低铅黄铜合金及其物品的制备方法 技术领域 本发明涉及一种环保铸造的黄铜合金及其物品的制备方法， 尤其是， 本发明涉及 一种低铅黄铜合金及其物品的制备方法。
现有技术 黄铜的主要成份为铜和锌， 两者之比通常为约 7 ∶ 3 或 6 ∶ 4， 此外通常包含少量 杂质。为了改善黄铜性质， 熟知黄铜是含铅 ( 多为 1-3 重量％ ) 以达到产业所需的机械特 性， 并因此成为工业上的重要材料， 广泛应用于管线、 水龙头、 供水 / 排水系统的金属装置 或金属阀等制品。
然而， 随着环保意识抬头， 重金属对于人体健康的影响及对环境污染的问题逐渐 受到重视， 因此， 限制含铅合金的使用成为目前的趋势， 日本、 美国等国陆续修订相关法规， 极力推动降低环境中的含铅率， 包括用于家电、 汽车、 水外围产品的含铅合金材料， 特别要 求不能从该产品溶出铅至饮用水， 并且在加工过程中必须避免铅污染。 因此， 业界亟需开发 无铅黄铜材料， 寻找可替代含铅黄铜， 但仍需兼顾铸造性能、 切削性、 耐腐蚀性、 与机械性质
的合金配方。
目前已有许多无铅铜合金配方被报导， 例如以硅 (Si) 为主要成分取代铅添加在 黄铜合金中， 例如 TW421674、 US7354489、 US20070062615、 US20060078458、 US2004023441 等 所揭披露的无铅铜合金配方， 但这些公知技术的缺点是切削性不良。 另外， 无铅铜合金配方 例如 CN10144045 揭示以铝、 硅、 磷为主要合金元素， 虽然可用于铸造， 但切削性较差， 加工 效率远低于铅黄铜， 不适于大批量产 ； CN101285138、 CN101285137 揭示以磷为主要合金元 素， 但其用于铸造则容易产生裂纹、 夹渣等缺陷。
另 外， 还 有 文 献 以 铋 (Bi) 为 主 要 成 分 而 取 代 铅 添 加 在 黄 铜 合 金 中， 例如 US7297215 、 US6974509 、 US6955378 、 US6149739 、 US5942056 、 US5653827 、 US5487867 、 US5330712、 US20060005901、 US20040094243、 US5637160、 US20070039667 等， 上述合金配方 的铋含量约在 0.5 重量％至 7 重量％的范围， 且除了铋之外， 各自包含不同的元素成分及特 定比例。例如， US6413330 披露同时包含铋、 硅及其它成分的无铅铜合金配方， CN101440444 也披露高锌硅无铅黄铜合金， 然而， 因其含硅量高但含铜量较低， 合金的熔液流动性差， 在 金属模中比较难充慢型腔， 易产生浇不足等铸造缺陷。而 CN101403056 披露以铋及锰代替 铅的无铅黄铜合金， 然而， 高铋含量易产生裂纹、 夹渣等缺陷， 而铋低锰高则硬度高， 不易断 屑， 切削性差。
由于铋的资源稀少、 价格昂贵， 以较高量的铋代替铅会造成无铅黄铜的制造成本 过高， 不利于商业化， 且上述黄铜合金配方仍存在有铸造性能差、 材料脆化未能有效改善。
另外， 亦有文献揭示无铅铜合金的制备过程或洗铅制备过程的改良方法， 例 如 US5904783 披露以钠、 钾金属在高温下处理黄铜合金以减少铅滤出到供给液的方法 ； TW491897 披露含有 1-2.6 重量％的铋的黄铜合金的制备方法 ； 然而， 公知洗铅制备过程仅 能在含铅产品在浸入水中时， 减少与水接触表面的铅析出， 无法将生产原料成分中铅含量降低至 0.3 重量％以下。 发明内容 有鉴于此， 本发明的目的在于开发低铅黄铜合金材料以及改良的制备过程。
为达到上述及其它目的， 本发明提供一种低铅的环保黄铜合金， 包括 ： 0.05 至 0.3 重量％ (wt％ ) 的铅 (Pb) ； 0.3 至 0.8 重量％的铝 (A1) ； 0.01 至 0.4 重量％的铋 (Bi) ； 0.1 至 0.15 重量％的微量元素 ； 以及 97.5 重量％以上的铜 (Cu) 和锌 (Zn)， 其中， 该铜在该低 铅黄铜合金中的含量为 58 至 70 重量％。
在 一 实 施 方 式 中， 本发明的低铅黄铜合金中所包含的铜和锌的总含量为 97.5-99.54 重量％， 优选为 98 重量％以上。在一实施方式中， 该铜的含量为该低铅黄铜合 金总重量的 58-70 重量％， 此范围的含量的铜可提供合金良好的韧性和良好的加工性。在 优选实施例中， 该铜的含量优选为 62-65 重量％。
在本发明的低铅黄铜合金中， 该铅的含量为 0.05-0.3 重量％。在优选实施例中， 铅的含量为 0.1-0.25 重量％， 更优选为 0.15-0.25％。
在本发明的低铅黄铜合金中， 该铝的含量为 0.3-0.8 重量％。在优选实施例中， 铝 的含量为 0.4-0.7 重量％， 更优选为 0.5-0.65 重量％。 添加适量的铝可增加铜水的流动性， 并改善该合金材料的铸造性能。
在本发明的低铅黄铜合金中， 该铋的含量为 0.4 重量％以下。在优选实施例中， 铋 的含量为 0.01-0.4 重量％， 优选为 0.05-0.3 重量％， 更优选为 0.1-0.2 重量％。
本发明的低铅黄铜合金中所包含的 0.1-0.15 重量％的微量元素可为稀土元素和 / 或不可避免的杂质， 其中， 该稀土元素包括铈、 钪、 钇、 镧系元素等， 该稀土元素可单独使用 或组合使用。添加适量的稀土元素 ( 例如铈 (Ce)) 可强烈地细化合金材料的铸态组织， 并 可使重结晶退火后的 α、 β 相的相对量及结晶形貌 (morphology) 发生变化， 且可与铅等元 素形成颗粒状杂质， 因而改善合金材料中杂质的分布， 并改善合金的物理性质及加工性质。 在一实施方式中， 该稀土元素为铈， 其含量为 0.1-0.15 重量％。
本发明的低铅黄铜合金还包含 0.8 重量％以下的磷 (P)。 在优选实施例中， 磷的含 量为 0.4-0.8 重量％。添加适量的磷能提高熔体的流动性， 改善铜及合金的焊接性能。磷 在铜中固溶度大， CuP 的表面能低， 所以能降低铜的表面张力， 促使铋以颗粒状析出。
在本发明中， 以 Bi 代替 Pb， 是为了保持黄铜的易切削性能。 Pb 相为面心立方晶格， -10 晶格常数为 4.949×10 m， Pb 在 Cu 的固溶度均极小， 因此， Pb 在 Cu 合金中常以单质相的 -10 方式存在。Bi 相为菱方晶格， 晶格常数为 4.7457×10 m， 晶轴间夹角 a ＝ 57° 14.2’ ， Cu 和 Bi 在固态基本上均不互溶， 因此， 少量 Bi 就会在组织中出现单独的 Bi 相。Bi 常呈连续 的脆性薄膜分布在黄铜晶界上， 既产生热脆性， 又产生冷脆性。Bi 偏析于晶界的两种机制， 如图 8 所示。
造成 Bi 偏析于晶界的机制由两种数学模型来解释， 图 8A 是由麦克林模式 (McLean Model) 及霍氏模式 (Hofmann-Ertewein Model) 来解释其机制。图 8A 为体积扩散的模型， 原理为 Bi 原子由从块材扩散至晶界， 即为一般认知的菲克定律 (Fick’ s Law) ； 图 8B 可由 位错管扩散模式 (Dislocation-pipe diffusion Model) 来解释其机制， 原理为液态 Bi 先 流入差排， 而差排如同输送管将液态 Bi 送进晶界， 为差排扩散机制。此两种扩散机制， 后者
扩散速度为前者的 105 倍。当 Bi 析出由差排扩散机制主导， 此机制主导则会造成 (Cu) 固 体溶液 +L( 液态 Bi) 双相区产生， 造成所谓的薄膜状 Bi 产生， 材料的脆裂性大幅提升。为 改善此状况， 当温度降至 750℃以下时， 采用加速冷却的方式， 使双相区之差排扩散消失， 则 Bi 不会呈薄膜偏析至晶界， 将可避免材料脆裂的产生。
在本发明中， 由进一步将磷元素加入到该黄铜合金配方以减少黄铜合金的表面张 力。 使黄铜合金的异相之间夹角的表面张力与同相之间夹角的表面张力的比值趋近于 0.5， 若双面角 (dihedral angle) 大于 60 度， 则使该黄铜合金配方中的 Bi 形成颗粒状 Bi 析出。 从而提高该合金材料的切削性， 不致产生铸造缺陷。
在一实施方式中， 本发明的低铅黄铜合金包含 ： 0.05 至 0.3 重量％的铅 ； 0.3 至 0.8 重量％的铝 ； 0.01 至 0.4 重量％的铋 ； 0.1 至 0.15 重量％的微量元素 ( 即， 稀土元素和 / 或不可避免的杂质 ) ； 0.8 重量％以下的磷 ； 以及 98 至 99.54 重量％的铜和锌， 其中， 该铜 在该低铅黄铜合金中的含量为 58 至 70 重量％。
在一实施方式中， 本发明的低铅黄铜合金包含 62-65 重量％的铜、 0.05-0.25 重 量％的铅、 0.5-0.75 重量％的铝、 0.2-0.3 重量％的铋、 0.8 重量％以下的磷 ( 且铝与磷的总 含量为 1.4 重量％以下 )、 0.1-0.15 重量％的铈和余量锌， 且不可避免的杂质含量为 0.1 重 量％以下。
依据本发明的目的， 本发明提供一种低铅黄铜合金的物品的制造方法， 包括下列 (a) 将该低铅黄铜合金及回炉料预热至 400℃至 500℃ ； (b) 将该低铅黄铜合金及该回炉料熔解至沸腾以形成熔解铜液 ； (c) 将模具预热至 200℃后， 将砂芯置于该模具中 ； (d) 将该熔解铜液浇铸至该模具中， 其中， 该浇铸的温度介于 1010 至 1060℃之间 ；步骤 ：
以及 (e) 将所得到的铸件脱模。
本发明的方法可还包括制备该砂芯的步骤， 将选自由粒径为 40 至 70 目、 50 至 100 目及 70 至 140 目的圆型砂所组成的组中的一种或多种圆型砂、 树脂以及固化剂混合而制备 砂芯， 其中， 该树脂为尿醛树脂和 / 或呋喃树脂。用于本发明方法的砂芯必须充分干燥， 以 降低气孔缺陷。
在一实施方式中， 该回炉料在预热前经洗砂处理， 以移除砂和铁线。
在一实施方式中， 本发明的步骤 (b) 的无铅铜锭和回炉料的重量比为 6 ∶ 1 至 9 ∶ 1， 优选的无铅铜锭和回炉料的重量比为 6 ∶ 1 至 8 ∶ 1， 更优选为 7 ∶ 1。
本发明的步骤 (b) 可还包括添加精炼清渣剂， 其中， 该精炼清渣剂在添加前先预 热至 400 ℃以上。在一实施例中， 该精炼清渣剂的添加量为无铅铜锭及回炉料的总重的 0.1-0.5 重量％， 优选为 0.15-0.3 重量％， 更优选为 0.2 重量％。在该步骤 (b) 中， 该精炼 清渣剂可一次添加或分次添加。
在本发明的步骤 (d) 中， 熔解铜液的浇铸可为重力浇铸。对于步骤 (d) 的浇铸温 度需维持在 1010-1060℃。 针对该浇铸步骤， 其中， 该浇铸以批次的方式进行， 且该浇铸的浇 铸量每次约 1 至 2 千克， 以及浇铸的时间为 3 至 8 秒。
在本发明的方法中， 该脱模在完成该浇铸后 10 至 15 秒时、 或该铸件不呈现红热状
态下进行。在优选实施例中， 完成脱模的铸件以自然降温冷却。
本发明的方法可还包括在步骤 (e) 后， 冷却该模具， 使该模具的温度维持在 180 至 220℃之间 ； 以及清理模具 ( 例如以压缩空气吹净模具表面 )， 将少许石墨水喷涂在模具表 面 ( 例如以喷雾器喷洒 )， 以供下一次浇铸使用。
在一实施方式中， 以石墨水冷却该模具， 进行方式是将该模具浸入该石墨水中 3 至 8 秒。该石墨水的温度优选为维持在 25-40℃之间， 而石墨水的比重为 1.02-1.10。 附图说明
图 1 为本发明低铅黄铜自熔解的液态凝固的示意图 ；
图 2 为 本 发 明 低 铅 黄 铜 试 片 在 扫 描 式 电 子 显 微 镜 (SEM) 下 的 微 观 形 貌 (morphology) 和用 X-ray 能谱仪 (EDS) 对微观区域元素成分进行定量分析。
图 3A 为本发明低铅黄铜试片的金相组织分布 ；
图 3B 为铋无铅黄铜试片的金相组织分布 ；
图 3C 为 H59 铅黄铜试片的金相组织分布 ；
图 4A 为铋无铅黄铜试片的材料开裂情况 ；
图 4B 为铋无铅黄铜试片的裂纹放大图 ； 图 5A 为铋无铅黄铜试片的抗脱锌腐蚀测试的金相组织分布 ； 图 5B 为本发明低铅黄铜试片的抗脱锌腐蚀测试的金相组织分布 ； 图 6A 为铋无铅黄铜的切屑 ； 图 6B 为 H59 铅黄铜的切屑 ； 图 6C 为本发明低铅黄铜的切屑 ； 图 7 为制造本发明的低铅黄铜的产品的制备过程示意图 ； 以及 图 8A 和 8B 说明合金中的铋偏析于晶界的机制。具体实施方式
以下是根据特定的具体实施例说明本发明的实施方式， 本领域技术人员可根据本 说明书所揭示的内容了解本发明的其它优点与功效。
在本说明书中， 除非另有说明， 否则低铅黄铜合金所包含的成分均以该合金总重 量为基准， 并以重量百分比 (wt％ ) 表示。
发明人发现， 当以公知高含量的铋 (1 重量％以上 ) 添加入黄铜合金时， 在微观上， 易在黄铜合金的晶粒中形成铋的液态薄膜， 最后在晶界偏析而产生连续片状的铋， 遮蔽晶 界， 使得合金的机械强度溃散而使合金的热脆性及冷脆性提高， 造成材料开裂。然而， 根据 本发明的低铅黄铜合金配方， 仅需使用 0.4 重量％以下的铋， 不但可解决材料开裂的缺陷 且仍可达到铅黄铜 ( 如公知的 H59 铅黄铜 ) 所具备的材料特性 ( 如切削性等 )， 且不易产生 裂纹或夹杂等产品缺陷。 因此， 本发明的低铅黄铜合金可大幅降低铋用量， 有效降低低铅黄 铜合金的生产成本， 对于商业量产及应用上极具优势。
另外， 依据本发明的低铅黄铜合金配方， 可以使合金的铅含量降低至 0.05-0.3 重 量％， 符合对于与水接触的管线材料的铅含量的国际规定。 因此， 依据本发明的低铅黄铜合 金有利于制造水龙头及卫浴零部件、 自来水管线、 供水系统等应用。在实施例中， 本发明的低铅黄铜合金包含 ： 0.05 至 0.3 重量％的铅 ； 0.3 至 0.8 重 量％的铝 ； 0.01 至 0.4 重量％的铋 ； 0.1 至 0.15 重量％的微量元素 ( 即， 稀土元素和 / 或不 可避免的杂质 ) 稀土元素和不可避免的杂质 ； 以及 97.5 至 99.54 重量％的铜和锌， 其中， 该 铜在该低铅黄铜合金中的含量为 58 至 70 重量％。
以下， 将以例示性实施例详细阐述本发明。
实施例 1 ：
在此优选实施例 1 中， 本发明的低铅黄铜合金的成分 ( 单位为重量百分比 ) 如下 ：
Cu ： 62.51
Zn ： 35.72
Pb ： 0.177
Bi ： 0.154
Al ： 0.478
P： 0.52
Sn ： 0.183
Ce ： 0.114 经过扫描式电子显微镜 (Scanning electron microscopy， SEM) 和 X-ray 能谱仪 (Energy Dispersive Spectrdmeter， EDS) 分析如此制得的环保铸造黄铜试片的形貌、 成分 以及形成机制， 其结果如图 1、 图 2 及表 1 所示。在图 2 的电子显微镜照片中， A 点为 α 相， 铜含量较高， 并在晶粒内部具有少量铋 ； B 点为 β 相， 锌含量较高， 一般不含铋 ； 以及 C 点为 晶界， 有较多的铋在此处析出， 形成易断屑软质点， 可提高材料切削性能。该低铋无铅黄铜 试片的 A、 B、 C 点的成分分析如表 1 所示。
表 1 能谱分析结果 ( 原子百分比 )
A(α) Cu Zn Bi Pb Al P
B(β) 51.91 42.87 0 0.17 0.53 1.76C 61.09 35.1 2.37 0.04 0.1 0.2663.03 24.31 0.09 0.25 0.67 8.01试验例 1 ：
在相同制备过程和相同操作条件下， 分别以本发明的低铅黄铜合金 ( 实施例 2-4)、 铋无铅黄铜 ( 比较例 1-4)、 H59 铅黄铜 ( 比较例 5-6)、 及高磷含量的铅黄铜 ( 比较例7) 为材料， 进行相同的产品铸造， 并比较各合金的加工特性及各阶段的制备过程的合格率， 其中， 制备过程的合格率的定义如下所示 ：
生产合格率＝合格品数 / 全部产品数 x100％
制备过程的生产合格率反映生产制备过程的质量稳定性， 质量稳定性越高， 才能 保证正常生产。
表 2 产品试验统计表
由表 2 可知， 以无铅铋黄铜为材料进行产品铸造时， 所得产品的铸造缺陷较多， 故 产品的生产总合格率低于 70％， 且铋含量越高则合格率越低。观察以完全无铅的铋黄铜为 材料的铸件的主要缺陷为 ： 气孔、 夹渣、 裂纹、 浇不饱、 缩松， 具有这些缺陷的不合格品占全 部不合格品的 72％。具体而言， 无铅铋黄铜的熔解铜液的流动性差， 且对模具的填充性差， 铸件易产生浇不饱的状况 ； 铸件容易产生裂纹， 一些微小裂纹到最后抛光阶段才能被发现 ； 铸件易发生夹渣和气孔的现象 ； 且完全无铅的铋黄铜切削性较差， 容易产生振刀、 粘刀等问 题， 造成后续机械加工的合格率偏低。
而根据本发明的低铅黄铜为原料的试作组， 合格率最好 ( 可达 90％以上 )， 其材料 流动性接近公知的 H59 铅黄铜， 对铸造工艺进行优化后， 在铸件凝固时形成具有低脆裂敏 感度成等轴树枝状晶相组织， 在保障切削性的同时， 又不易产生裂纹等缺陷， 使材料完全可 以满足生产的需求。其中， 由于高含量的磷易使黄铜合金产生铸造缺陷， 并降低合格率， 因 此， 本发明的低铅黄铜的磷含量不宜超过 0.8％。另外， 本发明的低铅黄铜的耐蚀性也较比 较例 1 及 2 的高铋无铅铜显著改善。
试验例 2 ：
将黄铜材料的试片在光学金相显微镜下观察材料的组织分布， 其放大 100 倍的结 果如图 3 所示。
实 施 例 1 的 低 铅 黄 铜 的 成 分 实 测 值 为 Cu ： 63.35wt ％、 Al ： 0.515wt ％、 Pb ： 0.182wt％、 Bi ： 0.117wt％、 P： 0.435wt％。 其组织分布如图 3A 所示， 会形成等轴树枝状晶相 组织， 因晶粒呈树枝状相， 会使材料较易断屑而可提供良好切削性 ； 又具有低脆裂敏感度， 故不易产生裂纹等缺陷。
图 3B 为比较例 1 的组织分布， 铋无铅黄铜主要成分的实测为 ： Cu ： 62.48wt％、 Al ： 0.513wt％、 Pb ： 0.0075wt％、 Bi ： 0.762wt％、 P： 0.0024wt％。铋含量高时， 会造成异质成核 点多且成核速率快， 而 α 相组成过冷越大， 形成的晶粒多呈现枝蔓臂形状且极少呈块状。 因此， 铋会在晶界偏析而产生连续片状的铋， 使得材料的机械强度溃散、 热脆性及冷脆性提 高， 而易造成材料开裂。 图 3C 则为比较例 6 的组织分布， H59 铅黄铜主要成分的实测值为 ： Cu ： 61.1wt％、 Al ： 0.589wt％、 Pb ： 1.54wt％、 Bi ： 0.0089wt％、 P： 0.0002wt％。合金 α 相圆粒状形态， 有 良好的韧性， 不易产生裂纹等缺陷。
其中， 比较例 1 的高铋无铅黄铜试片在铸造后发生自然开裂， 试片的开裂情况如 图 4A 所示， 在立体显微镜下的观察结果如图 4B 所示， 铋含量较高者， 易沿着晶界方向产生 较大的裂隙， 而降低机械强度。
试验例 3 ：
以实施例 3 和比较例 4 的黄铜合金进行脱锌测试， 以检测黄铜的耐蚀性。脱锌测 试是按照澳大利亚 AS2345-2006《铜合金抗脱锌》 标准进行。腐蚀实验前用酚醛树腊镶样， 2 使其暴露面积为 100mm ， 所有试片均经过 600# 金相砂纸研磨平整， 并用蒸馏水洗净、 烘干。 试验溶液为现配的 1％的 CuCl2 溶液， 试验温度为 75±2℃。将试片与 CuCl2 溶液置在恒温 水浴槽中作用 24±0.5 小时， 取出后沿纵向切开， 将试片的剖面抛光后， 测量其腐蚀深度并 以数字金相电子显微镜观察， 结果如图 5 所示。
比较例 4 的低铋无铅黄铜 (Bi ： 0.147％ ) 的平均脱锌深度为 324.08mm， 如图 5A 所 示。本发明的低铅黄铜 (Bi ： 0.149％ ) 的平均脱锌深度为 125.36mm， 如图 5B 所示。上述结 果证实本发明的低铅黄铜的抗脱锌腐蚀性较好。
试验例 4 ：
依照 ISO6998-1998 《金属材料室温拉伸实验》 标准进行黄铜合金的机械性能测试， 结果如下表 3 所示 ：
表3
从表 3 可知， 本发明的低铅黄铜合金的抗拉强度和伸长率与 H59 铅黄铜相当， 表示 本发明的低铅黄铜合金具备相当于 H59 铅黄铜的机械性能， 确实可以取代 H59 铅黄铜而用 于制造产品。
试验例 5 ：
依照 NSF 61-2007a SPAC 单产品金属允许析出量标准进行测试， 检验在与水接触 的环境中的黄铜合金的金属析出量测试结果如下表 4 所示 ：
表4
如表 4 所示， 本发明的低铅黄铜的各金属析出量均低于上限标准值， 符合 NSF 61-2007a SPAC 的要求。且本发明的低铅黄铜在重金属铅的析出量更明显低于 H59 铅黄铜 的析出量， 也低于经过洗铅处理的 H59 铅黄铜， 更符合环保要求， 且有利于人体健康。
试验例 6 ：
分别以实施例 1 的低铅黄铜、 比较例 1 的铋无铅黄铜、 和比较例 5 的 H59 铅黄铜在 车床上进行切削性测试。切削性测试的条件设定为进刀量为 2mm， 转速为 950rpm， 进给量 0.21mm/rev， 结果如图 6 及表 5 所示。
表5
在切削性测试中， 在轴向 (Ff)、 径向 (Fp)、 法向 (Fc) 三方向的切削阻力以铋无铅 黄铜为最大， 而本发明的低铅黄铜与公知 H59 铅黄铜比较接近。切削能也以铋无铅黄铜为 最大， 而本发明的低铅黄铜与公知 H59 铅黄铜比较接近。
另外， 从图 6 可知， H59 铅黄铜因为铅以软质点形式分散分布在黄铜基体上， 故切 屑呈崩碎粒状或针状， 切削性好 ( 图 6B) ； 本发明的低铅黄铜切屑 ( 图 6C) 与 H59 铅黄铜切 屑类似 ； 而铋无铅黄铜 ( 图 6A) 切屑呈片状， 切削性差。
由上述各试验例可证实， 铋无铅黄铜材料切削性较公知 H59 铅黄铜差， 且容易产 生振刀、 粘刀等问题， 造成后续机械加工的合格率偏低， 不适合作为取代铅黄铜的合金。且 以铋无铅黄铜材料制作产品时， 铸件容易产生夹渣、 气孔及裂纹， 且裂纹常需至抛光阶段才 能被发现， 生产成本较高， 因此， 不利于产业应用。
本发明的低铅黄铜合金具有与 H59 铅黄铜相当的机械性能 ( 例如切削性 )， 甚至比 公知 H59 铅黄铜更优异 ( 例如抗拉强度和伸长性 ) ； 在铸造产品的制备过程合格率、 机械加 工合格率也为良好 ； 且本发明的低铅黄铜合金大幅降低铅析出量， 极适合作为取代公知铅 黄铜的合金材料。
试验例 7 ：
以本发明的环保铸造黄铜制备水龙头的制备过程如图 7 所示。
首先以 40-70 目、 50-100 目及 70-140 目的圆型砂、 尿醛树脂、 呋喃树脂及固化剂为 原料以射芯机制备砂芯， 并以发气性试验机测量树脂发气量。所得砂芯需在 5 小时内使用 完毕， 否则需以烘箱烘干。
将本发明的低铅黄铜合金及回炉料预热 15 分钟， 使温度达 400℃以上， 再将两者 以重量比为 7 ∶ 1 的比例以感应炉进行熔炼， 待该黄铜合金达到一定的熔融状态 ( 下称熔 解铜液 )， 进行分析取样铜合金试块， 并用直读式光谱仪器进行成分分析， 确认铜合金化学 成分符合要求后， 以金属型重力铸造机配合砂芯及重铸模具进行浇铸， 又以温度监测系统 控制， 使浇铸温度维持在 1010-1060℃之间。
在浇铸过程中， 为了避免温度变化过大， 每次投料量以 1-2kg 为宜， 浇铸时间控制 在 3-8 秒内， 如此可减少铸造缺陷。每次投料后清理熔解铜液表面和浇勺， 目视检查熔解铜 液表面以避免过多杂质漂浮， 检查浇勺以避免过多氧化物附着。若铸件为钢模， 在浇铸 5-8 模后进行一次清理炉渣作业， 若为铜模铸件则以 20 模为一次。
每模铸件取出后， 以空气枪清洁模具， 确保芯头位置干净， 在模具表面喷石墨后再 行浸水冷却。 用来冷却模具的石墨水的温度以维持在 30-36℃为宜， 并在每次浇铸前以比重 计测量石墨水浓度， 使其控制在比重 1.05-1.06 之间， 并需清理水槽内的杂质， 以减少铸件 的外观缺陷。该石墨水以中央冷却系统集中冷却， 再通过管道将冷却水分配至各重力浇铸 机水槽中， 再将模具浸入水槽而达到冷却效果。
待模具冷却凝固后开模卸料清理浇冒口， 监测模具温度， 使模具温度控制在 200-220℃中并形成铸件， 随后进行铸件脱模， 脱模时需严格遵守轻拔轻放， 避免铸件在红 热状态下被损坏。
待感应炉中熔解铜液全部浇铸完毕后， 将冷却的铸件进行自检并送入清砂机滚筒 陶砂清理。接着， 进行毛坯处理 ( 铸造坯件的热处理 ( 清除应力退火 )， 以消除铸造产生的 内应力 )。将坯件进行后续机械加工及抛光， 使铸件内腔不附有砂、 金属屑或其它杂质。再 进行坯件全封闭， 在水中试验壳体密封和隔板密封性检验。最后经过质量检验分析和检验 分类入库。
通过本制备过程， 将无铅铜重力铸造生产从 6M(Man、 Machine、 Material、 Method、 Measurement、 Mother Nature) 角度进行全面考虑， 将温度、 时间等生产条件进行严格的规 范， 使得各项变动因素都得到有效的控制。将产品发生的不良状况减少到最低。
综上所述， 本发明低铅黄铜合金可改善材料的铸造性能， 具有良好韧性， 切削性 佳， 不致于产生铸造缺陷， 可达到公知铅黄铜所具备的材料特性， 以利于合金材料应用于后 续制备过程。且本发明低铅黄铜合金材料不易产生裂纹或夹杂等缺陷， 并可大幅降低铋用 量， 有效降低低铅黄铜合金的生产成本， 对于商业量产及应用上极具优势。
另外， 利用本发明的制备过程可提高无铅黄铜产品的产率及合格率。
上述实施例仅例示性说明本发明的低铅黄铜合金与其物品制备方法， 而非用于限 制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下， 对上述实施例进行 修饰与改变。因此， 本发明的权利保护范围如后面权利要求书所记载。