專利名稱：鐵變性的錫黃銅的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及強(qiáng)度高、成形性好且導(dǎo)電性較佳的銅合金。更具體而言，錫黃銅的屈服強(qiáng)度通過鐵的控制添加而得到提高。
本專利申請(qǐng)中，除非另有說明，所給出的所有百分?jǐn)?shù)均為重量百分比。
工業(yè)錫黃銅是含有0.35-4％錫，不高于0.35％磷，49-96％銅和余者為鋅的銅合金。這種合金被銅業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)(CDA)稱為銅合金C40400-C49080。
一種工業(yè)錫黃銅是被稱為C42500的銅合金。該合金的組成為87-90％銅，1.5-3.0％錫，最多0.05％鐵，最多0.35％磷，余者為鋅。由這種合金制造的產(chǎn)品包括電氣開關(guān)簧片、端子、接插件、保險(xiǎn)絲夾頭、筆夾和擋風(fēng)條。
ASM Handbook規(guī)定銅合金C42500的名義導(dǎo)電性為28％IACS(國際退火銅標(biāo)準(zhǔn)，其中，規(guī)定“純”銅在20℃下的導(dǎo)電性為100％IACS)，其屈服強(qiáng)度，取決于回火工藝，為310MPa(45ksi)-634MPa(92ksi)。這種合金適合用于制造多種電氣插接件，但其屈服強(qiáng)度低于期望值。
已知通過鐵的控制添加可使某些銅合金的屈服強(qiáng)度得到提高。例如，共同擁有的名為“鐵變性的磷青銅”的美國專利5,882,442公開了將1.65-4.0％鐵添加至磷青銅中。這種Caron等發(fā)明的合金的導(dǎo)電性超過30％IACS，極限抗拉強(qiáng)度超過95ksi。
由Furukawa Metal Industries Company,Ltd.提出的日本專利申請(qǐng)57-68061公開了一種鋅、錫和鐵中每一種含量為0.5-3.0％的銅合金。指出鐵提高了該合金的強(qiáng)度和耐熱性。
由Japan Engineening Corp.提出的日本專利申請(qǐng)61-243141公開了一種鋅含量為1-25％，鎳、錫和鐵含量各為0.1-5％的銅合金。該合金還含有0.001-1％的硼，以及0.01-5％的錳或硅之一。公開了硼和錳或硅能使該合金具有析出硬化能力。
雖然鐵添加至磷青銅中所帶來的好處已為人所知，但鐵的添加也會(huì)給該合金帶來一些問題。該合金的導(dǎo)電性下降，合金的加工性由于發(fā)紋的形成而受到影響。當(dāng)該合金中的鐵含量超過臨界值時(shí)會(huì)形成發(fā)紋，該臨界值與合金的組成有關(guān)。當(dāng)凝固前先包晶鐵粒子自液相析出就會(huì)形成發(fā)紋并在機(jī)械變形期間拉長。發(fā)紋有害，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響合金的表面狀況，并且使成形性下降。
在銅含量高(高于85％Cu)的錫黃銅中，作為雜質(zhì)的鐵的最大容許含量典型地是0.05％。這是因?yàn)橐阎F會(huì)使導(dǎo)電性下降，而且，通過形成發(fā)紋使彎曲性能降低。
鐵含量和錫含量均在一定范圍內(nèi)的銅合金具有鑄態(tài)非樹枝狀晶粒組織。例如，名為“具有改善的可加工性的銅基合金”的美國專利4,116,686公開了一種含有4.0-11.0％錫，0.01-0.3％磷，1.0-5.0％鐵，余者為銅的銅合金。這種Mraric等發(fā)明的合金還可以含有少量但是有效量的多種特定添加合金元素，包括鋅。公開了在鑄造條件下，該鑄態(tài)合金具有基本上為非樹枝狀的晶粒組織，這有利于可加工性的改善。
某些非樹枝狀的合金可以作為半固態(tài)成型的坯料使用?？捎米靼牍虘B(tài)成型坯料的毛坯具有高度偏析的組織，該組織由初生非樹枝相構(gòu)成，所述初生非樹枝狀相為其熔點(diǎn)低于所述初生相的偏析相所包圍。將所述毛坯加熱至能有效使低熔點(diǎn)相而非初生相熔化的溫度。如果初生相是樹枝狀，則這種固態(tài)初生相就會(huì)被機(jī)械閉合，這不會(huì)帶來任何益處。然而，如果固態(tài)初生相是非樹枝狀，那么就可以形成能在剪切應(yīng)力作用下流動(dòng)的金屬漿液。
使該漿液流入模具比將具有相同組成的液態(tài)金屬倒入模具具有許多優(yōu)越之處。漿液流動(dòng)時(shí)的溫度低于使類似組成的合金完全熔化的溫度。因此，模具受到較低的溫度作用，模具的壽命得以延長。與傾倒熔融金屬時(shí)的典型結(jié)果相比，將漿液注入模具時(shí)所產(chǎn)的紊流較少，這樣夾帶在鑄件中的空氣就較少。因此，所成型的產(chǎn)品的孔隙率較低。
典型地，通過在冷卻熔融金屬的同時(shí)，對(duì)所述金屬進(jìn)行機(jī)械或電磁攪拌以將樹枝晶破斷，從而形成具有主要為球形簡并枝晶的固相，來產(chǎn)生半固態(tài)成型坯料。名為“適于形成半固態(tài)金屬漿液的α銅基合金”的美國專利4,642,146公開了一種在鑄造期間不需攪動(dòng)或其它攪拌的用作半固態(tài)成形坯料的合金。該合金的組成為3-6％鎳，5-15％鋅，2-4.25％鋁，0.25-1.2％硅，3-5％鐵，余者為銅。指出最低3％的鐵的作用是防止柱狀枝晶形成。
相對(duì)較寬的使低熔點(diǎn)相為液態(tài)而熔點(diǎn)較高的初生相為固態(tài)的溫度范圍(“半固態(tài)成型加工范圍”)是必要的。半固態(tài)成型加工范圍寬可使工藝控制更容易。例如，將鐵添加至銅合金C260(名義組成為70％銅和30％鋅)中獲得的合金的半固態(tài)成型加工范圍僅為5℃。這種合金由初始的均勻流動(dòng)(漿液)向液相分離(此時(shí)熔融金屬自材料中排出)的轉(zhuǎn)變很突然。
因此，需要一種不會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)電性下降和發(fā)紋形成的上述不足之處的鐵變性的錫黃銅合金。也需要一種可用作具有較寬加工范圍的半固態(tài)成型坯料的銅合金。
所以，本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種具有較高的強(qiáng)度的錫黃銅合金。本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種可用作半固態(tài)成型坯料的銅合金。
本發(fā)明的特點(diǎn)之一是通過聯(lián)合添加可控?cái)?shù)量的鐵和鋅可使強(qiáng)度得到提高。本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是通過按照特定工序?qū)λ龊辖疬M(jìn)行加工，在鍛造后的合金中仍可保留細(xì)小的組織。
本發(fā)明的又一個(gè)特點(diǎn)是將可控量的鐵和錫添加至黃銅中，可以獲得適合作為半固態(tài)成型坯料的合金。
本發(fā)明的合金的優(yōu)點(diǎn)包括在導(dǎo)電性未受損害的情況下屈服強(qiáng)度得到提高。細(xì)化的鑄態(tài)合金的組織中的晶粒尺寸小于100μm，鍛造后的合金的晶粒尺寸約5-20μm，屬于細(xì)晶粒。再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)電性與銅合金C42500大致相同，而屈服強(qiáng)度卻有明顯提高。
本發(fā)明的合金作為半固態(tài)成型坯料的優(yōu)點(diǎn)包括所述合金具有較寬的半固態(tài)成型加工范圍。該合金仍保持著黃顏色且耐磨蝕，對(duì)于裝飾性部件，如管路配件(plumblng fixture)、建筑用金屬構(gòu)件及體育用品特別有用。
在本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施方案中，提供了一種銅合金。該合金基本組成為1-4重量％錫，0.8-4.0重量％的鐵，9-35重量％的鋅，不高于0.4重量％的磷，最多0.03重量％的硅，最多0.05重量％的錳，余者為銅以及不可避免的雜質(zhì)。該晶粒細(xì)化的合金的鑄態(tài)平均晶粒尺寸小于100μm，加工后的平均晶粒尺寸為約5-20μm。
在本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施方案中，提供了一種可觸變成型(thixoformable)的銅合金，該銅合金的基本組成為以重量百分比計(jì)，70-90％的銅，從形成鑄態(tài)非枝晶組織所需的有效量到不高于3.5％的晶粒細(xì)化劑，從獲得20℃的最小半固態(tài)成型加工范圍所需的有效量至3.5％的熔點(diǎn)抑制劑，低于1％的鎳，余者為鋅和不可避免的雜質(zhì)。
由下面的說明及附圖，上述的目的、特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。


圖1是對(duì)本發(fā)明的合金進(jìn)行加工的一種方法加以說明的流程圖。
圖2圖示說明的是鐵含量對(duì)屈服強(qiáng)度的影響。
圖3圖示說明的是鐵含量對(duì)極限抗拉強(qiáng)度的影響。
圖4圖示說明的是錫含量對(duì)屈服強(qiáng)度的影響。
圖5圖示說明的是錫含量對(duì)極限抗拉強(qiáng)度的影響。
圖6圖示說明的是鋅含量對(duì)屈服強(qiáng)度的影響。
圖7圖示說明的是鋅含量對(duì)極限抗拉強(qiáng)度的影響。
圖8示出的是鋁/銅二元相圖。
圖9示出的是硅/銅二元相圖。
圖10示出的是錫/銅二元相圖。
圖11是一種含鋅30％，鐵1.5％，錫1.5％的銅合金的鑄態(tài)晶粒組織的顯微照片。
圖12是圖11的合金經(jīng)910℃的觸變成型后的晶粒組織的顯微照片。
圖13是一種Cu-15％Zn-2.0％Fe-2.0％Sn合金經(jīng)995℃下的觸變成型后的晶粒組織的顯微照片。
圖14示出的是一水龍頭體的截面圖。
本發(fā)明的銅合金是一種鐵變性的錫黃銅。該合金基本組成為1-4％的錫，0.8-4.0％的鐵，9-20％的鋅，不高于0.4％的磷，余者為銅和不可避免的雜質(zhì)。鑄態(tài)時(shí)，該晶粒細(xì)化的合金的平均晶粒尺寸小于100μm。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，采用直接冷硬鑄造法鑄造所述合金時(shí)，錫含量為1.5-2.5％，鐵含量為1.6-2.2％。已發(fā)現(xiàn)，1.6％的鐵是獲得鑄態(tài)晶粒細(xì)化效果的最低臨界含量。最優(yōu)選地，鐵含量為1.6-1.8％。
錫錫增加本發(fā)明的合金的強(qiáng)度，而且也增加合金的應(yīng)力松弛抗力。
應(yīng)力松弛抗力被記錄為按照ASTM(美國試驗(yàn)與材料學(xué)會(huì))規(guī)范，采用懸臂梁模式，將帶材試樣預(yù)加載至屈服強(qiáng)度的80％之后殘留應(yīng)力的百分比。將所述帶材加熱至125℃，時(shí)間為指定的數(shù)小時(shí)，并且進(jìn)行周期性重復(fù)測試。性能的測試在125℃，最長不超過3000小時(shí)的條件下進(jìn)行。殘存應(yīng)力的比例越高，所述特定組成越適于用作彈簧應(yīng)用。
然而，強(qiáng)度和應(yīng)力松弛抗力的有利增加卻為導(dǎo)電性的下降所抵消，如表1所示。而且，錫使得所述合金的加工，特別是熱加工變得更加困難。當(dāng)錫含量超過2.5％時(shí)，加工所述合金的成本會(huì)使其無法在某些商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。當(dāng)錫含量低于1.5％時(shí)，所述合金用作彈簧用途對(duì)強(qiáng)度和應(yīng)力松弛抗力均不足。表1
優(yōu)選本發(fā)明的合金中的錫含量為約1.2-2.2％，最優(yōu)選為約1.4-1.9％。
鐵鐵能細(xì)化鑄態(tài)合金的組織并使強(qiáng)度提高。所述細(xì)化組織的特征是平均晶粒尺寸小于100μm。優(yōu)選地，所述平均晶粒尺寸為30-90μm，最優(yōu)選為40-70μm。該細(xì)化組織能夠在高溫下進(jìn)行機(jī)械變形，如850℃下的軋制。
當(dāng)鐵含量低于約1.6％時(shí)，晶粒細(xì)化效應(yīng)下降，并且會(huì)形成平均晶粒尺寸為約600-2000μm的粗大晶粒。當(dāng)鐵含量超過2.2％時(shí)，在熱及冷加工期間會(huì)形成過多的發(fā)紋。
1.6-2.2％的有效鐵含量范圍不同于美國專利5,882,442中公開的合金中的鐵范圍。美國專利5,882,442公開了只有當(dāng)鐵含量超過約2％時(shí)，晶粒細(xì)化效果才最佳。本發(fā)明的合金在鐵含量較低時(shí)的晶粒組織細(xì)化能力是出人意料的，并且可認(rèn)為這是加入了鋅所引起的相平衡偏移的緣故。為使效果明顯，這種相偏移作用要求Zn的最低含量為約5％。
當(dāng)鐵含量超過約2.2％時(shí)，會(huì)形成長度超過約200μm的大發(fā)紋。大發(fā)紋對(duì)合金表面的外觀以及合金表面的性能，如電及化學(xué)性能有影響。大發(fā)紋會(huì)改變合金的焊接性和電鍍性能。
為最大限度地發(fā)揮鐵的細(xì)化晶粒和提高強(qiáng)度的作用，而同時(shí)又無有害發(fā)紋形成，鐵含量應(yīng)維持在約1.6％和2.2％之間，并且優(yōu)選為約1.6-1.8％。
鋅在本發(fā)明的合金中加入鋅會(huì)使強(qiáng)度有一定提高，但又會(huì)造成導(dǎo)電性有某種程度的下降。然而，如表2所示，令人驚奇的是，當(dāng)Zn含量最低為5％時(shí)，鐵使晶粒細(xì)化的能力得到顯著提高。
表2
壓下量為70％的冷軋后測量的抗拉強(qiáng)度優(yōu)選地，鋅含量范圍為從能有效提高鐵引發(fā)的細(xì)化晶粒能力的量到約20％。更優(yōu)選地，鋅含量為約5-15％，并且最優(yōu)選地，鋅含量為約9-13％。
其它添加元素磷可添加在所述合金中，以防止銅的氧化物或錫的氧化物粒子形成和促進(jìn)鐵的磷化物的形成。磷會(huì)使所述合金的加工，特別是熱軋出現(xiàn)問題。據(jù)認(rèn)為，鐵的添加能抵消磷的有害作用。為抵消磷的作用，必須至少有最低限度的鐵存在。
適當(dāng)?shù)牧缀恐傅氖遣怀^約0.4％但能有效形成鐵的磷化物的任何量。優(yōu)選的磷含量為約0.01-0.3％，最優(yōu)選磷含量為約0.03-0.15％。
當(dāng)所述銅合金凝固時(shí)以固溶形式保留的各種元素的量最多可達(dá)20％，并且可以按照1∶1的原子比替代部分鋅。這些可固態(tài)固溶的元素的優(yōu)選范圍就是所規(guī)定的鋅的范圍。鋁是這種元素之一。
雖然鎳的添加使導(dǎo)電性下降，但能改善所述合金的應(yīng)力松弛抗力。含有雜質(zhì)量級(jí)的鎳的本發(fā)明的合金在不高于125℃的溫度下具有良好的應(yīng)力松弛抗力。添加0.3-1.8重量％的鎳可使所述合金在不高于150℃的溫度下具有良好的應(yīng)力松弛抗力。優(yōu)選鎳含量為0.5-1.0重量％。
次優(yōu)選添加的是能影響所述合金性能的元素，例如錳、鎂、鈹、硅、鋯、鈦、鉻以及它們的混合物。這些次優(yōu)選添加元素的存在量優(yōu)選每種元素各低于約0.4％，并且，最優(yōu)選低于約0.2％。最優(yōu)選地，所有次優(yōu)選合金元素的總添加量低于約0.5％。
硅添加至所述合金中會(huì)使熱加工性能下降。因此，本發(fā)明的合金中的硅含量低于0.03％，并且優(yōu)選低于0.01％，最優(yōu)選低于0.005％。
錳會(huì)與硫雜質(zhì)結(jié)合形成錳的硫化物發(fā)紋。因此，本發(fā)明的合金中的錳含量低于0.9％，并且，優(yōu)選低于0.05％，最優(yōu)選低于0.005％。
加工本發(fā)明的合金優(yōu)選根據(jù)如圖1所示的流程圖進(jìn)行加工。采用傳統(tǒng)方法如直接冷硬鑄造鑄造10出具有此處所規(guī)定組成的合金鑄錠。在約650-950℃的溫度，并且優(yōu)選在約825-875℃的溫度下，對(duì)所述合金進(jìn)行熱軋12。任選地，加熱14所述合金以維持所要求的熱軋12溫度。
厚度方向的熱軋壓下量典型地最高達(dá)98％，并且優(yōu)選約80-9596。所述熱軋可以采用單道次或者多道次方式進(jìn)行，條件是鑄錠溫度維持在650℃以上。
熱軋12之后，對(duì)所述合金進(jìn)行，任選地，水淬16處理。然后，對(duì)所獲棒材進(jìn)行機(jī)械磨削以去除表面氧化物，之后，采用單道次或多道次方式，由熱軋步驟12結(jié)束時(shí)的厚度進(jìn)行冷軋18，冷軋18壓下量至少60％(厚度方向)。優(yōu)選，冷軋壓下量18為約60-90％。
然后，在約400-600℃的溫度下對(duì)所獲帶材進(jìn)行退火20，時(shí)間為約0.5-8小時(shí)，以使所述合金再結(jié)晶。優(yōu)選第一次再結(jié)晶退火在約500-600℃的溫度下進(jìn)行，時(shí)間為約3-5小時(shí)。所述時(shí)間指的是在惰性氣氛如氮?dú)饣蛘哌€原性氣氛如氫和氮的混合物中進(jìn)行罩式退火的時(shí)間。
所述帶材也可以在例如約600-950℃的溫度下進(jìn)行長約0.5-10分鐘的帶材退火。
第一次再結(jié)晶退火20會(huì)導(dǎo)致附加的鐵和鐵的磷化物的析出相的形成。這些析出相在本次及后面的退火期間控制晶粒尺寸，通過彌散硬化使合金強(qiáng)度增加，并且還通過使鐵脫離銅基體而脫離固溶來提高導(dǎo)電性。
然后，對(duì)所述棒材進(jìn)行第二次冷軋22，厚度壓下量為約30-70％，優(yōu)選為約35-45％。
之后，對(duì)所獲帶材進(jìn)行第二次再結(jié)晶退火24，此次退火所采用的時(shí)間和溫度與第一次再結(jié)晶退火相同，在第一次和第二次再結(jié)晶退火之后，平均晶粒尺為3-20μm。優(yōu)選地，處理后的合金的平均晶粒尺寸為5-10μm。
之后，將所述合金冷軋26至最終尺寸，其值典型地為0.25-0.38mm(0.010-0.015英寸)。本次最終冷軋使所述合金具有與銅合金C51000相當(dāng)?shù)膹椥誀顟B(tài)。
然后，對(duì)所述合金進(jìn)行去應(yīng)力退火28，以獲得最優(yōu)的應(yīng)力松弛抗力。一種典型的去應(yīng)力退火是在約200-300℃的溫度下，惰性氣氛中進(jìn)行罩式退火1-4小時(shí)。第二種典型的去應(yīng)力退火是在約250-600℃的溫度下進(jìn)行帶材退火約0.5-10分鐘。
在去應(yīng)力退火28之后，將所述銅合金帶加工成型為所要求的產(chǎn)品如彈簧或電氣接插件。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，銅含量為70-90％的本發(fā)明的合金可被加工成半固態(tài)鑄坯原料。在所述合金中添加有一種晶粒細(xì)化劑，優(yōu)選鐵。鐵的最低有效含量指的是可使合金凝固后具有鑄態(tài)非枝晶組織的含量。鐵的合適范圍是0.05-3.5％。優(yōu)選鐵含量為約1.0-2.0％。
當(dāng)鐵含量低于0.05％時(shí)，晶粒不能充分細(xì)化，而且，會(huì)形成閉鎖的枝晶。當(dāng)鐵含量高于3.5％時(shí)，合金中可能形成的鐵粒子的數(shù)目及尺寸均會(huì)增加。這會(huì)導(dǎo)致電鍍?nèi)毕?、鑄造時(shí)的硬疤以及外觀(cosmetic)缺陷產(chǎn)生。
鈷可以替代部分或者全部的鐵。
可在后面的處理半固態(tài)成形原料的過程中進(jìn)行再結(jié)晶退火期間形成釘軋晶界的析出相的其它元素可添加至所述合金中?？梢源嬖诘你t、鈦、鋯以及它們的混合物的總量不超過0.4。
錫添加在所述合金中可增加半固態(tài)成型加工的范圍。錫的最低有效含量指的是可提供20℃的最小半固態(tài)成型加工范圍的含量，而且優(yōu)選是可提供30℃的最小半固態(tài)成型加工范圍的含量，適當(dāng)?shù)腻a含量為1-4％，優(yōu)選1-2％。當(dāng)錫含量低于1％時(shí)，半固態(tài)成型加工范圍太窄，無法商業(yè)應(yīng)用。當(dāng)錫含量超過4％時(shí)，會(huì)形成不希望的銅/錫金屬間化合物。
盡管其它元素添加到銅合金中也能形成偏析的低熔點(diǎn)相，但圖8-10表明錫具有更優(yōu)的效果。圖8示出的是二元鋁-銅相圖。在參考箭頭30標(biāo)示的區(qū)域，鋁含量為約1-4％，液相線32與固相線34間的距離很小，結(jié)果進(jìn)行半固態(tài)成型加工的范圍很窄。
圖9借助參考箭頭36說明硅添加至銅合金中時(shí)進(jìn)行半固態(tài)成型加工的范圍同樣窄。
圖10借助參考箭頭38說明合金中添加錫時(shí)液相線40和固相線42之間的范圍相當(dāng)寬。從加工控制的角度考慮，這種合金具有更寬、更優(yōu)的半固態(tài)成型加工的范圍。
優(yōu)選合金是一種鋅含量為10-35％，并且優(yōu)選為約15-30％的黃銅。在此范圍內(nèi)，該合金的顏色為金色至黃色，其強(qiáng)度也較佳。該可半固態(tài)成型的合金尤其可用于管道配件，如水龍頭；建筑金屬構(gòu)件，如門把手和鎖部件；以及體育用品，如高爾夫球桿構(gòu)件的半固態(tài)成型。為使顏色保持在金色和黃色之間，優(yōu)選避免含有“白化”添加元素，如鎳和錳。所述合金應(yīng)含有低于1％的鎳或錳，優(yōu)選含有總量低于0.5％的鎳和錳。
圖14示出的是水龍頭體44的橫截面圖，所述水龍頭體44尤其適于由半固態(tài)成形原料鍛造而成。所述水龍頭體包括螺紋46和眾多的曲線部分48，因而要求形狀復(fù)狀的成型模具。半固態(tài)成形時(shí)較低溫度的采用可延長模具壽命。半固態(tài)成形中所采用的剪切壓力應(yīng)確保金屬填滿水龍頭體的螺紋46和其它部分。
盡管特定量的鐵和錫的添加是針對(duì)由黃銅制備的半固態(tài)成形原料進(jìn)行的，但據(jù)認(rèn)為，這兩種元素的添加可強(qiáng)化由其它銅基合金制得的半固態(tài)成形原料。據(jù)認(rèn)為，其它適當(dāng)?shù)你~基合金包括高銅(＞85％銅)合金，青銅(銅+不高于10％Sn)，鋁青銅(Cu+不超過12％Al)，白銅(銅+不高于35％鎳)，以及鎳銀(銅+不高于25％鎳+不高于40％鋅)。
下面的實(shí)施例將使本發(fā)明的合金的優(yōu)點(diǎn)更為明顯。
實(shí)施例實(shí)施例1根據(jù)圖1的方法制備出含有10.5％鋅，1.7％錫，0.04％磷，0-2.3％鐵以及余者為銅的銅合金。去應(yīng)力退火28之后，在室溫(20℃)、標(biāo)距為50.8mm(2英寸)下對(duì)試樣的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了測定。
在拉伸試驗(yàn)機(jī)(制造商Tinius Olsen,Willow Grave,PA)上測定了0.2％條件屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。
由圖2可看出，鐵含量由0％增加至1％時(shí)屈服強(qiáng)度明顯提高。鐵含量進(jìn)一步增加對(duì)強(qiáng)度的影響很小，但是會(huì)加大發(fā)紋出現(xiàn)的可能。
圖3表明鐵含量與極限抗拉強(qiáng)度間存在類似關(guān)系。
實(shí)施例2根據(jù)圖1對(duì)含有10.4％鋅，1.8％鐵，0.04％磷，1.8-4.0％錫以及余者為銅的銅合金進(jìn)行了加工。對(duì)經(jīng)過去應(yīng)力退火28的試樣的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
圖4表明錫含量越大，屈服強(qiáng)度越高。而圖5表明錫的添加對(duì)極限抗拉強(qiáng)度有類似作用。
由于隨錫含量增加，強(qiáng)度單調(diào)提高但導(dǎo)電性下降，因此，錫含量應(yīng)在所要求的強(qiáng)度與導(dǎo)電性之間進(jìn)行平衡。
實(shí)施例3根據(jù)圖1對(duì)含有1.9％鐵，1.8％錫，0.04％磷，0-15％鋅，余者為銅的銅合金進(jìn)行加工。對(duì)經(jīng)去應(yīng)力退火28的試樣的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。
圖6表明鋅含量低于約5％時(shí)對(duì)合金強(qiáng)度無貢獻(xiàn)，而且，正如上面所討論的那樣，也不會(huì)加強(qiáng)鐵的晶粒細(xì)化能力。鋅含量高于5％時(shí)，雖然導(dǎo)電性下降，但合金強(qiáng)度卻提高。
圖7表明鋅的添加對(duì)合金的極限拉抗強(qiáng)度有同樣的影響。
實(shí)施例4表3示出的是一系列根據(jù)圖1進(jìn)行加工的合金。合金A是在美國專利5,882,442中公開的合金。合金B(yǎng)和C是根據(jù)本發(fā)明的合金，合金D則是傳統(tǒng)銅合金C510。當(dāng)合金進(jìn)行厚度壓下量為70％的冷軋后，處于彈簧回火狀態(tài)時(shí)測定所有性能。表3
表3結(jié)果表明鋅添加量為5％時(shí)不會(huì)使合金的強(qiáng)度增加，但會(huì)使導(dǎo)電性有所下降。鋅添加量為10％時(shí)對(duì)強(qiáng)度的影響有利。
在表4中比較了強(qiáng)度與軋制壓下量的關(guān)系，可看出添加鋅的優(yōu)點(diǎn)更加明顯。
表4
％Red.=在最后的冷加工步驟(圖1中的參考數(shù)字26)中厚度方向壓下量YS=屈服強(qiáng)度，Mpa(Ksi)TS=抗拉強(qiáng)度，Mpa(Ksi)MBR/t(Gw)=圍繞180°曲率半徑變形時(shí)的良好方式彎曲性能MBR/t(BW)=圍繞180°曲率半徑變形時(shí)的不良方式彎曲性能鋅添加的又一個(gè)好處是合金C的良好方式(good way)彎曲性能得到改善。彎曲成形性是通過圍繞具有已知曲率半徑的心軸將12.7mm(0.5英寸)寬的帶材彎曲180°來測定。所述帶材彎曲時(shí)不發(fā)生開裂或不出現(xiàn)“桔皮現(xiàn)象”的最小心軸即為彎曲成形性的值。所述“良好方式”彎曲是在薄板的平面內(nèi)圍繞位于薄板平面內(nèi)的一個(gè)軸進(jìn)行，而且，所述軸與進(jìn)行板材厚度壓下期間薄板的縱向(軋制方向)垂直。“不良方式”彎曲在薄板的平面內(nèi)圍繞平行于軋制方向的軸進(jìn)行。彎曲成形性用MBR/t表示，其值為開裂或桔皮現(xiàn)象不明顯時(shí)的彎曲半徑最小值與板材厚度之比。
通常，強(qiáng)度的提高會(huì)伴隨有彎曲成形性的下降。然而，對(duì)于本發(fā)明的合金，添加10％的鋅能同時(shí)使強(qiáng)度和良好方式彎曲性能提高。
實(shí)施例5圖11是名義組成為Cu-30Zn-1.5Fe-1.5Sn的合金在放大倍數(shù)為500X時(shí)的鑄態(tài)組織的顯微照片。在由20毫升氫氧化銨，5毫升3％的過氧化氫和20毫升水構(gòu)成的溶液中，于20℃下，對(duì)所述合金的拋光樣品腐蝕5-10秒，就可觀察到其晶粒組織。該晶粒組織呈主要非枝晶特征，其平均晶粒尺寸為約60μm。每個(gè)晶粒48均為低熔點(diǎn)相50所包圍。作為晶粒細(xì)化核心的先包晶鐵分散體52也明顯可見。差熱分析結(jié)果表明該合金的凝固范圍為860-950℃。半固態(tài)成形溫度范圍為900-920℃。
圖12是圖11中的合金在放大倍數(shù)為100X時(shí)的顯微組織照片。所展示合金經(jīng)910℃的半固態(tài)成形后，又進(jìn)行了水淬處理，以使其組織得以保留。在910℃下，直徑為約80μm的晶粒48為充足的液體所包圍，從而使材料能夠在非常小的外加剪切力作用下均勻流動(dòng)。在成形之后，除了顯微組織中殘留的很細(xì)小的鐵相外，可以通過在550℃加熱處理4小時(shí)來對(duì)所述合金進(jìn)行均勻化處理。這種合金的黃顏色實(shí)際上不可能與合金C260區(qū)分開來。
可以選擇優(yōu)選的組成以提高與標(biāo)準(zhǔn)基體合金的顏色匹配性，而且，還可以進(jìn)行成形后熱處理以使拉伸性能/導(dǎo)電性目標(biāo)相匹配和/或提供一種淺黃色或電鍍質(zhì)量的表面。
圖13是名義組成為Cu-15Zn-2.0Fe-2.0Sn的合金在放大倍數(shù)為100X時(shí)的顯微組織照片。所展示的合金經(jīng)過995℃下的觸變成型和水淬處理?？煽吹骄Я?8(約80μm)和鐵分散體52，而且，雖然液相的體積分?jǐn)?shù)比圖12低，但該合金仍可在非常小的外加剪應(yīng)力作用下進(jìn)行相當(dāng)均勻的流動(dòng)。該合金的顏色為金色而不是黃色，并且與合金C230(名義組成為85％銅和15％鋅)的顏色類似。
盡管上述描述針對(duì)直接冷硬鑄造進(jìn)行，但本發(fā)明的合金也可以采用其它方法鑄造。某些替代方法具有更高的冷卻速度，例如噴射鑄造和帶材連鑄。更高的冷卻速度能減小先包晶鐵粒子的尺寸，并且被認(rèn)為可使臨界最大鐵含量達(dá)到更高值如4％。
顯然，根據(jù)本發(fā)明，已提供了一種能充分滿足前面提出的各種目標(biāo)。方法和優(yōu)點(diǎn)的鐵變性磷青銅。盡管已結(jié)合前述的實(shí)施方案對(duì)發(fā)明進(jìn)行了描述，但顯然，根據(jù)前面的介紹，存在許多對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)人員而言顯而易見的替代方案、修正方案和變更方案。因此，本發(fā)明應(yīng)包括所有處于附后的權(quán)利要求書的精神和主要范圍內(nèi)的替代方案、修正方案和變更方案。
權(quán)利要求
1．一種銅合金，其基本組成為1-4重量％錫；0.8-4.0重量％鐵；9-35重量％鋅；不高于0.4重量％磷；最多0.03重量％硅；最多0.9重量％錳；余者為銅和不可避免的雜質(zhì)，所述合金具有小于100μm的細(xì)化的鑄態(tài)平均晶粒尺寸。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的銅合金，其特征在于所述合金進(jìn)一步含有0.3-1.8重量％的鎳。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的銅合金，其特征在于所述鋅的一部分可按照1∶1原子比為鋁所替代。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中之任何一項(xiàng)的銅合金，其特征在于所述合金還含有選自于鎳、鈷、鎂、鈹、鋯、鈦、鉻以及它們的混合物的添加物質(zhì)，其中，所述添加物中的每種組元的存在量低于0.4重量％。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的銅合金，其特征在于所述合金被鍛造成0.13-0.38mm(0.005-0.015英寸)厚，并且具有3-20μm的最終平均計(jì)量晶粒尺寸。
6．一種用作半固態(tài)成型原料的銅合金，其基本組成65-90重量％的銅；從能有效形成鑄態(tài)非枝晶晶粒組織的量到不高于3.5重量％的晶粒細(xì)化劑；從能有效提供20℃的最小觸變成形加工范圍的量到不高于3.5重量％的熔點(diǎn)抑制劑；低于1重量％的鎳；余者為鋅和不可避免的雜質(zhì)。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的銅合金，其特征在于所述晶粒細(xì)化劑是鐵。
8．根據(jù)權(quán)利要求7的銅合金，其特征在于所述鐵的存在量為0.05-3.5重量％。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的銅合金，其特征在于鈷替代至少部分的鐵。
10．根據(jù)權(quán)利要求8的銅合金，其特征在于所述合金還含有不高于0.4重量％的鉻、鋯、鈦或者其混合物。
11．根據(jù)權(quán)利要求8的銅合金，其特征在于所述熔點(diǎn)抑制劑是錫。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的銅合金，其特征在于所述錫的存在量為1-4重量％。
13．一種由根據(jù)權(quán)利要求6-12中之任一項(xiàng)的銅合金加工成的管道配件。
全文摘要
提供一種其晶粒組織通過添加可控量的鋅和鐵得到細(xì)化的錫黃銅合金。含有1—4重量%錫、0.8—4%的鐵,從能有效加強(qiáng)鐵引發(fā)的細(xì)化晶粒能力的量至35%的鋅以及余者為銅和不可避免的雜質(zhì)的直接冷硬鑄造合金可以很容易進(jìn)行熱加工。所述鋅的添加還可提高合金的強(qiáng)度并且改善與軋制帶材的縱軸相垂直的“良好方式”彎曲成形性。某些這種晶粒細(xì)化的黃銅合金可用作半固態(tài)成形的原料。
文檔編號(hào)C22C9/02GK1314956SQ99807725
公開日2001年9月26日 申請(qǐng)日期1999年5月12日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月23日
發(fā)明者D·R·布勞爾, J·F·布里迪斯, R·N·卡隆, C·迪皮什, W·G·沃特森, R·P·維洛德 申請(qǐng)人:奧林公司