CN101988164A

CN101988164A - 低铅的抗脱锌铜合金

Info

Publication number: CN101988164A
Application number: CN2009101641168A
Authority: CN
Inventors: 罗文麟; 彭晓明
Original assignee: MODENGDAO CO Ltd
Current assignee: MODENGDAO CO Ltd
Priority date: 2009-08-06
Filing date: 2009-08-06
Publication date: 2011-03-23

Abstract

一种抗脱锌的黄铜合金，包含：0.3重量％以下的铅(Pb)；0.02至0.15重量％的锑(Sb)；0.02至0.25重量％的砷(As)；0.4至0.8重量％的铝(Al)；1至20ppm的硼(B)；以及97重量％以上的铜(Cu)与锌(Zn)，其中，该铜在所述抗脱锌的黄铜合金中的含量为58至70重量％。本发明的低铅的抗脱锌的黄铜合金具有优良的铸造性能，具有良好韧性及切削性，可耐腐蚀而降低表面脱锌情况。

Description

低铅的抗脱锌铜合金

技术领域

本发明涉及一种抗脱锌的铜合金，尤其是，本发明涉及一种低铅的抗脱锌黄铜合金。

背景技术

黄铜的主要成份为铜与锌，两者之比例通常为约7∶3或6∶4，而当黄铜中的锌含量超过20重量％时易发生脱锌(dezincification)的腐蚀现象，例如当黄铜合金对象应用于环境中时，优先溶解合金表面的锌，而合金所含的铜仍残留在母材上，形成多孔洞的脆性铜的腐蚀现象。一般而言，当锌含量小于15重量％时，不易发生脱锌，但随着锌含量增加，则提高脱锌的敏感性；当锌大于30重量％后，脱锌腐蚀现象会更为明显。

已有文献报导，合金组成结构及环境因素会影响脱锌腐蚀现象，由合金组成看来，含锌量大于20％的单相α黄铜脱锌后留下多孔的铜，而α+β双相黄铜的脱锌腐蚀首先自β相开始，当β相完全转变为疏松的铜后，再扩展到α相(参见王吉会等人，1999年，材料研究学报，第13期，第1-8页)。

由于黄铜脱锌现象会严重破坏黄铜合金的结构，使黄铜制品的表层强度降低，甚至导致黄铜管穿孔，大幅缩短黄铜制品的使用寿命，并造成应用上的问题。因此，对于黄铜制品的抗脱锌能力，国际间普遍接受如AS2345、ISO 6509等所定标准，即黄铜产品表面脱锌层的深度不得超过100μm。

针对抗脱锌黄铜合金的配方，除了铜及锌的必要成分外，目前已有US4,417,929披露包含铁、铝及硅等成分；US 5,507,885及US 6,395,110披露包含磷、锡及镍等成分；US 5,653,827披露包含铁、镍及铋等成分；US6,974,509披露包含锡、铋、铁、镍及磷的成分；US 6,787,101披露同时包含磷、锡、镍、铁、铝、硅及砷；以及US 6,599,378及US 5,637,160等专利披露以硒及磷等成分添加至黄铜合金以达到抗脱锌效果；或参见王吉会等人，1999年，材料研究学报，第13期，第1-8页，披露以硼及砷等添加至黄铜合金以达到抗脱锌效果。

然而，熟知抗脱锌黄铜含铅量通常较高(多为1-3wt％)，以利于黄铜材料的冷/热加工，但随着环保意识抬头，重金属对于人体健康的影响及对环境污染的问题逐渐受到重视，因此，限制含铅合金的使用为目前的趋势，日本、美国等国陆续修订相关法规，极力推动降低环境中的含铅率，包括用于家电、汽车、水外围产品的含铅合金材料，特别要求不可从该产品溶出铅至饮用水，且在加工制程中必须避免铅污染。因此，本领域仍然持续开发黄铜材料，寻找可替代含铅抗脱锌黄铜，但仍兼顾铸造和机械加工性能及抗脱锌腐蚀性的合金配方。

发明内容

为达上述及其它目的，本发明提供一种低铅抗脱锌(dezincificationresistant)黄铜合金，包含：0.3重量％(wt％)以下的铅(Pb)；0.02至0.15重量％的锑(Sb)；0.02至0.25重量％的砷(As)；0.4至0.8重量％的铝(Al)；1至20ppm的硼(B)；以及97重量％以上的铜(Cu)与锌(Zn)，其中，铜在所述抗脱锌的黄铜合金中的含量为58至70重量％。

本发明的抗脱锌铜合金为黄铜合金，铜与锌的总含量可达97wt％以上。在实施例中，该铜的含量为58-70wt％，此范围的含量的铜可提供合金良好的韧性，以利于合金材料的后续加工。在优选实施例中，该铜的含量为61至65重量％。

在本发明的低铅的抗脱锌黄铜中，锑的含量为0.02至0.15重量％。在优选实施例中，锑的含量为0.04至0.12重量％。依据本发明的合金配方的铜与锑等元素形成金属间化合物，以提高该合金材料的切削性，且不至于产生铸造缺陷。

在本发明的低铅的抗脱锌黄铜中，铝的含量为0.4至0.8wt％。在优选实施例中，铝的含量为0.5至0.7wt％。添加适量的铝可增加铜水的流动性，并改善该合金材料的铸造性能。

在本发明的抗脱锌的黄铜合金中，砷的含量为0.02至0.25wt％。在优选实施例中，砷的含量为0.13至0.17wt％。添加适量的砷能显著提高黄铜抗脱锌腐蚀的性能。

在本发明的抗脱锌的黄铜合金中，硼的含量为1至20ppm。在优选实施例中，硼的含量为8至14ppm。添加适量的硼可将合金材料的晶粒细化，改善合金材料性能。

本发明的抗脱锌的黄铜合金还包含0.2至1.25重量％的选自镍和锡中的至少一种元素。在实施例中，该抗脱锌的黄铜合金可同时包含镍及锡。在优选实施例中，锡的含量为0.1至1重量％。在优选实施例中，镍的含量为0.1至0.25重量％。

本发明的抗脱锌的黄铜合金所包含的铅含量极低，为0.3重量％以下。在实施例中，该铅含量为0.05至0.3重量％。而该合金中也可能具有杂质，不可避免的杂质含量为0.1wt％以下。

附图说明

图1A为本发明低铅抗脱锌的黄铜合金试片的金相组织分布图；

图1B为CW602N黄铜试片的金相组织分布图；

图1C为59铅黄铜试片的金相组织分布图；

图2A为本发明低铅的抗脱锌的黄铜合金试片的抗脱锌腐蚀测试的金相组织分布图；

图2B为CW602N黄铜试片的抗脱锌腐蚀测试的金相组织分布图；和

图2C为59铅黄铜试片的抗脱锌腐蚀测试的金相组织分布图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可根据本说明书所揭示的内容了解本发明的其它优点与效果。

在本说明书中，“抗脱锌的铜合金/抗脱锌的黄铜合金”是本领域常用术语，意指该合金表面对于环境腐蚀条件具有耐受性而不易产生脱锌，此处以澳大利亚AS 2345标准法规(Dezincification resistance of copper alloys)为准，定义黄铜合金的产品表面的脱锌层深度不能超过100μm。

在本说明书中，除非另有说明，否则抗脱锌的黄铜合金所包含的成分皆以该合金总重量为基准，并以重量百分比(wt％)表示。

根据本发明的低铅的抗脱锌的黄铜合金，仅需使用0.02-0.15wt％的锑和0.02-0.25wt％的砷即可达到熟知的铅黄铜所具备的材料特性(如切削性等)，并且这种低铅的抗脱锌的黄铜合金材料较不易产生裂纹或夹杂等产品缺陷，并符合澳大利亚AS-2345的抗脱锌要求。而且，本发明的黄铜合金配方有效降低低铅的抗脱锌的黄铜合金的生产成本，对于商业大量生产及应用上极具优势。

另外，本发明的抗脱锌的黄铜合金配方，可以使铅含量低至0.3wt％以下，甚至达0.2wt％以下。因此，有利于制造水龙头及卫浴零组件、自来水管线、供水系统等。

在一实施例中，本发明的低铅的抗脱锌的黄铜合金包含：58-70重量％的铜；0.02至0.15重量％的锑；0.02至0.25重量％的砷；0.4至0.8重量％的铝；1至20ppm的硼；0.05至0.3重量％的铅；0.1重量％以下的不可避免的杂质；以及其余含量为锌。

在另一实施例中，本发明的低铅的抗脱锌的黄铜合金包含：58-70重量％的铜；0.02至0.15重量％的锑；0.02至0.25重量％的砷；0.4至0.8重量％的铝；1至20ppm的硼；0.2至1.25重量％的镍和/或锡；以及0.05至0.3重量％的铅；0.1重量％以下的不可避免的杂质；以及其余含量为锌。

在另一实施例中，本发明的低铅的抗脱锌的黄铜合金包含：61-65重量％的铜；0.04-0.12重量％的锑；0.13-0.17重量％的砷；0.5-0.7重量％的铝；8-14ppm的硼；0.1-1wt％的锡；0.1-0.25wt％的镍；0.05至0.3重量％的铅；0.1重量％以下的不可避免的杂质；以及其余含量为锌。

以下，将以例示性实施例详细阐述本发明。

用于后述试验例的本发明低铅的抗脱锌的黄铜合金的成分，如下所述，其中，各成分的比例以合金总重为基准：

实施例1：

Cu：61.95wt％ Al：0.469wt％

Sb：0.0415wt％ B：13ppm

As：0.151wt％ Ni：0.143wt％

Pb：0.141wt％ Sn：0.294wt％

Zn：其余含量。

实施例2：

Cu：62.05wt％ Al：0.557wt％

Sb：0.0763wt％ B：8ppm

As：0.162wt％ Ni：0.231wt％

Pb：0.173wt％ Sn：0.546wt％

Zn：其余含量。

实施例3：

Cu：62.6wt％ Al：0.671wt％

Sb：0.1137wt％ B：11ppm

As：0.147wt％ Ni：0.187wt％

Pb：0.159wt％ Sn：0.741wt％

Zn：其余含量。

试验例1：

以圆型砂、尿醛树脂、呋喃树脂及固化剂为原料以射芯机制备砂芯，并以发气性试验机测量树脂发气量。所得砂芯须在5小时内使用完毕，否则需以烘箱烘干。

将本发明的低铅抗脱锌黄铜合金及回炉料预热15分钟，使温度达400℃以上，再将两者以重量比为7∶1之比例以感应炉进行熔炼，并添加0.2wt％的精炼清渣剂，待该黄铜合金达到一定的熔融状态(下称熔解铜液)，以金属型重力铸造机配合砂芯及重铸模具进行浇铸，还以温度监测系统控制，使浇铸温度维持于1010-1060℃之间。浇铸的每次投料量以1-2kg为宜，浇铸时间控制在3-8秒内。

待模具冷却凝固后开模卸料清理浇冒口，监测模具温度，使模具温度控制在200-220℃中并形成铸件，随后进行铸件脱模。每模铸件取出后，清洁模具，确保芯头位置干净，在模具表面喷石墨后再行浸水冷却。用来冷却模具的石墨水的温度为30-36℃为宜，比重为1.05～1.06。

将冷却的铸件进行自检并送入清砂机滚筒陶砂清理。接着，进行毛胚处理(铸造坯件的热处理(清除应力退火)，以消除铸造产生的内应力)。将坯件进行后续机械加工及抛光，以使铸件内腔不附有砂、金属屑或其它杂质。进行质检分析并计算生产总合格率：

生产总合格率＝合格品数/全部产品数×100％

制备过程的生产总合格率反映生产制备过程质量稳定性，质量稳定性越高，才能保证正常生产。

另以熟知的CW602N抗脱锌黄铜(有时简称DR黄铜，为经澳大利亚AS2345-2006认证的抗脱锌黄铜)及熟知的59铅黄铜作为比较例，以与上述相同之制备过程制备对象。各合金的成分、加工特性及生产总合格率如表1所示。

表1

由表1可知，根据本发明的低铅的抗脱锌的黄铜合金为原料的试作组的合格率可达90％以上，与熟知59铅黄铜和DR黄铜(CW602N)相当，确实可作为替代黄铜材料。而本发明的低铅的抗脱锌的黄铜合金可大幅降低合金中的铅含量，有效避免制程中所产生的铅污染，并降低使用该铸造对象时的铅释出量，在兼顾材料特性的同时更可达到环保的要求。

试验例2：

将本发明的低铅的抗脱锌的黄铜合金(实施例3)、CW602N黄铜(比较例1)、59铅黄铜(比较例4)的试片在光学金相显微镜下检视材料的组织分布，放大100倍的结果，分别如附图1A-1C所示。

实施例3的合金主要成分的实测值为：Cu：62.6％、Zn：36.43％、Pb：0.159％、Sb：0.1137％、Al：0.627％和As：0.147％，其组织分布如附图1A所示。

如附图1A-1C所示，CW602N黄铜(附图1B)的金相的α相组织较粗大，表示材料的切削性较差；而本发明的低铅的抗脱锌的黄铜合金与59铅黄铜的金相较类似，都形成会形成均匀颗粒的树枝状晶相组织，但本发明的低铅的抗脱锌的黄铜合金的α相之晶粒更细小，组织更为致密，这表示材料具有良好机械性能。

试验例3：

以实施例3、比较例1、和比较例4的黄铜合金进行脱锌测试，以检测黄铜的耐蚀性。脱锌测试是按照澳大利亚AS2345-2006《铜合金抗脱锌》标准进行。腐蚀实验前用酚醛树腊镶样.使其暴露面积为100mm²，所有试片均经过600#金相砂纸研磨平整，并用蒸馏水洗净、烘干。试验溶液为现配的1％CuCl₂溶液，试验温度为75±2℃。将试片与CuCl₂溶液置于恒温水浴槽中作用24±0.5小时，取出后沿纵向切开，将试片的剖面抛光后，测量其腐蚀深度并以数字金相电子显微镜观察，结果如附图2所示。

实施例3的本发明低铅抗脱锌黄铜的平均脱锌深度为77.6μm，如附图2A所示。比较例1的CW602N黄铜的平均脱锌深度为82.28μm，如附图2B图所示。比较例4的59铅黄铜的平均脱锌深度为336.72μm，如附图2C所示。

上述结果证实，本发明的低铅抗脱锌黄铜符合澳大利亚AS2345-2006抗脱锌标准(脱锌层深度不能超过100μm)，且具有更好的抗脱锌能力。

试验例4：

本实施例依照ISO6998-1998《金属材料室温拉伸实验》标准进行机械性能的测试，结果如下表2所示。

表2

从表2可知，本发明的低铅抗脱锌黄铜的抗拉强度和伸长率与熟知的59铅黄铜和CW602N黄铜相当，表示本发明的低铅黄铜合金具备相当于59铅黄铜和CW602N黄铜的机械性能；但本发明的低铅抗脱锌黄铜的含铅量低，符合环保要求，确实可以取代59铅黄铜和CW602N黄铜而用于制造产品。

试验例5：

依照NSF 61-2007a SPAC单产品金属允许析出量标准进行测试，检验在与水接触的环境中的黄铜合金的金属析出量，测试结果如下表3所示：

表3

如表3所示，本发明的低铅抗脱锌黄铜的各金属元素的析出量均低于上限标准值，符合NSF 61-2007a SPAC的要求。比较例1和比较例4的材料在未经洗铅处理时，铅含量均大幅超过标准值，仅有实施例1无须经洗铅处理即符合标准，且本发明的低铅抗脱锌黄铜合金的重金属铅的析出量仍显著低于经过洗铅处理的59铅黄铜和CW602N黄铜，更符合环保，且有利于人体健康。

综上所述，本发明的低铅的抗脱锌的黄铜合金材料具有优良的铸造性能，具有良好韧性，切削性好，不易产生裂纹或夹杂等缺陷，不至于产生铸造缺陷，可达到铅黄铜所具备的材料特性，以利于合金材料应用于后续制程。本发明的低铅的抗脱锌的黄铜合金无须进行洗铅处理即具有低铅析出的效果，可降低制程的生产成本，对于商业上大批量产及应用上极具优势。

上述实施例仅例示性说明本发明的低铅的抗脱锌的黄铜合金，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围如后面的权利要求书所记载。

Claims

1.一种抗脱锌的黄铜合金，包含：

0.3重量％以下的铅；

0.02至0.15重量％的锑；

0.02至0.25重量％的砷；

0.4至0.8重量％的铝；

1至20ppm的硼；以和

97重量％以上的铜和锌，其中，铜在所述抗脱锌的黄铜合金中的含量为58至70重量％。

2.如权利要求1的抗脱锌的黄铜合金，其中，所述铜的含量为61至65重量％。

3.如权利要求1的抗脱锌的黄铜合金，其中，所述锑的含量为0.04至0.12重量％。

4.如权利要求1的抗脱锌的黄铜合金，其中，所述砷的含量为0.13至0.17重量％。

5.如权利要求1的抗脱锌的黄铜合金，其中，所述硼的含量为8至14ppm。

6.如权利要求1的抗脱锌的黄铜合金，还包含0.2至1.25重量％的选自镍和锡中的至少一种元素。

7.如权利要求6的抗脱锌的黄铜合金，其中，所述锡的含量为0.1至1重量％。

8.如权利要求6的抗脱锌的黄铜合金，其中，所述镍的含量为0.1至0.25重量％。