CN105026586A - 用于卫生配件的铜-锌合金及其制造方法 - Google Patents

用于卫生配件的铜-锌合金及其制造方法 Download PDF

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CN105026586A CN201380074346.XA CN201380074346A CN105026586A CN 105026586 A CN105026586 A CN 105026586A CN 201380074346 A CN201380074346 A CN 201380074346A CN 105026586 A CN105026586 A CN 105026586A
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Abstract

本发明涉及一种铜-锌合金，其特别用于提供卫生配件的构件，该铜-锌合金(以重量百分比为单位)由：63.0％至64.5％的铜、33.8％至36.8％的锌、0.0％至0.20％的铅、0.2％至0.7％的铝、0.04％至0.14％的砷、0.00％至0.3％的铁、0.0％至0.3％的锡、0.0％至0.1％的锰、以及各自重量百分比最多为0.02％的其余成分构成。此外，本发明涉及一种用于制造具有这样的铜-锌合金的铸造构件的方法。所述铜-锌合金以及由其制造的构件能够特别环保地且成本有利地提供卫生配件。

Description

用于卫生配件的铜-锌合金及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于卫生配件的铜-锌合金(更确切的说为黄铜合金)，以及涉及一种制造这种合金的方法。特别涉及铸造合金，利用其可制造导水的和/或会与水接触的卫生配件的构件。
背景技术
在制造卫生配件的构件时，需要考虑到差异最大的要求。通常有效的是，材料应适合用于制造卫生配件的局部构造非常复杂的构件。这一方面涉及好的可铸造性以及可脱模性，然而也涉及针对下述情况的易切性，即，构件必须通过切削制造方法再加工。当然，成本方面在此也非常重要。
此外应考虑，该构件也用于输送饮用水。对此全世界存在不同的法律要求，其应确保长时间使用这样的构件而不会污染饮用水，特别是通过重金属造成饮用水的污染。
在此，特别重要的要求是脱锌稳定性，其特别可根据按照ISO 6509标准的材料测试确定。在该测试中，材料被持续24小时浸入浓度为每升水(H2O)含12.7克CuCl2的温度为75℃的热铜-氯-池(CuCl2)中。由此确定锌离子散布发生至哪个深度。该脱锌深度越小，则该材料越好地适用于运送饮用水。
另一要求是，卫生配件的不同构件能够尽可能一起回收。对此有利的是，这样的铜-锌合金具有尽可能少的硅(Si)成分。以此可确保合金在标准制造工艺中与标准黄铜合金混合，且因此能够回收。
由此得出，在选择用于卫生配件的构件的合适材料时，有多种不同的设立目标，这些也部分地相互冲突。
发明内容
基于上述内容，本发明的目的在于，提供一种铜-锌合金，其至少部分地解决上述问题。特别地，所述铜-锌合金应该是一种合适应用于卫生配件的铜-锌合金。此外，也应提供有利的卫生配件以及用于制造所述卫生配件的方法。
本发明的目的通过根据权利要求1的特征的铜-锌合金来实现。在从属权利要求中给出本发明的其他有利设计方案。应当注意，在权利要求中单个列出的特征可以用任意的、技术上有意义的方式进行相互组合，并且揭示了发明的其他设计方案，说明书阐述了所述特征且给出本发明的其他实施例。
根据本发明，铜-锌合金由：
重量百分比为63.0％至64.5％的铜(Cu)，
重量百分比为33.8％至36.8％的锌(Zn)，
重量百分比为0.0％至0.20％的铅(Pb)，
重量百分比为0.20％至0.70％的铝(Al)，
重量百分比为0.04％至0.14％的砷(As)，
重量百分比为0.0％至0.30％的铁(Fe)，
重量百分比为0.0％至0.30％的锡(Sn)，
重量百分比为0.0％至0.10％的锰(Mn)，
以及各自的重量百分比最多为0.02％的其余成分构成。
在所述其余成分中特别强调镍，其在合金中的份额少于重量百分比0.02％。
这种铜-锌合金的优势在于，提供的铅含量(Pb)非常少，或甚至在合金中不存在铅。此外可注意到，铜含量(Cu)同样低于已知的合金。同样值得强调的是，这种铜-锌合金仅具有(可忽略不计的)少量的硅(Si)含量。在意料之外的是，这种铜-锌合金由于这里选择的组分，一方面对成本更为有利，此外还具有突出的脱锌稳定性，即，其脱锌深度小于200μm(微米)、特别是甚至小于100μm。
特别地，在此提出的铜-锌合金涉及所谓的铸造合金。
在一优选的实施方式中，铜-锌合金具有下述的、更确切列出的合金元素：
-重量百分比为63.0％至64.5％的铜(Cu)，
-重量百分比为33.8％至36.8％的锌(Zn)，
-重量百分比为0.017％至0.20％的铅(Pb)，
-重量百分比为0.20％至0.70％的铝(Al)，
-重量百分比为0.04％至0.14％的砷(As)，
-重量百分比为0.0％至0.30％的铁(Fe)，
-重量百分比为0.0％至0.30％的锡(Sn)，
-重量百分比为0.0％至0.10％的锰(Mn)，
以及各自的重量百分比最多为0.02％的其余成分。
非常特别优选的铜-锌合金具有下述的、更确切列出的合金元素：
-重量百分比为63.5％至63.8％的铜，
-重量百分比为35.2％至35.6％的锌，
-重量百分比为0.17％至0.20％的铅，
-重量百分比为0.32％至0.40％的铝，
-重量百分比为0.11％至0.13％的砷，
-重量百分比为0.16％至0.20％的铁，
-重量百分比为0.0％至0.20％的锡，
-重量百分比为0.0％至0.02％的锰，
以及各自的重量百分比最多为0.02％的其余成分。
涉及铅比重(Pb)，已注意到其导致对铸造合金的切削加工性的令人满意的改进。此外已知，铅对于脱锌稳定性具有积极作用。已确定的是，在给出的范围中存在显著的细晶化效果。细晶化使得包含在黄铜中的较少量的抗酸的β-黄铜的成分精细地且岛状分离地被分布在脱锌稳定的α-黄铜-基质(Alpha-Messing-Matrix)中。优选地，在部分范围内的铅成分接近上限，即，例如重量百分比在0.19％至0.2％的范围内。
特别地，铝(Al)通过混合晶体固化提高α相和β相的强度，而基本不影响热成型能力。此外，改进了抗腐蚀性，以及改进了抗冲击和抗天气影响的性能。此外，铝提高了强度，且具体地能够实现铸造产品中的高的表面质量。
在一系列试验中，显示出铝对脱锌稳定性的性能的负面作用。相对少的铝成分导致表面分配比例中更少地形成较少量的抗酸的β-黄铜。因此降低的β-黄铜-混合晶体成分被更好地岛状分离地分布在脱锌稳定的α-黄铜基质中。在给出的上限之上，会导致脱锌稳定性值的显著降低。若低于给出的下限，则无法再全面地利用铝在物理上和经济上的积极作用。针对所述的铝含量的组合额外留意由所述的铜-锌合金制成的浇注材料的足够好的充模性能(流动性)。在这方面，所给出的铝含量提高了在弱碱性的水中的抗腐蚀性，且由此作为阻蚀剂有利于提高耐用度。
在此，以给出的少的量提供砷(As)，具有统一(α相)的铜-锌合金不是主要由锌制成的。砷在系列试验中对特征脱锌稳定性也有积极作用。相对于传统的标准黄铜而言，提高砷成分导致表面分配比例中更少地形成较少量抗酸的β-黄铜。关于砷对脱锌稳定性的积极作用的解释是，它的作用是作为抑制剂来防止脱锌测试中所使用的酸的化学侵蚀。特别地，也考虑到前述目标参数的情况下，选择重量百分比0.14％、或特别地选择重量百分比0.13％作为上限。重量百分比为0.04％、或特别的重量百分比为0.11％作为下限是系列试验的结果。在该界限之下脱锌稳定性会明显降低。优选地，部分区域中的砷成分接近上限，即，例如在重量百分比为0.12％至0.13％的范围内。
特别地，所建议的铁含量(Fe)通过首先析出的铁晶体而支持细晶化，并且由此改进了构件的机械特征。铁在系列试验中对特征脱锌稳定性有积极作用。这可以通过已经证实的细晶化作用来解释。细晶化使得黄铜中所含有的较少量抗酸的β-黄铜的铁成分精细地且岛状分离地被分布在脱锌稳定的α-黄铜-基质中。设定重量百分比0.3％、或特别的重量百分比0.2％作为上限，因为更高的铁值会促使形成硬的杂质物。对此要解释的是铁相对较高的熔点。硬的杂质物导致表面缺陷，这在装饰配件中是不可接受的。重量百分比0.16％作为优选的下限是系列试验的结果。在该界限之下脱锌稳定性方面会明显降低。优选地，部分区域中的铁成分的重量百分比在0.16％至0.24％的范围内，特别优选地，重量百分比在0.18％至0.20％的范围内。
特别地，单相(α-)铜-锌合金中的锡含量(Sn)提高抗腐蚀性(通过形成覆盖层)，且特别改进强度和/或光滑度。设定重量百分比0.3％、特别是重量百分比0.2％作为上限，因为可以确定在此范围之外对于抗腐蚀性是没有积极作用的。重量百分比0.0％的作为下限是系列试验和实际的结果，根据所使用的材料可以仅包含很少量的锡或不包含锡。此外经证实，锡的添加对于合金制成的工件的可加工性具有积极作用。因此，当锡含量的重量百分比至少为0.1％时是有利的。
在此提出的锰含量优化了机械特性和抗腐蚀性，尤其是针对天气以及湿度的影响。设定重量百分比0.1％、特别是重量百分比0.02％作为上限，从而避免由于硬的杂质物而导致的问题。此外，这种设定是基于在熔化时设置含量的经验而得出的。
此外还能够设置其余成分，其中所述其余成分可以包括具体的合金元素以及(不可避免的)杂质物。所述其余成分中的每一种成分各自所能允许的最大含量是重量百分比为0.02％。特别地，所有其余成分的总量的重量百分比不应超过0.2％。
在其余成分中，特别强调镍(Ni)。通过重量百分比小于0.02％的镍含量，能够使接触由合金制成的工件而散发到水中的镍最少化。
很显然，可利用在此给出的含量范围选择铜-锌合金，使得合金成分整体产生100％的重量百分比。
根据针对以上所描述的具有重量百分比为0.17％至0.2％的铅的合金的另一实施方式的变型，对于铜-锌合金提出下述组合：
-重量百分比为63.0％至64.5％的铜，
-重量百分比为33.8％至36.8％的锌，
-重量百分比小于0.17％的铅，
-重量百分比为0.2％至0.7％的铝，
-重量百分比为0.04％至0.14％的砷，
-重量百分比为0.0％至0.3％的铁，
-重量百分比为0.0％至0.3％的锡，
-重量百分比为0.0％至0.1％的锰，
以及各自重量百分比最多为0.02％的其余成分。
特别优选地，根据另一实施方式的变型，铜-锌合金具有下述组合：
-重量百分比为63.0％至64.5％的铜，
-重量百分比为33.8％至36.8％的锌，
-重量百分比小于0.17％的铅，
-重量百分比为0.2％至0.7％的铝，
-重量百分比为0.04％至0.14％的砷，
-重量百分比为0.0％至0.3％的铁，
-重量百分比大于0.2％至最大0.3％的锡，
-重量百分比为0.0％至0.1％的锰，
以及各自重量百分比最多为0.02％的其余成分。
关于铜、锌、铝、砷、铁、锡和锰的成分，针对具有重量百分比为0.17％至0.2％的铅的合金的上述关系也适用于具有重量百分比小于0.17％的铅的合金。
铅成分(也如上所述地)具有下述目的，即，实现铜-锌合金的细晶化、并且特别地改进合金的可加工性、以及改进由合金制成的工件的可加工性。
意料之外地提出，也能够制造具有铅含量重量百分比小于0.17％的材料。特别优选地，铅含量甚至小于重量百分比0.169％，或甚至小于重量百分比0.165％，且非常优选地重量百分比甚至在0.1％之下。根据电子设备的规定RoHs(欧盟议会及委员2003年1月27日发布的2002/95/EG指令，其用于限制在电气和电子设备中使用某些有害物质)和许多国家的要求(例如在瑞典)，重量百分比为0.1％以下的铅含量为无铅的。根据需要铅含量可以特别的最小为重量百分比0.07％。
锡含量(Sn)对于具有减少的铅含量的合金的实施方式的变型具有特别的意义。因此，具有重量百分比小于0.17％的铅的合金的另一实施方式变型的优选组合具有重量百分比大于0.2％的锡含量。锡含量改进合金的抗腐蚀性和可加工性。相对于具有重量百分比为0.17％至0.2％的铅含量的实施方式的变型，铅含量的重量百分比降低为小于0.17％能够通过提高的锡含量至少部分地被弥补，其中涉及合金所反应的特性或效果相比之下能够实现好的结果。因此，锡含量优选重量百分比在0.2％以上。特别优选地，锡含量甚至重量百分比大于0.21％。
对于这里所述的两种合金有效的是，在针对合金的许可测试(根据针对材料许可的DIN EN 15664-1的浸出测试，所谓的4成员国-肯定列表)中，与所述合金制成的工件接触的水中所散发出的铅明显低于规定的铅散发的边界值。在该测试中，材料被置于溶液中，其中，该溶液在预定的(相当长的)时间段上作用在该材料上。该时间段例如可以是26周。然后，测量出工件发散到溶液中的合金成分的量。
已知针对用于黄铜-卫生配件的合金的脱锌稳定性的测试，其中，合金在预定的时间段中被置于溶液中并且经检测，直至得出材料脱锌至哪个深度。对此的示例是根据GSO 481.1.110的检测(澳大利亚标准2345-2006)。在该测试中，合金样本在75℃温度下被置入具有氯化铜的测试溶液中24个小时。之后完成洗练，并且在显微镜下光学测量脱锌深度。在样本上的25个测量点处，脱锌深度应平均为最大100μm[微米]。该要求既用于具有重量百分比为0.17％至0.2％的铅含量的给定合金，也用于重量百分比小于0.17％的铅含量的合金。
根据一扩展方案提出，铜-锌合金不包含硅(Si)。
除了成本优势，这使得所述无硅合金在使用之后能够根据需要与其他铜-锌合金一起被回收。由于合金是无硅的，尤其避免了在合金熔化时会出现的硬的杂质物和局部析出的影响。
特别地，所提出的铜-锌合金用于卫生配件。特别地，处于导水位置的构件和/或与水接触的构件由这样的铜-锌合金提供。在此特别涉及铸造构件。这种构件的示例是外壳构件、环、套等。
因此还提出，设计成外壳构件的卫生配件，所述外壳构件形成至少一个外表面或包括用于水流的内表面，至少外表面或内表面以铜-锌合金构成。在此特别是对被水浸湿的和/或导水的壳体构件表面起作用。也可能是，例如当壳体构件一体式铸造时，不仅壳体构件的外表面而且连内表面也是由铜-锌合金构成的。尽管也可以在外表面和/或内表面上设置有保护层，特别是考虑到外观造型和/或额外改进防腐蚀性能。
此外，也提出一种用于制造由铜-锌合金制成的铸造构件的方法，该方法至少包括下述步骤：
-提供根据本发明的铜-锌合金，
-加热铜-锌合金使其处于液态，
-将铜-锌合金注入预定的模具中，
-冷却铜-锌合金使其凝固，
-将凝固的铜-锌合金加热到430℃至470℃的温度，保持预定的持续时间，
-冷却铜-锌合金。
就此特别给出铸造方法，其中所铸造的构件之后还要经过热处理。
非常特别优选的是持续时间在40分钟至70分钟的范围内，非常特别优选的是在50分钟至65分钟的范围内。
通过在此提出的热处理特别实现结构变化，其中，铸造件中大部分的β-黄铜转化为脱锌稳定的α-黄铜。当使用所给出的具有重量百分比小于0.17％的铅的铜-锌合金时，所述热处理是特别有利的。通过所述的热处理特别可实现铜-锌合金的细晶化，其导致可加工性和脱锌稳定性的改进。因此，所述的热处理能够在保持可加工性和脱锌稳定性的同时降低铅含量。
为清晰化本发明，下文中给出针对具体铜-锌合金的三个示例。此外，材料CuZn21Si3P和MS63被作为对比示例，借助对比示例示出与根据本发明的铜-锌合金的不同。
实施例1:
重量百分比为63.60％的铜；
重量百分比为35.50％的锌；
重量百分比为0.177％的铅；
重量百分比为0.382％的铝；
重量百分比为0.128％的砷；
重量百分比为0.187％的铁；
重量百分比为0.017％的锡；
重量百分比为0.001％的锰；
重量百分比为0.008％的其余成分。
实施例2:
重量百分比为63.29％的铜；
重量百分比为35.57％的锌；
重量百分比为0.168％的铅；
重量百分比为0.459％的铝；
重量百分比为0.135％的砷；
重量百分比为0.163％的铁；
重量百分比为0.212％的锡；
重量百分比为0.001％的锰；
重量百分比为0.002％的其余成分。
实施例3:
重量百分比为63.38％的铜；
重量百分比为35.51％的锌；
重量百分比为0.148％的铅；
重量百分比为0.433％的铝；
重量百分比为0.125％的砷；
重量百分比为0.164％的铁；
重量百分比为0.239％的锡；
重量百分比为0.001％的锰。
给出的示例的特征在于非常好的脱锌稳定性，其中同时存在下述组合，该组合能够与其他黄铜构件一起简单地回收。特别地，根据实施例2的铜-锌合金适合于通过所述用于铸造构件的方法而进一步加工。特别地，通过所述的热处理能够在可加工性和脱锌稳定性的方面实现铸造构件的特性，对于这一点过去认为该特性仅可通过将铅含量提高为重量百分比在0.2％之上来实现。
对比材料:
CuZn21Si3P:
这种合金具有非常高的铜含量(重量百分比约为76％)，并且因此非常昂贵。重量百分比同样很高的硅含量，重量百分比约为4％，在与传统合金混合时也会导致很大的问题，特别是存在包含氧化硅的杂质物的风险。循环材料也必须严格分开，并且仅可以使用单纯种类的原料。实际在铸造厂中，在CuZn21Si3P与其他材料混合时，或者必须使用分开的炉子，或者必须使用装有可更换炉料的坩埚炉。
MS 63:
这种黄铜具有重量百分比至1.6％的铅含量，且因此不能被归为无铅黄铜。
具体实施方式
在附图1中示出优选的应用范围，然而本发明不应仅限于该优选应用范围。附图示出用于卫生配件的一体式成形的壳体构件2。在此，壳体构件2形成外表面3，所述外表面例如能够***作者看到。此外，壳体构件2形成内表面4，借由所述内表面4形成水流5。非常特别优选地，壳体构件2采用由根据本发明的铜-锌合金制成的铸造构件。
铜-锌合金以及由此制造的构件能够特别环保地且成本有利地提供卫生配件。特别地，所述铜-锌合金和由铜-锌合金制造的铸造构件满足所有当前已知的卫生要求，特别在重金属含量以及重金属散发、抗腐蚀性和脱锌稳定性的方面。
参考标记列表
1  卫生配件
2  壳体构件
3  外表面
4  内表面
5  水流

Claims (10)

1.一种铜-锌合金，其由：
-重量百分比为63.0％至64.5％的铜，
-重量百分比为33.8％至36.8％的锌，
-重量百分比为0.0％至0.20％的铅，
-重量百分比为0.2％至0.7％的铝，
-重量百分比为0.04％至0.14％的砷，
-重量百分比为0.0％至0.3％的铁，
-重量百分比为0.0％至0.3％的锡，
-重量百分比为0.0％至0.1％的锰，
以及各自的重量百分比最多为0.02％的其余成分构成。
2.根据权利要求1所述的铜-锌合金，其由：
-重量百分比为63.0％至64.5％的铜，
-重量百分比为33.8％至36.8％的锌，
-重量百分比为0.17％至0.20％的铅，
-重量百分比为0.2％至0.7％的铝，
-重量百分比为0.04％至0.14％的砷，
-重量百分比为0.0％至0.3％的铁，
-重量百分比为0.0％至0.3％的锡，
-重量百分比为0.0％至0.1％的锰，
以及各自的重量百分比最多为0.02％的其余成分构成。
3.根据权利要求2所述的铜-锌合金，其由：
-重量百分比为63.5％至63.8％的铜，
-重量百分比为35.2％至35.6％的锌，
-重量百分比为0.17％至0.20％的铅，
-重量百分比为0.32％至0.40％的铝，
-重量百分比为0.11％至0.13％的砷，
-重量百分比为0.16％至0.20％的铁，
-重量百分比为0.0％至0.20％的锡，
-重量百分比为0.0％至0.02％的锰，
以及各自的重量百分比最多为0.02％的其余成分构成。
4.根据权利要求1所述的铜-锌合金，其由：
-重量百分比为63.0％至64.5％的铜，
-重量百分比为33.8％至36.8％的锌，
-重量百分比小于0.17％的铅，
-重量百分比为0.2％至0.7％的铝，
-重量百分比为0.04％至0.14％的砷，
-重量百分比为0.0％至0.3％的铁，
-重量百分比为0.0％至0.3％的锡，
-重量百分比为0.0％至0.1％的锰，
以及各自的重量百分比最多为0.02％的其余成分构成。
5.根据权利要求4所述的铜-锌合金，其由：
-重量百分比为63.0％至64.5％的铜，
-重量百分比为33.8％至36.8％的锌，
-重量百分比小于0.17％的铅，
-重量百分比为0.2％至0.7％的铝，
-重量百分比为0.04％至0.14％的砷，
-重量百分比为0.0％至0.3％的铁，
-重量百分比大于0.2％至最大0.3％的锡，
-重量百分比为0.0％至0.1％的锰，
以及各自的重量百分比最多为0.02％的其余成分构成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的铜-锌合金，其中不包含硅。
7.一种针对卫生配件(1)的对根据前述权利要求中任一项所述的铜-锌合金的应用。
8.一种卫生配件(1)，具有壳体构件(2)，所述壳体构件(2)形成至少一个外表面(3)或包括用于水流(5)的内表面(4)，其中，至少所述外表面(3)或内表面(4)以根据权利要求1至6中任一项所述的铜-锌合金实施。
9.一种用于制造由铜-锌合金制成的铸造构件的方法，至少包括下述步骤：
-提供根据权利要求1至6中任一项所述的铜-锌合金，
-加热铜-锌合金使其处于液态，
-将铜-锌合金注入预定模具中，
-冷却铜-锌合金使其凝固，
-将凝固的铜-锌合金加热到430℃至470℃的温度，保持预定的持续时间，
-冷却铜-锌合金。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述持续时间在40分钟至70分钟的范围内。
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