CN102618747A

CN102618747A - 易切削的黄铜合金

Info

Publication number: CN102618747A
Application number: CN2011100322923A
Authority: CN
Inventors: 罗文麟; 邓茂英; 赖忆茹
Original assignee: MODENGDAO CO Ltd
Current assignee: MODENGDAO CO Ltd
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2012-08-01

Abstract

一种易切削的黄铜合金，包括：0.5至1.5重量％的硅；0.7至2.0重量％的锡；0.4至0.8重量％的铝；0.05至0.6重量％的镍；0.05至0.2重量％的铅，选自锰、铬和铁中的一种或多种元素，且所述元素的总含量为0.01至0.5重量％；以及93.5重量％以上的铜与锌；其中，该黄铜合金的铜含量为58至65重量％，本发明搭配硅、锡、铝及其它选择的元素制备出具有良好切削性的黄铜合金。

Description

易切削的黄铜合金

技术领域

本发明涉及一种黄铜合金，尤其涉及一种低铅含量且具易切削性的黄铜合金。

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，均被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，业界极欲开发无铅黄铜材料，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以硅(Si)为主要成分而取代铅添加于黄铜合金中，例如，第421674号、第7354489号、第20070062615号、第20060078458号台湾专利等所揭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，不适于大批量生产。另外，无铅铜合金配方，例如第10144045号中国专利所揭示以铝、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；第101285138号及第101285137号中国专利揭示以磷为主要合金元素，但其用于铸造则容易产生裂纹和夹渣等缺陷。

第101403056号中国专利揭露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及夹渣等缺陷，而铋低锰高则硬度高，则不易断屑，且切削性差。

因此，业界仍然持续开发黄铜材料，寻找可替代含铅易切削黄铜，但仍可兼顾铸造和机械加工性能的合金配方。

发明内容

为达上述及其它目的，本发明提供一种易切削的黄铜合金，除了包括93.5重量％以上的铜(Cu)和锌(Zn)之外，还包含：0.5至1.5重量％的硅(Si)；0.7至2.0重量％的锡(Sn)；0.4至0.8重量％的铝(Al)；0.05至0.6重量％的镍(Ni)；0.05至0.2重量％的铅(Pb)；以及选自锰、铬及铁中的一种或多种元素，且所述元素的总含量为0.01至0.5重量％；其中，该合金的铜含量为58至65重量％，此范围含量的铜可提供良好的韧性和良好的加工性，以利于合金材料的后续加工。

本发明的易切削黄铜中，由于硅、铝元素加入黄铜合金，使合金具有固溶强化的效果。与选自锰、铬及铁的元素搭配，则添加硅元素可使介金属化合物析出，具备阻断切屑的作用，以改善合金的切削性；切削性及合金熔汤的流动性随硅含量增加而提高，合金流动性增加有助减少铸件的疏松缺陷。具体而言，锰元素搭配硅元素可形成极小的析出颗粒，此颗粒组织，有助于提升材料切削性；硅元素与铁元素的共同添加，可维持材料韧性，改善合金脆化现象；微量铬元素与硅元素的共同添加则产生加乘效果而进一步提高被切削性，当硅添加量大于1.5重量％，机械强度及延伸率大幅降低，使得合金加工成型性不佳；在本发明优选实施例中，硅含量为0.5至1.2重量％，具良好切削断屑性。

在本发明的易切削黄铜中，铝元素的添加产生固溶强化的效能，可提高合金强度、硬度及降低合金比重的功能。又因本发明搭配硅元素的加入，铝含量超过0.8重量％时，将降低合金延展性，且金属熔汤易氧化产生炉渣，降低合金流动性，使得铸件出现流痕、夹渣及组织致密性较差等铸造不良现象；在优选实施例中，铝含量为0.5至0.8重量％。

在本发明的易切削黄铜中，添加锡元素溶入铜基固溶体中，起固溶强化作用，并提高抗海水腐蚀的能力。但是随着含锡量的增加至超过2.0重量％，合金中会出现脆性r相不利于合金的塑性变形，且无法得到与添加量相等的抗腐蚀效果改善，且为顾及铸造、机械加工及抛光总合格率，在优选实施例中，锡含量0.7至1.0重量％，具有较高的塑性，能得到良好的成型效果。

在本发明的易切削黄铜中，添加镍元素，使铜液结晶时晶粒细小，同时镍元素净化了铜的基体和晶界，可提高黄铜合金铸件的力学性能；在黄铜合金中的镍为高熔点元素，需严格控制其含量，避免与其它金属元素形成硬脆的高熔点金属间化合物，影响合金的热加工性能，而得不到有效金属补缩而产生缩孔、裂纹等缺陷。在优选实施例中，镍含量0.05至0.4重量％，适量的镍能细化材料晶粒，增加材料韧性。

在本发明的易切削的黄铜合金中，铅含量为0.2重量％以下。含适量铅元素有助增加合金切削润滑及断削性，但铅对人体危害较大毒性，所述易切削的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。在本发明中，铅含量以0.08至0.18重量％为佳。

本发明的易切削的黄铜合金还包含选自锰、铬及铁中的一种或多种元素，且所述元素的总含量为0.01至0.5重量％。

在一实施例中，选择添加锰，且锰含量为0.01至0.25重量％，适量添加锰元素，并与硅元素共同添加可形成极小的MnSi或Mn₅Si₃析出颗粒，其硬度高，分布均匀，此一硬质点分布于软基材的组织，有助于提升材料切削性。

在另一实施例中，选择添加铬，且铬含量为0.01至0.1重量％，适量添加微量铬元素，由于铬不固溶于基体中，通过颗粒状分布而提高切削断削性，与硅共同添加产生加乘效果而进一步提高被切削性。

在又一实施例中，选择添加铁，且铁含量为0.01至0.15重量％，适量添加铁元素能细化黄铜材料晶粒，固化基体结构，抑制合金裂纹成长，但添加量过多会降低材料的塑性加工性能；硅元素与铁元素共同添加，可维持材料韧性。

本发明的易切削的黄铜合金还包含选自锑、磷、镁中的一种或多种元素，且所述元素的总含量为0.01至0.1重量％。

在一优选实施例中，选择添加锑，且锑含量为0.01至0.03重量％，添加锑元素，与铜形成脆性粒状的介金属化合物，有助增加断削功能，使切屑能很快断裂，减小切屑的尺寸，与硅共同添加产生加乘效果而进一步提高被切削性。

又另一优选实施例中，选择添加磷，且磷含量为0.01至0.04重量％，磷元素会提高合金的流动性，有助降低铸造缩孔缺陷；而磷元素与铜及锌产生介金属化合物，此化合物均匀分布在基材内，脆而不硬，可有效改善材料的切削性能。

在又一优选实施例中，选择添加镁，且镁含量为0.01至0.03重量％，镁元素有限固溶于α和β相，以脆性含镁金属间化合物分布与晶内和晶界，弥散分布于铜合金，可改善黄铜的切削性，与硅共同添加产生加乘效果而进一步提高被切削性。

镁、锑元素单独存在在黄铜内无法有效阻止脱锌，添加少量的锡、铝元素由于在表面形成氧化物保护膜，即可显著提升其抗蚀性能。

本发明的易切削的黄铜合金还可包含选自铈、硼、锆中的一种或多种元素，且所述元素的总含量为0.001至0.1重量％。

又另一优选实施例中，选择添加铈，且铈含量为0.001至0.03重量％，铈元素有助细化晶粒，强化合金基体，从而提高合金性能，合金中添加铈元素在合金表面生成钝化膜，有助提高合金耐蚀性。

在又一优选实施例中，选择添加硼或锆元素有助消除粗大的柱状晶，使黄铜晶粒细化，让锌经由晶界扩散的通道受阻；除此之外，硼元素还可填充黄铜中的双空位点，减缓锌的溶解，因而更加强化其抗蚀效果；锆元素可和铜形成介金属化合物(Cu₅Zr、Cu₈Zr₃、Cu₅₁Zr₁₄)，经过固溶处理后，其化合物主要分布于晶粒内，可提高合金强度，同时仍保有高的导电率；该硼含量为0.001至0.04重量％，该锆含量为0.001至0.03重量％。

而该合金中也可能具有杂质，这种不可避免的杂质含量为0.2重量％以下。

因此，为满足降低人体健康损坏、环保及提高设备使用寿命需求，本发明研究以硅和选自锰、铁和铬中的元素代替铅元素制成易切削黄铜材料，加入铝、镍、铁元素固化合金基体结构，并通过锡、铝元素改善黄铜合金的腐蚀性能。

附图说明

图1A为本发明易切削的黄铜合金试片的金相组织分布图；

图1B为含硅无铅铜试片(C89841)的金相组织分布图；以及

图1C为59铅黄铜(C85700)试片的金相组织分布图。

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，否则该易切削的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。

另外，本发明的易切削的黄铜合金配方是指符合美国Califomia BillAB1953无铅法案的规定。用于卫浴产品中与水接触零件的制造材料，其含铅量必须小于0.25重量％，以及美国NSF 61新增规定的卫浴产品单产品铅渗出量小于5ppb，有利于制造水龙头及卫浴零组件、自来水管线、供水系统等。

依据本发明人的研究，本发明的易切削的黄铜合金中搭配特定含量的硅、铝、锡、镍、铅即可达到公知含铅黄铜所具备的材料特性。具体而言，该易切削的黄铜合金含有0.5至1.5重量％的硅(Si)、0.7至2.0重量％的锡(Sn)、0.4至0.8重量％的铝(Al)、0.05至0.6重量％的镍(Ni)、0.05至0.2重量％的铅(Pb)；

选自锰、铬及铁中的一种或多种元素，且所述元素的总含量为0.01至0.5重量％。

依据此种易切削的黄铜合金材料，较不易产生裂纹或夹杂等产品缺陷。此外，据此而得的本发明黄铜合金配方有效降低易切削的黄铜合金的生产成本，对于商业量产及应用上极具优势。

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易切削的黄铜合金的成分，是如下所述，其中，各成分的比例以合金总重为基准：

实施例1：

Cu：59.62重量％	Si：1.417重量％
		Sn：1.608重量％	Al：0.471重量％
Ni：0.442重量％	Pb：0.093重量％
		Mn：0.127重量％	Zn：余量及杂质。

实施例2：

实施例3：

Cu：64.35重量％	Si：0.792重量％
		Sn：0.754重量％	Al：0.728重量％
Ni：0.15重量％	Pb：0.179重量％
		Mn：0.092重量％	Cr：0.015重量％
Fe：0.074重量％	Zn：余量及杂质。

实施例4：

Cu：63.78重量％	Si：1.096重量％
		Sn：0.805重量％	Al：0.762重量％
Ni：0.18重量％	Pb：0.165重量％
		Mn：0.236重量％	Cr：0.035重量％
Fe：0.027重量％	Sb：0.0205重量％
		P：0.0387重量％	Zn：余量及杂质。

实施例5：

此外，另以公知含硅无铅铜(C89841)及公知59铅黄铜(C85700)作为比较例，并与下述相同的制程制备对象。

试验例1：

表1是产品试作统计表，其是在相同制程及相同操作条件下，分别以本发明的易切削黄铜(实施例1至5)、含硅无铅铜(比较例1至2)及59铅黄铜(比较例3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为：

铸造制程合格率＝合格品数/投入产品数×100％

铸造制程的合格率是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。

用于制备各合金的成分、加工特性及生产总合格率如表1所示。

表1、生产总合格率统计

由表1可知，本发明的易切削的黄铜合金的试作组的合格率可达80％以上，且具有优良的抗脱锌效能，故具竞争优势；材料流动性接近传统的59铅黄铜，故不易产生裂纹等缺陷，使材料完全可以满足生产的需求；而本发明的易切削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，在兼顾材料特性的同时还可达到到环保的要求。

试验例2：

使用光学金相显微镜检视本发明的易切削的黄铜合金(实施例2)、含硅无铅铜(C89841)(比较例1)、59铅黄铜(C85700黄铜)(比较例4)的试片的组织分布，其为放大100倍的结果如图1A至1C所示。

实施例2的合金主要成分的实测值为：Cu：61.28重量％、Si：1.182重量％、Sn：0.921重量％、Al：0.754重量％、Ni：0.22重量％、Pb：0.152重量％、Mn：0.142重量％、Cr：0.011重量％、Zn：余量。

如图1A至1C所示，含硅无铅铜(C89841)(比较例1)金相的α相晶粒组织较粗大，晶粒尺寸约80μm，显示材料具良好延性，以致材料的切削断屑性稍差；59铅黄铜(C85700)(比较例4)的金相呈现α+β两相的树枝状晶相组织，铅元素以点状弥散分布于晶界及晶内，铅颗粒易于使切屑碎裂成细小片状，使合金具优良切削性能。

本发明易切削黄铜金相的α相晶粒组织较细小，晶粒尺寸约20μm；合金中Si元素与Cu形成介金属化合物，弥散分布于铜合金，增加合金脆性硬质点，有助增加断削功能，减少切削尺寸；合金中Cr元素不固溶于基体中，通过颗粒状分布而提高切削断屑性，与硅共同添加产生加乘效果而进一步提高被切削性，致使材料具有良好机械性能。

试验例3：

将本发明的易切削的黄铜合金(实施例4)、含硅无铅铜(C89841)(比较例2)、59铅黄铜(C85700黄铜)(比较例5)的黄铜合金进行车削测试，设定参数使用610rpm、进刀量3mm、进给量0.2mm/rpm，观察其切削形貌。

测量该市售含硅无铅铜的车屑长度约落于10mm，呈长片状；59铅黄铜(C85700黄铜)车屑长度约2mm，切屑尺寸细小，虽具有良好加工性能，但含铅量不符合国际环保法规，对人体健康有害。相对地，本发明的易切削的黄铜合金车屑长度约5mm，呈现短片状，有助减少因粘着磨损造成刀具寿命的磨损，表示材料具有良好机械加工性能。

试验例4：

将本发明的易切削的黄铜合金(实施例2)、含硅无铅铜(C89841)(比较例1)、59铅黄铜(C85700黄铜)(比较例4)的黄铜合金使用切削动力计，进行铣削3轴切削动力量测，设定参数使用2000rpm、进刀量2、3、4mm、进给量300mm/min，观察所需的切削动力能(N)；，结果如下表2所示。

如表2所示本发明的易切削的黄铜合金所需的切削动力小于市售含硅无铅铜，且本发明的易切削的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。

试验例5：

本试验例是依照ISO6998-1998《金属材料室温拉伸实验》标准测试比较例1、4及实施例3的机械性能，结果如下表3所示。

表3、机械性能测试

从表3可知，本发明的易切削黄铜的抗拉强度和伸长率与公知59铅黄铜(C85700黄铜)(比较例4)相当，表示本发明的易切削的黄铜合金具备相当于59铅黄铜的机械性能；铅元素低0.25重量％，符合环保要求，确实可以取代59铅黄铜而用于制造产品。

试验例6：

依照NSF 61-2007a SPAC单产品金属允许析出量标准测试表列比较例及实施例在与水接触的环境中，黄铜合金的金属析出量，结果如下表4所示：

表4、NSF 61-2007a SPAC单产品金属析出测试

如表4所示，本发明的易切削黄铜的各金属元素的析出量都低于上限标准值，符合NSF 61-2007a SPAC的要求。比较例4的材料在未经洗铅处理时，铅含量都大幅超过标准值，而实施例3及实施例4无须经洗铅处理即符合标准，且本发明的易切削的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(C85700黄铜)(比较例4)，更符合环保，且有利于人体健康。

试验例7：

将本发明的易切削的黄铜合金(实施例1)、含硅无铅铜(C89841)(比较例2)、59铅黄铜(C85700黄铜)(比较例3)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AS 2345-2006《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％(m/m)的CuCl₂水溶液，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。

实施例1的本发明易切削的黄铜合金的平均脱锌深度为82μm；比较例2的含硅无铅铜(C89841)合金的平均脱锌深度为34μm；比较例3的59铅黄铜(C85700黄铜)的平均脱锌深度为337μm。

上述结果显示，本发明的易切削的黄铜合金，可改善黄铜脱锌腐蚀现象，大幅提高黄铜制品的使用寿命，且铸造性能及加工方面的韧性、切削性都可达到铅黄铜所具备的材料特性，不易产生裂纹或夹杂等缺陷，以利于合金材料应用于后续制程。此外，本发明黄铜合金的材料成本相对于含硅无铅铜(C89841)更具优势。

上述实施例仅例示性说明本发明的易切削的黄铜合金，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述权利要求书的范围所载。

Claims

1.一种易切削的黄铜合金，包含：

0.5至1.5重量％的硅；

0.7至2.0重量％的锡；

0.4至0.8重量％的铝；

0.05至0.6重量％的镍；

0.05至0.2重量％的铅；

选自锰、铬和铁中的一种或多种元素，且所述元素的总含量为0.01至0.5重量％；以及

93.5重量％以上的铜和锌，其中，该黄铜合金的铜含量为58至65重量％。

2.如权利要求1所述的易切削的黄铜合金，其中，铜含量为60至65重量％。

3.如权利要求1所述的易切削的黄铜合金，其中，硅含量为0.5至1.2重量％。

4.如权利要求1所述的易切削的黄铜合金，其中，铝含量为0.5至0.8重量％。

5.如权利要求1所述的易切削的黄铜合金，其中，锡含量为0.7至1.0重量％。

6.如权利要求1所述的易切削的黄铜合金，其中，镍含量为0.05至0.4重量％。

7.如权利要求1所述的易切削的黄铜合金，其中，铅含量为0.08至0.18重量％。

8.如权利要求1所述的易切削的黄铜合金，其中，锰含量为0.01至0.25重量％。

9.如权利要求1所述的易切削的黄铜合金，其中，铬含量为0.01至0.1重量％。

10.如权利要求1所述的易切削的黄铜合金，其中，铁含量为0.01至0.15重量％。

11.如权利要求1所述的易切削的黄铜合金，还包含选自锑、磷、镁中的一种或多种元素，且所述元素的总含量为0.01至0.1重量％。

12.如权利要求11所述的易切削的黄铜合金，其中，锑含量为0.01至0.03重量％。

13.如权利要求11所述的易切削的黄铜合金，其中，磷含量为0.01至0.04重量％。

14.如权利要求11所述的易切削的黄铜合金，其中，镁含量为0.01至0.03重量％。

15.如权利要求1所述的易切削的黄铜合金，还包含选自铈、硼、锆中的一种或多种元素，且所述元素的总含量为0.001至0.1重量％。

16.如权利要求15所述的易切削的黄铜合金，其中，铈含量为0.001至0.03重量％。

17.如权利要求15所述的易切削的黄铜合金，其中，硼含量为0.001至0.04重量％。

18.如权利要求15所述的易切削的黄铜合金，其中，锆含量为0.001至0.03重量％。