專利名稱：青銅合金以及使用該合金的鑄錠或接液部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能確保具有指定的可切削性、取得了提高的機械性能和提高的鑄造性的青銅合金，同時還涉及使用該合金的鑄錠或接液部件。
背景技術(shù)：
合金當(dāng)中，特別是青銅鑄件(CAC406)在鑄造性、耐腐蝕性、可切削性和耐壓性方面都特別出色，而且在熔融時表現(xiàn)出令人滿意的流動性，因此適合于澆鑄形狀十分復(fù)雜的零件。因此，至今為止它已被普遍應(yīng)用于一般的配管器材，如閥、龍頭和接頭。
CAC406被廣泛用于這種配管器材中與水接觸的配件，因為它使得可以很容易制得完整的鑄件且由于含有約5質(zhì)量％的Pb的緣故其可切削性尤其出色。
當(dāng)此青銅合金被用作與水接觸的配件如閥的材料時，在青銅鑄件中以僅少量還原為固溶體的狀態(tài)存在的鉛被洗脫到周圍的水中，從而破壞水質(zhì)。當(dāng)水停滯于與水接觸的配件中時，此現(xiàn)象更加突出。
因此，目前正在進行所謂的無鉛銅合金的開發(fā)。集中于此開發(fā)的種種努力已經(jīng)導(dǎo)致提出了許多改進的合金。
在下文中將對其典型實例進行說明。
例如，有人提出了一種其中通過加入Bi來代替鉛而獲得了提高的可切削性且能夠防止脫鋅的無鉛銅合金(參見JP-B HEI 5-63536，第2-3頁)。
還有人提出了一種例如由于向BC6(CAC406)中加入Ca，從而主要與P形成化合物(CaP、Ca 3P2)并導(dǎo)致細化碎片作用，而獲得了可切削性提高的無鉛青銅(參見JP 2949061，第2-3頁和附圖2)。
在這種情況下，金屬間化合物CaP的析出標(biāo)志著無鉛青銅的產(chǎn)生。但此產(chǎn)物的實際利用很困難，因為Ca是活潑金屬，且在銅合金中加入Ca會導(dǎo)致引起劇烈氧化并顯著降低產(chǎn)量。
作為另一例子，提出了一種無鉛青銅，通過加入Sb以及隨后在澆鑄過程中由于為提高可切削性而加入了Bi而抑制多孔性的發(fā)生而提高了其機械強度(參見JP 2889829，第3-6頁)。在這種情況下，加入Ni的目的在于強化基質(zhì)和防止離析。
作為另一例子，提出了一種青銅澆鑄材料，通過加入Ti使其中的晶體被細化成了置換型金屬間化合物，而且通過加入B使其晶粒界面強度強化成了侵入型金屬間化合物(參見JP 2723817，第2-10頁)。
作為另一例子，提出了一種無鉛的快削青銅合金，通過加入Bi增強了其可切削性和抗燒結(jié)性，并通過加入Sn、Ni和P確保了其抗脫鋅性和機械性能(參見JP A 2000-336442，第3-4頁)。
作為另一例子，提出了一種青銅合金，通過加入Se和Bi以由此特別引起Se-Zn化合物的析出，從而使其機械性能和可切削性與CAC406的相等(US 5,614,038第1-4欄)。
盡管上述所提出的無鉛青銅合金材料無一例外都保證了JIS H5120所規(guī)定的青銅合金(CAC406)的指定值(拉伸強度≥195N/mm2，延展率≥15％)，但市場上所流通的CAC406材料的上述性能比JIS的指定值要大得多，如拉伸強度大約為240N/mm2，延展率大約為33％。因此，在上述現(xiàn)有技術(shù)中還沒有開發(fā)出一種能夠獲得與市場上所流通的材料的機械性能和可切削性相同的合金?，F(xiàn)狀即如此。
此外，上述無鉛青銅合金中還加入了Se、Bi等作為Pb的替換組分。由于這些替換組分是昂貴的稀有元素，人們對于開發(fā)一種能獲得與市場上所流通的材料中的CAC406的上述性能相同的合金，同時減少要加入的稀有元素的量的期望已經(jīng)逐漸產(chǎn)生共識。
此外，上述無鉛青銅合金的提出目的在于提高機械性能和可切削性。而Pb是一種有助于鑄件的完整性的組分。無鉛青銅合金如何保證鑄件的完整性的問題還沒有得到解釋。
本發(fā)明是努力研究的結(jié)果。目的在于提供一種青銅合金，通過確切理解作為Pb替換組分的稀有元素(如Bi，或Bi和Se)的真實性能，盡管合金中的稀有元素(如Bi，或Bi和Se)的含量減少了，但仍然在保證了與CAC406相同的可切削性的同時獲得了至少等于至今廣泛應(yīng)用的青銅合金(CAC406)的機械性能，通過闡明Pb替換組分(如Bi，或Bi和Se)的減少對鑄件完整性的未確定的影響實現(xiàn)了抑制鑄件缺陷的發(fā)生，此外通過減少稀有元素用量而降低了生產(chǎn)成本，本發(fā)明的目的還在于提供使用該合金的鑄錠或接液部件。

發(fā)明內(nèi)容
為達到上述目的，本發(fā)明的第一方面提供一種青銅合金，該合金含有5.0-10.0質(zhì)量％的Zn、2.8-5.0質(zhì)量％的Sn、0.4-3.0質(zhì)量％的Bi、0≤Se≤0.35質(zhì)量％、0≤Ni≤3.0質(zhì)量％以及余量的Cu和不可避免的雜質(zhì)，其特征在于通過使該青銅合金含量范圍滿足-3.6Sn2+32Sn-13Bi-30(Se-0.2)-26Ni2+32Ni+(185±20)＞195這一關(guān)系式，使其拉伸強度得到了提高。
本發(fā)明的另一方面提供一種青銅合金，該合金含有5.0-10.0質(zhì)量％的Zn、2.8-5.0質(zhì)量％的Sn、0.4-3.0質(zhì)量％的Bi、0≤Se≤0.35質(zhì)量％、余量的Cu和不可避免的雜質(zhì)，其特征在于通過使該青銅合金含量范圍滿足-1.8Sn+10Bi+6Se+(79±2)＞80這一關(guān)系式，使其具有切削性。
這種情況下，優(yōu)選含有0＜P＜0.5質(zhì)量％，可以含有低于0.2質(zhì)量％的作為不可避免的雜質(zhì)的Pb。
本發(fā)明還涉及用該青銅合金制造的鑄錠，或者用該青銅合金加工形成的接液部件。
接液部件特別優(yōu)選適合用于飲用水的青銅合金閥的接液部件。
根據(jù)如上所述的本發(fā)明，通過確切了解作為Pb替換組分的稀有元素(如Bi，或Bi和Se)的真正性能，盡管合金中稀有元素(如Bi，或Bi和Se)的含量減少了，但合金卻能夠獲得與至今廣泛使用的青銅合金(CAC406)相等的可切削性以及達到至少等于CAC406的機械性能。
此外，本發(fā)明通過使上述青銅合金含量范圍滿足-3.6Sn2+32Sn-13Bi-30(Se-0.2)-26Ni2+32Ni+(185±20)＞195這一關(guān)系式，可以制造拉伸強度得到提高的青銅合金。而且，通過將各組分值帶入上述關(guān)系式，可以不用每次都做實驗即能掌握材料在量產(chǎn)水平的材料特性，從而制得滿足JIS等規(guī)格的銅合金。
進而，通過使本發(fā)明另一方面的青銅合金含量范圍滿足-1.8Sn+10Bi+6Se+(79±2)＞80這一關(guān)系式，可以制得確保具有與CAC4 06差不多相同切削性的銅合金。而且，通過將各組分值帶入上述關(guān)系式，可以不用每次都做實驗即能掌握材料在量產(chǎn)水平的材料特性，從而制得滿足JIS等規(guī)格的青銅合金。
附圖簡述

圖1是Bi含量與由拉伸試驗測得的拉伸強度之間的關(guān)系圖。
圖2是Bi含量與由拉伸試驗測得的延展率之間的關(guān)系圖。
圖3是Se含量與由拉伸試驗測得的拉伸強度之間的關(guān)系圖。
圖4是Se含量與由拉伸試驗測得的延展率之間的關(guān)系圖。
圖5是Sn含量與由拉伸試驗測得的拉伸強度之間的關(guān)系圖。
圖6是Sn含量與由拉伸試驗測得的延展率之間的關(guān)系圖。
圖7是Zn含量與由拉伸試驗測得的拉伸強度之間的關(guān)系圖。
圖8是Zn含量與由拉伸試驗測得的延展率之間的關(guān)系圖。
圖9是Ni含量與由拉伸試驗測得的拉伸強度之間的關(guān)系圖。
圖10是Ni含量與由拉伸試驗測得的延展率之間的關(guān)系圖。
圖11是Bi含量與由拉伸試驗測得的可切削性之間的關(guān)系圖。
圖12是Se含量與由拉伸試驗測得的可切削性之間的關(guān)系圖。
圖13是Sn含量與由拉伸試驗測得的可切削性之間的關(guān)系圖。
圖14是Zn含量與由拉伸試驗測得的可切削性之間的關(guān)系圖。
圖15是澆鑄一個階梯式鑄件試樣的步驟說明圖。
圖16是顯示染色滲透液測試結(jié)果(1至7號)的照片。
圖17是顯示染色滲透液測試結(jié)果(8至14號)的照片。
圖18是顯示非固溶體(Bi相和Se-Zn相)的金相照片(放大倍數(shù)400)。
圖19是Bi含量與Bi相析出量之間的關(guān)系圖。
圖20是Se含量與Se-Zn相析出量的關(guān)系圖。
圖21是一種用近似直線a進行修正的方法的概念說明圖。
圖22是一種用近似直線b進行修正的方法的概念說明圖。
發(fā)明的最佳實施方式下面將參照附圖對本發(fā)明進行更具體地說明。
本發(fā)明涉及一種青銅合金，它是通過確切理解包括作為Pb的替換組分的稀有元素(如Bi，或Bi和Se)在內(nèi)的單個元素的真正性能和根據(jù)單個元素的真正性能和確定本發(fā)明的青銅合金的組成范圍而開發(fā)的。所述青銅合金是以最適合獲得指定的可切削性和鑄件的完整性以及最適于獲得提高的機械性能的范圍內(nèi)的組成形成的。根據(jù)本發(fā)明的所述青銅合金和使用該合金的鑄錠和接液部件的一個實施方案如下所述。
本發(fā)明的青銅合金所采取的組成包含至少2.8-5.0質(zhì)量％的Sn和0.4-3.0質(zhì)量％的Bi，滿足0＜Se≤0.35質(zhì)量％并含有余量的Cu和不可避免的雜質(zhì)。
本發(fā)明的青銅合金優(yōu)選包含2.8-5.0質(zhì)量％的Sn和0.4-3.0質(zhì)量％的Bi，滿足0＜Se≤0.35質(zhì)量％，還包含5.0-10.0質(zhì)量％的Zn、3.0質(zhì)量％或更少的鎳，滿足0＜P＜0.5質(zhì)量％，并包含少于0.2質(zhì)量％的Pb和余量的Cu。
Se含量優(yōu)選≤0.2質(zhì)量％，Sn含量優(yōu)選在3.5-4.5質(zhì)量％的范圍之內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的青銅合金的組成范圍和采用此范圍的理由如下。
Bi0.4-3.0質(zhì)量％此Bi含量能有效地增強可切削性。為進入在鑄件凝固期間形成于鑄件中的孔隙、抑制鑄件缺陷如縮孔的發(fā)生和確保鑄件的完整性，有效的是Bi含量≥0.4質(zhì)量％且Se含量≥0.2質(zhì)量％。
同時，為確保必需的機械性能，有效的是Bi含量≤3.0質(zhì)量％。為在抑制Bi含量的同時充分確保機械性能，特別有效的是Bi含量≤1.7質(zhì)量％。
實際上，優(yōu)選除Se含量之外Bi含量在0.8-1.7質(zhì)量％的范圍。當(dāng)考慮到最適合的Se含量時，最佳的Bi含量為約1.3質(zhì)量％。
Se0＜Se≤0.35質(zhì)量％在所述青銅合金中，此成分以金屬間化合物的形式存在，如Bi-Se、Se-Zn和Cu-Se。與Bi類似，元素Se形成一種有助于確保獲得可切削性和鑄件完整性的組成。
因此，Se含量，在抑制Bi含量的同時，能有效地確保機械性能和下面將具體描述的鑄件完整性。
本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)以經(jīng)驗為根據(jù)說明了大規(guī)模生產(chǎn)水平的青銅合金的機械性能(如拉伸強度)的數(shù)值根據(jù)鑄件條件是可變的，即使鑄件的各組分的數(shù)值大致相同，其機械性能也會在約20％的范圍內(nèi)變化。為了滿足JIS的規(guī)格，即使此變化使拉伸強度達到最低值，也必須在Se含量與拉伸強度的關(guān)系圖(圖3)中確保達到最高拉伸強度(約250)的約97％，此關(guān)系圖將在下面具體說明。因此，0.35質(zhì)量％被定為該值的上限。Se，即使只含有痕量時，也有助于獲得鑄件完整性。為了絕對無誤地獲得此作用，有效地是Se含量≥0.1質(zhì)量％。因此，此值被定為優(yōu)選的下限。最佳值特別為約0.2質(zhì)量％。
Sn2.8-5.0質(zhì)量％包含Sn元素是為了在α相中形成固溶體、增強強度和硬度、以及通過形成Sn02保護膜而提高耐磨性和耐腐蝕性。Sn是一種能使合金的可切削性隨其含量在實用比例的范圍內(nèi)的增加而線性降低的元素。
因此，要求限制其含量和在避免耐腐蝕性降低的范圍內(nèi)進一步確保機械性能。
考慮到易受Sn含量影響的延展率的特性，更優(yōu)選的是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在3.5-4.5質(zhì)量％的范圍內(nèi)，無論澆鑄條件變化多少，都能確保絕對無誤地達到在Sn含量與延展率的關(guān)系圖(圖6)中所示的最大延展率(大約在Sn＝4.0質(zhì)量％處)，所述關(guān)系圖在下面有詳述。
此外，現(xiàn)在已知Sn成分具有強化合金基質(zhì)和根據(jù)其含量的增加成比例地提高合金的機械性能的特性。通過努力研究，已經(jīng)證明拉伸強度隨Sn含量在較低范圍時的增長而成比例地提高，當(dāng)Sn含量接近4.4質(zhì)量％時達到最大值，當(dāng)Sn含量進一步增大時拉伸強度開始下降，如下面有詳述的Sn含量與拉伸強度之間的關(guān)系圖(圖5)所示。此外，研究獲得的數(shù)據(jù)還表明Sn含量與延展率之間的關(guān)系顯示了和Sn含量與拉伸強度之間的關(guān)系幾乎相同的趨勢。
Zn5.0-10.0質(zhì)量％
此成分能有效地提高硬度和機械性能、特別是延展率，而不對可切削性造成任何影響。
此外，成分Zn還能有效地抑制由于在熔融合金中吸入氣體而造成的Sn氧化物的形成，以及確保熔融合金的完整性。為顯示此作用，有效的Zn含量為≥5.0質(zhì)量％。實際上，從補償應(yīng)受抑制的Bi和Se部分的觀點考慮，優(yōu)選Zn含量≥7.0質(zhì)量％。
因為成分Zn的蒸氣壓高，考慮到工作環(huán)境的安全和合金的鑄造性，優(yōu)選Zn含量≤10.0質(zhì)量％。當(dāng)進一步考慮到經(jīng)濟性時，最佳Zn含量特別為約8.0質(zhì)量％。
Ni≤3.0質(zhì)量％即使完全不含有Ni時，只要滿足了關(guān)系式A也能獲得必需的機械性能，如拉伸強度，其中關(guān)系式A在下面有詳述。為了更有效地提高合金的機械性能而加入的Ni混入固溶體中到某一固定的程度，強化合金的基質(zhì)并提高合金的機械性能。如果Ni含量超過此固定程度，此過量就會導(dǎo)致形成Ni與Cu和Sn的金屬間化合物以及在提高可切削性的同時降低機械性能。
為提高機械強度，有效的是Ni含量≥0.2質(zhì)量％。不過機械強度的最大值出現(xiàn)在Ni含量為約0.6質(zhì)量％處。因此，0.2-0.75質(zhì)量％被確定為適當(dāng)?shù)腘i含量。
P0＜P＜0.5質(zhì)量％為促進熔融銅合金的脫酸和確保制造出完整的鑄件以及連續(xù)地進行鑄錠，P的添加量小于0.5質(zhì)量％。如果此成分的含量過量，則此過量會導(dǎo)致降低固相線，趨向于引起離析和由于形成P化合物而造成脆裂。
因此，對于壓模鑄件P含量優(yōu)選在200-300ppm的范圍，對于連續(xù)鑄件在0.1-0.2質(zhì)量％的范圍。
Pb＜0.2質(zhì)量％由于在不可避免的雜質(zhì)的范圍內(nèi)不一定包含Pb，因此Pb含量采取＜0.2質(zhì)量％。
此外，本發(fā)明的青銅合金通過至少包含滿足關(guān)系式-3.6Sn2+32Sn-13Bi-30(Se-0.2)-26Ni2+32Ni+(185±20)＞195的相應(yīng)范圍的Sn、Bi和Se，能夠獲得提高的拉伸強度。
這樣，通過用各組分的數(shù)值代替上述關(guān)系式中的相應(yīng)字母符號，可以不經(jīng)過實驗就能了解該材料在大規(guī)模生產(chǎn)水平上的特定性能，從而獲得例如滿足JIS規(guī)格的青銅合金。上述關(guān)系式將在下面具體說明。
通過包含分別滿足關(guān)系式-1.8Sn+10Bi+6Se+(79±2)＞80的Sn、Bi和Se，本發(fā)明的青銅合金就能夠獲得與CAC406幾乎相同的可切削性。
這樣，通過用各組分的數(shù)值代替上述關(guān)系式中相應(yīng)的字母符號，可以不經(jīng)過實驗就能了解該材料在大規(guī)模生產(chǎn)水平上的特定性能，從而獲得例如滿足JIS規(guī)格的青銅合金。上述關(guān)系式將在下面具體說明。
本發(fā)明的青銅合金至少包含Sn、Bi和Se。通過包含一種由≥1.0體積％的Pb替換組分構(gòu)成的非固溶體，就能夠抑制鑄件缺陷的發(fā)生。
術(shù)語“非固溶體”是指能在實用范圍內(nèi)避免在合金基質(zhì)內(nèi)形成固溶體并沿晶粒邊界或在顆粒內(nèi)存在的元素或化合物。由于此非固溶體具有滲入由于青銅鑄件所特有的凝固形式而產(chǎn)生的微孔和填滿該微孔的作用，因此它能夠抑制鑄件缺陷如縮孔的發(fā)生，并使得能夠制造獲得了鑄件所需的抗壓性的完整的鑄件。
本發(fā)明的銅基合金以至少Bi或以至少Bi和Se確保了具有非固溶體。此非固溶體的含量優(yōu)選≤4.90體積％。
上述本發(fā)明的青銅合金是以中間產(chǎn)品如鑄錠或連續(xù)鑄件的形式提供的，或直接施加在由澆鑄和加工形成的接液部件上。
廣泛應(yīng)用的接液部件的具體例子包括飲用水所用的閥零件，如閥、閥芯、閥座和閥盤；配管器材，如龍頭和接頭；進水管和排水管所用元件；必定會接觸液體的設(shè)備，如濾器、泵和馬達；會接觸液體的龍頭配件；處理熱水的設(shè)備，如熱水供應(yīng)設(shè)備；工業(yè)用水管路所用零件和組成單元；以及其它中間零件，如螺旋管和中空棒。此外就是上述的成品和裝配組件。
經(jīng)過對青銅合金的組成范圍的努力研究，發(fā)現(xiàn)了一種了解上述本發(fā)明的青銅合金的單個元素的真正特性的方法。從而，通過精確分析由拉伸強度測試和可切削性測試所獲得的數(shù)據(jù)，確定了本發(fā)明的青銅合金的組成范圍。
為說明上述方法，通過拉伸強度測試不能了解Sn的真正特性，因為要評價Sn對合金的影響需要此評價在實際測定值的基礎(chǔ)上進行，而由于被用來測試的單個試樣所包含的組成元素的量是變化的所以上述實際測定值會受其它成分的影響。因此，測定按以下步驟進行，以消除所述其它成分的變化的影響。
(步驟1)首先，為測定Se的特性，抽出幾個含有相近量的Se以外的組分的樣品(例如，在下面將詳述的測試例中的表1、3和4中第14-18號樣品)，并在特征圖上繪制Se含量與在實際測定值的基礎(chǔ)上所確定的拉伸強度的關(guān)系曲線以說明近似直線a。圖21所示為本步驟的示意圖。
(步驟2)其次，為測定Bi的特性，抽出幾個含有相近量的Bi以外的組分的樣品(例如，在下面將詳述的測試例中的表1、3和4中第1-4、6和16號樣品)，并在特征圖上繪制Bi含量與在實際測定值的基礎(chǔ)上所確定的拉伸強度的關(guān)系曲線。在這種情況下，Se含量的變化的影響根據(jù)上述Se的特征圖進行修正。
在下面將詳細說明的測試例中，例如比較3號樣品和4號樣品關(guān)于Bi含量對拉伸強度的影響，需要根據(jù)Se含量0.12和0.25的差異減去拉伸強度的增量或減量進行修正。
具體講，設(shè)定Se含量的標(biāo)準(zhǔn)值(在該情況下為0.2)，使用近似直線a計算拉伸強度從標(biāo)準(zhǔn)值的增量或減量α、β，即Se＝0.12和0.25。通過將降低或增加α、β至Bi＝1.74和1.17處的拉伸強度值而進行校正，使得當(dāng)Se含量固定在0.2時就能夠表示Bi的特性。如圖22所示是一個根據(jù)由此得到的校正值繪制近似直線b的示意圖。
順便提及，通過使用接受測定的樣品中的Se含量的平均值作為上述標(biāo)準(zhǔn)值，能夠很容易地了解一種合金的特性，因為校正值可以落在實際拉伸強度能夠獲得的數(shù)值范圍之內(nèi)。任選地可以使用0作標(biāo)準(zhǔn)值來施行校正。
(步驟3)接著，為測出Sn的特性，抽出幾個含有相近量的除Sn以外的組分的樣品(例如，在下面將詳述的測試例中的表1、3和4中第5、11-13和24-26號樣品)，并在特征圖(未顯示)上繪制Sn含量與在實際測定值的基礎(chǔ)上所確定的拉伸強度的關(guān)系曲線。在這里，Se和Bi的含量變化的影響根據(jù)上述Se和Bi的圖中的近似直線a和b進行校正。
(步驟4)返回步驟1，以根據(jù)上述Sn和Bi的圖對Se和Bi的含量變化的影響進行校正。
(步驟5)接著，反復(fù)進行步驟1、2和3數(shù)次，以得到一個收斂的值。
通過上述工藝步驟，可以獲得從其它元素的影響中脫離出來的特征值。如下面將詳細說明的測試例所示，例如，這些特征值將作為校正值顯示在表4和表5中，并將在圖1-14中的進行描述。
具體地說，特定元素如Sn的含量對所要制造的合金的特性所施加的影響，是通過找出給定元素的標(biāo)準(zhǔn)含量與其在給定樣品中的實際含量的差值，根據(jù)含量差計算合金的特性值如拉伸強度的增量或減量，并針對某一具體元素使用增量或減量值對合金的實際特征值進行校正，來進行評價的。
下面將對包括青銅合金的測試例在內(nèi)的本發(fā)明的實施例進行說明。
表1和表2中所示的組分是通過分析用來測試拉伸強度和用來測試可切削性的試件而實際獲得的結(jié)果。特別是，據(jù)發(fā)現(xiàn)Pb組分處于雜質(zhì)水平(≤0.02質(zhì)量％)，Sb組分也處于雜質(zhì)水平(≤0.02質(zhì)量％)。
(拉伸強度測試)用于測試拉伸強度的試樣是一片符合JIS No.4要求的試樣(CO2模)。測試使用Amsler試驗機在1300℃的澆鑄溫度下進行。
拉伸強度測試的結(jié)果如表3所示。
(可切削性測試)用于測試可切削性的試樣是通過用車床切割一個給定的圓柱形工件材料來制備的。可切削性是通過使用由青銅鑄件CAC406提供的切削阻力為100，以可切削性指數(shù)對施加于切削工具上的切削阻力進行分級而確定的。測試條件為1800℃的澆鑄溫度(CO2模)、直徑31mm×長260mm形狀的工件材料、表面粗糙度RA為3.2、壁厚切削深度3.0mm、1800rpm的車床轉(zhuǎn)動頻率、0.2mm/rev的進料量，和不使用油。
可切削性測試的結(jié)果如表3和表5所示。
表1組分含量1

表2組分含量2

表3特性測試結(jié)果和計算值

表4特性的校正值

表5在測試可切削性的一致性中的單獨特性測試結(jié)果、計算值和校正值

為研究單個元素對機械性能的影響而根據(jù)上述方法所進行的拉伸試驗(澆鑄溫度1130℃，CO2模)的結(jié)果如圖1-10所示，為研究單個元素對可切削性的影響而進行的可切削性試驗(澆鑄溫度1180℃，CO2模)的結(jié)果如圖11-14所示。
在圖11和12中，在每個圖中所顯示的線中，位于中間的是回歸線，位于中線對側(cè)的兩條線是估算值的預(yù)計部分。一個估算值的預(yù)計部分表示，當(dāng)回歸線上的某一個值被作為平均值且認為在此平均值上下呈正態(tài)分布時，理論上95％的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在這一部分。預(yù)計部分的寬度隨著數(shù)據(jù)量的增大而成比例地減少，因為預(yù)計部分的寬度會隨著回歸線的可靠性的提高而相應(yīng)地變窄，而且同時它還取決于數(shù)據(jù)的量。估算值的預(yù)計部分的概念適用于圖1-10、13和14。
(拉伸試驗)Bi含量、拉伸強度和延展率之間的關(guān)系圖1是Bi含量與由拉伸試驗測得的拉伸強度之間的關(guān)系圖。從此圖中可以清楚地看出，拉伸強度隨Bi含量的增加以-13Bi(公式a)的比率成比例地降低。
圖2是Bi含量與由拉伸試驗測得的延展率之間的關(guān)系圖。從此圖中可以清楚地看出，延展率與拉伸強度類似隨Bi含量的增加以-8Bi(公式b)的比率成比例地降低。
(可切削性試驗)Bi含量與可切削性之間的關(guān)系圖11是Bi含量與由可切削性試驗給出的可切削性之間的關(guān)系圖。從此圖中可以清楚地看出，可切削性隨Bi含量的減少以10Bi(公式j(luò))的比率成比例地變動。
(拉伸試驗)Se含量、拉伸強度和延展率之間的關(guān)系圖3是Se含量與由拉伸試驗測得的拉伸強度之間的關(guān)系圖。從此圖中可以清楚地看出，隨著Se含量的減少拉伸強度成比例地升高，但是拉伸強度在Se含量為0-0.2質(zhì)量％時達到最大水平并保持在該水平。
當(dāng)Se含量超過0.2質(zhì)量％時，拉伸強度會隨Se含量的增加以-30Se(公式c)的比率成比例地降低。
圖4是Se含量與由拉伸試驗測得的延展率之間的關(guān)系圖。從此圖中可以清楚地看出，隨著Se含量的減少延展率成比例地升高，但是當(dāng)Se含量達到約0.2質(zhì)量％的界限時延展率停止升高。
當(dāng)Se含量超過0.2質(zhì)量％時，延展率類似于拉伸強度隨Se含量的增加以-7Se(公式d)的比率成比例地降低。
順便提及，此范圍內(nèi)的合金的可切削性比CAC406約小10％，如表1、3和4中的5、12和27號樣品的數(shù)據(jù)所示。因此，合金可以在與CAC406幾乎相同的切削條件下加工。
(可切削性試驗)Se含量與可切削性之間的關(guān)系圖12是Se含量與由可切削性試驗測得的可切削性之間的關(guān)系圖。從此圖中可以清楚地看出，可切削性隨Se含量的減少以6Se(公式k)的比率成比例地變動。
(拉伸試驗)
Sn含量、拉伸強度和延展率之間的關(guān)系圖5是Sn含量與由拉伸試驗測得的拉伸強度之間的關(guān)系圖。從此圖中可以清楚地看出，當(dāng)Sn在一較低范圍時隨著Sn含量的增加拉伸強度成比例地升高，但拉伸強度在Sn含量為4.4質(zhì)量％附近時達到最大值并在超過此Sn含量附近后開始下降。
此現(xiàn)象邏輯上也許可以通過假定在Sn含量在4質(zhì)量％附近時，受溶質(zhì)在最終凝聚部分中稠化的影響，導(dǎo)致α+δ相的析出來解釋。Sn含量對拉伸強度所施加的影響可以表示為-3.6Sn2+32Sn(公式e)。
圖6是Sn含量與由拉伸試驗測得的延展率之間的關(guān)系圖。此關(guān)系圖顯示了與圖5所示的拉伸強度特性幾乎相同的趨勢。Sn含量對延展率的影響可以表示為-3.3Sn2+26Sn(公式f)。
(可切削性試驗)Sn含量與可切削性之間的關(guān)系圖13是Sn含量與由可切削性試驗測得的可切削性之間的關(guān)系圖。從此圖中可以清楚地看出可切削性以-1.8Sn(公式m)的比率變動。
此負系數(shù)-1.8表明可切削性在實用的組成范圍內(nèi)線性地降低。
(拉伸試驗)Zn含量、拉伸強度和延展率之間的關(guān)系圖7是Zn含量與由拉伸試驗測得的拉伸強度之間的關(guān)系圖。從此圖中可以清楚地看出Zn含量在約6％到10％內(nèi)變動對拉伸強度幾乎沒有影響。下面將詳述的拉伸強度的關(guān)系式A沒有考慮Zn含量的影響。
圖8是Zn含量與由拉伸試驗測得的延展率之間的關(guān)系圖。從此圖中可以清楚地看出，延展率隨Zn含量的增加會相應(yīng)地以1.4Zn(公式g)的比率提高。
(可切削性試驗)Zn含量與可切削性之間的關(guān)系圖14是Zn含量與由可切削性試驗測得的可切削性之間的關(guān)系圖?？梢哉f，在圖中所示的實用范圍(5.0-10.0質(zhì)量％)內(nèi)絕對不存在任何影響。
(拉伸試驗)
Ni含量、拉伸強度和延展率之間的關(guān)系圖9是Ni含量與由拉伸試驗測得的拉伸強度之間的關(guān)系圖。從此圖中可以清楚地看出，由Ni含量對拉伸強度施加的影響可以表示為-26Ni2+32Ni(公式h)。
圖10是Ni含量與由拉伸試驗測得的延展率之間的關(guān)系圖。從此圖中可以清楚地看出，Ni含量對延展率施加的影響可以表示為-7.8Ni2+11.6Ni(公式i)。延展率具有一個類似于拉伸強度的最大值，在此最大值處的Ni含量為約0.75質(zhì)量％。
根據(jù)實驗值得到了以下關(guān)系式A-C(特征方程)。
通過用各獨立部件的數(shù)值代替關(guān)系式中相應(yīng)的字母符號，可以不經(jīng)過實驗就能了解該材料在大規(guī)模生產(chǎn)水平上的特定性能，從而獲得例如滿足JIS規(guī)定的青銅合金。
關(guān)于拉伸強度的關(guān)系式A-3.6Sn2+32Sn-13Bi-30(Se-0.2)-26Ni2+32Ni+(185±20)＞195此關(guān)系式是從公式a+公式c+公式e+公式h的總和導(dǎo)出的，可以想當(dāng)然認為Ni＝0。185是由所獲得的值導(dǎo)出的一個校正常數(shù)，±20是一個用來消除制造誤差的常數(shù)。
使用此關(guān)系式，可以通過計算，無需校正各獨立組分的值和對每種情形都進行一次實驗，來預(yù)計拉伸強度的測出值。
順便提及，根據(jù)此關(guān)系式，Se含量對拉伸強度的影響約為Bi含量的兩倍。
關(guān)于延展率關(guān)系式B1.4Zn-3.3Sn2+26Sn-8Bi-7(Se-0.2)-7.8Ni2+11.6Ni-(23±3)＞15此關(guān)系式是從公式b+公式d+公式g+公式i的總和導(dǎo)出的，可以想當(dāng)然認為Ni＝0。-23是根據(jù)所獲得的值導(dǎo)出的一個校正常數(shù)，±3是一個用來消除制造誤差的常數(shù)。右邊的15是根據(jù)JIS所規(guī)定的CAC406的下限值。滿足了有理表達式B就能滿足根據(jù)JIS所規(guī)定CAC406的值。
由于Se和Bi的系數(shù)分別為-7和-8，所以它們對延展率所施加的影響幾乎相等。此趨向不同于對拉伸強度的影響的趨向。
關(guān)于可切削性關(guān)系式C-1.8Sn+10Bi+6Se+(79±2)＞80此關(guān)系是由公式j(luò)+公式k+公式m的總和導(dǎo)出的，它假定用Sn、Bi和Se作參量能構(gòu)成一個三維的線性公式。
在此關(guān)系式中忽略了Zn對可切削性的影響，因為圖1 4支持一種推理在實際范圍(5.0-10.0質(zhì)量％)內(nèi)絕對沒有影響。
數(shù)79是由所獲得的值導(dǎo)出的一個校正常數(shù)，±2是考慮了制造誤差對測試結(jié)果的影響時用來消除此誤差的一個常數(shù)。右邊的常數(shù)80是由大規(guī)模生產(chǎn)水平的處理的實際結(jié)果所獲得的經(jīng)驗數(shù)值。也就是說，此數(shù)值意味著通過將相應(yīng)的無鉛材料與CAC406進行比較并使無鉛材料達到其約80％的可切削性，就可以在與CAC406相同的切削條件下作出此無鉛材料。
因此，各獨立組分對可切削性所施加的影響如下。
如圖11所示，Bi以10Bi(公式j(luò))的比率影響可切削性。
如圖12所示，Se以6Se(公式k)的比率影響可切削性。
如圖13所示，Sn以-1.8Sn(公式m)的比率影響可切削性。負系數(shù)-1.8使得可以推測在材料的實用組成范圍內(nèi)可切削性呈線性降低。
(鑄造性試驗)下面研究本發(fā)明的青銅合金的鑄造性。
由于青銅鑄件的凝固溫度范圍很寬，因此它是糊狀型凝固形式的，并且會導(dǎo)致在枝晶空隙中產(chǎn)生微細的縮孔。從而，所述縮孔容易嚴重破壞鑄件的抗壓性能(鑄造性)。同樣，在青銅中，成分Pb履行在枝晶空隙內(nèi)聚結(jié)和填滿所述微細縮孔的作用。
本發(fā)明的不含Pb的合金通過含有Bi和Se來補償Pb的此作用。Bi和Se的存在以及它們的含量對鑄件的抗壓性能的影響至今沒有令人信服的解釋。因此，不可否認存在在原材料中存在過多量的Bi和Se并從而增加材料成本和降低所制造的鑄件的機械性能的可能性。
在這里將對Bi和Se對鑄件的鑄造性的影響進行調(diào)查，以確定用于公式的最佳Bi和Se量，同時，闡明含有Se的重要性。
如上面已經(jīng)指出，青銅合金易于在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生細小縮孔。此趨勢在鑄件上具有較大壁厚的逐漸冷卻部分更加顯著。這種現(xiàn)象被稱作質(zhì)量效應(yīng)。為了評價此質(zhì)量效應(yīng)的程度，準(zhǔn)備了一個階梯式鑄件試樣，切割并對其進行染色滲透液測試。此外還檢測非固溶體(Bi相和Se-Zn相)的量以確定它們的體積比。
首先，用來進行染色滲透液測試的方法和測試結(jié)果如下所述。
圖15描述了澆鑄階梯式鑄件的步驟。澆鑄階梯式鑄件的步驟通常需要一個裝有直徑70mm長120mm的豎板的澆道。在本檢測中，主動除去了豎板。這是出于對青銅鑄件的實際生產(chǎn)的考慮。在實際生產(chǎn)中，由于存在以下問題很難附著有效的豎板，如要附著到一個模具框架上的豎板數(shù)、鑄件形狀的復(fù)雜程度以及產(chǎn)量。
至于澆鑄階梯式鑄件試樣的條件，熔融是在15kg的高頻實驗爐中進行的，熔融量為12kg，澆鑄溫度為1180℃，澆注時間為7秒，模具為CO2模，脫酸處理通過添加270ppm的P來施行。
順便提及，染色滲透液測試是通過在試樣的一個切割面上噴灑滲透液，使所述濕面靜置10分鐘，然后將滲透液從所述切割面上抹去，進一步噴灑顯影液和對漂浮在所述切割面上的紅色顯示進行分級，來確定是否存在鑄件缺陷的。
表6中給出了用于測試的各單個試樣中的化學(xué)組分含量。
表6

表7給出了對單個試樣進行的染色滲透液測試的結(jié)果。
圖1 6和17是顯示染色滲透液測試結(jié)果的照片。以紅色顯示的位置說明有鑄件缺陷存在。
通過染色滲透液測試，可以發(fā)現(xiàn)第6、7和14號試樣合格。所述合格定義為具有與CAC406(JIS)(迄今為止的標(biāo)準(zhǔn)材料)相同的鑄造性，并允許以相同的澆鑄步驟進行制造(0)。第5和13號試樣經(jīng)測定是合格的(△)，因為認為它們可以用與CAC406相同的澆鑄步驟處理。根據(jù)產(chǎn)品的形狀或澆鑄的條件，部分產(chǎn)品，如果不是全部的話，具有缺陷。它們看來需要多少改變一下澆鑄條件和澆鑄步驟。其它樣品不合格(X)。即使是被認為不合格的樣品，例如通過改變澆鑄步驟也能提供良好的鑄件。不可避免地，此改變會帶來額外的費用和工作。
表7

現(xiàn)在，將對用來測定非固溶體(Bi相和Se-Zn相)量的體積比的方法和測定結(jié)果描述如下。
術(shù)語“非固溶體”是指沿晶粒邊界或在晶粒內(nèi)存在但不在合金基質(zhì)內(nèi)還原成固溶體的元素或化合物。由于此非固溶體具有滲入由于青銅鑄件所特有的凝固形式而產(chǎn)生的微孔和填滿此孔隙的功能，因此它能夠抑制鑄件缺陷如縮孔的發(fā)生，并使鑄件能夠獲得抗壓性和使得能夠制造出完整的鑄件。非固溶體的具體例子包括主要單獨存在的Bi和Pb以及以化合物形式(Bi-Se、Se-Zn等等)存在的Se。
圖18是顯示有非固溶體(Bi相和Se-Zn相)的金相照片(放大倍數(shù)400)。
術(shù)語“Bi含量”和“Se含量”是指以組分含量值(單位質(zhì)量％)表示的合金中的Bi含量和Se含量，而術(shù)語“Bi相沉淀量”和“Se-Zn相沉淀量”是指以體積比(單位vol％)表示的合金中的Bi和以與Zn的化合物的形式存在的Se-Zn的含量。
非固溶體的量可以由合金的組成算出。此測定的步驟如下。
首先，用X射線分析的方法鑒定存在于給定合金中的非固溶體種類。隨后，使用EPMA(電子束微量分析)和EDX(能量擴散型X射線分析儀)對合金進行平面分析(測繪)。計算X射線分析所指出的非固溶體的量以確定它們的含量比率。由上述計算所得出的單個試樣的非固溶體量如表7所示。此處所用試樣是用于根據(jù)JIS規(guī)定的拉伸試驗的第4號試樣。對在參考標(biāo)記的中心部分形成的橫截面進行分析。術(shù)語“vol％(體積比)”是指給定非固溶體對全部合金的體積比。表中所示的非固溶體的實際測定值表示形成該非固溶體的Bi相和Se-Zn相的總vol％值。
據(jù)發(fā)現(xiàn)，非固溶體量的減少引起了縮孔的產(chǎn)生。更具體地講，當(dāng)非固溶體對全部合金的體積比不足1.4vol％時就會產(chǎn)生縮孔，當(dāng)該體積比不足0.95vol％時縮孔會大量產(chǎn)生。當(dāng)非固溶體的量超過0.95vol％時縮孔減少。
因此，有利的是確保非固溶體的量大于等于1.0vol％的比值，為制造達到與CAC406相同的鑄造性的合金，此比值應(yīng)大于等于1.4vol％。
現(xiàn)在，對非固溶體量的上限說明如下。
表8顯示了計算出的各單個試樣的組分含量(質(zhì)量％)、拉伸強度(N/mm2)、延展率(％)、可切削性(％)和非固溶體含量(vol％)。
表8

在表8中，15和16號樣品中含有替換Pb的單獨存在的Bi，17-19號樣品中含有用來替換Pb的Bi和Se。順便提及，17-19號樣品中每個都添加了Se作為Bi-Se的母合金。Bi-Se的母合金的組成為Bi∶Se＝2∶1。因此，Bi的添加量是Se的兩倍。
17-19號樣品每個都含有4.4質(zhì)量％的有助于使合金的拉伸強度最大化的Sn。
18-19號樣品每個都含有0.61質(zhì)量％的有助于使合金的拉伸強度最大化的Ni，以提高合金的強度和增加Bi-Se的含量。
據(jù)證實，當(dāng)非固溶體的含量超過4.90vol％時拉伸強度會不足215N/mm2，這已經(jīng)在CAC406的標(biāo)準(zhǔn)值195N/mm2基礎(chǔ)上考慮了+20的制造誤差。
因此，將4.90vol％作為非固溶體含量的上限和將1.0vol％作為其上限是非常適合的，它能夠使Bi含量最小化和使Se含量最大化，確?？汕邢餍?、鑄件的完整性和機械性能。
現(xiàn)在，將根據(jù)表7所給出的實際測定數(shù)據(jù)和測試結(jié)果對Bi和Se能在何種程度上保證獲得非固溶體說明如下。
為單獨包含Bi作為鉛的替換物和確保非固溶體的含量大于等于1.4vol％，Bi含量必須大于等于1.5質(zhì)量％。當(dāng)含有Bi和Se作為鉛的替代物時，通過使Se含量在約0.1-0.25質(zhì)量％的范圍，可以獲得與將Bi含量壓制到0.7-1.2質(zhì)量％幾乎相同的非固溶體量。
這是因為在其它非固溶體中，Bi等通常單獨存在于組織結(jié)構(gòu)中，且1質(zhì)量％的Bi含量相當(dāng)于約0.9vol％的非固溶體含量(Bi相)，還因為Se主要以金屬間化合物如Se-Zn的形式存在，且1質(zhì)量％的Se含量相當(dāng)于約2.9vol％的非固溶體(Se-Zn相)含量，此外還因為非固溶體含量在合金中的體積比可以保證很大。
下面將利用附圖作進一步說明。
Bi含量(質(zhì)量％)與Bi相沉淀量(vol％)之間的關(guān)系如圖19所示，Se含量(質(zhì)量％)與Se-Zn相沉淀量(vol％)之間的關(guān)系如圖20所示。
從圖19中的回歸線可以看出，Bi相是Bi含量(質(zhì)量％)的體積的0.93倍。
從圖20所示的回歸線可以看出，Se-Zn相是Se含量(質(zhì)量％)的體積的2.86倍。
由于Se的比重較低(與Bi相比)以及它與Zn形成金屬間化合物，所以非固溶體(Se-Zn相)的量是Bi含量的三倍。
因此，通過包含Se，就可以抑制Bi含量，抑制作為Pb的替換組分的稀有元素的總含量，降低材料的成本，有效確保非固溶體含量，抑制鑄件缺陷的產(chǎn)生和獲得抗壓性出色的無鉛銅合金。
表7所示的非固溶體的理論含量是通過將Bi含量(質(zhì)量％)代入圖19中得到的線性回歸公式Y(jié)＝0.93X和將Se含量(質(zhì)量％)代入圖20中得到的線性回歸公式Y(jié)＝2.86X，并將由此獲得的值相加而得到的。
也就是說，非固溶體的理論量用下式表示。
非固溶體的理論含量(vol％)＝0.93Bi(質(zhì)量％)+2.86Se(質(zhì)量％)雖然某些樣品，如果不是全部的話，在非固溶體含量的實際測定值和理論值之間顯示了一些差異，但如圖7所示它們是相對比較接近的。通過將各獨立組分的值代入理論公式，可以不經(jīng)過每次實驗就能了解在大規(guī)模生產(chǎn)水平上的該非固溶體含量，抑制鑄件缺陷的產(chǎn)生和獲得耐壓性出色的無鉛銅合金。
工業(yè)實用性本發(fā)明的銅基合金獲得了與迄今廣泛應(yīng)用的青銅合金(CAC406)相同的可切削性，且具有高于CAC406的機械性能。因此，它可被用于以前主要使用包括CAC406在內(nèi)的無鉛青銅合金材料的一般配管器材如閥、龍頭和接頭中，并表現(xiàn)出與CAC406相同或更高的性能。在這里，可以減少昂貴的稀有元素添加劑材料如Se和Bi的使用。此外，由于它在鑄造性、耐腐蝕性、工件性能和耐壓性方面非常出色，而且在熔融狀態(tài)下表現(xiàn)出良好的流動性，因此除上述一般配管器材之外它還可以適用于各種形狀復(fù)雜的鑄件制品。
權(quán)利要求
1.一種青銅合金，該合金含有5.0-10.0質(zhì)量％的Zn、2.8-5.0質(zhì)量％的Sn、0.4-3.0質(zhì)量％的Bi、0≤Se≤0.35質(zhì)量％、0≤Ni≤3.0質(zhì)量％以及余量的Cu和不可避免的雜質(zhì)，其特征在于通過使該青銅合金含量范圍滿足-3.6Sn2+32Sn-13Bi-30(Se-0.2)-26Ni2+32Ni+(185±20)＞195這一關(guān)系式，使其拉伸強度得到了提高。
2.一種青銅合金，該合金含有5.0-10.0質(zhì)量％的Zn、2.8-5.0質(zhì)量％的Sn、0.4-3.0質(zhì)量％的Bi、0≤Se≤0.35質(zhì)量％、余量的Cu和不可避免的雜質(zhì)，其特征在于通過使該青銅合金含量范圍滿足-1.8Sn+10Bi+6Se+(79±2)＞80這一關(guān)系式，使其具有切削性。
3.權(quán)利要求1或2的青銅合金，該合金含有0＜P＜0.5質(zhì)量％。
4.權(quán)利要求1或2的青銅合金，該合金含有低于0.2質(zhì)量％的作為不可避免的雜質(zhì)的Pb。
5.用權(quán)利要求1或2的青銅合金制造的鑄錠。
6.用權(quán)利要求1或2的青銅合金加工形成的接液部件。
7.權(quán)利要求6的適合用于飲用水的青銅合金閥的接液部件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種青銅合金和用該合金制成的鑄錠或接液部件，所述銅合金含有作為Pb的替代元素的減低量的稀有元素(Bi，或Bi和Se等)，可以降低生產(chǎn)成本，同時具有與市售的常規(guī)青銅合金(CAC406)相當(dāng)或更為優(yōu)異的機械性能，并具有與CAC406相當(dāng)?shù)目汕邢餍?。上述性能是通過正確掌握作為Pb的替代元素的稀有元素(Bi，或Bi和Se等)的真實性能，并通過了解減少Pb的替代元素對鑄品的完整性的影響而抑制結(jié)構(gòu)缺陷而實現(xiàn)的。本發(fā)明涉及一種青銅合金，其含有5.0－10.0質(zhì)量％的Zn、2.8－5.0質(zhì)量％的Sn、0.4－3.0質(zhì)量％的Bi、0≤Se≤0.35質(zhì)量％、0≤Ni≤3.0質(zhì)量％以及余量的Cu和不可避免的雜質(zhì)，該青銅合金含量范圍滿足－3.6Sn
文檔編號C22C9/04GK101024867SQ20071008769
公開日2007年8月29日 申請日期2003年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月9日
發(fā)明者黑瀨一人, 平田幸宏, 小笹友行, 照井尚德 申請人:株式會社開滋