專利名稱：抗脫鋅黃銅合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種抗脫鋅銅合金，尤其是，本發(fā)明涉及一種抗脫鋅黃銅合金。
背景技術(shù)：
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，而脫鋅腐蝕是黃銅合金的一種選擇性腐蝕。當(dāng)銅-鋅合金在水溶液(如海水、淡水中應(yīng)用時)，部分表面鋅被浸蝕，優(yōu)先溶解合金表面；而合金所含的銅仍殘留在母材上，留下一團紅色多孔洞的海綿狀銅，這種現(xiàn)象即為脫鋅腐蝕現(xiàn)象。一般而言，當(dāng)鋅含量小于15重量％時，不易發(fā)生脫鋅，但隨著鋅含量增加，則提高脫鋅的敏感性；當(dāng)鋅大于30重量％后，脫鋅腐蝕現(xiàn)象會更為明顯。已有文獻報導(dǎo)，合金組成結(jié)構(gòu)及環(huán)境因素會影響脫鋅腐蝕現(xiàn)象，由合金組成來看， 含鋅量大于20%的單相α黃銅脫鋅后留下多孔的銅，而α+β雙相黃銅的脫鋅腐蝕首先自 β相開始，當(dāng)β相完全轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷傻你~后，再擴展到α相；含鋅量更高的ε相或Y相黃銅，由于脫鋅會發(fā)生ε — Y — β — α相轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變程度依據(jù)脫鋅時間、介質(zhì)和外加電位等外部條件的變化而改變(參見王吉會等人，1999年，材料研究學(xué)報，第13期，第1-8頁)。由于黃銅脫鋅現(xiàn)象會嚴重破壞黃銅合金的結(jié)構(gòu)，使黃銅制品的表層機械強度降低，甚至導(dǎo)致黃銅管穿孔，往往使材料過早破壞，大幅縮短黃銅制品的使用壽命，并造成應(yīng)用上的問題，因此，對于黃銅制品的抗脫鋅能力，國際間普遍接受如AS 2345、ISO 6509等所定標(biāo)準，即黃銅產(chǎn)品表面脫鋅層的深度不得超過100 μ m。針對抗脫鋅黃銅合金的配方，除了銅及鋅的必要成分外，目前已有US4，417，929 披露包含鐵、鋁及硅等成分；US 5，507，885及US 6，395，110披露包含磷、錫及鎳等成分； US 5，653，827披露包含鐵、鎳及鉍等成分；US6，974，509披露包含錫、鉍、鐵、鎳及磷成分； US 6，787，101披露同時包含磷、錫、鎳、鐵、鋁、硅及砷；以及US 6，599，378及US 5,637, 160 等專利披露以硒及磷等成分添加至黃銅合金以達到抗脫鋅效果；或參見王吉會等人，1999 年，材料研究學(xué)報，第13期，第1-8頁，披露以硼及砷等添加至黃銅合金以達到抗脫鋅效果。然而，公知抗脫鋅黃銅含鉛量通常較高(多為1-3重量％ )，以利于黃銅材料的加工特性，但隨著環(huán)保意識抬頭，重金屬對于人體健康的影響及對環(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)境中使用對象的含鉛率，涵蓋用于家電、汽車、水外圍產(chǎn)品的含鉛合金材料，特別要求不可從該產(chǎn)品溶出鉛至飲用水，且在加工制程中必須避免鉛污染。因此，業(yè)界仍然持續(xù)開發(fā)黃銅材料，尋找可替代含鉛抗脫鋅黃銅，但仍兼顧鑄造和機械加工性能及抗脫鋅腐蝕性的合金配方。為滿足降低環(huán)境、人體健康損壞及提高設(shè)備使用壽命需求，本發(fā)明研究以硅、銻元素代替鉛元素制成易切削黃銅材料，并加入砷元素改善黃銅合金的抗脫鋅腐蝕性能。

發(fā)明內(nèi)容
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為達上述及其它目的，本發(fā)明提供一種抗脫鋅黃銅合金，包含0. 5至1. 2重量％ 的硅(Si)、0. 01至0.2重量％的銻(Sb)、0. 02至0. 25重量％的砷(As)、0. 4至0. 8重量％ 的鋁(Al)、以及95. 8重量％以上的銅(Cu)與鋅(Zn)。本發(fā)明的抗脫鋅黃銅中，由于將硅、鋁元素加入黃銅合金，使合金具固溶強化的效果。而且，所添加元素的鋅當(dāng)量也涉及合金影響黃銅機械強度及延伸率，而硅的鋅當(dāng)量系數(shù)約為10至12，鋁的鋅當(dāng)量系數(shù)約為4至6，透過加入元素的鋅當(dāng)量系數(shù)來推算，添加含量 0. 5至1. 2重量％的硅，及含量0. 4至0. 8%的鋁；控制鋅當(dāng)量在45%以下，可令合金抗拉強度達約320MPa，延伸率約10. 8%，硬度約HRB76，具有優(yōu)良的機械強度及延伸率。由于添加硅元素而使金屬互化物析出，具備阻斷切屑的作用，通過改善合金的切削性，切削性及合金熔湯的流動性隨硅的含量增加而提高，合金流動性的增加有助減少鑄件的疏松缺陷；但添加量大于1.2重量％，使鋅當(dāng)量大于45%，造成合金脆化，機械強度及延伸率大幅降低；測試鋅當(dāng)量為48%的黃銅合金，抗拉強度約55MPa，延伸率約2%，硬度約 HRC 30，使得合金加工成型性不佳。此外，該硅含量以0.5至0.8重量％為佳。在本發(fā)明的抗脫鋅黃銅中，鋁元素的添加產(chǎn)生固溶強化的效能，可提高合金強度、 硬度及降低合金比重的功能。又因本發(fā)明搭配硅元素的加入，而控制鋅當(dāng)量在45%以下時， 鋁含量超過0. 8重量％，將降低合金延展性，金屬熔湯易氧化產(chǎn)生爐渣，降低合金流動性， 使得鑄件出現(xiàn)流痕、夾渣及組織致密性較差等鑄造不良現(xiàn)象。鋁的優(yōu)選含量為0. 5至0. 8 重量％。黃銅表面在腐蝕過程中產(chǎn)生雙空位，然后由于濃度梯度的影響，雙空位向合金內(nèi)部擴散，鋅原子向表面擴散，從而產(chǎn)生鋅的優(yōu)先溶解。對此，在本發(fā)明的抗脫鋅黃銅中添加砷元素可抑制銅的再沉積，并通過砷原子在晶界形成的保護層，占據(jù)或擴散進入雙空位，阻礙鋅的優(yōu)先溶解，而達到抗脫鋅腐蝕的效用；于該合金配方，砷元素添加量大于0. 17重量％以上，無法得到與添加量相等的抗脫鋅腐蝕效果改善；砷含量的優(yōu)選含量為0. 07至0. 17重量％。添加適量的砷能顯著提高黃銅抗脫鋅腐蝕的性能。而且，為了改善機械加工性能，例如切削性，在本發(fā)明的抗脫鋅黃銅中，添加銻元素與以銅形成脆性粒狀分散存在β相及β相相界處的金屬互化物，有助增加斷削功能，使切屑能很快斷裂，減小切屑的尺寸，并由于脆性金屬互化物的粒狀分布填補了合金空位擴散的溶解，亦有助降低合金腐蝕速度。此即本發(fā)明搭配砷及銻在特定比例范圍含量的目的。 另外，銻含量高于0. 2重量1^易因合金脆件增加，限制合金強度并由于銻元素聚集于合金晶界處，產(chǎn)生偏析現(xiàn)象造成鑄件產(chǎn)生熱脆裂的不良狀況。因此，通常添加的銻含量含量為 0. 01 至 0. 12 重量 ％。本發(fā)明的抗脫鋅黃銅合金，隨硅含量增加，使得砷及銻元素在水中溶出的析出量有所降低(NSF 61-2007a SPAC)；當(dāng)砷含量大于0. 25重量％及銻含量大于0. 2重量％以上， 砷、銻的析出量會超過法規(guī)標(biāo)準，即使增加硅含量也無法降低砷、銻的析出量；考慮各元素添加量的協(xié)同關(guān)系，合金組成為0. 5至1. 2重量％的硅(Si)、0. 01至0. 2重量％的銻(Sb)、 0. 02至0. 25重量％的砷(As)、0. 4至0. 8重量％的鋁(Al)，剩余元素為95. 8重量％以上的銅(Cu)與鋅(Zn)。本發(fā)明的抗脫鋅黃銅合金還可包含一種或多種選自鎳、錫、硼及鉛所中的元素。例如，該抗脫鋅黃銅合金可包含鎳或錫或硼或鉛，或者可同時包含0. 2至1. 25重量％的鎳及錫。在一具體實施例中，該抗脫鋅黃銅合金包含0. 1至0. 25重量％的鎳。此外，該抗脫鋅黃銅合金含硼時，其含量可為1至20ppm，并以5至15ppm為佳。添加適量的鎳及錫有助提高耐蝕性，并提高合金強度；添加適量的硼可將合金材料的晶粒細化，改善合金材料性能。在另一具體實施例中，該抗脫鋅黃銅合金包含0.05至0. 18重量％的鉛，添加適量的鉛有助增加合金切削潤滑及斷削性。而該合金中也可能具有雜質(zhì)，這種不可避免的雜質(zhì)含量為0. 2重量％以下。


圖IA為本發(fā)明抗脫鋅黃銅合金試片的金相組織分布圖IB為DR銅(CW602N黃銅)試片的金相組織分布圖IC為59鉛黃銅(C85700黃銅)試片的金相組織分布圖2A為本發(fā)明抗脫鋅黃銅合金的流動性測試圖2B為DR銅(CW602N黃銅)合金的流動性測試圖2C為59鉛黃銅(C85700黃銅)合金的流動性測試圖3A為本發(fā)明抗脫鋅黃銅合金的車削斷屑圖3B為DR銅CW602N黃銅試片的車削斷屑圖3C為59鉛黃銅(C85700黃銅)試片的車削斷屑圖4A為本發(fā)明抗脫鋅黃銅合金試片的抗脫鋅腐蝕測試的金相組織分布圖4B為DR銅(CW602N黃銅)試片的抗脫鋅腐蝕測試的金相組織分布圖；以及
圖4C為59鉛黃銅(C85700黃銅)試片的抗脫鋅腐蝕測試的金相組織分布圖。
具體實施例方式以下通過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內(nèi)容了解本發(fā)明的其它優(yōu)點與功效。在本說明書中，“抗脫鋅銅合金/抗脫鋅黃銅合金”為本領(lǐng)域常用術(shù)語，意指該合金表面對于環(huán)境腐蝕條件具有耐受性而不易產(chǎn)生脫鋅，此處以澳大利亞AS 2345標(biāo)準法規(guī) (Dezincification resistance of copper alloys)為準，定義黃銅合金的產(chǎn)品表面的脫鋅層深度不能超過100 μ m。在本說明書中，除非另有說明，否則抗脫鋅黃銅合金所包含的成分皆以該合金總重量為基準，并以重量百分比(重量％)表示。另外，本發(fā)明的抗脫鋅黃銅合金配方是指符合美國California BillAB 1953無鉛法案的規(guī)定。其用于衛(wèi)浴產(chǎn)品中與水接觸零件的制造材料，其含鉛量必須小于0. 25重量％，以及美國NSF 61新增規(guī)定的衛(wèi)浴產(chǎn)品單產(chǎn)品鉛浸出量小于5ppb，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。依據(jù)本發(fā)明人的研究，本發(fā)明的抗脫鋅黃銅合金中搭配特定含量的硅、銻及砷即可達到公知含鉛黃銅所具備的材料特性，具體而言，該抗脫鋅黃銅合金僅需含有0. 5至1. 2重量％的硅與0. 01至0. 2重量％的銻及0. 02至0. 25重量％的砷即可達到公知含鉛黃銅所具備的材料特性(如切削性等)，且此種抗脫鋅黃銅合金材料較不易產(chǎn)生裂紋或夾雜等產(chǎn)品缺陷，并符合澳大利亞AS-2345的抗脫鋅要求。此外，據(jù)此而得到的本發(fā)明黃銅合金配方有效降低抗脫鋅黃銅合金的生產(chǎn)成本，對于商業(yè)量產(chǎn)及應(yīng)用上極具優(yōu)勢。在一實施例中，本發(fā)明的抗脫鋅黃銅合金包含58至65重量％的銅、0.5至1.2重量％的硅、0. 01至0. 2重量％的銻、0. 02至0. 25重量％的砷、0. 4至0. 8重量％的鋁、0. 2 重量％以下的不可避免的雜質(zhì)、以及余量鋅。在另一實施例中，本發(fā)明的抗脫鋅黃銅合金包含59至63重量％的銅、0.5至0.8 重量％的硅、0.01至0. 12重量％的銻、0. 07至0. 17重量％的砷、0.5至0.8重量％的鋁、 0. 2重量％以下的不可避免的雜質(zhì)、以及余量鋅。在再一實施例中，本發(fā)明的抗脫鋅黃銅合金包含59至63重量％的銅、0. 5至0. 8 重量％的硅、0. 01至0. 12重量％的銻、0. 07至0. 17重量％的砷、0. 5至0. 8重量％的鋁、5 至15ppm的硼、0. 1至1重量％的錫、0. 1至0. 25重量％的鎳、0. 2重量％以下的不可避免的雜質(zhì)、以及余量鋅。在再一實施例中，本發(fā)明的抗脫鋅黃銅合金包含59至63重量％的銅、0.5至0.8 重量％的硅、0.01至0. 12重量％的銻、0. 07至0. 17重量％的砷、0.5至0.8重量％的鋁、 0. 05至0. 18重量％的鉛、0. 2重量％以下的不可避免的雜質(zhì)、以及余量鋅。以下，將以例示性實施例詳細闡述本發(fā)明。用于后述試驗例的本發(fā)明抗脫鋅黃銅合金的成分，是如下所述，其中，各成分的比例是以合金總重為基準實施例1
權(quán)利要求
1.一種抗脫鋅黃銅合金，包含 0. 5至1.2重量％的硅；0.01至0.2重量％的銻； 0. 02至0. 25重量％的砷； 0.4至0.8重量％的鋁；以及 95. 8重量％以上的銅與鋅。
2.如權(quán)利要求1所述的抗脫鋅黃銅合金，其中，銅的含量為58至65重量％。
3.如權(quán)利要求1所述的抗脫鋅黃銅合金，其中，硅的含量為0.5至0. 8重量％。
4.如權(quán)利要求1所述的抗脫鋅黃銅合金，其中，銻的含量為0.01至0. 12重量％。
5.如權(quán)利要求1所述的抗脫鋅黃銅合金，其中，砷的含量為0.07至0. 17重量％。
6.如權(quán)利要求1所述的抗脫鋅黃銅合金，其中，鋁的含量為0.5至0. 8重量％。
7.如權(quán)利要求1所述的抗脫鋅黃銅合金，還包含一種或多種選自鎳、錫、硼和鉛中的元ο
8.如權(quán)利要求7所述的抗脫鋅黃銅合金，其中，所述抗脫鋅黃銅合金包含0.2至1. 25 重量％的鎳和錫。
9.如權(quán)利要求7所述的抗脫鋅銅合金，其中，所述抗脫鋅黃銅合金包含0.1至1重量％ 的錫。
10.如權(quán)利要求7所述的抗脫鋅銅合金，其中，所述抗脫鋅黃銅合金包含0.1至0. 25重量％的鎳。
11.如權(quán)利要求7所述的抗脫鋅銅合金，其中，所述抗脫鋅黃銅合金包含0.05至0.18重量％的鉛。
12.如權(quán)利要求7所述的抗脫鋅銅合金，其中，所述抗脫鋅黃銅合金包含1至20ppm的硼。
13.如權(quán)利要求12所述的抗脫鋅銅合金，其中，硼的含量為5至15ppm。
全文摘要
一種抗脫鋅黃銅合金，包含0.5至1.2重量％的硅(Si)、0.01至0.2重量％的銻(Sb)、0.02至0.25重量％的砷(As)、0.4至0.8重量％的鋁(Al)、以及95.8重量％以上的銅(Cu)與鋅(Zn)。本發(fā)明的抗脫鋅黃銅合金具有優(yōu)良的鑄造性能，具有良好切削性，可耐腐蝕而降低表面脫鋅情況。
文檔編號C22C9/04GK102433461SQ201010502728
公開日2012年5月2日 申請日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者羅文麟, 賴憶茹, 鄧茂英 申請人:摩登島股份有限公司