TWI392751B - 低鉛銅合金 - Google Patents

Description

低鉛銅合金

本發明係關於一種銅合金，尤其是，本發明係關於一種低鉛黃銅合金。

黃銅之主要成份為銅與鋅，兩者之比例通常為約7:3或6:4，此外通常包含少量雜質。為了改善黃銅性質，習知黃銅係含鉛(多為1-3wt%)以達到產業所欲之機械特性，並因此成為工業上重要材料，廣泛應用於管線、水龍頭、供水/排水系統之金屬裝置或金屬閥等製品。

然而，隨著環保意識抬頭，重金屬對於人體健康的影響及對環境污染的問題逐漸受到重視，因此，限制含鉛合金的使用係為目前的趨勢，日本、美國等國陸續修訂相關法規，極力推動降低環境中的含鉛率，涵蓋用於家電、汽車、水週邊產品之含鉛合金材料，特別要求不可從該產品溶出鉛至飲用水，且在加工製程中必須避免鉛污染。

另外，當黃銅中的鋅含量超過20重量%時易發生脫鋅(dezincification)之腐蝕現象，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。

針對上述高含鉛量及脫鋅問題，業界持續開發銅合金配方，除了銅及鋅之必要成分外，例如US6413330、US7354489、US20070062615、US20060078458、US2004023441揭露無鉛銅合金配方，上述合金切削性不佳、加工效率低、不適於大批量產、裂紋、夾渣等缺陷。另外，例如US7297215、US6974509、US6955378、US6149739、US5942056、US5653827、US5487867、US5330712、US20060005901、US20040094243、US5637160、US20070039667等揭露含鉍之無鉛或低鉛黃銅合金配方，上述配方之鉍含量約涵蓋0.5wt%至7wt%之範圍，然而，高鉍含量易產生裂紋、夾渣等缺陷，致使加工效率低。

另外，針對抗脫鋅之配方，除了銅及鋅之必要成分外，目前已有US4417929揭露包含鐵、鋁及矽等成分；US5507885及US6395110揭露包含磷、錫及鎳等成分；US5653827揭露包含鐵、鎳及鉍等成分；U 6974509揭露包含錫、鉍、鐵、鎳及磷之成分；US6787101揭露同時包含磷、錫、鎳、鐵、鋁、矽及砷；以及US6599378及US5637160等專利揭露以硒及磷等成分添加至黃銅合金以達到抗脫鋅效果。然而，習知抗脫鋅黃銅含鉛量通常較高(多為1-3wt%)，俾利於黃銅材料之冷/熱加工，但不符合環保要求，鉛溶出量高，且易於製程中產生鉛污染。

因此，業界亟欲開發新的黃銅材料，尋找可替代含鉛黃銅，並可達到抗脫鋅腐蝕性，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。

為達上述及其他目的，本發明係提供一種低鉛銅合金，包括：0.05至0.3重量%(wt%)之鉛(Pb)；0.3至0.8重量%之鋁(Al)；0.01至04重量%之鉍(Bi)；0.1至2重量%之鎳(Ni)；以及96.5重量%以上之銅(Cu)與鋅(Zn)，其中，該銅於該低鉛銅合金中之含量為58至70重量%。

本發明之低鉛銅合金係為黃銅合金，銅與鋅之總含量可達96.5重量%以上。於實施例中，該銅之含量為58至70重量%，此範圍之含量之銅可提供合金良好的韌性，俾利於合金材料後續加工。於較佳實施例中，該銅之含量為62至65重量%。

於本發明之銅合金中，該鋁之含量為0.3至0.8重量%。於較佳實施例中，鋁之含量為0.4至0.7重量%，更佳為0.5至0.65重量%。添加適量之鋁可增加銅水之流動性，並改善該合金材料之鑄造性能。

於本發明之銅合金中，該鉍之含量為0.4重量%以下。於較佳實施例中，鉍之含量為0.01至0.4重量%，較佳為0.05至0.3重量%，更佳為0.1至0.2重量%。

於本發明之銅合金中，該鎳之含量為0.1至2重量%。於較佳實施例中，鎳之含量為0.5至1重量%。添加適量之鎳於該銅合金中可作為高熔點元素，鎳於合金結晶時作為非自發形成核的異質核心，使成核點增多而能細化合金晶粒；且鎳可淨化銅基體及晶界，俾提高該銅合金之力學性能和耐腐蝕性。

本發明銅合金所包含之鉛含量極低，為0.3重量%以下。於實施例中，該鉛含量為0.05至0.3重量%，較佳為0.1至0.25重量%，更佳為0.15至0.20重量%。而該合金中亦可能具有雜質，該等不可避免之雜質含量係為0.1重量%以下。

本發明銅合金可替代習知含鉛黃銅，而更能達到環保及降低鉛污染的效果，亦具備抗脫鋅腐蝕性，並可同時兼顧合金的鑄造性能、切削性、耐腐蝕性、與機械性質等優點。

以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容瞭解本發明之其他優點與功效。

於本說明書中，除非另有說明，否則抗脫鋅銅合金所包含之成分皆以該合金總重量為基準，並以重量百分比(wt%)表示。

當以習知高含量之鉍(1wt%以上)添加入黃銅合金時，在微觀上，易於黃銅合金的晶粒中形成鉍之液態薄膜，最後於晶界偏析而產生連續片狀的鉍，遮蔽晶界，使得合金的機械強度潰散而使合金的熱脆性及冷脆性提高，造成材料開裂。然而，依據本發明之低鉛黃銅合金配方，僅需使用0.4wt%以下之鉍，不但可解決材料開裂之缺陷且仍可達到鉛黃銅(如習知之H59鉛黃銅)所具備之材料特性(如切削性等)，且不易產生裂紋或夾雜等產品缺陷。因此，本發明之低鉛黃銅合金可大幅降低鉍用量，有效降低低鉛黃銅合金之生產成本，對於商業量產及應用上極具優勢。

另外，依據本發明之低鉛黃銅合金配方，可以使合金之鉛含量降低至0.05-0.3wt%，符合對於與水接觸之管線材料之鉛含量之國際規定。因此，依據本發明之低鉛黃銅合金有利於製造水龍頭及衛浴零組件、自來水管線、供水系統等之應用。

於一實施例中，本發明之低鉛黃銅合金包括：0.05至0.3重量%之鉛；0.3至0.8重量%之鋁；0.01至0.4重量%之鉍；0.1至2重量%之鎳；以及96.5至99.54重量%之銅與鋅，其中，該銅於該低鉛黃銅合金中之含量為58至70重量%。

於另一實施例中，本發明之含鎳低鉛黃銅合金係包括：0.1至0.25重量%之鉛；0.4至0.7重量%之鋁；0.05至0.3重量%之鉍；0.5至1重量%之鎳；58至70重量%之銅；以及餘量鋅；且不可避免之雜質含量係為0.1重量%以下。

於又一實施例中，本發明之含鎳低鉛黃銅合金係包括：0.15至0.20重量%之鉛；0.5至0.65重量%之鋁；0.1至0.2重量%之鉍；0.5至1重量%之鎳；62至65重量%之銅；以及餘量鋅；且不可避免之雜質含量係為0.1重量%以下。

以下，將以例示性實施例詳細闡述本發明。

用於後述試驗例之本發明低鉛銅合金之成分，係如下所述，其中，各成分之比例係以合金總重為基準：

實施例1：

Cu：61.54wt%　Al：0.457wt%

Bi：0.197wt%　Ni：0.584wt%

Pb：0.144wt%　Zn：餘量

實施例2：

Cu：62.72wt%　Al：0.634wt%

Bi：0.126wt%　Ni：0.853wt%

Pb：0.178wt%　Zn：餘量

實施例3：

Cu：62.45wt%　Al：0.582wt%

Bi：0.159wt%　Ni：0.696wt%

Pb：0.156wt%　Zn：餘量

試驗例1：

以圓型砂、尿醛樹脂、呋喃樹脂及固化劑為原料以射芯機製備砂芯，並以發氣性試驗機測量樹脂發氣量。所得砂芯須於5小時內使用完畢，否則需以烘箱烘乾。

將本發明之低鉛黃銅合金及回爐料預熱15分鐘，使溫度達400℃以上，再將兩者以重量比為7：1之比例以感應爐進行熔煉，並添加0.2wt%之精鍊清渣劑，待該黃銅合金達到一定的熔融狀態(下稱熔解銅液)，以金屬型重力鑄造機配合砂芯及重鑄模具進行澆鑄，復以溫度監測系統控制，使澆鑄溫度維持於1010-1060℃之間。澆鑄之每次投料量以1-2kg為宜，澆鑄時間控制在3-8秒內。

待模具冷卻凝固後開模卸料清理澆冒口，監測模具溫度，使模具溫度控制在200-220℃中並形成鑄件，隨後進行鑄件脫模。每模鑄件取出後，清潔模具，確保芯頭位置乾淨，噴石墨於模具表面後再行浸水冷卻。用以冷卻模具之石墨水之溫度為30-36℃為宜，比重為1.05～1.06。

將冷卻的鑄件進行自檢並送入清砂機滾筒陶砂清理。接著，進行毛胚處理(鑄造坯件的熱處理(清除應力退火)，以消除鑄造產生的內應力)。將坯件進行後續機械加工及拋光，俾使鑄件內腔不附有砂、金屬屑或其他雜質。進行品檢分析並計算生產總良率：

生產總良率=良品數/全部產品數×100%

製程之生產總良率係反映生產製程品質穩定性，品質穩定性越高，才能保證正常生產。

另以高鎳無鉛黃銅及習知H59鉛黃銅作為比較例，以與上述相同之製程製備物件。各合金之成分、加工特性及生產總良率如表1所示，其中，鉛含量低於0.05wt%之黃銅材料即視為無鉛黃銅。

該高鎳無鉛黃銅的硬度較高，因此，欲對高鎳無鉛黃銅進行機械加工較為困難。當將上述三種黃銅材料以相同的進刀量及相同的切削速度時，該高鎳無鉛黃銅製品之表面容易留下刀痕，且表面粗糙度達不到要求(即Ra值為3.2μm)，因此，生產良率較低。

而依據本發明之低鉛黃銅為原料之試作組，生產良率高，可達85%以上，與習知H59鉛黃銅相當，確實可作為替代黃銅材料。而本發明之低鉛黃銅可大幅降低合金中的鉛含量，有效避免製程中所產生的鉛污染，並降低使用該鑄造物件時的鉛釋出量，在兼顧材料特性的同時更可達到環保的要求。

試驗例2：

將本發明之低鉛銅合金(實施例1)、高鎳無鉛黃銅(比較例1)、H59鉛黃銅(比較例3)、低鎳無鉛黃銅(比較例5)之試片於光學金相顯微鏡下檢視材料之組織分佈，放大100倍之結果，分別如第1A-1C圖所示。

實施例1之含鎳低鉛黃銅之成分實測值為Cu：61.54wt%、Al：0.457wt%、Pb：0.144wt%、Bi：0.197wt%、Ni：0.584wt%。其金相組織分佈如第1A圖所示，會形成細小之晶粒，晶粒之粒徑尺寸約15-25μm，俾提供較佳之材料韌性，故不易產生裂紋等缺陷。與比較例相較，實施例1之α相之晶粒更細小，組織更為緻密，表示材料具有良好機械性能。

比較例1之高鎳無鉛黃銅成分實測值為Cu：61.01wt%、Al：0.574wt%、Pb：0.0067wt%、Bi：0.134wt%、Ni：2.324wt%。其金相組織分佈如第1B圖所示，晶粒呈細小粒狀，故可提供材料較高的硬度。

比較例3之H59鉛黃銅主要成分之實測值為：Cu：59.7wt%、Al：0.521wt%、Pb：2.16wt%、Bi：0.0074wt%、Ni：0.0103wt%。其金相組織分佈如第1C圖所示，呈α相合金，晶粒為圓粒狀形態，粒徑尺寸約30-40μm，具良好韌性。

另以低鎳含量之無鉛黃銅作為比較例5，其主要成分之實測值為：Cu：63.28wt%、Al：0.597wt%、Pb：0.037wt%、Bi：0.114wt%、Ni：0.063wt%，其中，比較例5之鎳含量低於0.1%。其金相組織分佈如第1D圖所示，晶粒較狹長、粗大，晶粒之尺寸約40-50μm，顯示低鎳無鉛黃銅並無細化晶粒之作用。

試驗例3：

以實施例3及比較例3之黃銅合金進行脫鋅測試，以檢測黃銅的耐蝕性。脫鋅測試是按照澳洲AS2345-2006《銅合金抗脫鋅》標準進行。腐蝕實驗前用酚醛樹臘鑲樣‧使其暴露面積為100mm² ，所有試片均經過600#金相砂紙研磨平整，並用蒸餾水洗淨、烘乾。試驗溶液為現配的1%之CuCl₂ 溶液，試驗溫度為75±2℃。將試片與CuCl₂ 溶液置於恆溫水浴槽中作用24±0.5小時，取出後沿縱向切開，將試片之剖面拋光後，測量其腐蝕深度並以數位金相電子顯微鏡觀察，結果如第2A及2B圖所示。

實施例3之本發明低鉛黃銅之平均脫鋅深度為141.72μm，如第2A圖所示。比較例3之H59鉛黃銅之平均脫鋅深度為307.94μm，如第2B圖所示。上述結果證實，本發明之低鉛黃銅具有更佳的抗脫鋅能力。

試驗例4：

本實施例依照ISO6998-1998《金屬材料室溫拉伸實驗》標準進行機械性能的測試，結果如下表2所示。

從表2可知，實施例1的抗拉強度和伸長率與比較例3之習知H59鉛黃銅相當，表示本發明之低鉛黃銅合金具備相當於H59鉛黃銅之機械性能；但本發明之低鉛黃銅的含鉛量低，符合環保要求，確實可以取代H59鉛黃銅而用於製造產品。

雖然比較例1之高鎳無鉛黃銅的強度及硬度較高，但高硬度不利於合金切削加工，冷加工之難度提高，且成本亦增加，不適於量產製造衛浴產品。

試驗例5：

依照NSF 61-2007a SPAC單產品金屬允許析出量標準進行測試，檢驗在與水接觸之環境中之黃銅合金之金屬析出量，測試結果如下表3所示：

比較例3之材料在未經洗鉛處理時，鉛含量大幅超過標準值，僅有實施例1無須經洗鉛處理即符合標準，且本發明之低鉛黃銅合金之重金屬鉛的析出量仍顯著低於經過洗鉛處理的H59鉛黃銅，更符合環保，且有利於人體健康。

綜上述，本發明之低鉛黃銅合金具有細化之晶粒結構、良好的合金強度及韌性，不易產生裂紋或夾雜等缺陷，不致於產生鑄造缺陷，可達到鉛黃銅所具備之材料特性，俾利於合金材料應用於後續製程。本發明之低鉛銅合金無須進行洗鉛處理即具有低鉛析出之效果，可降低製程之生產成本，對於商業量產及應用上極具優勢。

上述實施例僅例示性說明本發明之低鉛銅合金，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍如後述申請專利範圍所載。

第1A圖為本發明低鉛銅合金試片之金相組織分佈圖；

第1B圖為高鎳無鉛黃銅試片之金相組織分佈圖；

第1C圖為H59鉛黃銅試片之金相組織分佈圖；

第1D圖為低鎳無鉛黃銅試片之金相組織分佈圖；

第2A圖為本發明低鉛銅合金試片之抗脫鋅腐蝕測試之金相組織分佈圖；以及

第2B圖為H59鉛黃銅試片之抗脫鋅腐蝕測試之金相組織分佈圖。

Claims (6)

1. 一種低鉛銅合金，由下列組分所組成：0.05至0.3重量%之鉛；0.3至0.8重量%之鋁；0.01至0.4重量%之鉍；0.1至2重量%之鎳；以及96.5重量%以上之銅與鋅，其中，該銅於該低鉛銅合金中之含量為58至70重量%。
2. 如申請專利範圍第1項之低鉛銅合金，其中，該銅之含量為62至65重量%。
3. 如申請專利範圍第1項之低鉛銅合金，其中，該鉛之含量為0.15至0.25重量%。
4. 如申請專利範圍第1項之低鉛銅合金，其中，該鋁之含量為0.5至0.65重量%。
5. 如申請專利範圍第1項之低鉛銅合金，其中，該鉍之含量為0.1至0.2重量%。
6. 如申請專利範圍第1項之低鉛銅合金，其中，該鎳之含量為0.5至1重量%。