CN102051499A

CN102051499A - 环保黄铜合金

Info

Publication number: CN102051499A
Application number: CN2009102121067A
Authority: CN
Inventors: 罗文麟; 彭晓明
Original assignee: SHENZHEN GLOBE UNION INDUSTRIAL CORP
Current assignee: SHENZHEN GLOBE UNION INDUSTRIAL CORP
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2011-05-11

Abstract

一种环保黄铜合金，包含：0.4-0.8重量％的铝；0.6-1.6重量％的镍；0.8-2.0重量％的锡；铜与锌含量为95.6重量％以上；以及铁、铅和磷等微量元素和杂质总含量小于0.1重量％，其中铜在该环保黄铜合金中的含量为60-68重量％。

Description

环保黄铜合金

技术领域

本发明涉及一种环保铸造黄铜合金，尤其是，本发明涉及一种环保黄铜合金。

背景技术

黄铜的主要成份为铜与锌，两者的比例通常为约7∶3或6∶4，此外通常包含少量杂质。为了改善黄铜性质，公知黄铜含铅(多为1-3重量％)以达到产业所需的机械特性，并因此成为工业上重要材料，广泛应用于管线、水龙头、供水/排水系统的金属装置或金属阀等制品。

然而，随着环保意识抬头，重金属对于人体健康的影响和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成为目前的趋势。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。涵盖用于家电、汽车、水外围产品的含铅合金材料，均特别要求不可从该产品溶出铅至饮用水，且在加工制程中也必须避免铅污染。因此，业界亟需开发无铅黄铜材料，寻找可替代含铅黄铜，但仍须兼顾铸造性能、切削性、耐腐蚀性与机械性质的合金配方。

目前已有许多无铅铜合金配方被报导，例如以硅(Si)为主要成分而取代铅添加在黄铜合金中，例如TW421674、US7354489、US20070062615、US20060078458及US2004023441等所披露的无铅铜合金配方。但这些公知技术的缺点是切削性不佳。另外，无铅铜合金配方，例如CN10144045所揭示以铝、硅及磷为主要合金元素，虽然可用于铸造，但切削性较差，加工效率远低于铅黄铜，不适于大批量产。CN101285138及CN101285137揭示以磷为主要合金元素，但其用于铸造则容易产生裂纹及夹渣等缺陷。

此外，亦有文献以铋(Bi)为主要成分而取代铅添加在黄铜合金中，例如US7297215、US6974509、US6955378、US6149739、US5942056、US5653827、US5487867、U S5330712、US20060005901、US20040094243、US5637160及US20070039667等。上述合金配方的铋含量约在0.5重量％至7重量％的范围，并且除了铋之外，各自包含不同的元素成分及特定比例。US6413330披露同时包含铋、硅及其它成分的无铅铜合金配方。CN101440444也披露高锌硅无铅黄铜合金。然而，因其含硅量高但含铜量较低，故合金的熔汤流动性差，在金属模中比较难充满型腔，易产生浇不足等铸造缺陷。而CN101403056披露了以铋和锰代替铅的无铅黄铜合金。然而，高铋含量易产生裂纹和夹渣等缺陷，而铋低锰高则硬度高，则不易断屑，且切削性差。

由于铋的资源稀少、价格昂贵，以较高量的铋代替铅会造成无铅黄铜的制造成本过高，不利于商业化，并且上述黄铜合金配方仍存在有铸造性能差、材料脆化未能有效改善的缺点。

另外，也有文献揭示无铅铜合金的制程或洗铅制程的改良，例如US5904783披露以钠、钾金属在高温下处理黄铜合金以减少铅滤出到供给液的方法；TW491897披露含有1-2.6重量％的铋的黄铜合金的制法；然而，公知洗铅制程仅能在含铅产品在浸入水中时，减少与水接触表面的铅析出，无法将生产原料成分中铅含量降低至0.3重量％以下。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的为开发环保黄铜合金材料。

本发明涉及一种环保黄铜合金，该环保黄铜合金包含：0.4-0.8重量％的铝；0.6-1.6重量％的镍；0.8-2.0重量％的锡；铜与锌含量为95.6重量％以上；以及铁、铅及磷等微量元素和杂质总含量小于0.1重量％，其中铜在该环保黄铜合金中的含量为60-68重量％。

在本发明的环保黄铜合金中，铜与锌的总含量为95.6重量％以上。在一实施方案中，铜的含量为该环保黄铜合金总重量的60-68重量％，此含量范围的铜可提供合金良好的韧性和良好的加工性。在优选实施例中，铜的含量优选为61-64重量％。

在本发明的环保黄铜合金中，铝的含量为0.4-0.8重量％。在优选实施例中，铝含量为0.5-0.6重量％，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。

在本发明的环保黄铜合金中，镍含量为0.6-1.6重量％。在优选实施例中，镍含量为0.8至1.4重量％，添加适量的镍可增加铜镍，能提高黄铜的机械性能和抗蚀性能，镍黄铜的脱锌能力及应力腐蚀倾向。

在本发明的环保黄铜合金中，锡含量为0.8至2.0重量％。在优选实施例中，锡含量为1.2-1.6重量％，添加适量的锡能显著提高合金材料对高氯离子环境(如海水)的抗腐蚀性，并可提升合金材料的强度。

附图说明

图1A为本发明环保黄铜试片的金相组织分布；

图1B为铋无铅黄铜试片的金相组织分布；

图1C为H59铅黄铜试片的金相组织分布；

图2A为铋无铅黄铜试片的材料开裂情况；

图2B为铋无铅黄铜试片的裂纹显微放大图；

图3A为铋无铅黄铜的切屑；

图3B为H59铅黄铜的切屑；以及

图3C为本发明环保黄铜的切屑。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容了解本发明的其它优点与功效。

在本说明书中，除非另有说明，否则环保黄铜合金所包含的成分均以合金总重量为基准，并以重量百分比(重量％)表示。

根据本发明的环保黄铜合金配方，可以使合金的铅含量降低至0.05重量％以下，符合与水接触的管线材料的铅含量的国际规定。因此，依据本发明的环保黄铜合金有利于制造水龙头及卫浴组件、自来水管线与供水系统等应用。

本发明的环保黄铜合金包含：0.4-0.8重量％的铝；0.6-1.6重量％的镍；0.8-2.0重量％的锡；铜与锌含量为95.6重量％以上；以及铁、铅及磷等微量元素和杂质总含量小于0.1重量％，其中，铜在该环保黄铜合金中的含量为60至68重量％。

在本发明的环保黄铜合金中，铜与锌的总含量为95.6重量％以上，其中铜含量为环保黄铜合金总重量的60-68重量％，且优选铜含量为61-64重量％。

在本发明的环保黄铜合金中，铝含量为0.4-0.8重量％，且优选铝含量为0.5-0.6重量％。添加适量的铝可增加铜水的流动性，并改善合金材料的铸造性能。此外，镍含量为0.6-1.6重量％，且优选镍含量为0.8-1.4重量％。添加适量的镍可增加铜镍能提高黄铜的机械性能和抗蚀性能，镍黄铜的脱锌能力及应力腐蚀倾向。锡含量为0.8-2.0重量％，且优选锡含量为1.2-1.6重量％。添加适量的锡能显著提高合金材料对高氯离子环境(如海水)的抗腐蚀性，并可提升合金材料的强度。

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环保黄铜的成分，如下所述，其中，各成分比例以合金总重为基准：

实施例1的环保黄铜的成分：

铜：61.37重量％镍：0.815重量％

铝：0.537重量％锡：1.246重量％

铅：0.0103重量％

锌、微量元素和杂质：余量

实施例2的环保黄铜的成分：

铜：62.45重量％镍：0.989重量％

铝：0.578重量％锡：1.423重量％

铅：0.0078重量％

锌、微量元素和杂质：余量

实施例3的环保黄铜的成分：

铜：63.34重量％镍：1.167重量％

铝：0.564重量％锡：1.548重量％

铅：0.0036重量％

锌、微量元素和杂质：余量

试验例1：

表1是产品试作统计表，其是在相同制程和相同操作条件下，分别以本发明的环保黄铜合金(实施例1至3)、铋无铅黄铜(比较例1至3)和H59铅黄铜(比较例4至5)为材料，进行相同的产品铸造，并比较此三种黄铜合金的加工特性及各阶段的铸造制程合格率，其中，铸造制程合格率的定义如下所示：

铸造制程合格率＝合格品数/投入产品数x100％

铸造制程的合格率反映铸造生产制程质量稳定性，质量稳定性越高，才能保证正常生产。

表1：

由表1可知，以铋无铅黄铜为材料进行产品铸造时，所得产品的铸造缺陷较多，故产品的生产总合格率低于70％，且铋含量越高则合格率越低。经观察，以铋无铅黄铜为材料的铸件的主要缺陷为：气孔、夹渣、裂纹、浇不饱及缩松。具体而言，铋无铅黄铜的熔解铜液的流动性差，且对模具的填充性差，铸件易产生浇不饱的状况；铸件容易产生裂纹，且一些微小裂纹到最后抛光阶段才能被发现；以及铸件易发生夹渣和气孔的现象。

而依据本发明的环保黄铜为原料的试作组，合格率最好(可达85％以上)，其材料流动性接近传统的H59铅黄铜。对铸造工艺进行优化后，在铸件凝固时会形成等轴树枝状晶相组织，故不易产生裂纹等缺陷，使材料完全可以满足生产的需求。

试验例2：

将本发明的环保黄铜合金、铋无铅黄铜及H59铅黄铜的试片在光学金相显微镜下检视材料的组织分布，其放大100倍的结果分别如图1A、1B和1C所示。

本发明实施例3的环保黄铜的成分实测值为Cu：63.64重量％、Al：0.564重量％、Pb：0.0036重量％、Ni：1.167重量％及Sn：1.548重量％。本发明实施例3的组织分布如图1A所示，其晶粒呈细小粒状，会使材料较易断屑而可提供良好切削性，又不易产生裂纹等缺陷。

图1B为比较例3的组织分布。比较例3的铋无铅黄铜主要成分的实测值为：Cu：63.01重量％、Al：0.513重量％、Pb：0.0054重量％、Bi：0.851重量％及P：0.0023重量％。铋含量高时，会造成异质成核点多且成核速率快，而α相组成过冷越大，形成的晶粒多呈现枝蔓臂形状且极少呈块状。因此，铋会在晶界偏析而产生连续片状的铋，使得材料的机械强度溃散、热脆性及冷脆性提高，而易造成材料开裂。

图1C则为比较例5的组织分布，H59铅黄铜主要成分的实测值为：Cu：61.5重量％、Al：0.554重量％、Pb：1.67重量％、Bi：0.0042重量％及P：0.0005重量％。H59铅黄铜的合金α相呈圆粒状形态，有良好的韧性，且不易产生裂纹等缺陷。

其中，比较例1的高铋无铅黄铜试片在铸造后会发生自然开裂现象，试片的开裂情况如图2A所示，在光学显微镜下的观察结果如图2B所示，所以会造成产品不良。

试验例3：

依照ISO6998-1998《金属材料室温拉伸实验》标准进行实施例3及比较例5的黄铜合金的机械性能测试，其结果如下表2所示：

表2：

从表2可知，本发明的环保黄铜合金的抗拉强度高于传统H59铅黄铜，伸长率则与H59铅黄铜相当，表示本发明的环保黄铜合金具备相当于H59铅黄铜的机械性能，确实可以取代H59铅黄铜而用于制造产品。

试验例4：

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实施例3及比较例5黄铜合金的金属元素析出量测试结果如下表3所示：

表3：

如表3所示，本发明的环保黄铜的各金属元素析出量都低于上限标准值，符合NSF 61-2007a SPAC的要求。且本发明的环保黄铜在重金属铅的析出量更明显低于H59铅黄铜，也低于经过洗铅处理的H59铅黄铜。因此，本发明的环保黄铜更符合环保要求，且有利于人体健康。

本发明的环保黄铜合金具有与H59铅黄铜相当的机械性能(例如切削性)，甚至更优异于传统H59铅黄铜(例如抗拉强度)；本发明的环保黄铜合金在铸造产品的制程合格率、机械加工合格率也为良好；且本发明的环保黄铜合金大幅降低铅析出量，极适合作为取代公知铅黄铜的合金材料。

Claims

1.一种环保黄铜合金，包含：

0.4-0.8重量％的铝；

0.6-1.6重量％的镍；

0.8-2.0重量％的锡；以及

95.6重量％以上的铜与锌，余量为铁、铅及磷微量元素和杂质。

2.如权利要求1的环保黄铜合金，其中，铝在所述环保黄铜合金中的含量为0.5-0.6重量％。

3.如权利要求1的环保黄铜合金，其中，镍在所述环保黄铜合金中的含量为0.8-1.4重量％。

4.如权利要求1的环保黄铜合金，其中，锡在所述环保黄铜合金中的含量为1.2-1.6重量％。

5.如权利要求1的环保黄铜合金，其中，铜在所述环保黄铜合金中的含量为60-68重量％。

6.如权利要求1的环保黄铜合金，其中，铜在所述环保黄铜合金中的含量为61-64重量％。

7.如权利要求1的环保黄铜合金，其中，铅在所述环保黄铜合金中的含量为0.05重量％以下。