改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，該黃銅合金中各組份的組成按重量百分比計分別包含銅(Cu)58-64％，錫(Sn)0.3-1.2，鉛(Pb)不大于0.25％，磷(P)0.01-0.15％，以及鎳、鈮、鋯或鋁元素中至少二種且總和為0.01-0.4%，其余為鋅(Zn)和不可避免的雜質(zhì)，而且，所述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金組成中銅加鋅不小于98wt％。上述改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金具有優(yōu)良的材料性能，良好韌性及加工性，能提高黃銅的耐脫鋅能力。
【專利說明】改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種黃銅合金，且特別涉及具備有低收縮耐腐蝕性能的黃銅合金。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有非環(huán)保含鉛黃銅的主要成份為銅與鋅，兩者的比例通常為約7:3或6:4，此外通常包含較多量的雜質(zhì)。為了讓黃銅能具有良好的機械加工性質(zhì)，公知的黃銅組成含按重量百分比計為1-3%的鉛。含鉛黃銅為工業(yè)上重要材料，廣泛應(yīng)用于管線、水龍頭、供水/排水系統(tǒng)的金屬裝置或金屬閥等制品。
[0003]然而，隨著環(huán)保意識抬頭，重金屬對于人體健康的影響與對環(huán)境污染的問題逐漸受到重視。因此，限制含鉛合金的使用為目前的趨勢。日本、美國等國陸續(xù)修訂相關(guān)法規(guī)，極力推動降低環(huán)境中的含鉛率，涵蓋用于家電、汽車、水周邊產(chǎn)品的含鉛合金材料，特別要求不可從產(chǎn)品浸出鉛至飲用水，且在加工過程中必須避免鉛污染。從而，業(yè)界亟欲開發(fā)無鉛的黃銅材料，尋找可替代含鉛黃銅，并兼顧鑄造性能、切削性、耐腐蝕性、與機械性質(zhì)的黃銅
I=1-Wl O
[0004]早期的黃銅研究大多利用鉍取代對人類有害的鉛作為切削元素，含鉍無鉛黃銅的鑄造性能優(yōu)良、機械加工及后續(xù)拋光、電鍍處理合格率高，所以鉍無疑是取代鉛的第一考慮。鉍的化學(xué)性質(zhì)與砷、銻類似，且砷、銻已被發(fā)現(xiàn)可抑制黃銅脫鋅現(xiàn)象，但鉍元素在黃銅合金中，容易偏析于晶 界上，在二次加工(緞造、焊接)容易造成材料破裂。且鉍元素具有微弱放射性，事實上對人體有害，故鉍元素雖然在短期間可以取代鉛元素，但在中長期來看，尋求其它合金元素來取代鉛、鉍的研究勢在必行。
[0005]由此可見，現(xiàn)有的黃銅合金產(chǎn)品及其制造方法顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進一步改進。為了解決上述存在的問題，相關(guān)廠商莫不費盡心思來謀求解決道，因此新的黃銅合金配比和其制成產(chǎn)品，為業(yè)界極需改進的目標(biāo)，亦屬當(dāng)前重要研發(fā)課題一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的主要目的在于，提供一種添加生醫(yī)元素鈮的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，其克服現(xiàn)有的黃銅合金材料因不可避免的脫鋅行為導(dǎo)致其鑄件嚴(yán)重腐蝕穿孔，而影響合金使用安全的缺陷。添加生醫(yī)元素鈮的低收縮耐腐蝕黃銅具有優(yōu)良的材料性能，良好韌性及加工性，能提高合金的強度和耐腐蝕性，能用于船艦等高腐蝕行為環(huán)境，非常適于實用。
[0007]本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金各組份的組成按重量百分比計分別為:銅:58-64%，錫:0.3-1.20Z0 ’鉛:不大于0.25%，磷:0.01-0.15%，以及鎳、鈮、鋯或鋁元素至少其中二種總和為0.01-0.4%，其余為鋅(Zn)和不可避免的雜質(zhì)，而且，所述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金組成中銅加鋅不小于98wt%。
[0008]本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)。[0009]前述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，其中所述的鈮按重量百分比計為0.07-0.15%。
[0010]前述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，其中所述的錫按重量百分比計為0.5-0.9%。
[0011]前述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，其中所述的鉛按重量百分比計為0.08-0.2%。
[0012]前述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，其中所述的磷按重量百分比計為0.08-0.15%。
[0013]本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)。改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金各組份的組成按重量百分比計分別為:銅:58-64%，錫:0.6-0.8%，鉛:0.08-0.2 %，磷:0.08-0.15%，及其它元素如鎳、鈮、鋯、鋁中，至少選擇兩項添加0.07-0.25%，其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)，而且，所述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金組成中銅加鋅不小于98wt%。
[0014]本發(fā)明改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金具有優(yōu)良的材料性能，良好韌性及加工性，能提高合金的強度和耐腐蝕性，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果。由以上技術(shù)方案可知，本發(fā)明的主要技術(shù)內(nèi)容如下: [0015]為達到上述目的，本發(fā)明提供的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金中鈮的含量可與鎳、鋯、鋁至少其中之一按重量百分比添加達總和計為0.01-0.4%。在本發(fā)明實施例中，鈮的含量為0.07-0.15%，鑄造后可以使收縮量大幅降低、流動性提高，并且黃銅中的α相變多，提聞其抗脫鋒能力。
[0016]為達到上述目的，本發(fā)明提供的低收縮耐腐蝕黃銅合金中鋁的含量按重量百分比計為0.01-0.4%。在本發(fā)明實施例中，鋁的含量為0.07-0.15%，適當(dāng)?shù)奶砑愉X可以除氧，凈化銅液，一旦過多變會造成氧化鋁殘留，容易行程夾渣。
[0017]為達到上述目的，本發(fā)明提供的低收縮耐腐蝕黃銅合金中鎳的含量按重量百分比計為0.01-0.4%。在本發(fā)明實施例中，鎳的含量為0.07-0.15%，鎳的鋅當(dāng)量點為負(fù)值，添加后有助于黃銅金相內(nèi)的α相形成，使黃銅具有耐腐蝕性及韌性，材料不易脆裂。
[0018]為達到上述目的，本發(fā)明提供的低收縮耐腐蝕黃銅合金中鋯的含量按重量百分比為0.01-0.4%。在本發(fā)明實施例中，鋯的含量為0.07-0.15%，適當(dāng)?shù)奶砑愉喛梢栽邳S銅金相中形成異質(zhì)成核點，使晶粒細(xì)化。
[0019]為達到上述目的，本發(fā)明提供的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金中錫的含量按重量百分比計為0.3-1.2%。在本發(fā)明實施例中，錫的含量為0.6-0.8%。適量的錫可以使耐腐蝕性大幅提高，且錫在黃銅中起固溶強化作用，可提高強度和硬度。
[0020]為達到上述目的，本發(fā)明提供的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，鉛的含量按重量百分比計不大于0.25%。在本發(fā)明實施例中，鉛的含量為0.08-0.15%。
[0021]為達到上述目的，本發(fā)明提供的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，磷的含量按重量百分比計為0.01-0.15%。在本發(fā)明實施例中，磷添加至0.08-0.15%。磷為良好的脫氧劑，添加后鑄造時的流動性大幅提聞，且憐會穩(wěn)定黃銅中耐腐蝕的α相，并擴大α相。
[0022]通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金至少具有下列優(yōu)點及有益效果:[0023]第一，由于使用對人體無害的生醫(yī)材料鈮作為替代元素，能在鑄造時提高黃銅的流動性并大幅降低其收縮性，并且達到抗脫鋅的效果，提高黃銅的耐腐蝕性。
[0024]第二，由于添加極少量的鉛，能在銅中形成不溶的固溶體且均勻分散在黃銅的兩相間，它們能夠明顯地提高銅的切削能。
[0025]第三，本發(fā)明的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，能夠明顯地提高黃銅的機械性能、耐蝕性能，還有合金的強度和硬度。能提高合金材料的切削性，從而改善了黃銅的切削加工性能。
[0026]綜上所述，本發(fā)明的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金配比，得到了具備優(yōu)異切削性、抗腐蝕性、高強度和硬度的環(huán)保黃銅合金。本發(fā)明在技術(shù)上有顯著的進步，并具有明顯的積極效果，成為新穎、進步、實用的耐腐蝕黃銅合金材料。
[0027]上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉優(yōu)選實施例，并配合附圖，詳細(xì)說明如下。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是無添加任何元素的64黃銅，添加元素鈮的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金與磷含量為0.01-0.15?〖％的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金的金相組織分布比較。 [0029]圖2為添加元素鈮且不同鉛含量的低收縮耐腐蝕黃銅合金試片，進行切削試驗后的切屑形狀的立體顯微鏡照片比較。
[0030]圖3A是本發(fā)明的一種改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金試片的金相組織分布。
[0031]圖3B為鉍無鉛黃銅試片的金相組織分布。
[0032]圖3C為H59鉛黃銅試片的金相組織分布。
[0033]圖4A為鉍無鉛黃銅的抗脫鋅腐蝕測試的金相組織分布。
[0034]圖4B為H59鉛黃銅的抗脫鋅腐蝕測試的金相組織分布。
[0035]圖4C為本發(fā)明的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金試片的金相組織分布。
[0036]圖5為本試驗的流動模設(shè)計示意圖。
[0037]圖6為本發(fā)明的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金試片的切削條件示意圖。
[0038]圖7A為本發(fā)明實施例6的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金試片，進行鉆孔試驗后的切屑形狀的立體顯微鏡照片。
[0039]圖7B為本發(fā)明實施例7的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金試片，進行鉆孔試驗后的切屑形狀的立體顯微鏡照片。
[0040]圖7C為本發(fā)明實施例8的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金試片，進行鉆孔試驗后的切屑形狀的立體顯微鏡照片。
【具體實施方式】
[0041]為更進一步闡述本發(fā)明為達成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合附圖及特定的具體實施例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭示的的內(nèi)容了解本發(fā)明的其它優(yōu)點與功效。
[0042]在本說明書中，除非另有說明，否則黃銅合金配方所包含的組成分皆以合金總重量為基準(zhǔn)，并以重量百分比(Wt% )表示。
[0043]本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以公知高含量的錫(Sn) (2wt%以上)添加入黃銅合金時，在微觀上，會產(chǎn)生大量的Y相，造成嚴(yán)重腐蝕且硬度大幅提高而難以加工。
[0044]本發(fā)明提供添加元素鈮的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，在高溫熔煉時將鈮包覆于銅管內(nèi)迫使鈮和黃銅形成中間產(chǎn)物，溶入黃銅中。
[0045]圖1是無添加任何元素的64黃銅，添加元素鈮的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金與磷含量為0.01-0.15?〖％的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金的金相組織分布比較。其中(a)部分為無添加任何元素的64黃銅，(b)部分為添加元素鈮的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，(c)部分為磷含量為0.01-0.15wt%的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金。本實施例中，鈮的含量為0.07-0.15wt%， 磷的含量為0.08-0.15wt%，錫的含量為0.1-0.3wt%0
[0046]從圖1 (b)部分的結(jié)果得知，添加元素鈮鑄造能大幅降低黃銅合金的收縮量、提高流動性，并且穩(wěn)定黃銅中較耐腐蝕的α相，使黃銅中的α相變多，其從而提高了抗脫鋅能力。
[0047]從圖1(c)部分的結(jié)果得知，磷為良好的脫氧劑，添加0.08-0.15?丨％磷能大幅提高鑄造時的流動性，且磷會穩(wěn)定黃銅中耐腐蝕的α相，并擴大α相。而添加過多的錫會導(dǎo)致黃銅中脆相Y相形成，嚴(yán)重影響耐腐蝕性與機械性能，因此錫的含量范圍為0.1-0.3wt%，優(yōu)選為 0.15-0.25wt%o
[0048]此外，本發(fā)明添加元素鈮的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，鉛的含量按重量百分比計為不大于0.25%。由于鉛幾乎不溶于黃銅中，以游離態(tài)分散于固溶體中能夠明顯地提高銅的切削性能。
[0049]基于過多的鉛會污染環(huán)境與傷害人體等顧慮，故本發(fā)明實施例以不影響生物體的安全性并能達到易切削黃銅效果的配比進行。其中鉛含量為0.08-0.15%的黃銅合金配方，整體效果最佳。
[0050]一般來說，黃銅切屑依形狀大致分類為卷型屑、C型短屑及片狀屑三種，其中卷型屑可預(yù)期會黏刀并且影響機加性能，C型短屑可預(yù)期為具有較好的機加性能，片狀屑則可預(yù)期機加性能最好。
[0051]圖2為添加元素鈮的低收縮耐腐蝕黃銅合金試片，進行切削試驗后的不同切屑形狀的立體顯微鏡照片比較。其中(a)部分為添加元素鈮且鉛含量為0.08-0.15%的低收縮耐腐蝕黃銅合金卷型屑，(b)部分為添加元素鈮且鉛含量為0.08-0.15%的低收縮耐腐蝕黃銅合金切削C型短屑，(c)部分為添加元素鈮且鉛含量達2%以上低收縮耐腐蝕黃銅合金切削的片狀屑，(d)部分為添加元素鈮且鉛含量為不大于0.25的低收縮耐腐蝕黃銅合金試片，進行切削試驗后產(chǎn)生類似片狀屑形狀的立體顯微鏡照片。
[0052]依據(jù)前述，在低收縮耐腐蝕黃銅合金中添加元素鈮不但可解決材料開裂的缺陷，且仍可達到鉛黃銅(如公知的H59鉛黃銅)所具備的材料特性(如切削性等)，且不易產(chǎn)生裂紋或夾雜等產(chǎn)品缺陷。因此，本發(fā)明的的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金不僅可大幅降低鉛的使用，提高合金的機械性能，更能有效降低黃銅合金的的生產(chǎn)成本，對于商業(yè)量產(chǎn)及應(yīng)用上極具優(yōu)勢。
[0053]另外，依據(jù)本發(fā)明的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金配方，可以使合金中的鉛含量降低至0.2wt%以下，符合對于與水接觸的的管線材料的鉛含量的國際規(guī)定。因此，本發(fā)明的無鉛磷銅合金有利于制造水龍頭及衛(wèi)浴零組件、自來水管線、供水系統(tǒng)等的應(yīng)用。
[0054]以下，將以例示性實施例詳細(xì)闡述本發(fā)明。
[0055]實施例1:
[0056]在相同制程及相同操作條件下，分別以本發(fā)明的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金(實施例1至8)、鉍無鉛黃銅(比較例I至2)、H59鉛黃銅(比較例3至4)為材料，進行相同的產(chǎn)品鑄造，并比較各合金的加工特性及各階段的制程合格率。其中，制程合格率定義如下
所示:
[0057]
【權(quán)利要求】
1.一種改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，其特征在于所述合金各組份的組成按重量百分比計分別包含: 58-64% 的銅；
0.3-1.2% 的錫； 不大于0.25%的鉛；
0.01-0.15% 的磷； 鎳、鈮、鋯或鋁元素中至少兩種且總和為0.01-0.4%;以及 鋅和不可避免的雜質(zhì)，其中所述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金組成中銅加鋅不小于 98wt%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，其特征在于所述鈮按重量百分比計為0.07-0.15%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，其特征在于所述鎳按重量百分比計為0.07-0.15%。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，其特征在于所述鉛按重量百分比計為0.08-0.2%。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，其特征在于所述錫按重量百分比計為0.5-0.9%。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，其特征在于所述磷按重量百分比計為0.08-0.15%。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，其特征在于所述鋯按重量百分比計為0.07-0.15%。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，其特征在于所述鋁按重量百分比計為0.07-0.25%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，其特征在于所述鎳按重量百分比計為0.07-0.15%。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，其特征在于所述鉛按重量百分比計為0.08-0.2%。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，其特征在于所述錫按重量百分比計為0.6-0.8%。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，其特征在于所述磷按重量百分比計為0.08-0.15%。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，其特征在于所述鋯按重量百分比計為0.07-0.15%。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，其特征在于所述鋁按重量百分比計為0.07-0.25%。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改良的低收縮耐腐蝕的黃銅合金，其特征在于包含所述鎳、銀、錯或招元素中至少兩種且總和為0.07-0.25%。
【文檔編號】C22C9/04GK104018025SQ201310063216
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月28日
【發(fā)明者】吳威德, 羅文麟, 呂鴻慶, 林盈君 申請人:摩登島股份有限公司