TWI500783B - Brass alloy and its manufacturing method - Google Patents

Description

黃銅合金及其製造方法

本發明係有關於一種黃銅合金，特別是有關於一種無鉛易切削抗脫鋅的黃銅合金。

一般作為加工用的黃銅，會添加鋅金屬的比例為38至42%。為了讓黃銅更好加工，黃銅裡面通常有2~3%的鉛以增加強度與加工性。含鉛黃銅具有優良成形性(容易製作各種形狀產品)、切削性和耐磨耗性被廣泛應用於各種形狀的機械加工零件，在銅行業中佔有較大的比例，是世界上公認的重要基礎材料。但是，含鉛黃銅在生產或使用過程中，容易發生鉛以固態或氣態的形式溶出，醫學研究指出，鉛對人體造血和神經系統特別是兒童的腎臟及其他器官的損害較大。世界各國均很重視鉛造成的污染和引起的危害，美國國家衛生基金會(National Sanitation Foundation，NSF)，日本工業規格(Japanese Industrial Standards，JIS)，德國標準化學會(Deutsches Institut für Normung e.V.，DIN)及歐盟的危害性物質限制指令(Restriction of Hazardous Substances Directive，RoHS)等都相繼規定，限制和禁止含鉛黃銅的使用。

另外，當黃銅中的鋅含量超過20wt%時，易發生脫鋅(dezincification)之腐蝕現象，特別是當該黃銅接觸高氯 離子的環境，例如海水環境時，會加速脫鋅腐蝕現象的發生。由於脫鋅作用會嚴重破壞黃銅合金之結構，使黃銅製品的表層強度降低，甚或導致黃銅管穿孔，大幅縮短黃銅製品的使用壽命，並造成應用上的問題。

因此，便有需要提供一種可替代含鉛黃銅，並可達到抗脫鋅腐蝕，但仍須兼顧鑄造性能、切削性、耐腐蝕性、與機械性質之合金配方，以解決前述的問題。

本發明的目的在於提供一種抗脫鋅性佳，並且不含鉛的黃銅合金。

為達成上述目的，本發明提供一種黃銅合金，以其總重為100wt%計算，該黃銅合金包括以下成份：60~65wt%的銅、0.1~0.3wt%的鉍、0.25~0.5wt%的銻、平衡量的鋅，以及不可避免之雜質。

為達成上述目的，本發明再提供一種黃銅合金的製造方法，包括下列步驟：提供銅及錳；對該銅及該錳進行升溫，並升溫至攝氏1100度~攝氏1150度之間，使銅及錳形成一銅錳合金熔液；降低該銅錳合金熔液的溫度至攝氏950度~攝氏1000度之間；覆蓋一稻殼灰燼於該銅錳合金熔液之表面；添加鋅至該銅錳合金熔液內，而形成一銅錳鋅熔液；對該銅錳鋅熔液進行除渣；添加銻、鉍、鋁及錫至銅錳鋅熔液內，而形成一金屬熔液；升高該金屬熔液之溫度至攝氏1000度~攝氏1050度之間，並添加銅硼合金及磷銅合金，而形成一黃銅合金溶液；以及將該黃銅合金溶液出爐鑄造而形成該 黃銅合金。

本發明中所述的黃銅合金，經由各種不同金屬依一定比例添加後，再經高週波熔解爐而製造出與習知含鉛黃銅相當之機械加工性能，以及良好的抗拉強度、伸長率、抗脫鋅性佳，並且不含鉛，適合作為取代習知含鉛黃銅之合金材料而用於製造產品，例如水龍頭或衛浴用品的零配件。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。

S100~S116‧‧‧步驟

圖1為本發明之一實施例之黃銅合金的製造方法流程圖。

圖2為黃銅合金之切削性質測試結果照片。

根據本發明之一實施例的黃銅合金的製造方法，可使該黃銅合金具有與習知含鉛黃銅相當之機械加工性能，良好的抗拉強度及伸長率，抗脫鋅性佳，且完全無鉛含量，極適合作為取代習知含鉛黃銅之合金材料而用於製造產品。以其總重為100wt%計算，該黃銅合金包括以下成份：60~65wt%的銅、0.1~0.3wt%的鉍、0.25~0.5wt%的銻、平衡量的鋅，以及不可避免之雜質。該黃銅合金還可包括鋁、錫、磷、錳及硼之混合物，且該混合物的總含量佔該黃銅合金的0.2~2wt%。另外在生產製造時，會因材料本身的純度，而將不可避免之雜質帶入黃銅合金內，該不可避免之雜質的總含量可為0.1wt%以下的鎳、0.1wt%以下的鉻或0.1wt%以下的 鐵。

較佳地，本發明的黃銅合金，其成份只由60~65wt%的銅、0.1~0.3wt%的鉍、0.25~0.5wt%的銻、平衡量的鋅，以及不可避免之雜質所組成。

在另一實施例中，本發明的黃銅合金，其成份只由60~65wt%的銅、0.1~0.35wt%的鉍、0.15~0.5wt%的銻、以及鋁、錫、磷、錳及硼之混合物，且該混合物的總含量佔該黃銅合金的0.2~2wt%、平衡量的鋅，以及不可避免之雜質所組成。

在另一實施例中，本發明的黃銅合金，其為61.5-62.5wt%的銅、0.15-0.3wt%的鉍、0.25-0.35wt%的銻、0.15-0.25wt%的鋁、0.2-0.4wt%的錳、0.5-0.6wt%的錫、0.15-0.2wt%的磷、0.002-0.005wt%的硼、平衡量的鋅，以及不可避免之雜質所組成。

本發明的黃銅合金金相組織主要包含α相、β相，及分布在晶界或晶粒內軟而脆的金屬間化合物，其中銅、鋅為構成6/4黃銅的主要元素，而添加鉍可取代鉛成為組織中切削斷點。但鉍含量過高則鍛造時容易產生熱裂，故在減少其含量情況下，部份使用銻及磷可與銅產生金屬間化合物，來增加切削性，也有助於抗脫鋅性。而添加鋁、錫、錳等元素亦有助於抗脫鋅性及鑄造流動性，添加硼具有細化晶粒作用，可分散金屬間化合物分布，增加抗脫鋅性及機械性質。

圖1為本發明之一實施例之黃銅合金的製造方法流程圖。黃銅合金的製造方法，包括下列步驟：

步驟S100：提供銅及錳。在本步驟中，可提供銅錳合金作為提供該銅及錳之材料。

步驟S102：對銅及錳進行升溫，並升溫至攝氏1100度~攝氏1150度之間，使銅及錳形成一銅錳合金熔液。在本步驟中，可將該銅錳合金加入高週波熔解爐，並在熔解爐內進行熔解升溫，並升溫至攝氏1100度~攝氏1150度之間，其動作維持30分鐘，使銅錳合金熔解成一銅錳合金熔液。上述的動作可避免因溫度太高而使銅、錳熔解之液體吸收大量的外界氣體，導致成型之合金材料產生裂化作用。

該高週波熔解爐具有熔解速率快、升溫度高、潔淨無污染及熔解可自行攪拌(即受磁力線影響)等特性，且該高週波熔解爐內並以碳化矽石墨坩鍋為爐襯，以做為導磁之用。

步驟S104：降低銅錳合金熔液的溫度至攝氏950度~攝氏1000度之間。在本步驟中，當熔解爐內升溫至攝氏1100度~攝氏1150度之間，並維持30分鐘時，關閉高週波熔解爐的電源，使熔解爐內的溫度下降至攝氏950度~攝氏1000度，同時該銅錳合金熔液還持熔融狀態。

步驟S106：覆蓋稻殼灰燼於銅錳合金熔液之表面。在本步驟中，將稻殼灰燼覆蓋於攝氏950度~攝氏1000度之銅錳合金熔液的表面，此動作可有效阻隔液體與空氣接觸並防止之後所要添加的鋅在攝氏950度~攝氏1000度之間的高溫熔解而產生沸騰揮發。

步驟S108：添加鋅至銅錳合金熔液內，而形成 一銅錳鋅熔液。在本步驟中，添加鋅至熔解爐內，並使沉入銅錳合金熔液，使鋅與銅錳合金熔液相互溶解，而形成一銅錳鋅熔液。

步驟S110：對銅錳鋅熔液進行除渣。在本步驟中，可先將銅錳鋅熔液藉碳化矽石墨坩鍋爐襯之導磁作用予以攪拌混合後，再將稻殼灰燼撈起。然後再使用除渣劑進行除渣動作。

步驟S112：添加銻、鉍、鋁及錫至銅錳鋅熔液內，而形成一金屬熔液。在本步驟中，可添加純銻金屬、純鉍金屬、純鋁金屬或純錫金屬至銅錳鋅熔液內。

步驟S114：升高金屬熔液之溫度至攝氏1000度~攝氏1050度之間，並添加銅硼合金及磷銅合金，而形成黃銅合金溶液。在本步驟中，添加銅硼合金及磷銅合金至金屬熔液內。

步驟S116：將黃銅合金溶液出爐鑄造而形成黃銅合金。在本步驟中，均勻攪拌該黃銅合金溶液後，再將出爐溫度控制在攝氏1030度~攝氏1050度之間，最後再將該黃銅合金溶液出爐鑄造出無鉛、加工性能良好、耐脫鋅且機械性能均佳之黃銅合金。

本發明之材料成份配比實測如下，單位為重量百分比(wt%)：

抗脫鋅實驗結果如下：

抗脫鋅腐蝕性能測試為按照AS-2345-2006規範進行，以1000C.C去離子水加入12.8克氯化銅，並將實測1~5放置其中，時間為24h，以測得脫鋅深度。由上述的材料成份配比及抗脫鋅實驗結果可知，當銅金屬的重量百分比大於60時，平均脫鋅深度會大幅的降低，特別是當銅金屬的比重為60.5wt%時，平均脫鋅深度降至80微米。從上述實驗得知銅含量需60%以上再添加少量抗脫鋅合金元素才能得到100微米以下的脫鋅深度。

然後再規畫7組實驗，每一組黃銅合金的銅金屬的比重皆大於或等於60.5wt%，以進行抗拉強度、延伸率、脫鋅深度及相對切削率的測試。

材料成份配比實測如下，單位為重量百分比(wt%)：

對上述材料編號1~7進行抗拉強度、延伸率、切削性能及抗脫鋅腐蝕性能測試，其試樣為鑄態。

抗拉強度及延伸率的測試，以鑄態的形式在室溫下進行拉伸測試，對比試樣為同狀態同規格的含鉛黃黃銅，即C36000合金。

在切削性能測試中為採用相同的刀具，相同切削速度和相同進刀量，切削速度為25m/min(米/分鐘)，進刀量為0.2mm/r(毫米/每刀刃數)，切削深度0.5mm，試棒直徑為20mm，並以C36000合金材料為基準，經由量測切削阻力求得相對切削率。

相對切削率=C36000合金材料的切削阻力/試樣切削阻力。

抗脫鋅腐蝕性能測試為按照AS-2345-2006規範進行，以1000C.C去離子水加入12.8克氯化銅，並將材料編號1~7及C36000合金材料放置其中，時間為24h，以測得抗脫鋅性。

C36000合金材料成份配比實測如下，單位為重量百分比(wt%)：

抗拉強度、延伸率、切削性能及抗脫鋅腐蝕性能實驗結果如下：

在上表中，脫鋅層：◎代表脫鋅深度小於100μm；○代表脫鋅深度介於100μm及200μm之間；以及ㄨ代表脫鋅深度大於200μm。

在上表中，相對切削率：◎代表相對切削率大於85%；○代表相對切削率大於70%。

由上表可知，當銅金屬的比重為60.05~64.03wt%時，再添加其他金屬(如鉍及銻)時，可得到與C36000合金相當切削性及較小的脫鋅深度。由圖2得到上述7組實驗其切削為短而 細小之斷削代表其切削性佳

由上述可知，經由各種不同金屬依一定比例添加後，再經高週波熔解爐而製造出與習知含鉛黃銅相當之機械加工性能，以及良好的抗拉強度、伸長率、抗脫鋅性佳、易切削，並且不含鉛，適合作為取代習知含鉛黃銅之合金材料而用於製造產品，例如水龍頭或衛浴用品的零配件。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

S110~S116‧‧‧步驟

Claims (10)

1. 一種黃銅合金，以其總重為100wt%計算，該黃銅合金包括以下成份：60~65wt%的銅、0.1~0.3wt%的鉍、0.25~0.5wt%的銻、鋁、錫、磷、錳及硼之混合物，該混合物的總含量佔該黃銅合金的0.2~2wt%、平衡量的鋅，以及不可避免之雜質。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之黃銅合金，其中該不可避免之雜質的總含量為0.1wt%以下的鎳、0.1wt%以下的鉻或0.1wt%以下的鐵。
3. 一種黃銅合金的製造方法，包括下列步驟：提供銅及錳；對該銅及該錳進行升溫，並升溫至攝氏1100度~攝氏1150度之間，使該銅及該錳形成一銅錳合金熔液；降低該銅錳合金熔液的溫度至攝氏950度~攝氏1000度之間；覆蓋一稻殼灰燼於該銅錳合金熔液之表面；添加鋅至該銅錳合金熔液內，而形成一銅錳鋅熔液；對該銅錳鋅熔液進行除渣；添加銻、鉍、鋁及錫至銅錳鋅熔液內，而形成一金屬熔液； 升高該金屬熔液之溫度至攝氏1000度~攝氏1050度之間，並添加銅硼合金及磷銅合金，而形成一黃銅合金溶液；以及將該黃銅合金溶液出爐鑄造而形成該黃銅合金。
4. 根據申請專利範圍第3項所述之黃銅合金的製造方法，其中對該銅錳鋅熔液進行除渣的步驟更包括利用除渣劑進行除渣。
5. 根據申請專利範圍第3項所述之黃銅合金的製造方法，其中對該銅及該錳進行升溫，並升溫至攝氏1100度~攝氏1150度之間的動作維持30分鐘。
6. 根據申請專利範圍第3項所述之黃銅合金的製造方法，其中該黃銅合金，以其總重為100wt%計算，該黃銅合金包括以下成份：60~65wt%的該銅、0.1~0.35wt%的該鉍、0.15~0.5wt%的該銻、平衡量的該鋅以及不可避免之雜質。
7. 根據申請專利範圍第3項所述之黃銅合金的製造方法，其中該黃銅合金之鋁、錫、磷、錳及硼的總含量佔該黃銅合金的0.2~2wt%。
8. 根據申請專利範圍第3項所述之黃銅合金的製造方法，其中提供銅錳合金作為提供該銅及該錳之材料。
9. 一種黃銅合金，以其總重為100wt%計算，該黃銅合金由60~65wt%的銅、0.1~0.35wt%的鉍、0.15~0.5wt%的銻、鋁、錫、磷、錳及硼之混合物，該混合物的總含量佔該黃 銅合金的0.2~2wt%，平衡量的鋅，以及不可避免之雜質所組成。
10. 一種黃銅合金，以其總重為100wt%計算，該黃銅合金由61.5-62.5wt%的銅、0.15-0.3wt%的鉍、0.25-0.35wt%的銻、0.15-0.25wt%的鋁、0.2-0.4wt%的錳、0.5-0.6wt%的錫、0.15-0.2wt%的磷、0.002-0.005wt%的硼、平衡量的鋅，以及不可避免之雜質所組成。