[发明专利]具优异熔铸性的无铅快削黄铜合金和其制造方法和用途

说明书

技术领域

本发明系关于一种无铅快削黄铜；特别关于一种无铅快削黄铜，具备良好的抗漏气密封性、铸造回熔性和机械特性。

背景技术

传统含铅铜合金拥有良好切削性和机械性质而广泛被作为各种工业材料上的应用，例如：水阀、五金零件类的民生工业用途，为重要的工业基础材料。目前铜合金阀件材料已被广泛地用在管路零部件当中，然而为能车削出阀件、球阀等零件，良好的车削性是必需的。这些常用于阀件、水暖设备、船舶零件的铸造铜合金，除了需要抗腐蚀性能之外，另一个重要的添加元素为铅，铅在零件车削过程扮演着脆化车屑的角色，使车削加工更为容易。但近年受环保意识抬头所影响，故必须考虑添加其它合金元素来取代铅在易切铜合金中所扮演的角色。含铅铜合金会在生产与使用过程中，产生铅蒸气的释出对人体带来身体危害，亦会造成环境重金属铅污染。近年来各先进国家对环境保护议题日益重视，随着北美NSF饮用水规范、欧盟ROHS2.0指令、加州无铅法案的通过，纷纷祭出对铜合金中的铅含量与饮用水中铅浸出量的严格限制。

传统含铅铜合金进行无铅化，主要以元素铋来取代铅以加强其易切削效果，中国专利CN102828064B、CN102071336B揭示添加含铋含量为0.3至3.5重量％的高铋黄铜，其切削性已相当接近于铅黄铜。然而，由于铋的熔点仅有271℃，其在铸造凝固过程中易产生热裂倾向，且高铋黄铜并非作为需进行焊接用途阀件的理想材料，其原因在于，一旦焊接温度高于铋的熔点，所述的基于高铋黄铜的铸件即产生热脆缺陷，从而造成输送高压气体、流体的阀件产生泄漏。

为降低铋的使用，以相对廉价且易取得的硅元素取代铋，乃是一项新趋势。先前技术中无铅黄铜合金所添加的合金元素，包含硅、铋、石墨、锡、铁和钙等元素，其中在黄铜内添加适量硅元素，可产生固溶强化的效果，并增加合金铸造流动性与可焊接性等优点。因此利用硅元素作为添加元素以制备无铅黄铜合金，已成为开拓环保硅黄铜合金 的重点。如：先前技术的ASTM C87800硅黄铜合金，即是透过添加含量为3.8至4.2重量％的硅至黄铜中，从而获得具有优异机械强度、抗腐蚀的高硅无铅黄铜合金；然，先前技术的ASTM C87800合金由于合金中硅含量的提升，造成所述的合金的粥状区间(mushy zone)大幅扩展，在材料手册中被归纳为具备宽广凝固区间的合金(凝固区间温度为95℃，详见：American Society for Metals所出版的「Copper and copper alloys」的铸造用铜合金章节)，此性质易导致ASTM C87800合金所形成的铸件在凝固过程中，生成疏松的缺陷，从而使铸件气密性不佳，产生泄漏情形。

另一方面，先前技术C87800硅青铜合金，系由成份为Cu-14Zn-4Si所构成的三元合金，由于所述的合金添加硅元素以和具备低于15重量％锌含量，其具有与紫铜相似的优良抗脱锌腐蚀能力；然而合金成份会显着影响凝固特性，其硅含量高达4重量％，扩大了硅青铜凝固区间，导致凝固过程呈粥状凝固型态，较适合以铸模蓄热系数低的金属永久模，利用压铸法与适当流路设计方案引导铸件产生方向性凝固的铸造制程。目前大多数铜合金厂商主要利用砂模铸造法生产阀件产品，所述的先前技术仍无法符合实用需求。

专利TW577931和TW421674揭示，添加2至4重量％的硅元素作为无铅黄铜合金的主要合金强化元素，虽然能提高熔汤流动能力以提高铸造性；但硅元素产生耐磨损的κ、γ硬质析出相会影响刀具使用寿命，并仍需借着微量铅的添加(少于0.4重量％)，方可进一步得到优选的被削性。

Taha等人[Ain Shams Engineering Journal，vol.3，2012，pp.383-392.]以先前技术含铅硅黄铜作为研究基础(60重量％Cu、0.25至5.5重量％Si、和0.15至0.5重量％Pb)，以六四黄铜合金基底，添加1-4重量％Si和0.5重量％Al取代铅进行改良，发现硅含量为3-4重量％Si，产生η-Cu8ZnSi与χ-Cu8ZnSi析出物，使组织更微细且强度更高，同时也具备优选流动性，但铸件孔隙分率提高。Puathawee等人[Advanced Materials Research，Vol.802，2013，pp.169-173]在Cu-Zn-XSi-0.6Sn(X＝0.5，1，2，3)合金，发现随硅含量提高，γ相从等轴β相晶界析出，形成网状组织，添加锡之后比起添加前，能使β、γ相更均匀分散，同时提高合金硬度至HV398，γ相的产生能使车削断屑变得容易，同时γ相硬脆的特性也造成刀具磨损变得严重。