CN102206772A - 黄铜合金 - Google Patents

Abstract

一种黄铜合金，其包含：(a)0.5-1％重量的含量范围的铋，(b)以0.15-0.25％重量的含量范围存在的铅，(c)以0.25-1％重量的含量范围存在的锡，(d)以0.05-0.4％重量的含量范围存在的脱锌剂，(e)以60-63％重量的含量范围存在的铜，且(f)其余组成基本上为锌。

Description

黄铜合金

技术领域

本发明涉及黄铜合金。特别地，本发明涉及具有低铅含量的黄铜合金。

背景技术

本说明书中，文件、行为或知识项被提及或讨论时，这种提及或讨论不是承认所述文件、行为或知识项或其任何组合在优先权日是可公开获得的、公众已知的、部分常识；或已知与试图解决本说明书涉及的任何问题相关。

本说明书以及权利要求中使用的词语“包含”和词语“包含”的各种形式不是限制要求保护的发明而排除任何变体或添加。

黄铜是铜和锌的合金，其中铜与锌和其他元素的比例可以变化而产生一系列黄铜。黄铜还经常含有铅而改善机械加工性或用作润滑剂。当黄铜中加入铅时，在黄铜中几乎不溶的铅成为非常均一地分布于黄铜中的离散粒子。于是，当黄铜被机械加工以形成组件时，过量黄铜以片形式而非在未添加铅时的长线圈形式被去除。这允许机械加工更复杂的部件，同时更容易从模具和机械中去除过量材料且显著减少机械加工过程所需的功率。

世界范围的趋势是，限制与饮用水接触的材料的组成，以便严格限制许多内含元素浸析到水中。在许多国家，包括澳大利亚和美国，由于威胁人类健康和环境，被浸析的铅含量在试验条件下被测量。在美国加利福尼亚州，实际材料中的铅含量被2010年1月1日生效的法规限制为总组成的0.25％。该法规包括当产品含有几个组件(有一些组件不含铅)时的平均条款。例如，大部分水龙头(在一些国家称为水阀)和诸如混合阀、水表和减压阀的产品包含由塑料或不含铅的金属制成的组件。

因此，全世界正在试图开发成本有效的黄铜合金，其不含铅或含有小于0.25％浓度的铅，以符合加利福尼亚的新规定。

然而，从黄铜合金清除铅是困难的，因为铅的加入是保证材料具有可接受的机械加工性质的最成本有效的方法。因此，任何低铅合金依然需要具有可接受的机械加工性质。

实现低铅铜合金的一种尝试涉及用硅替代一些或全部的铅。声称具有工业上令人满意的性质的硅铜合金的一个实例含有69至80％铜、1.8至4％硅、0.02至0.4％铅，剩余由锌组成(US 7056396)。该硅合金还含有少量的砷、锑、铝、磷、铋、碲和/或硒，取决于合金所需的最终性质。

实现低铅或基本无铅铜合金的另一种尝试涉及用铋替代一些或全部铅含量。铋具有类似于铅的几种性质，特别是也几乎不溶于铜锌合金。因此，铋以类似于铅的方式有助于机械加工性。基本不含铅的铜合金的一个实例含有1.8至5％重量的铋(US 5137658)。基本不含铅的锻造铜合金的另一个实例含有至少60％铜、至少0.5％铋以及磷、铟或锡的至少一种(US 5167726)。青铜是一种不同于黄铜的铜合金，但是也公开了用铋替代铅，铋的含量为0.5至6％重量(US6419766)。

然而，在所产生的这些含有铋的合金可能具有可接受的性质的同时，所产生的合金具有增加的成本，因为铋目前是非常昂贵的材料(明显昂贵于铅)。铋尚未广泛使用的另一个原因是纯铜中即使小浓度的铋致使铜变脆。此外，铋可能对人类和环境具有毒理学影响，因此，似乎优选减少该元素在与饮用水接触的合金中使用。

依然需要经济且满足减少铅的需要的低铅黄铜合金。

发明内容

已经发现，可以生产具有所需的下述五个必要性质并且生产成本比目前开发的其他低铅合金更低的低铅黄铜合金：良好的铸造性质、良好的热加工性质、良好的冷加工性质、良好的机械加工性质、良好的脱锌性质。具体说，已经发现，少量铅与铋、锡和脱锌剂(例如砷、磷和锑)组合使用能够产生具有全部五个上述必要性质的低铅黄铜合金。

根据本发明，提供了一种黄铜合金，其包含：

(a)0.5-1％重量的含量范围的铋，

(b)以0.15-0.25％重量的含量范围存在的铅，

(c)以0.25-1％重量的含量范围存在的锡，

(d)以0.05-0.4％重量的含量范围存在的脱锌剂，

(e)以60-63％重量的含量范围存在的铜，且

(f)其余组成基本上为锌。

优选地，铋的含量为约0.7％重量。

优选地，铅的含量为约0.22％重量。

优选地，锡的含量为约0.3％重量。

优选地，脱锌剂选自：

(a)含量为0.05-0.3％重量的砷、磷或锑，或

(b)含量为0.05-0.4％重量的硅、锗或锡。

优选地，脱锌剂以0.05-0.2％重量的含量存在。更优选地，脱锌剂以约0.12％重量的含量存在。优选地，脱锌剂是砷或磷。

实质上，已经令人惊讶地发现，锡的存在比其他元素(例如铝)更能与铅和铋相容，并且在上述制剂中，铅、铋和锡的比例(以及脱锌剂的存在)已经提高了机械加工性质而对其他性质没有负面影响。据信，对于该黄铜合金实现所需的五个必要性质并且生产成本比目前开发的其他低铅合金更低而言重要的是在确定的非常窄的范围内的锡、铅、铋的比例(以及脱锌剂的存在)，所述五个必要性质是良好的铸造性质、良好的热加工性质、良好的冷加工性质、良好的机械加工性质、良好的脱锌性质。

在每个方面中可以存在通常称为杂质的其他元素，如果存在，则没有一种其他元素以超过0.2％重量的含量存在。

本领域技术人员将理解，考虑到所讨论的潜在应用，理想的合金将具有尽可能少的铅和铋，同时依然保持需要的可接受的机械加工性质。优选地，存在的铋的含量不超过约0.7％重量。

实际上，对于管道组件使用的黄铜合金而言，锌含量受符合脱锌要求的需要的控制。脱锌可能是含有超过15％锌的合金的一个问题。脱锌选择性地从合金去除锌，留下富含铜的多孔结构，其具有显著更低的机械强度。脱锌可以贯穿黄铜进行，弱化整个组件并导致其泄露。

如所示的，本发明的合金含有脱锌剂以提供抗脱锌性质，这实际上是所有与水接触的、基于铜的产品目前所需要具有的。

根据本发明的黄铜合金可以使用任何已知方法生产。其可以使用全新原材料生产，或者其可以使用回收的合金材料生产，或者其可以使用新材料和回收材料的组合生产。

具体实施方式

实施例

现在参考下述非限制性实施例描述本发明的各种实施方案/方面。

实施例1

本实施例示例说明根据本发明的黄铜合金。

制备了具有下述组成限值的黄铜合金：

组分	Amounts (％ weight)
		铋	0.69
铅	0.21
		锡	0.26
砷	0.08
		锌	37.6
铜	61.1
		其他元素	任何一种元素最多0.2％

该合金使用70/30铜/锌合金(具有低杂质的纯铜和锌)、60/40含铅黄铜废料、铋、锡和铜砷合金制备。

实施例2

本实施例提供根据本发明的合金的另一实施例。

制备了具有下述组成的黄铜合金：

组分	Amounts(％ weight)
		铋	0.72
铅	0.23
		锡	0.34
砷	0.13

锌	36.8
		铜	61.7
其他元素	任何一种元素最多0.2％

该合金使用70/30铜/锌合金(具有低杂质的纯铜和锌)、纯铋、60/40含铅黄铜废料、铋、锡和铜砷合金制备。

结果

发现实施例1和实施例2所产生的合金具有如下五个必要性质并且生产成本比目前开发的其他低铅合金更低：良好的铸造性质、良好的热加工性质、良好的冷加工性质、良好的机械加工性质、良好的脱锌性质。具体说，所产生的合金具有如下优点：

(1)类似于通常使用的抗脱锌加铅合金的热加工性质。这是通过使用相同的前述锻造机械并选择认为难以生产的产品对两种合金进行比较而评估的。

(2)与标准抗脱锌加铅合金相比，允许在接近标准的时间内使用标准模具机械加工组件的机械性质。这是使用标准CNC自动设备针对标准加铅合金和该合金的几次生产运行而评估的。

(3)与其他抗脱锌加铅合金相比，优良的冷加工性质。这是针对在组装阶段需要大量冷加工的代表性大容量运行而评估的。由于破裂而导致的不合格产品的数目比使用标准加铅抗脱锌合金所通常经历的要少得多。

(4)良好的锻造性质。这是针对代表性大容量运行而评估的，发现锻造温度范围和总体锻造性质为良好至非常好。

(5)实验室试验时优良的抗脱锌作用。实验室试验结果显示，该合金不仅具有非常好的抗脱锌作用，而且具有非常少的、正常热处理后存在的、不想要的β相。

Claims (9)

1.一种黄铜合金，其包含：

(a)0.5-1％重量的含量范围的铋，

(b)以0.15-0.25％重量的含量范围存在的铅，

(c)以0.25-1％重量的含量范围存在的锡，

(d)以0.05-0.4％重量的含量范围存在的脱锌剂，

(e)以60-63％重量的含量范围存在的铜，且

(f)其余组成基本上为锌。

2.根据权利要求1的黄铜合金，其中铋的含量约为0.7％重量。

3.根据权利要求1或2的黄铜合金，其中铅的含量约为0.22％重量。

4.根据权利要求1至3任一项的黄铜合金，其中锡的含量约为0.3％重量。

5.根据权利要求1至4任一项的黄铜合金，其中所述脱锌剂选自：

(a)含量为0.05-0.3％重量的砷、磷或锑，或

(b)含量为0.05-0.4％重量的硅、锗或锡。

6.根据权利要求1至4任一项的黄铜合金，其中所述脱锌剂0.05-0.2％重量的含量存在。

7.根据权利要求6所述的黄铜合金，其中所述脱锌剂以约0.12％重量的含量存在。

8.根据权利要求6或7的黄铜合金，其中所述脱锌剂是砷或磷。

9.根据权利要求1至8任一项的黄铜合金，其进一步包含一种或多种其他元素，该一种其他元素的含量不超过0.2％重量。