CN104726743B - 黄铜合金及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种黄铜合金及其制造方法，以其总重为100wt%计算，该黄铜合金包括以下成分：60～65wt%的铜、0.1～0.35wt%的铋、0.15～0.5wt%的锑、平衡量的锌，以及杂质。本发明可提供一种抗脱锌性佳，并且不含铅的黄铜合金。

Description

黄铜合金及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种黄铜合金，特别是有关于一种无铅易切削抗脱锌的黄铜合金。

背景技术

一般作为加工用的黄铜，会添加锌金属的比例为38至42%。为了让黄铜更好加工，黄铜里面通常有2～3％的铅以增加强度与加工性。含铅黄铜具有优良成形性(容易制作各种形状产品)、切削性和耐磨耗性被广泛应用于各种形状的机械加工零件，在铜行业中占有较大的比例，是世界上公认的重要基础材料。但是，含铅黄铜在生产或使用过程中，容易发生铅以固态或气态的形式溶出，医学研究指出，铅对人体造血和神经系统特别是儿童的肾脏及其它器官的损害较大。世界各国均很重视铅造成的污染和引起的危害，美国国家卫生基金会（National Sanitation Foundation，NSF），日本工业规格（Japanese IndustrialStandards，JIS），德国标准化学会（Deutsches Institut für Normung e.V.，DIN）及欧盟的危害性物质限制指令（Restriction of Hazardous Substances Directive，RoHS）等都相继规定，限制和禁止含铅黄铜的使用。

另外，当黄铜中的锌含量超过20wt%时，易发生脱锌(dezincification)的腐蚀现象，特别是当该黄铜接触高氯离子的环境，例如海水环境时，会加速脱锌腐蚀现象的发生。由于脱锌作用会严重破坏黄铜合金的结构，使黄铜制品的表层强度降低，甚或导致黄铜管穿孔，大幅缩短黄铜制品的使用寿命，并造成应用上的问题。

因此，便有需要提供一种可替代含铅黄铜，并可达到抗脱锌腐蚀，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，以解决前述的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗脱锌性佳，并且不含铅的黄铜合金。

为达成上述目的，本发明提供一种黄铜合金，以其总重为100wt%计算，该黄铜合金包括以下成分：60～65wt%的铜、0.1～0.35wt%的铋、0.15～0.5wt%的锑、平衡量的锌，以及杂质。

其中，更包括选自铝、锡、磷、锰、硼中的一种或一种以上的混合物，且所选的混合物的总含量占该黄铜合金的0.2～2wt%。

其中，该杂质的总含量为0.1wt%以下的镍、0.1wt%以下的铬或0.1wt%以下的铁。

为达成上述目的，本发明再提供一种黄铜合金的制造方法，包括下列步骤：提供铜及锰；对该铜及该锰进行升温，并升温至摄氏1100度～摄氏1150度之间，使铜及锰形成一铜锰合金熔液；降低该铜锰合金熔液的温度至摄氏950度～摄氏1000度之间；覆盖一稻壳灰烬于该铜锰合金熔液的表面；添加锌至该铜锰合金熔液内，而形成一铜锰锌熔液；对该铜锰锌熔液进行除渣；添加锑、铋、铝或锡至铜锰锌熔液内，而形成一金属熔液；升高该金属熔液的温度至摄氏1000度～摄氏1050度之间，并添加铜硼合金及磷铜合金，而形成一黄铜合金溶液；以及将该黄铜合金溶液出炉铸造而形成该黄铜合金。

其中，对该铜锰锌熔液进行除渣的步骤更包括利用除渣剂进行除渣。

其中，对该铜及该锰进行升温，并升温至摄氏1100度～摄氏1150度之间的动作维持30分钟。

其中，该黄铜合金，以其总重为100wt%计算，该黄铜合金包括以下成分：60～65wt%的该铜、0.1～0.35wt%的该铋、0.15～0.5wt%的该锑、平衡量的该锌以及杂质。

其中，该黄铜合金的铝、锡、磷、锰及硼的总含量占该黄铜合金的0.2～2wt%。

其中，提供铜锰合金作为提供该铜及该锰的材料。

为达成上述目的，本发明再提供一种黄铜合金，以其总重为100wt%计算，该黄铜合金由60～65wt%的铜、0.1～0.35wt%的铋、0.15～0.5wt%的锑、选自铝、锡、磷、锰及硼中的一种或一种以上的混合物，且所选的混合物的总含量占该黄铜合金的0.2～2wt%，平衡量的锌，以及杂质所组成。

为达成上述目的，本发明再提供一种黄铜合金，以其总重为100wt%计算，该黄铜合金由61.5-62.5wt%的铜、0.15-0.3wt%的铋、0.25-0.35wt%的锑、0.15-0.25wt%的铝、0.2-0.4wt%的锰、0.5-0.6wt%的锡、0.15-0.2wt%的磷、0.002-0.005wt%的硼、平衡量的锌，以及杂质所组成。

本发明中所述的黄铜合金，经由各种不同金属依一定比例添加后，再经高周波熔解炉而制造出与现有含铅黄铜相当的机械加工性能，以及良好的抗拉强度、伸长率、抗脱锌性佳，并且不含铅，适合作为取代现有含铅黄铜的合金材料而用于制造产品，例如水龙头或卫浴用品的零配件。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的一实施例的黄铜合金的制造方法流程图。

其中，附图标记：

S100～S116 步骤

具体实施方式

根据本发明的一实施例的黄铜合金的制造方法，可使该黄铜合金具有与现有含铅黄铜相当的机械加工性能，良好的抗拉强度及伸长率，抗脱锌性佳，且完全无铅含量，极适合作为取代现有含铅黄铜的合金材料而用于制造产品。以其总重为100wt%计算，该黄铜合金包括以下成分：60～65wt%的铜、0.1～0.35wt%的铋、0.15～0.5wt%的锑、平衡量的锌，以及杂质。平衡量的锌是指黄铜合金以100w%计算，然后减去铜的重量百分比、铋的的重量百分比、锑的重量百分比以及杂质的重量百分比，所得到的锌的重量百分比。该黄铜合金还可包括选自铝、锡、磷、锰及硼中的一种或一种以上的混合物，且所选的混合物的总含量占该黄铜合金的0.2～2wt%。另外在生产制造时，会因材料本身的纯度，而将杂质带入黄铜合金内，该杂质的总含量可为0.1wt%以下的镍、0.1wt%以下的铬或0.1wt%以下的铁。

较佳地，本发明的黄铜合金，其成分只由60～65wt%的铜、0.1～0.35wt%的铋、0.15～0.5wt%的锑、平衡量的锌，以及杂质所组成。

在另一实施例中，本发明的黄铜合金，其成分只由60～65wt%的铜、0.1～0.35wt%的铋、0.15～0.5wt%的锑、选自铝、锡、磷、锰及硼中的一种或一种以上的混合物，且所选的混合物的总含量占该黄铜合金的0.2～2wt%、平衡量的锌，以及杂质所组成。

在另一实施例中，本发明的黄铜合金，其为61.5-62.5wt%的铜、0.15-0.3wt%的铋、0.25-0.35wt%的锑、0.15-0.25wt%的铝、0.2-0.4wt%的锰、0.5-0.6wt%的锡、0.15-0.2wt%的磷、0.002-0.005wt%的硼、平衡量的锌，以及杂质所组成。

本发明的黄铜合金金相组织主要包含α相、β相，及分布在晶界或晶粒内软而脆的金属间化合物，其中铜、锌为构成6/4黄铜的主要元素，而添加铋可取代铅成为组织中切削断点。但铋含量过高则锻造时容易产生热裂，故在减少其含量情况下，部份使用锑及磷可与铜产生金属间化合物，来增加切削性，也有助于抗脱锌性。而添加铝、锡、锰等元素亦有助于抗脱锌性及铸造流动性，添加硼具有细化晶粒作用，可分散金属间化合物分布，增加抗脱锌性及机械性质。

图1为本发明的一实施例的黄铜合金的制造方法流程图。黄铜合金的制造方法，包括下列步骤：

步骤S100：提供铜及锰。在本步骤中，可提供铜锰合金作为提供该铜及锰的材料。

步骤S102：对铜及锰进行升温，并升温至摄氏1100度～摄氏1150度之间，使铜及锰形成一铜锰合金熔液。在本步骤中，可将该铜锰合金加入高周波熔解炉，并在熔解炉内进行熔解升温，并升温至摄氏1100度～摄氏1150度之间，其动作维持30分钟，使铜锰合金熔解成一铜锰合金熔液。上述的动作可避免因温度太高而使铜、锰熔解的液体吸收大量的外界气体，导致成型的合金材料产生裂化作用。

该高周波熔解炉具有熔解速率快、升温度高、洁净无污染及熔解可自行搅拌（即受磁力线影响）等特性，且该高周波熔解炉内并以碳化硅石墨坩锅为炉衬，以做为导磁之用。

步骤S104：降低铜锰合金熔液的温度至摄氏950度～摄氏1000度之间。在本步骤中，当熔解炉内升温至摄氏1100度～摄氏1150度之间，并维持30分钟时，关闭高周波熔解炉的电源，使熔解炉内的温度下降至摄氏950度～摄氏1000度，同时该铜锰合金熔液还持熔融状态。

步骤S106：覆盖稻壳灰烬于铜锰合金熔液的表面。在本步骤中，将稻壳灰烬覆盖于摄氏950度～摄氏1000度的铜锰合金熔液的表面，此动作可有效阻隔液体与空气接触并防止之后所要添加的锌在摄氏950度～摄氏1000度之间的高温熔解而产生沸腾挥发。

步骤S108：添加锌至铜锰合金熔液内，而形成一铜锰锌熔液。在本步骤中，添加锌至熔解炉内，并使沉入铜锰合金熔液，使锌与铜锰合金熔液相互溶解，而形成一铜锰锌熔液。

步骤S110：对铜锰锌熔液进行除渣。在本步骤中，可先将铜锰锌熔液借碳化硅石墨坩锅炉衬的导磁作用予以搅拌混合后，再将稻壳灰烬捞起。然后再使用除渣剂进行除渣动作。

步骤S112：添加锑、铋、铝或锡至铜锰锌熔液内，而形成一金属熔液。在本步骤中，可添加纯锑金属、纯铋金属、纯铝金属或纯锡金属至铜锰锌熔液内。

步骤S114：升高金属熔液的温度至摄氏1000度～摄氏1050度之间，并添加铜硼合金及磷铜合金，而形成黄铜合金溶液。在本步骤中，添加铜硼合金及磷铜合金至金属熔液内。

步骤S116：将黄铜合金溶液出炉铸造而形成黄铜合金。在本步骤中，均匀搅拌该黄铜合金溶液后，再将出炉温度控制在摄氏1030度～摄氏1050度之间，最后再将该黄铜合金溶液出炉铸造出无铅、加工性能良好、耐脱锌且机械性能均佳的黄铜合金。

本发明的材料成分配比实测如下，单位为重量百分比(wt%)：

	铜(Cu)	锌(Zn)	铋(Bi)	锑(Sb)	锰(Mn)	铝(Al)	锡(Sn)	磷(P)	硼(B)
										实测1(T1)	56.14	41.54	0.006	0.492	0.4163	0.494	0.783	0.122	0.0013
实测2(T2)	56.01	41.5	0.002	0.513	0.4667	0.5604	0.820	0.121	0.0011
										实测3(T3)	56.88	40.02	0.440	0.536	0.548	0.584	0.856	0.131	0.0012
实测4(T4)	58.68	38.52	0.3092	0.4114	0.7219	0.2188	0.9789	0.1585	0.0007
										实测5(T5)	60.5	38.03	0.3121	0.2223	0.085	0.173	0.5921	0.083	0.001

抗脱锌实验结果如下：

抗脱锌腐蚀性能测试为按照AS-2345-2006规范进行(AS-2345-2006为澳大利亚政府规定的测试法规)，以1000C.C去离子水加入12.8克氯化铜，并将实测1～5放置其中，时间为24h，以测得脱锌深度。由上述的材料成分配比及抗脱锌实验结果可知，当铜金属的重量百分比大于60时，平均脱锌深度会大幅的降低，特别是当铜金属的比重为60.5wt%时，平均脱锌深度降至80微米。从上述实验得知铜含量需60%以上再添加少量抗脱锌合金元素才能得到100微米以下的脱锌深度。

然后再规画7组实验，每一组黄铜合金的铜金属的比重皆大于或等于60.5wt%，以进行抗拉强度、延伸率、脱锌深度及相对切削率的测试。

材料成分配比实测如下，单位为重量百分比(wt%)：

材料编号	铜(Cu)	锌(Zn)	铋(Bi)	锑(Sb)	锰(Mn)	铝(Al)	锡(Sn)	磷(P)	硼(B)
										1	60.50	38.03	0.3121	0.2223	0.085	0.173	0.5921	0.083	0.001
2	63.47	35.16	0.2	0.31	0.140	0.126	0.325	0.052	0.0026
										3	62.27	35.19	0.2	0.313	0.572	0.348	0.686	0.05	0.003
4	61.73	37.36	0.137	0.27	0.192	0.018	0.059	0.194	0.0013
										5	61.49	37.164	0.273	0.188	0.053	0.138	0.616	0.076	0.0019
6	64.03	34.45	0.186	0.3	0.067	0.128	0.677	0.104	0.0047
										7	63.79	35.0	0.262	0.309	0.087	0.053	0.337	0.103	0.0047

对上述材料编号1～7进行抗拉强度、延伸率、切削性能及抗脱锌腐蚀性能测试，其试样为铸态。

抗拉强度及延伸率的测试，以铸态的形式在室温下进行拉伸测试，对比试样为同状态同规格的含铅黄黄铜，即C36000合金。

在切削性能测试中为采用相同的刀具，相同切削速度和相同进刀量，切削速度为25m/min(米/分钟)，进刀量为0.2mm/r(毫米/每刀刃数)，切削深度0.5mm，试棒直径为20mm，并以C36000合金材料为基准，经由量测切削阻力求得相对切削率。

相对切削率＝C36000合金材料的切削阻力/试样切削阻力。

抗脱锌腐蚀性能测试为按照AS-2345-2006规范进行，以1000C.C去离子水加入12.8克氯化铜，并将材料编号1～7及C36000合金材料放置其中，时间为24h，以测得抗脱锌性。

C36000合金材料成分配比实测如下，单位为重量百分比(wt%)：

抗拉强度、延伸率、切削性能及抗脱锌腐蚀性能实验结果如下：

在上表中，脱锌层：◎代表脱锌深度小于100μm；○代表脱锌深度介于100μm及200μm之间；以及ㄨ代表脱锌深度大于200μm。

在上表中，相对切削率：◎代表相对切削率大于85％；○代表相对切削率大于70％。

由上表可知，当铜金属的比重为60.05～64.03wt%时，再添加其它金属(如铋及锑)时，可得到与C36000合金相当切削性及较小的脱锌深度。

由上述可知，经由各种不同金属依一定比例添加后，再经高周波熔解炉而制造出与现有含铅黄铜相当的机械加工性能，以及良好的抗拉强度、伸长率、抗脱锌性佳、易切削，并且不含铅，适合作为取代现有含铅黄铜的合金材料而用于制造产品，例如水龙头或卫浴用品的零配件。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种黄铜合金的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：

提供铜及锰；

对该铜及该锰进行升温，并升温至摄氏1100度～摄氏1150度之间，使该铜及该锰形成一铜锰合金熔液；

降低该铜锰合金熔液的温度至摄氏950度～摄氏1000度之间；

覆盖一稻壳灰烬于该铜锰合金熔液的表面；

添加锌至该铜锰合金熔液内，而形成一铜锰锌熔液；

对该铜锰锌熔液进行除渣；

添加锑、铋、铝或锡至铜锰锌熔液内，而形成一金属熔液；

升高该金属熔液的温度至摄氏1000度～摄氏1050度之间，并添加铜硼合金及磷铜合金，而形成一黄铜合金溶液；以及

将该黄铜合金溶液出炉铸造而形成该黄铜合金；

其中，该黄铜合金，以其总重为100wt％计算，该黄铜合金包括以下成分：60～65wt％的该铜、0.1～0.35wt％的该铋、0.15～0.5wt％的该锑、平衡量的该锌以及杂质。

2.根据权利要求1所述的黄铜合金的制造方法，其特征在于，对该铜锰锌熔液进行除渣的步骤更包括利用除渣剂进行除渣。

3.根据权利要求1所述的黄铜合金的制造方法，其特征在于，对该铜及该锰进行升温，并升温至摄氏1100度～摄氏1150度之间的动作维持30分钟。

4.根据权利要求1所述的黄铜合金的制造方法，其特征在于，该黄铜合金的铝、锡、磷、锰及硼的总含量占该黄铜合金的0.2～2wt％。

5.根据权利要求1所述的黄铜合金的制造方法，其特征在于，提供铜锰合金作为提供该铜及该锰的材料。