专利名称：易切削的环保黄铜合金的制作方法
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和锌，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，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Cu内。故Bi与1 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°C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。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的为开发易切削的低铅环保黄铜合金材料。本发明涉及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. 01至0. 4重量％的铋；0. 01至0. 25重量％的铅；0. 2至0. 5 重量％的镍；0. 4至0. 9重量％的锡；以及选自铁、铝及锑中一种或多种的元素，且所选择元素的总含量为0. 02至1. 2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57至67重量％。本发明的易切削的环保黄铜合金中，铜与锌的含量是占合金总重的96重量％以上，其中，铜占合金总重的57至67重量％，优选占合金总重的59至63重量％，此范围的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. 01至0. 25重量％，优选为0. 05至0. 2重量％，适量的铅具有提高材料切削性能，但铅对人体危害较大毒性，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. 01至0. 4重量％。在优选实施例中，铋含量为0. 05至0. 35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. 4至0. 9重量％。在优选实施例中，锡含量为0. 5至0. 8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. 2至0. 5重量％。在优选实施例中，镍含量为0. 3至0. 45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括选自铁、铝和锑中一种或多种的元素，且所选择元素的总含量为0.02至1.2重量％，并以0.2至1.0重量％为优选的。在优选的实施例中，选择添加锑，且锑含量0. 01至0. 2重量％。适量的锑有利于切削，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，选择添加铁，且铁含量为0. 02至0. 35重量％。适量的铁能细化黄铜材料晶粒，但过多会降低材料的塑性加工性能。在另一优选实施例中，选择添加铝，且铝含量为0. 02至0. 65重量％。适量的铝能增加黄铜材料强度、硬度，但过多会导致黄铜脆性及塑性降低。在本发明的易切削的环保黄铜合金中，适时添加硅、锰、镁及磷中一种或多种的元素，且所选择元素的总含量为0. 02至0. 7重量％，以提高黄铜的机械性能、耐磨性和耐蚀性，提升铜及合金的焊接性能、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，使合金组织均勻，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。因此，还可包含选自锆、硼和铈中一种或多种的元素，且所选择元素的总含量为0. 01至0. 1重量％。
图IA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IB为C37700铅黄铜试片(比较例1)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。
具体实施例方式以下系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)表示。本申请的发明人发现，当以公知高含量的铋(1重量％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，各成分的比例是以合金总重为基准。试验例1 本合金制备，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，在1000至1050°C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70(TC，模具温度控制在250至 350°C，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X 100%制程的生产总合格率是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. 38wt%,Zn :36. 99wt%,Pb 0. 073wt %、Bi :0. 356wt %、Al :0. 137wt %、Sn :0. 532wt %、Fe :0. 062wt %、Ni :0. 241wt %、 Sb :0. 021wt%, Si :0. 04wt%, Zr :0. 004wt%, Ce :0. 002wt%o 其金相组织分布如图 IA 所示，其晶粒的粒径约20至40 μ m，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. 21wt%,Zn :35. 75wt%,Pb 0. 012wt%,Bi :0. 312wt%,Sb :0. 032wt%,Sn :0. 644wt%,Fe :0. 084wt%,Ni :0. 228wt%, Si :0. 117wt%,Zr :0. 006wt%,Ce :0. 003wt%o其金相组织分布大致与实施例1相同，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 60. 82wt%,Zn :36. 75wt%,Pb 0. 097wt %、Bi :0. 275wt %、Sb :0. 058wt %、Sn :0. 689wt %、Fe :0. 135wt %、Ni :0. 247wt %、 Si :0. 176wt%,Zr :0. 005wt%,Ce :0. 004wt%o其金相组织分布大致与实施例1相同，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 59. 85wt%,Zn :37. 31wt%,Pb 0. 163wt%,Bi :0. 22IwtSb :0. 077wt%,Sn :0. 724wt%,Fe :0. 183wt%,Ni :0. 363wt%, Si :0. 194wt%,Zr :0. 006wt%,Ce :0. 003wt%o其金相组织分布大致与实施例1相同，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 61. 43wt%,Zn :35. 74wt%,Pb 0. 112wt%,Bi :0. 128wt%,Sb :0. 086wt%,Sn :0. 796wt%,Fe :0. 221wt%,Ni :0. 315wt%, Si :0. 203wt%,Zr :0. 004wt%,Ce :0. 002wt%o其金相组织分布大致与实施例1相同，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IB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. 63wt%,Pb :1. 15wt%,Bi :0. 0072wt%,Al :0. 114wt%,Sn :0. 0554wt%,Fe :0. 095wt%, Ni :0. 0243wt%,Mg :0. 0004wt%,Si :0. 002wt%o 该合金的切屑长度约 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
权利要求
1.一种易切削的环保黄铜合金，包含 0.01至0.4重量％的铋；0.01至0. 25重量％的铅； 0. 2至0.5重量％的镍； 0. 4至0.9重量％的锡；以及选自铁、铝和锑中的一种或多种元素，且所选择元素的总含量为0. 02至1. 2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57至67重量％。
2.如权利要求1所述的易切削的环保黄铜合金，还包含选自硅、锰、镁和磷中的一种或多种元素，且所选择元素的总含量为0. 02至0. 7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63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0.05至0. 35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0.3至0. 45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0.5至0. 8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，铁含量为0.02至0. 35重量％。
11.如权利要求1所述的易切削的环保黄铜合金，其中，铝含量为0.02至0. 65重量％。
12.如权利要求1所述的易切削的环保黄铜合金，其中，选自铁、铝和锑中的一种或多种元素的总含量为0. 2至1. 0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，锰含量为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，硅含量为0.02至0. 2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，镁含量为0.02至0. 15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，磷含量为0.02至0. 15重量％。
17.如权利要求2所述的易切削的环保黄铜合金，其中，选自硅、锰、镁和磷中的一种或多种元素的总含量为0. 05至0. 6重量％。
18.如权利要求3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. 05重量％。
全文摘要
一种易切削的环保黄铜合金，包含0.01至0.4重量％的铋；0.01至0.25重量％的铅；0.2至0.5重量％的镍；0.4至0.9重量％的锡；以及选自铁、铝和锑中一种或多种的元素，且所选择元素的总含量为0.02至1.2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57至67重量％。
文档编号C22C9/04GK102477499SQ20101058961
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26日
发明者吴威德, 彭晓明, 林庚立, 罗文麟 申请人:摩登岛股份有限公司