合金包括，选自由铋：0.01～0.2重量％、碲：0.03～0.2重量％、及硒：0.03～0.2重量％构成的组中的至少一种元素。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的易切削铜合金，其中上述合金含有作为杂质的0.5以下重量％的铁。

8.根据权利要求1～6中任一项所述的易切削铜合金，其中上述合金是通过包括对上述合金在460℃～600℃施加20分钟～6个小时的热处理的步骤的方法而制造的。

9.根据权利要求1～6中任一项所述的易切削铜合金，其中上述合金包括(a)包含α相的基体与(b)选自γ相及κ相中的一个以上的相。

10.根据权利要求1～6中任一项所述的易切削铜合金，其中上述选自γ相与κ相中的一个以上的相均匀地分散于基体内。

11.根据权利要求1～6中任一项所述的易切削铜合金，其中从挤压棒形成的或作为上述合金的铸件的圆形试验片，在干燥条件下，不用破屑机，通过碳化钨工具，在-6度的倾角及0.4mm的刀尖半径，以60～200m/min的切削速度、1.0mm的切削深度，及0.11mm/rev的进给速度在圆周面上切削时，产生具有选自由弓形、针形及板形而构成的组中的一个以上的形状的切屑。

12.根据权利要求1～6中任一项所述的易切削铜合金，从挤压棒形成的或作为上述合金的铸件所形成的圆形试验片，在干燥条件下，通过具有10mm的钻头直径和53mm的钻头长度的钢号钻头，在32度的螺旋角和118度的顶角，以80m/min的切削速度、40mm的钻孔深度、0.20mm/rev的进给速度进行钻孔时，产生具有选自由弓形及针形而构成的组中的一个以上的形状的切屑。