专利名称：易切削的黄铜合金的制作方法
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。另夕卜，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I. 5重量％的硅(Si) ;0. 7至2. O重量％的锡(Sn) ;0. 4至0.8重量％的铝(Al) ;0. 05至O. 6重量％的镍(Ni) ;0. 05至O. 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O. 01至O. 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I. 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O. 5至I. 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O. 5至O. 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. O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O. 7至I. O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O. 05至O. 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O. 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O. 25重量％的无铅合金环保法规标准。在本发明中，铅含量以O. 08至O. 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O. 01至O. 5重量％。在一实施例中，选择添加猛,且猛含量为O. 01至O. 25重量％ ,适量添加猛元素,并与硅元素共同添加可形成极小的MnSi或Mn5SijF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O. 01至O. 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O. 01至O. 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O. I重量％。在一优选实施例中，选择添加铺,且铺含量为O. 01至O. 03重量％ ,添加铺元素，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O. 01至O. 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O. 01至O. 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O. 001至O. I重量％。又另一优选实施例中，选择添加铺,且铺含量为O. 001至O. 03重量％ ,铺元素有助细化晶粒，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，有助提闻合金耐蚀性。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O. 001至O. 04重量％，该锆含量为O. 001至O. 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O. 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。
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IC为59铅黄铜(C85700)试片的金相组织分布图。
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California 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O. 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O. 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O. 6重量％的镍(Ni)、O. 05至O. 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O. 01至O. 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 :
权利要求
1.ー种易切削的黄铜合金，包含 0.5至I. 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、铬和铁中的ー种或多种元素，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I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I所述的易切削的黄铜合金，其中，硅含量为0.5至I. 2重量％。
4.如权利要求I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I所述的易切削的黄铜合金，其中，锡含量为0.7至I. 0重量％。
6.如权利要求I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I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I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I所述的易切削的黄铜合金，其中，铬含量为0.01至0. I重量％。
10.如权利要求I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I所述的易切削的黄铜合金，还包含选自锑、磷、镁中的ー种或多种元素，且所述元素的总含量为0. 01至0. I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I所述的易切削的黄铜合金，还包含选自铈、硼、锆中的ー种或多种元素，且所述元素的总含量为0. 001至0. I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％。
全文摘要
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。
文档编号C22C9/04GK102618747SQ20111003229
公开日2012年8月1日 申请日期2011年1月26日 优先权日2011年1月26日
发明者罗文麟, 赖忆茹, 邓茂英 申请人:摩登岛股份有限公司