TWI390057B - 低鉛抗脫鋅銅合金 - Google Patents

Description

低鉛抗脫鋅銅合金

本發明係關於一種抗脫鋅銅合金，尤其是，本發明係關於一種低鉛抗脫鋅黃銅合金。

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，而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，例如當黃銅合金物件應用於環境中時，優先溶解合金表面的鋅，而合金所含之銅仍殘留在母材上，形成多孔洞之脆性銅之腐蝕現象。一般而言，當鋅含量小於15重量%時，不易發生脫鋅，但隨著鋅含量增加，則提高脫鋅之敏感性；當鋅大於30重量%後，脫鋅腐蝕現象會更為明顯。

已有文獻報導，合金組成結構及環境因子會影響脫鋅腐蝕現象，由合金組成觀之，含鋅量大於20%之單相α黃銅脫鋅後留下多孔的銅，而α+β雙相黃銅的脫鋅腐蝕首先自β相開始，當β相完全轉變為疏鬆的銅後，再擴展到α相(參見王吉會等人，1999年，材料研究學報，第13期，第1-8頁)。

由於黃銅脫鋅現象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，對於黃銅製品的抗脫鋅能力，國際間普遍接受如AS 2345、ISO 6509等所定標準，即黃銅產品表面脫鋅層之深度不得超過100μm。

針對抗脫鋅黃銅合金之配方，除了銅及鋅之必要成分外，目前已有US 4,417,929揭露包含鐵、鋁及矽等成分；US 5,507,885及US 6,395,110揭露包含磷、錫及鎳等成分；US 5,653,827揭露包含鐵、鎳及鉍等成分；US 6,974,509揭露包含錫、鉍、鐵、鎳及磷之成分；US 6,787,101揭露同時包含磷、錫、鎳、鐵、鋁、矽及砷；以及US 6,599,378及US 5,637,160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；或參見王吉會等人，1999年，材料研究學報，第13期，第1-8頁，揭露以硼及砷等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。因此，業界仍然持續開發黃銅材料，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之合金配方。

為達上述及其他目的，本發明係提供一種低鉛抗脫鋅(dezincification resistant)黃銅合金，包括：0.3重量%(wt%)以下之鉛(Pb)；0.02至0.15重量%之銻(Sb)；0.02至0.25重量%之砷(As)；0.4至0.8重量%之鋁(Al)；1至20ppm之硼(B)；以及97重量%以上之銅(Cu)與鋅(Zn)，其中，該銅於該抗脫鋅銅合金中之含量為58至70重量%。

本發明之抗脫鋅銅合金係為黃銅合金，銅與鋅之總含量可達97wt%以上。於實施例中，該銅之含量為58-70wt%，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61至65重量%。

於本發明之低鉛抗脫鋅黃銅中，該銻之含量為0.02至0.15重量%。於較佳實施例中，銻之含量為0.04至0.12重量%。依據本發明之合金配方之銅與銻等元素形成金屬間化合物，俾提高該合金材料之切削性，且不致於產生鑄造缺陷。

於本發明之低鉛抗脫鋅黃銅中，該鋁之含量為0.4至0.8wt%。於較佳實施例中，鋁之含量為0.5至0.7wt%。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。

於本發明之抗脫鋅銅合金中，該砷之含量為0.02至0.25wt%。於較佳實施例中，砷之含量為0.13至0.17wt%。添加適量之砷能顯著提高黃銅抗脫鋅腐蝕的性能。

於本發明之抗脫鋅銅合金中，該硼之含量為1至20ppm。於較佳實施例中，硼之含量為8至14ppm。添加適量之硼可將合金材料之晶粒細化，改善合金材料性能。

本發明之抗脫鋅銅合金復包括0.2至1.25重量%之選自鎳及錫所組成族群之至少一種元素。於實施例中，該抗脫鋅銅合金可同時包括鎳及錫。於較佳實施例中，該錫之含量為0.1至1重量%。於較佳實施例中，該鎳之含量為0.1至0.25重量%。

本發明之抗脫鋅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%。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0.1wt%以下。

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，『抗脫鋅銅合金/抗脫鋅黃銅合金』係為本領域常用術語，意指該合金表面對於環境腐蝕條件具有耐受性而不易產生脫鋅，此處以澳洲AS 2345標準法規(Dezincification resistance of copper alloys)為準，定義黃銅合金之產品表面之脫鋅層深度不能超過100μm。

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。

依據本發明之低鉛抗脫鋅銅合金，僅需使用0.02-0.15wt%之銻及0.02-0.25wt%之砷即可達到習知鉛黃銅所具備之材料特性(如切削性等)，且此種低鉛抗脫鋅銅合金材料較不易產生裂紋或夾雜等產品缺陷，並符合澳洲AS-2345之抗脫鋅要求。又，本發明之黃銅合金配方有效降低低鉛抗脫鋅銅合金之生產成本，對於商業量產及應用上極具優勢。

另外，本發明之抗脫鋅銅合金配方，可以使鉛含量低至0.3wt%以下，甚至達0.2wt%以下，因此，有利於製造水龍頭及衛浴零組件、自來水管線、供水系統等。

於一實施例中，本發明之低鉛抗脫鋅銅合金包括：58-70重量%之銅；0.02至0.15重量%之銻；0.02至0.25重量%之砷；0.4至0.8重量%之鋁；1至20ppm之硼；0.05至0.3重量%之鉛；0.1重量%以下之不可避免之雜質；以及餘量鋅。

於另一實施例中，本發明之低鉛抗脫鋅銅合金包括：58-70重量%之銅；0.02至0.15重量%之銻；0.02至0.25重量%之砷；0.4至0.8重量%之鋁；1至20ppm之硼；0.2至1.25重量%之鎳及/或錫；以及0.05至0.3重量%之鉛；0.1重量%以下之不可避免之雜質；以及餘量鋅。

於再一實施例中，本發明之低鉛抗脫鋅銅合金包括：61-65重量%之銅；0.04-0.12重量%之銻；0.13-0.17重量%之砷；0.5-0.7重量%之鋁；8-14ppm之硼；0.1-1wt%之錫；0.1-0.25wt%之鎳；0.05至0.3重量%之鉛；0.1重量%以下之不可避免之雜質；以及餘量鋅。

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抗脫鋅銅合金之成分，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：61.95wt%　Al：0.469wt%

Sb：0.0415wt%　B：13ppm

As：0.151wt%　Ni：0.143wt%

Pb：0.141wt%　Sn：0.294wt%

Zn：餘量。

實施例2：

Cu：62.05wt%　Al：0.557wt%

Sb：0.0763wt%　B：8ppm

As：0.162wt%　Ni：0.231wt%

Pb：0.173wt%　Sn：0.546wt%

Zn：餘量。

實施例3：

Cu：62.6wt%　Al：0.671wt%

Sb：0.1137wt%　B：11ppm

As：0.147wt%　Ni：0.187wt%

Pb：0.159wt%　Sn：0.741wt%

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。

將本發明之低鉛抗脫鋅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。

另以習知CW602N抗脫鋅黃銅(有時簡稱DR黃銅，為經澳洲AS2345-2006認證之抗脫鋅黃銅)及習知59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。

由表1可知，依據本發明之低鉛抗脫鋅銅合金為原料之試作組之良率可達90%以上，與習知59鉛黃銅和DR黃銅(CW602N)相當，確實可作為替代黃銅材料。而本發明之低鉛抗脫鋅銅合金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：

將本發明之低鉛抗脫鋅銅合金(實施例3)、CW602N黃銅(比較例1)、59鉛黃銅(比較例4)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3之合金主要成分之實測值為：Cu：62.6%、Zn：36.43%、Pb：0.159%、Sb：0.1137%、Al：0.627%及As：0.147%，其組織分佈如第1A圖所示。

如第1A-1C圖所示，CW602N黃銅(第1B圖)之金相之α相組織較粗大，表示材料之切削性較差；而本發明之低鉛抗脫鋅銅合金與59鉛黃銅之金相較類似，皆形成會形成均勻顆粒之樹枝狀晶相組織，但本發明之低鉛抗脫鋅銅合金之α相之晶粒更細小，組織更為緻密，此表示材料具有良好機械性能。

試驗例3：

以實施例3、比較例1、及比較例4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》標准進行。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2圖所示。

實施例3之本發明低鉛抗脫鋅黃銅之平均脫鋅深度為77.6μm，如第2A圖所示。比較例1之CW602N黃銅之平均脫鋅深度為82.28μm，如第2B圖所示。比較例4之59鉛黃銅之平均脫鋅深度為336.72μm，如第2C圖所示。

上述結果證實，本發明之低鉛抗脫鋅黃銅符合澳洲AS2345-2006抗脫鋅標準(脫鋅層深度不能超過100μm)，且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，本發明之低鉛抗脫鋅黃銅的抗拉強度和伸長率與習知59鉛黃銅及CW602N黃銅相當，表示本發明之低鉛黃銅合金具備相當於59鉛黃銅及CW602N黃銅之機械性能；但本發明之低鉛抗脫鋅黃銅的含鉛量低，符合環保要求，確實可以取代59鉛黃銅及CW602N黃銅而用於製造產品。

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：

如表3所示，本發明之低鉛抗脫鋅黃銅之各金屬元素之析出量皆低於上限標準值，符合NSF 61-2007a SPAC之要求。比較例1及比較例4之材料在未經洗鉛處理時，鉛含量皆大幅超過標準值，僅有實施例1無須經洗鉛處理即符合標準，且本發明之低鉛抗脫鋅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59鉛黃銅及CW602N黃銅，更符合環保，且有利於人體健康。

綜上述，本發明之低鉛抗脫鋅銅合金材料具有優良之鑄造性能，具有良好韌性，切削性佳，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。本發明之低鉛抗脫鋅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抗脫鋅銅合金，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圖為本發明低鉛抗脫鋅銅合金試片之金相組織分佈圖；

第1B圖為CW602N黃銅試片之金相組織分佈圖；

第1C圖為59鉛黃銅試片之金相組織分佈圖；

第2A圖為本發明低鉛抗脫鋅銅合金試片之抗脫鋅腐蝕測試之金相組織分佈圖；

第2B圖為CW602N黃銅試片之抗脫鋅腐蝕測試之金相組織分佈圖；以及

第2C圖為59鉛黃銅試片之抗脫鋅腐蝕測試之金相組織分佈圖。

Claims (8)

1. 一種抗脫鋅銅合金，包括：0.3重量%以下之鉛；0.02至0.15重量%之銻；0.02至0.25重量%之砷；0.4至0.8重量%之鋁；1至20ppm之硼；以及97重量%以上之銅與鋅，其中，該銅於該抗脫鋅銅合金中之含量為58至70重量%。
2. 如申請專利範圍第1項之抗脫鋅銅合金，其中，該銅之含量為61至65重量%。
3. 如申請專利範圍第1項之抗脫鋅銅合金，其中，該銻之含量為0.04至0.12重量%。
4. 如申請專利範圍第1項之抗脫鋅銅合金，其中，該砷之含量為0.13至0.17重量%。
5. 如申請專利範圍第1項之抗脫鋅銅合金，其中，該硼之含量為8至14ppm。
6. 如申請專利範圍第1項之抗脫鋅銅合金，復包括0.2至1.25重量%之選自鎳及錫所組成族群之至少一種元素。
7. 如申請專利範圍第6項之抗脫鋅銅合金，其中，該錫之含量為0.1至1重量%。
8. 如申請專利範圍第6項之抗脫鋅銅合金，其中，該鎳之含量為0.1至0.25重量%。