CN102477498A

CN102477498A - 易切削的环保黄铜合金

Info

Publication number: CN102477498A
Application number: CN2010105896116A
Authority: CN
Inventors: 罗文麟; 吴威德; 林庚立; 彭晓明
Original assignee: MODENGDAO CO Ltd
Current assignee: MODENGDAO CO Ltd
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2012-05-30

Abstract

一种易切削的环保黄铜合金，包含：0.5至1重量％的铋；0.01至0.25重量％的铅；0.01至0.2重量％的镍；0.01至0.4重量％的锡；选自锑、硅和磷中的一种或多种元素，且所选择元素的总含量为0.01至0.9重量％；以及96重量％以上的铜和锌；其中，所述黄铜合金的铜含量为58至68重量％，由此提供具有良好切削性能的黄铜合金。

Description

易切削的环保黄铜合金

技术领域

本发明涉及一种环保黄铜合金，尤其是本发明涉及一种易切削的环保黄铜合金。

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至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，涵盖用于家电、汽车、水外围产品的含铅合金材料，特别要求铅不可从该产品溶出于饮用水，且在加工制程中必须避免铅污染。因此，业界亟欲开发无铅黄铜材料，寻找可替代含铅黄铜，但仍须兼顾材料可锻造性能、可切削性、可焊接性、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的报导，例如以硅(Si)为主要成分而取代铅添加于黄铜合金中，例如TW421674、US7354489、US20070062615、US20060078458、US2004023441等所揭露的无铅铜合金配方，但这些公知技术的缺点是硬度太高，可锻性和可焊性较差，且切削性不佳。另外，无铅铜合金配方例如CN10144045揭示以铝、硅、磷为主要合金元素，虽然可用于锻造，但焊接性和切削性较差，加工效率远低于铅黄铜，不适于大批量生产。

也有文献以铋(Bi)为主要成分而取代铅添加于黄铜合金中，例如US7297215、US6974509、US6955378、US6149739、US5942056、US5653827、US5487867、US5330712、US20060005901、US20040094243、US5637160、US20070039667等，上述合金配方的铋含量约涵盖0.5重量％至7重量％的范围，且除了铋之外，各自包含其它不同的元素成分及特定比例。但高铋(＞1重量％)的无铅黄铜，因Bi原子半径为0.16nm，Pb原子半径为0.18nm。Cu为FCC最密堆积结构，其八面体格隙原子半径为0.053nm，四面体格隙原子半径为0.029nm，两者都小于Pb、Bi原子半径，故无法以格隙原子存在于C u内。故Bi与Pb原子固溶于Cu合金极小，因此Bi常以单质相存在于铜合金中。且Bi熔点271℃较低，在锻造或焊接等热加工时，铋会呈液态薄膜，从而降低了晶粒之间的结合力。导致基体材料强度下降，容易在外力或内应力的作用下开裂。因此不适合于热加工。

又，US6413330系揭露同时包含铋、硅及其它成分的无铅铜合金配方，CN101440444也揭露高锌硅无铅黄铜合金，然而，因其含硅量高但含铜量较低，难以焊接，且合金的塑性差，几乎不能用于锻造。

综上所述，如何提出一种可解决上述公知技术种种不足处的技术方案，以提供一种易切削的低铅环保黄铜合金材料，实为目前亟欲解决的课题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种易切削的环保黄铜合金，该易切削的环保黄铜合金包括：一种易切削的环保黄铜合金，包含：0.5至1重量％的铋；0.01至0.25重量％的铅；0.01至0.2重量％的镍；0.01至0.4重量％的锡；选自锑、硅和磷中的一种或多种元素，且所选择元素的总含量为0.01至0.9重量％；以及96重量％以上的铜与锌；其中，该黄铜合金的铜含量为58至68重量％。

本发明的易切削的环保黄铜合金中，铜与锌的含量占合金总重的96重量％以上，其中，铜优选占合金总重的59至65量％，此范围含量的铜可提供合金良好的韧性，和良好的加工性，以利合金材料的后续加工。

在本发明的易切削的环保黄铜合金中，铅含量为0.25重量％以下。在优选实施例中，铅含量为0.05至0.2重量％，适量的铅具有提高材料切削性能，但铅有对人体危害较大的毒性，该易切削黄铜合金符合铅含量低于0.25重量％的无铅合金环保法规标准。

在本发明的易切削的环保黄铜合金中，铋含量为0.5至1重量％。在优选实施例中，铋含量为0.6至0.9重量％，适量的铋具有减小切削阻力，改善切削性能效果。

在本发明的易切削的环保黄铜合金中，锡含量为0.01至0.4重量％。在优选实施例中，锡含量为0.1至0.3重量％。适量的锡能提升材料对氯离子的耐蚀性，并可提升合金材料的强度。

在本发明的易切削的环保黄铜合金中，镍含量为0.01至0.2重量％。在优选实施例中，镍含量为0.05至0.15重量％。适量的镍能细化材料晶粒，增加材料韧性。

本发明的易切削的环保黄铜合金还包含选自锑、硅及磷中的一种或多种元素，且所选择元素的总含量为0.01至0.9重量％。在优选实施例中，选择添加锑，且锑含量为0.01至0.2重量％。适量的锑也有利于切削，从而本发明的铋含量得以降低，而仍维持切削性。

在又一优选实施例中，选择添加硅，且硅含量为0.02至0.4重量％。适量的硅能提高黄铜的机械性能，改善切削性、耐磨性及耐蚀性，但过多会降低材料的塑性加工性能。

在另一优选实施例中，选择添加磷，且磷含量为0.05至0.3重量％。适量的磷能增加黄铜材料流动性，改善铜及合金的焊接性能，但含量过高时降低黄铜合金塑性和冲击韧性。

在本发明的易切削的环保黄铜合金中，适时添加铝、铁、锰及镁中的一种或多种元素，且所选择元素的总含量为0.02至0.8重量％，以显著提高黄铜的机械强度、耐磨性和耐蚀性、制程加工性，从而提高合金各项性能。

在本发明的易切削的环保黄铜合金中，微量的锆、硼和稀土元素铈能细化晶粒净化晶界，使合金组织均匀，从而提高合金性能，改善挤压铜棒质量，增加材料强度和塑性。该所选择元素的总含量为0.01至0.1重量％

附图说明

图1A为本发明实施例1的易切削的环保黄铜的金相组织分布；以及

图1B为C37700铅黄铜试片的金相组织分布。

图2A是实施例1的易切削的环保黄铜的切屑图，切屑是片状，长度为3-5mm。

图2B是实施例2的易切削的环保黄铜的切屑图，切屑是片状，长度为4-6mm。

图2C是实施例3的易切削的环保黄铜的切屑图，切屑是片状，长度为5-7mm。

图2D是实施例4的易切削的环保黄铜的切屑图，切屑是片状，长度为4-6mm。

图2E是实施例5的易切削的环保黄铜的切屑图，切屑是片状，长度为3-5mm。

图2F是比较例1的C37700铅黄铜的切屑图，切屑呈崩碎粒状或针状，长度为2-3mm。

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，否则易切削的环保黄铜合金所包含的成分都以该合金总重量为基准，并以重量百分比(wt％)表示。

本申请的发明人发现，当以公知高含量的铋(1wt％以上)添加入黄铜合金时，在微观上，易在黄铜合金的晶粒中形成铋的液态薄膜，最后在晶界偏析而产生连续片状的铋，遮蔽晶界，使得合金的机械强度溃散而使合金的热脆性及冷脆性提高，造成材料开裂。

然而，依据本发明的易切削的环保黄铜合金配方，仅需使用1wt％以下的铋，不但可解决材料开裂的缺陷且仍可达到铅黄铜(如公知的C37700铅黄铜)所具备的材料特性(如切削性等)，且不易产生裂纹或夹渣等产品缺陷。因此，本发明的易切削的环保黄铜合金可降低铋用量，有效降低易切削的环保黄铜合金的生产成本，对于商业量产及应用上极具优势。

另外，依据本发明的易切削的环保黄铜合金配方，可以使合金的铅含量降低至0.01至0.25重量％，符合对于与水接触的管件材料的铅含量的国际规定。因此，依据本发明的易切削的环保黄铜合金有利于制造水龙头及卫浴零组件、自来水管线、供水系统等应用。

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无铅易切削黄铜合金及比较例的成分，如下表1所示，其中，各成分的比例以合金总重为基准。

试验例1：

本合金的制备是采用中频感应炉，进行黄铜合金熔炼，依照各合金熔点及材料特性，依序合金熔点高低，及所需成份比例添加入感应炉内，进行混炼搅拌，掌控好其合金氧化和烧损状况，适时添加熔炼的精炼剂，于在1000至1050℃浇铸出炉成铜锭。

将铜锭依照锯切、锭坯加热、挤压、水封、制头、酸洗、拉拔及矫直等工序制成所需的无铅铜棒。

接着，将铜棒切割成所需长度，送入锻压机，加热至700℃，模具温度控制在250至350℃，锻制成产品毛坯。将锻坯经过机械切削加工，焊接铜管，抛光电镀制成水龙头产品。并统计各制程阶段的合格率。

生产总合格率＝合格品数/全部产品数×100％

制程的生产总合格率反应生产制程质量稳定性，质量稳定性越高，才能保证正常生产。

实施例1的易切削的环保黄铜的成分实测值为Cu：61.44wt％、Zn：37.18wt％、Pb：0.092wt％、Bi：0.912wt％、Sn：0.124wt％、Ni：0.066wt％、P：0.009wt％、Sb：0.031wt％、Al：0.039wt％、Si：0.034wt％、Fe：0.026wt％、Zr：0.0008wt％、Ce：0.003wt％。其金相组织分布如图1A所示，其晶粒的粒径约20至40μm，其α相晶粒小于C37700的晶粒，能得到更高的强度与硬度，切屑长度约3至5mm，如图2A所示，具有良好加工性能。

实施例2的易切削的环保黄铜的成分实测值为Cu：62.07wt％、Zn：36.29wt％、Pb：0.039wt％、Bi：0.846wt％、Sn：0.184wt％、Ni：0.089wt％、P：0.058wt％、Sb：0.057wt％、Al：0.043wt％、Si：0.124wt％、Fe：0.073wt％、Zr：0.005wt％、Ce：0.004wt％。其金相组织分布同于实施例1，其α相晶粒小于C37700的晶粒，切屑长度约4至6mm，如图2B所示，具有良好加工性能。

实施例3的易切削的环保黄铜的成分实测值为Cu：61.22wt％、Zn：36.89wt％、Pb：0.086wt％、Bi：0.733wt％、Sn：0.264wt％、Ni：0.155wt％、P：0.126wt％、Sb：0.094wt％、Al：0.029wt％、Si：0.158wt％、Fe：0.101wt％、Zr：0.007wt％、Ce：0.003wt％。其金相组织分布同于实施例1，其α相晶粒小于C37700的晶粒，切屑长度约5至7mm，如图2C所示，具有良好加工性能。

实施例4的易切削的环保黄铜的成分实测值为Cu：60.94wt％、Zn：36.87wt％、Pb：0.184wt％、Bi：0.687wt％、Sn：0.257wt％、Ni：0.172wt％、P：0.185wt％、Sb：0.112wt％、Al：0.052wt％、Si：0.274wt％、Fe：0.086wt％、Zr：0.006wt％、Ce：0.005wt％。其金相组织分布同于实施例1，其α相晶粒小于C37700的晶粒，切屑长度约4至6mm，如图2D所示，具有良好加工性能。

实施例5的易切削的环保黄铜的成分实测值为Cu：62.25wt％、Zn：35.52wt％、Pb：0.142wt％、Bi：0.579wt％、Sn：0.326wt％、Ni：0.194wt％、P：0.233wt％、Sb：0.106wt％、Al：0.037wt％、Si：0.308wt％、Fe：0.055wt％、Zr：0.004wt％、Ce：0.003wt％。其金相组织分布同于实施例1，其α相晶粒小于C37700的晶粒，切屑长度约3至5mm，如图2E所示，具有良好加工性能。

图1B则为比较例1的组织分布，C37700铅黄铜主要成分的实测值为：Cu：59.85wt％、Zn：38.59wt％、Pb：1.22wt％、Sn：0.095wt％、Ni：0.0347wt％、P：0.007wt％、Al：0.075wt％、Si：0.003wt％、Fe：0.058wt％。合金α相颗粒状形态，有良好的韧性，不易产生裂纹等缺陷，加工切削易断屑，切屑长度约2mm，如图2F所示，虽具有良好加工性能，但不符合国际环保法规，对人体健康有害。

表1、生产总合格率统计

REM：其余含量

本发明的材料在经过锻造、机械切削、焊接、抛光多任务序加工后制成产品，其加工总合格率比市售的高铋无铅铜更高，与C37700铅黄铜相当，具有良好的加工性，完全可以取代现有铅黄铜用于产品生产。

试验例2：

依照ISO6998-1998《金属材料室温拉伸实验》标准进行黄铜合金的机械性能测试，结果如下表2所示：

表2

从表2可知，本发明的易切削的环保黄铜合金的抗拉强度高于C37700，延伸率与C37700铅黄铜接近，表示本发明的易切削的环保黄铜合金具备相当于C37700铅黄铜的机械性能，确实可以取代C37700铅黄铜而用于制造产品。

试验例3：

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，本发明的易切削的环保黄铜的各金属析出量都远低于上限标准值，符合NSF 61-2007a SPAC的要求。且本发明的易切削的环保黄铜在重金属铅的析出量更明显低于C37700铅黄铜的析出量，也低于经过洗铅处理的C37700铅黄铜，更符合环保要求，且有利于人体健康。

试验例4：

分别以比较例1的C37700铅黄铜及实施例1的本发明的易切削铜在车床上进行切削性测试。切削性测试条件设定如下表所示。

实验参数设定表4

表5

在切削性测试中，在轴向(Ff)、径向(Fp)、法向(Fc)三方向的切削阻力，及切削能的数据，本发明的易切削的环保黄铜与公知C37700铅黄铜接近，切削能略高，但同具有良好切削性。

本发明的易切削的环保黄铜合金具有与C37700铅黄铜相当的机械性能(例如切削性)，甚至更优于公知C37700铅黄铜(例如抗拉强度)；在铸造产品的制程合格率、机械加工合格率也为良好；且本发明的易切削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。

上述实施例仅例示性说明本发明的易切削的环保黄铜合金与其对象制备方法，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权利要求书所记载。

Claims

1.一种易切削的环保黄铜合金，包含：

0.5至1重量％的铋；

0.01至0.25重量％的铅；

0.01至0.2重量％的镍；

0.01至0.4重量％的锡；

选自锑、硅和磷中的一种或多种元素，且所选择元素的总含量为0.01至0.9重量％；以及

96重量％以上的铜和锌，其中，所述黄铜合金的铜含量为58至68重量％。

2.如权利要求1所述的易切削的环保黄铜合金，还包含选自铝、铁、锰和镁中的一种或多种元素，且所选择元素的总含量为0.02至0.8重量％。

3.如权利要求1所述的易切削的环保黄铜合金，还包含选自锆、硼和铈中的一种或多种元素，且所选择元素的总含量为0.01至0.1重量％。

4.如权利要求1所述的易切削的环保黄铜合金，其中，铜含量为59至65重量％。

5.如权利要求1所述的易切削的环保黄铜合金，其中，铋含量为0.6至0.9重量％。

6.如权利要求1所述的易切削的环保黄铜合金，其中，铅含量为0.05至0.2重量％。

7.如权利要求1所述的易切削的环保黄铜合金，其中，镍含量为0.05至0.15重量％。

8.如权利要求1所述的易切削的环保黄铜合金，其中，锡含量为0.1至0.3重量％。

9.如权利要求1所述的易切削的环保黄铜合金，其中，锑含量为0.01至0.2重量％。

10.如权利要求1所述的易切削的环保黄铜合金，其中，硅含量为0.02至0.4重量％。

11.如权利要求1所述的易切削的环保黄铜合金金，其中，磷含量为0.05至0.3重量％。

12.如权利要求1所述的易切削的环保黄铜合金，其中，从锑、硅及磷中所选择的总含量为0.05至0.7重量％。

13.如权利要求2所述的易切削的环保黄铜合金金，其中，铝含量为0.02至0.2重量％。

14.如权利要求2所述的易切削的环保黄铜合金金，其中，铁含量为0.02至0.3重量％。

15.如权利要求2所述的易切削的环保黄铜合金金，其中，锰含量为0.02至0.2重量％。

16.如权利要求2所述的易切削的环保黄铜合金金，其中，镁含量为0.02至0.1重量％。

17.如权利要求2所述的易切削的环保黄铜合金，其中，从铝、铁、锰和镁中所选择的总含量为0.05至0.7重量％。

18.如权利要求3项所述易切削的环保黄铜合金，还包含选自锆、硼和铈中的一种或多种元素，且所选择元素的总含量为0.01至0.05重量％。