专利名称：低铅的铜合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铜合金，尤其是，本发明涉及一种低铅的铜合金。
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，公知黄铜是含铅(多为l_3wt%)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 求不可从该产品溶出铅至饮用水，且在加工制备过程中必须避免铅污染。另外，当黄铜中的锌含量超过20重量％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，甚至导致黄铜 管穿孔，大大缩短黄铜制品的使用寿命，并造成应用上的问题。针对上述高含铅量及脱锌问题，业界持续开发铜合金配方，除了铜及锌的必要 成分外，例如 TW421674、US7354489、US20070062615、US20060078458、US2004023441、 US2002069942等所揭露的添加硅(Si)及其它元素的无铅铜合金配方，但上述合金的缺 点是切削性不佳。CN10144045揭示以铝、硅、磷为主要合金元素的无铅铜合金配方，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。CN101285138及 CN101285137揭示以磷为主要合金元素的无铅铜合金配方，但其用于铸造则容易产生裂纹、 夹渔等缺陷。例如 US7297215、US6974509、US6955378、US6149739、US5942056、US5653827、 US5487867、US5330712、US2006000590U US20040094243、US5637160、US20070039667 等揭 示添加铋(Bi)的黄铜合金，上述合金配方的铋含量约涵盖0.5衬％至7衬％的范围，铋含 量高易产生裂纹、夹渣等缺陷，且成本过高，不利于商业化。US6413330揭露包含铋、硅等 成分的无铅铜合金配方，而CN101440444揭露高锌硅的无铅黄铜合金，因其含硅量高但含 铜量较低，合金的熔汤流动性差，在金属模中比较难充慢型腔，易产生浇不足等铸造缺陷。 CN101403056揭露包含铋及锰的无铅黄铜合金，但高铋含量易产生裂纹、夹渣等缺陷，而铋 低锰高则硬度高，不易断屑且切削性差。上述黄铜合金配方仍存在有铸造性能差、材料脆化 等缺点。另外，针对抗脱锌的配方，除了铜及锌的必要成分外，目前已有US4417929揭露包 含铁、铝及硅等成分；US5507885及US6395110揭露包含磷、锡及镍等成分；US5653827揭 露包含铁、镍及铋等成分；U 6974509揭露包含锡、铋、铁、镍及磷的成分；US6787101揭露 同时包含磷、锡、镍、铁、铝、硅及砷；以及US6599378及US5637160等专利揭露以硒及磷等 成分添加至黄铜合金以达到抗脱锌效果。然而，公知抗脱锌的黄铜含铅量通常较高(多为l-3wt % )，以利于黄铜材料的冷/热加工，但不符合环保要求，铅溶出量高，且易于制备过 程中产生铅污染。因此，业界亟欲开发新的黄铜材料，寻找可替代含铅黄铜，并可达到抗脱锌腐蚀 性，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。
发明内容
为达上述及其它目的，本发明提供一种低铅的铜合金，包括0. 05至0. 3重量％的 铅；0.3至0.8重量％的铝；0.01至0.3重量％的铋；1至4重量％的硅；0. 1至1重量％ 的锡；以及93. 6重量％以上的铜与锌，其中，铜于该低铅的铜合金中的含量为61至78重量％。在一实施方式中，本发明的低铅的铜合金中所包含的铜与锌的总含量为93. 6至 98. 54重量％，优选为94重量％以上。在一实施方式中，铜在所述低铅的铜合金中的含量为 61至78重量％，优选为62至74重量％，更优选为66至72重量％。本发明的低铅的铜合 金因包含硅成分，因此，与公知含铅的黄铜相较，本发明的低铅的铜合金需具有较高的铜含 量以提供合金材料的良好韧性。在本发明的低铅的铜合金中，铅的含量为0.05至0.3重量％。在优选实施例中， 铅的含量为0. 1至0. 25重量％，更优选为0. 15至0. 20重量％，添加适当的铅可提高黄铜 合金的切削性。在本发明的低铅的铜合金中，铋的含量为0.3重量％以下。在实施例中，铋的含量 为0.01至0.3重量％，优选0.05至0.25重量％，更优选为0. 1至0.2重量％。添加适当 的铋有助于提升合金切削性。在本发明的低铅的铜合金中，铝的含量为0. 3至0. 8重量％。在优选实施例中，铝 的含量为0. 4至0. 7重量％，更优选为0. 5至0. 65重量％。添加适量的铝可增加铜水的流 动性，并改善该合金材料的铸造性能。在本发明的低铅的铜合金中，硅的含量为1至4重量％。在优选实施例中，硅的含 量为1. 5至3. 5重量％，更优选为2至3重量％。添加适量的硅可增加黄铜切削性，并可提 高该合金材料对高氯离子环境(如海水)的抗腐蚀性和抗应力腐蚀性。在本发明的低铅的铜合金中，锡的含量为0. 1至1重量％。在优选实施例中，锡的 含量为0. 2至0. 9重量％，更优选为0. 4至0. 8重量％。添加适量的锡能显著提高合金材 料对高氯离子环境(如海水)的抗腐蚀性，并可提升合金材料的强度。另外，在铜合金中添加硅和铋，可在低铅含量的条件下，维持合金材料的切削性 能，同时增强合金材料在高氯离子含量的环境(如海水)中的抗腐蚀性。本发明的低铅的铜合金可作为公知含铅黄铜的替代材料，具有优良的铸造性能、 良好的切削性与机械性质，且包含极低的铅含量，符合环保的要求。同时，本发明的低铅的 铜合金具有良好的抗脱锌腐蚀性，特别是具有抗高氯离子的抗脱锌腐蚀性，可应用于例如 海水、游泳池等氯离子浓度较高的环境中。
图1为铜合金的力学性能与含锌量的关系图2A为H59铅黄铜试片的金相组织分布图；图2B为本发明的低铅黄铜试片的金相组织分布图；图3A为H59铅黄铜试片的抗脱锌腐蚀测试的金相组织分布图；图3B为本发明低铅黄铜试片的抗脱锌腐蚀测试的金相组织分布图；及图4为电化学测试的镶嵌试样的示意图。主要组件符号说明1镶嵌试样11黄铜试片12树脂层13 导线
具体实施例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效果。在本说明书中，除非另有说明，否则低铅的铜合金所包含的成分均以该合金总重 量为基准，并以重量百分比)表示。黄铜材料的力学性能与黄铜材料的锌含量的关系图如图1所示。对于(α+β)双 相黄铜而言，当合金中的锌含量达45%前，随着锌含量的增加，在室温下的该合金强度亦随 之提高；一旦锌含量超过45%，则由于合金的金相组织中出现γ相，使组织脆性增加，则合 金强度急剧降低。另一方面，对于包含复杂成分的黄铜合金配方而言，则以配方所含元素的 “锌当量”来计算锌含量，由于本发明的铜合金包括硅，而硅的锌当量为10，S卩，在Cu-Zn合 金中加入的硅，其金相组织相当于在Cu-Zn合金中增加10%的锌含量的金相组织，因 此，在黄铜合金中添加硅，以使Cu-Zn系中的α/(α+β)相界显著移向铜侧，强烈缩小α 相区。因此，本合金中的硅含量不宜高于4wt%，硅含量高于4衬％易使合金出现使组织脆 性增加的Y相，且本发明的铜合金需包含较高的铜含量才能维持该合金材料的良好强度 和韧性。在本发明低铅的铜合金中，所含成分的锌当量为硅的锌当量为10，铝的锌当量为 6，锡的锌当量为2，铅的锌当量为1，以及铋的锌当量为1。依据本发明的低铅的铜合金配方，可以使合金的铅含量降低至0. 05至0. 3重 量％，符合对于与水接触的管线材料的铅含量的国际规定。因此，依据本发明的低铅的铜合 金有利于制造水龙头及卫浴零组件、自来水管线、供水系统等的应用。在实施例中，本发明的低铅的铜合金包括61至78重量％的铜；0. 05至0. 3重 量％的铅；0.3至0.8重量％的铝；0.01至0.3重量％的铋；1至4重量％的硅；0. 1至1重 量％的锡；以及余量为锌。在一具体实施方式
中，本发明的低铅的铜合金包括62至74重量％的铜；0. 1至 0. 25重量％的铅；0.4至0.7重量％的铝；0. 05至0. 25重量％的铋；1.5至3.5重量％的 硅；0.2至0.9重量％的锡；以及余量为锌；其中，不可避免的杂质低于0. 1重量％。在一具体实施方式
中，本发明的低铅的铜合金包括66至72重量％的铜；0. 15至 0. 25重量％的铅；0.5至0. 65重量％的铝；0.2至0.3重量％的铋；2至3重量％的硅；0. 4 至0.8重量％的锡；以及余量为锌；其中，不可避免的杂质低于0. 1重量％。
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低铅的铜合金的成分，如下所述，其中，各成分的比例以 合金总重量为基准实施例1 Cu 72. 21wt%Bi 0. 178wt%Sn :0. 498wt%Zn:余量实施例2 Cu 74. 23wt%Bi :0. 169wt%Sn :0. 645wt%Zn 余量实施例3 Cu 69. 91wt%Bi :0. 183wt%Sn :0. 762wt%Zn:余量实施例4 Cu 62. 47wt%Bi :0. 187wt%Sn :0. 417wt%Zn 余量试验例1 以圆型砂、尿醛树脂、呋喃树脂及固化剂为原料以射芯机制备砂芯，并以发气性试 验机测量树脂发气量。所得砂芯须于5小时内使用完毕，否则需以烘箱烘干。将本发明的低铅黄铜合金及回炉料预热15分钟，使温度达400°C以上，再将两者 以重量比为7 1的比例以1100-1150°C的温度在感应炉中进行熔炼，并添加0.2wt%的精 炼清渣剂，在熔炼过程中将材料充分搅拌，待该黄铜合金达到一定的熔融状态(下称熔解 铜液)，以金属型重力铸造机配合砂芯及重铸模具进行浇铸，并以温度监测系统控制，使浇 铸温度维持在1060-1080°C之间。浇铸的每次投料量以l_2kg为宜，浇铸时间控制在3_8秒 内。通过上述高温熔炼及较低温快速浇铸的方式，可有效避免硅在合金组织中的偏析现象。待模具冷却凝固后开模卸料清理浇冒口，监测模具温度，使模具温度控制在 200-220°C中并形成铸件，随后进行铸件脱模。每模铸件取出后，清洁模具，确保芯头位置干 净，在模具表面喷石墨后再行浸水冷却。用以冷却模具的石墨水的温度为30-36°C为宜，比 重为1. 05 1. 06。将冷却的铸件进行自检并送入清砂机滚筒陶砂清理。接着，进行毛胚处理(铸造 坯件的热处理(清除应力退火)，以消除铸造产生的内应力)。将坯件进行后续机械加工及 抛光，以使铸件内腔不附有砂、金属屑或其它杂质。进行质量检验分析并计算生产总合格
Al 0. 594wt% Si 2. 732wt% Pb :0. 141wt%
Al :0. 451wt% Si :2. 941wt% Pb :0. 184wt%
Al :0. 554wt% Si :2. 421wt% Pb :0. 136wt%
Al :0. 684wt% Si :2. 123wt% Pb :0. 193wt%率生产总合格率=合格品数/全部产品数X 100%制备过程的生产总合格率系反映生产制备过程质量稳定性，质量稳定性越高，越 能保证正常生产。另以公知H59铅黄铜作为比较例，以与上述相同的制备过程制备制品。各合金的 成分、加工特性及生产总合格率如表1所示。表 权利要求
1.一种低铅的铜合金，包括 0. 05至0.3重量％的铅；0. 3至0.8重量％的铝； 0.01至0.3重量％的铋； 1至4重量％的硅； 0. 1至1重量％的锡；以及93. 6%以上的铜与锌，其中，铜在所述低铅的铜合金中的含量为61至78重量％。
2.如权利要求1的低铅的铜合金，其中，铅的含量为0.15至0. 25重量％。
3.如权利要求1的低铅的铜合金，其中，铝的含量为0.5至0. 65重量％。
4.如权利要求1的低铅的铜合金，其中，铋的含量为0.1至0. 2重量％。
5.如权利要求1的低铅的铜合金，其中，硅的含量为2至3重量％。
6.如权利要求1的低铅的铜合金，其中，锡的含量为0.4至0. 8重量％。
7.如权利要求1的低铅的铜合金，其中，铜的含量为62至74重量％。
全文摘要
本发明涉及一种低铅的铜合金，包括0.05至0.3重量％的铅；0.3至0.8重量％的铝；0.01至0.3重量％的铋；1至4重量％的硅；0.1至1重量％的锡；以及93.6重量％以上的铜和锌，其中，铜在所述低铅的铜合金中的含量为61至78重量％。本发明的低铅的铜合金具有良好韧性及加工性，可提高对于氯离子环境的耐腐蚀性。
文档编号C22C9/04GK101994025SQ20091017102
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月28日 优先权日2009年8月28日
发明者彭晓明, 罗文麟 申请人:摩登岛股份有限公司