TWI398532B - Lead-free brass alloy - Google Patents

Description

無鉛黃銅合金

本發明係關於一種黃銅合金，特別是有關於一種鉛含量低於0.25重量%之無鉛黃銅合金。

黃銅之主要成份為銅與鋅，兩者之比例通常為約7：3或6：4，此外通常包含少量雜質。為了改善黃銅性質，習知的黃銅中常含有1至3重量%之鉛，以達到產業所欲之機械特性，並因此成為工業上重要材料，廣泛應用於管線、水龍頭、供水/排水系統之金屬裝置或金屬閥等製品。

然而，隨著環保意識抬頭，重金屬對於人體健康的影響及對環境污染的問題逐漸受到重視，因此，限制含鉛合金的使用已為目前的趨勢。日本、美國等國陸續修訂相關法規，極力推動降低環境中的含鉛量，涵蓋用於家電、汽車、水週邊產品之含鉛合金材料，特別要求鉛不可從該產品中溶出至飲用水，且在加工製程中必須避免鉛污染。

另一方面，當黃銅中的鋅含量超過20重量%時易發生脫鋅(dezincification)之腐蝕現象，特別是當黃銅接觸高氯離子的環境，例如海水環境時，會加速脫鋅腐蝕現象的發生。由於脫鋅作用會嚴重破壞黃銅合金之結構，使黃銅製品的表層強度降低，甚或導致黃銅管穿孔，大幅縮短黃銅製品的使用壽命，並造成應用上的問題。

為了克服上述高含鉛量及脫鋅等問題，業界持續開發新的銅合金配方，除了銅及鋅之必要成分外，例如台灣專利TW 421674、美國專利US 7,354,489、US 2007-0062615、US 2006-0078458、US 2004-023441、及US 2002-069942等教示添加矽(Si)及其他元素之無鉛銅合金配方，但上述合金仍存有切削性不佳之缺點。中國專利CN 10144045揭示以鋁、矽、磷為主要合金元素之無鉛銅合金配方，該種合金雖然可用於鑄造，但存有切削性差之缺點，且加工效率遠低於含鉛黃銅，不適於大批量產。中國專利CN 101285138及CN 101285137亦揭示添加磷之無鉛銅合金配方，但該種合金用於鑄造則容易產生裂紋、夾渣等缺陷。

另一方面，美國專利US 7,297,215、US 6,974,509、US 6,955,378、US 6,149,739、US 5,942,056、US 5,653,827、US 5,487,867、US 5,330,712、US 2006-0005901、US 2004-0094243、US 5,637,160、US 2007-0039667等揭示添加鉍(Bi)之黃銅合金，上述合金配方中的鉍含量約介於0.5重量%至7重量%之範圍，然而合金中含有高量的鉍容易使鑄件表面產生裂紋、夾渣等缺陷，且成本過高，不利於商業化。中國專利CN 101403056揭露包含鉍及錳之無鉛黃銅合金，惟該種合金仍存有鉍含量過高之缺點，然若降低鉍含量，增加錳含量，則會增加硬度，不易斷屑，且切削性差。此外，上述黃銅合金配方仍存在有鑄造性能差、材料脆化等缺點。中國專利CN 101440445揭露包含鉍及鋅之無鉛易切削鋁黃銅合金，該種合金中含有相當比例之錫成分，雖能改善無鉛黃銅之切削性，但仍存有硬度大、不利加工之缺點。

因此，仍需要一種可替代含鉛黃銅，具有較佳抗腐蝕性， 且兼顧鑄造性能、切削性、耐腐蝕性、與機械性質之合金配方。

為達上述及其他目的，本發明提供一種無鉛黃銅合金，包括：0.3至0.8重量%之鋁；0.01至0.4重量%之鉍；0.05至1.5重量%之鐵；以及96重量%以上之銅與鋅；其中，該無鉛黃銅合金之銅含量係58至75重量%。本發明之無鉛黃銅合金符合鉛含量低於0.25重量%之無鉛合金環保法規標準，藉由在該無鉛合金中添加鐵成分以及減少合金中的鉍含量，不但能夠降低生產成本，更可以減少鑄件裂紋、夾渣等缺點，同時兼具有優異之鑄造生產性、機械強度、加工性、與耐腐蝕性，能有效提高產品之產率與良率。

本發明另提供一種無鉛黃銅合金，包括：0.3至0.8重量%之鋁；0.01至0.4重量%之鉍；0.05至1.5重量%之鐵；0.05至0.3重量%之錳；以及96重量%以上之銅與鋅；其中，該無鉛黃銅合金之銅含量係58至75重量%。該無鉛黃銅合金符合鉛含量低於0.25重量%之無鉛合金環保法規標準，藉由在該無鉛合金中添加鐵與錳成分以及減少合金中的鉍含量，不但能夠降低生產成本，減少鑄件裂紋、夾渣等缺點，且能提高黃銅材料之機械性能及對海水之耐腐蝕性，可使材料具有堅硬特性，同時兼具有一定程度之韌性，更兼具有優異之鑄造生產性、機械強度、加工性、與耐腐蝕性，能有效提高產品之產率與良率。

本發明又提供一種無鉛黃銅合金，包括：0.3至0.8重量% 之鋁；0.01至0.4重量%之鉍；0.05至1.5重量%之鐵；0.05至0.3重量%之錳；0.05至0.3重量%之鎳；以及96重量%以上之銅與鋅；其中，該無鉛黃銅合金之銅含量係58至75重量%。該無鉛黃銅合金符合鉛含量低於0.25重量%之無鉛合金環保法規標準，藉由在該無鉛合金中添加鐵、錳與鎳成分以及減少合金中的鉍含量，不但能夠降低生產成本，減少鑄件裂紋、夾渣等缺點，且能細化黃銅合金晶粒、提高黃銅材料之機械強度及對海水之耐腐蝕性，更兼具有優異之鑄造生產性、機械強度、加工性、與耐腐蝕性，能有效提高產品之產率與良率。

以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容瞭解本發明之其他優點與功效。

於本說明書中，除非另有說明，該無鉛黃銅合金所包含之成分皆以該合金總重量為基準，並以重量百分比(wt%)表示。

本發明之無鉛黃銅合金中，銅與鋅之含量係占合金總重之96重量%以上，其中，該銅係占合金總重之58至75重量%，較佳係占合金總重之60.5至63重量%，以提供良好之韌性，俾利合金材料之後續加工。

本發明之無鉛黃銅合金中，鋁之含量係占合金總重之0.3至0.8重量%，較佳係占合金總重之0.5至0.65重量%。於黃銅合金中添加特定量之鋁，不但可以增加銅水之流動性，亦可 同時改善合金材料之鑄造性能。

一般而言，為了使黃銅合金符合鉛環保法規標準，必須降低合金中的鉛含量，但為維持黃銅合金之易切削性能，同時兼顧對於人體與環境無害之無毒性需求，常在合金中添加鉍，代替合金中的鉛元素。通常在合金中添加0.5至7重量%之鉍，可使低鉛或無鉛合金達到鉛黃銅，如H59鉛黃銅合金(美國牌號為C85710)之切削性等材料特性。

在黃銅合金中，鉍元素所形成之薄膜會存在於(α+β)雙相黃銅之α和β的相界上，造成晶界之結合力減弱。經實驗證實，在黃銅合金中，顆粒狀的鉍會隨著提高鉍的添加量而增加，使得黃銅合金材料的塑性與延伸率降低，在拉伸測試時容易發生斷裂的情況。另一方面，在合金中增加鉍的添加量，會使得顆粒狀的鉍在基體中的數量增加，而這種彌散分佈的顆粒會強化基體，導致合金硬度升高。在無鉛黃銅合金中添加鉍，雖然可以改善基體的切削性能，但提高合金中的鉍含量會增加合金機械強度之潰散，亦提高了合金熱脆性、冷脆性之發生機率，在鑄造時易出現較多的裂紋，降低了鑄造良品率，因而無法達到生產過程之要求。另一方面，根據實驗結果顯示，即使將黃銅合金中的鉍含量降低至0.5重量%，微觀上，仍然可以在黃銅合金的晶粒中觀察到鉍的滑移性薄膜。在晶界偏析而產生連續性片狀的鉍薄膜，分佈於晶界，使合金的機械強度潰散，增加合金的熱脆性與冷脆性，導致材料的開裂率提高。因此，在本發明之無鉛黃銅合金中，鉍之含量係占合金總重之0.01至0.4重量%，較佳係占合金總 重之0.1至0.2重量%。

本發明之無鉛黃銅合金中，添加特定量之鐵元素，不僅可解決前述鉍黃銅材料開裂的缺陷，並且達到鉛黃銅(如公知H59鉛黃銅)所具備的材料特性(如切削性等)。鐵以富鐵相的微粒析出，作為晶核而提高細化晶粒與黃銅再結晶溫度，並能阻止再結晶晶粒長大，從而提高合金的機械性能和工藝性能，同時使黃銅具有高的韌性、耐磨性及在大氣和海水中優良的抗蝕性，因而鐵黃銅可以用於製造受摩擦及受海水腐蝕的零件。根據實驗結果顯示，黃銅中的鐵含量通常在1.5重量%以下時，其組織為(α+β)，具有高的強度和韌性，高溫下塑性很好，冷態下也可變形。當鐵含量若超過1.5重量%以上，則其α組織明顯擴大，β組織縮小，反而造成合金強度下滑，流動性不佳，並且機械性能與切削性能變差。

本發明之無鉛黃銅合金中，鐵之含量係占合金總重之0.05至1.5重量%，較佳係占合金總重之0.1至1.5重量%，更佳係占合金總重之0.2至1.5重量%，以提高無鉛黃銅合金之機械性能強度與材料韌性，且可大幅降低合金中的鉍含量，有效改善合金鑄件之表面裂紋，並使合金達到良好的鑄造性能、機械加工性能及拋光性能。另一方面，由於鐵元素是無毒、無害、無污染環境問題，在金屬析出量標準內未限定Fe元素含量，且鐵對於人體本身是不可缺少的微量元素，更適合用於製造水龍頭、衛浴零組件、自來水管線，或供水系統等之應用。

本發明之無鉛黃銅合金中，鐵含量至少0.05重量%以上，較佳至少0.1重量%以上，又更佳至少0.2重量%以上，另一方 面，本發明之無鉛黃銅合金中，鉍含量僅占0.4重量%以下，較佳僅占0.2重量%以下，可使該黃銅合金達到所需之切削特性，同時符合無鉛環保法規之標準(即合金中之鉛含量降低至0.25重量%以下，較佳係降低至0.15重量%以下，更佳係降低至0.05重量%以下)。

本發明之無鉛黃銅合金中，可進一步添加錳元素，搭配0.05重量%以上，較佳至少0.1重量%以上，又更佳至少0.2重量%以上之鐵根據實驗結果顯示，合金中的錳成分可以與銅形成連續固溶體，擴大α相區，提高黃銅的再結晶溫度，使黃銅合金與鐵元素形成更細化的晶粒，有助於增加黃銅的強度與韌性，提高黃銅材料之機械性能以及對大氣或海水之耐腐蝕，減少鐵黃銅合金的硬質點，同時避免合金元件發生夾渣、裂紋等缺陷。於一具體實例中，本發明之無鉛黃銅合金含有0.05至0.3重量%之錳，較佳係含有0.1至0.2重量%之錳。

本發明之無鉛黃銅合金中，除包含微量元素外，可進一步添加鎳成分，細化黃銅合金晶粒、提高黃銅材料之機械強度及對海水之耐腐蝕性。經研究後發現，本發明之無鉛黃銅合金中，錳與鎳元素可幫助鐵元素增加黃銅的強度及韌性，對於改善黃銅合金在大氣、海水中的耐蝕性，有很顯著的效果。根據金相組織分佈圖顯示，在無鉛黃銅合金中添加錳與鎳元素後，合金中的α相組織轉換長板狀，使合金具有較佳之塑性與韌性。另一方面，由於錳、鎳能能與銅形成連續固溶體，顯著擴大α相區，提高黃銅的再結晶溫度，促使黃銅合金與鐵元素形成更細化的晶粒，以減少鐵黃銅合金的硬質 點，同時避免合金元件發生夾渣、裂紋等缺陷。於一具體實例中，本發明之無鉛黃銅合金中係含有0.05至0.3重量%之鎳，較佳係含有0.1至0.25重量%之鎳。

實施例

使用銅重力鑄造機進行澆鑄鑄件，試驗不同添加成分之銅合金，以驗證添加元素比例之改善效能。每次試驗過程，均採用固定之定鑄件外型、砂芯顆粒與硬度、樹脂發氣量、樹脂及固化劑材質。先將各成份比例添加至感應爐內，待該黃銅合金達到一定的熔融狀態(下稱熔解銅液)，以光譜儀檢驗其成份，於符合試驗之成份時，提高金屬液溫度並維持於1030至1050℃之間，模具溫度控制在150至170℃，開始進行熔煉。

利用金屬重力鑄造機配合砂芯及重力鑄造模具進行澆鑄，澆鑄之每次投料量為1至2公斤，澆鑄時間控制在3至5秒內，並控制固定模具內冷卻的時間，待鑄件凝固後，進行鑄件脫模。每模鑄件取出後，清潔模具，確保芯頭位置乾淨，噴石墨水於模具表面後再行浸水冷卻。用以冷卻模具之石墨水之溫度為32至38℃，比重為1.05至1.06。

將冷卻的鑄件進行自檢並送入清砂機滾筒陶砂清理。接著，進行毛胚處理，鑄造坯件的熱處理(清除應力退火)，以消除鑄造產生的內應力。將坯件進行後續機械加工及拋光，俾使鑄件內腔不殘留砂芯、金屬屑或其他雜質。進行鑄造、機械加工、拋光等品檢分析並計算生產總良率。

生產總良率=良品數/全部產品數×100%

製程之生產總良率係反映生產製程品質穩定性，品質穩定性越高，才能保證正常生產。

比較例1

根據表1所示之成分，依上述步驟獲得無鉛黃銅合金之比較樣品1。品檢分析結果與生產總良率紀錄於表1。

無鉛黃銅合金比較樣品1之金相組織分佈如附件1所示，比較樣品1之晶粒呈細條狀，晶粒之粒徑尺寸約45至55微米。如附件2所示，該比較樣品1之材料韌性不佳，鑄件初胚成品表面有長裂紋缺陷。初胚成品拋光後，表面仍有裂紋，且該裂紋具有明顯深度，如附件3所示。

實施例1

根據表1所示之成份比例，依上述步驟獲得本發明無鉛黃銅合金樣品1，品檢分析結果與生產總良率紀錄於表1。

本發明無鉛黃銅合金樣品1之金相組織分佈如附件4所示，樣品1之晶粒呈現細長形，晶粒之粒徑尺寸約40至50微米。對照比較例1，將本發明合金中的鐵元素含量提高至0.094重量%，有助於提升材料韌性。如附件5所示，鑄件初胚成品表面之裂紋明顯變細。初胚成品拋光後，表面裂紋已不明顯，如附件6所示。

實施例2

重複實施例1之步驟，根據表1所示調整合金成分，將合金中的鐵成分比例增加至0.613重量%，搭配0.158重量%之錳成分，獲得本發明之無鉛黃銅合金樣品2。品檢分析結果與生產總良率紀錄於表1。

本發明之無鉛黃銅合金樣品2之金相組織分佈如附件7所示，相較於樣品1，樣品2之晶粒較為細短，晶粒之粒徑尺寸約35至40微米，具有更佳之材料韌性。如附件8所示，鑄件初胚成品表面並無明顯之裂紋缺陷。初胚成品拋光後，表面幾乎觀察不到裂紋，如附件9所示。

實施例3

重複實施例1之步驟，根據表1所示調整合金成分，將合金中的鐵成分比例增加至1.12重量%，搭配錳與鎳成分，獲得本發明之無鉛黃銅合金樣品3。品檢分析結果與生產總良率紀錄於表1。

本發明之無鉛黃銅合金樣品3之金相組織分佈如附件10所示，樣品3之晶粒形狀偏圓粒狀，晶粒之粒徑尺寸約30至40微米。相較於實施例1、2，無鉛黃銅合金樣品3之晶粒更細小，組織更為緻密，具有優異之材料韌性。如附件11所示，鑄件初胚成品表面已無裂紋缺陷。初胚成品拋光後，表面平整光滑，如附件12所示，鑄造良率值已可達到90%以上。

對照例1、2

重複實施例1之步驟，根據表1所示調整合金成分，獲得高錫無鉛黃銅合金之對照樣品1、2。品檢分析結果與生產總良率紀錄於表1。

高錫無鉛黃銅合金之對照樣品1之金相組織分佈如附件13所示，晶粒呈長條粒狀，可提供材料較高的硬度及脆性，但容易造成鑄造裂紋，且加工不易的缺陷提高。

對照例3、4

重複實施例1之步驟，根據表1所示調整合金成分，獲得H59鉛黃銅合金之對照例樣品3、4。品檢分析結果與生產總良率紀錄於表1。

H59鉛黃銅合金之金相組織分佈顯示，晶粒為圓粒狀形態，粒徑尺寸約30至40微米，呈α相合金，具良好韌性。

根據實驗結果顯示，對照例1、2之高錫無鉛黃銅雖可提高合金耐熱性與抗海水腐蝕的能力，但錫溶入銅基固溶體中，會起固溶強化作用。在黃銅合金中，隨著含錫量的增加，合金中會出現脆性的r相(CuZnSn化合物)，不利於合金的塑性變形加工，且在鑄造製程中無法有效控制裂紋缺陷的發生率。

由於此種高錫無鉛黃銅合金脆性較高，欲對該種合金進行 機械與拋光加工較為困難，相較於本發明之無鉛黃銅合金，以相同製程進行機械加工時，高錫無鉛黃銅之對照樣品1、2需要增加主切削力及刀具磨耗度提高，在拋光製程時，高錫無鉛黃銅之對照樣品1、2表面較易產生料紋麻點，造成製程返工，成本提高，生產效益降低。

相較之下，本發明之無鉛黃銅合金樣品生產良率均在70%以上，甚至可高達82%，與習知H59鉛黃銅合金的鑄造性與切削性相當，確實可作為替代H59含鉛黃銅合金之材料。且本發明之無鉛黃銅合金中，鉛含量大幅降低，能有效避免製程中所產生的鉛污染，並降低使用該鑄造物件時的鉛析出量，在兼顧材料特性的同時更可達到環保的要求。

測試例1

依照ISO6998-1998《金屬材料室溫拉伸實驗》標準針對前述表1所列實施例3及對照例1之測試樣品進行機械性能的測試，結果如表2所示。

根據表2結果顯示，本發明無鉛黃銅合金(實施例3)之伸長率明顯優於對照例1之高錫無鉛黃銅合金，顯示本發明之無鉛黃銅合金具有較優異之韌性及材料塑性。對照例1之高錫無鉛黃銅的脆硬性及抗拉強度較高，不利於合金切削加工，且高錫無鉛黃銅之冷熱加工塑性低，加工難度高，成本亦隨之增加，不適於量產。相較於高錫無鉛黃銅，本發明之無鉛黃銅確實具有較佳之製造生產性。

測試例2

依照NSF 61-2007a SPAC單產品金屬允許析出量標準，針對本發明之無鉛黃銅合金(實施例3)與H59鉛黃銅合金(對照例3)之樣品進行測試，檢驗各樣品在與水接觸之環境中之黃銅合金的金屬析出量。

本發明之無鉛黃銅合金配方中所添加之鐵元素，並不屬於金屬析出量之檢測標準，不會對人體造成危害，可以使合金符合國際規範之規定。測試結果如表3所示。

H59鉛黃銅之合金樣品在未經洗鉛處理時，鉛含量大幅超過標準值，相較之下，本發明無鉛黃銅合金樣品(實施例3)無須經洗鉛處理即符合標準，且本發明之無鉛黃銅合金樣品之重金屬鉛的析出量仍明顯低於經過洗鉛處理的H59鉛黃銅合金樣品，此亦顯示本發明之無鉛黃銅合金更符合環保規範，且有利於人體健康。

綜上所述，本發明之無鉛黃銅合金具有細化之晶粒結構、良好的合金強度及韌性，不易產生裂紋或夾雜等缺陷，不致於產生鑄造缺陷，可達到鉛黃銅合金所具備之材料特性，有利於合金材料應用於後續加工製程。另一方面，本發明之無鉛黃銅合金無須進行洗鉛處理即具有低鉛析出之效果，可降低製程之生產成本，對於商業量產及應用上極具優勢。

上述實施例僅例示性說明本發明之無鉛銅合金，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍如後述申請專利範圍所載。

【附件】

附件1係顯示無鉛黃銅合金比較樣品1之金相組織分佈。

附件2係顯示無鉛黃銅合金比較樣品1之鑄件表面。

附件3係顯示無鉛黃銅合金比較樣品1之拋光後鑄件表面。

附件4係顯示本發明無鉛黃銅合金樣品1之金相組織分佈。

附件5係顯示本發明無鉛黃銅合金樣品1之鑄件表面。

附件6係顯示本發明無鉛黃銅合金樣品1之拋光後鑄件表面。

附件7係顯示本發明無鉛黃銅合金樣品2之金相組織分佈。

附件8係顯示本發明無鉛黃銅合金樣品2之鑄件表面。

附件9係顯示本發明無鉛黃銅合金樣品2之拋光後鑄件表面。

附件10係顯示本發明無鉛黃銅合金樣品3之金相組織分佈。

附件11係顯示本發明無鉛黃銅合金樣品3之鑄件表面。

附件12係顯示本發明無鉛黃銅合金樣品3之拋光後鑄件表面。

附件13係顯示高錫無鉛黃銅合金之對照樣品1之金相組織分佈。

Claims (11)

1. 一種製造無鉛黃銅合金物件的方法，包括下列步驟：(a)提供一熔解銅液，包含：58至75重量%之銅；0.3至0.8重量%之鋁；0.01至0.4重量%之鉍；0.05至1.5重量%之鐵；0.05至0.3重量%之鎳；0.05至0.3重量%之錳；以及96重量之銅與鋅；其中，該銅含量為58至75重量%；(b)提高該熔解銅液之溫度，並維持於1030℃至1050℃之間；(c)將該熔解銅液澆鑄至一預熱之重力鑄造模具中；(d)冷卻該模具，使該熔解銅液形成鑄件以令該鑄件脫模；(e)熱處理該鑄件，以消除鑄造產生的內應力；以及(f)冷卻該鑄件。
2. 如申請專利範圍第1項之製造無鉛黃銅合金物件的方法，其中，該重力鑄造模具之溫度控制在150℃至170℃。
3. 如申請專利範圍第1項之製造無鉛黃銅合金物件的方法，其中，該澆鑄之每次投料量為1至2公斤，澆鑄時間控制在3至5秒內。
4. 如申請專利範圍第1項之製造無鉛黃銅合金物件的方法，其中，冷卻該模具之方法包含噴石墨水於模具表面後再行浸水冷卻，用以冷卻模具之石墨水之溫度為32至38℃，比重為1.05至1.06。
5. 如申請專利範圍第1項之製造無鉛黃銅合金物件的方法，其中，該銅之含量為60.5至63重量%。
6. 如申請專利範圍第1項之製造無鉛黃銅合金物件的方法，其中，該鋁之含量為0.5至0.65重量%。
7. 如申請專利範圍第1項之製造無鉛黃銅合金物件的方法，其中，該鉍之含量為0.1至0.2重量%。
8. 如申請專利範圍第1項之製造無鉛黃銅合金物件的方法，其中，該鐵之含量為0.1至1.5重量%。
9. 如申請專利範圍第1項之製造無鉛黃銅合金物件的方法，其中，該鐵之含量為0.2至1.5重量%。
10. 如申請專利範圍第1項之製造無鉛黃銅合金物件的方法，其中，該鎳之含量為0.1至0.25重量%。
11. 如申請專利範圍第1項之製造無鉛黃銅合金物件的方法，其中，該錳之含量為0.1至0.2重量%。