CN1961089A - 可切削的铜基合金和生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于铜、镍、锡和铅的合金，其通过连续或半连续浇铸、静态浇铸成方坯、或喷雾成形浇铸成方坯并可经过亚稳态硬化来得到。本发明合金的切削性能指数大于80％，相对于标准ASTM C36000黄铜，并可达到90％。根据本发明，该合金包含1wt％和20wt％之间的Ni、1wt％和20wt％之间的Sn、0.1wt％和4wt％之间的Pb、余量基本由Cu构成，任选地，包含不超过10％的以下元素即Fe、Zn、Mn中的一种或多种和/或不超过5％的以下元素即Zr、Nb、Cr、Al、Mg中的一种或多种。

Description

可切削的铜基合金和生产方法

技术领域

本发明涉及基于铜、镍、锡、铅的合金及其生产方法。尤其但不唯一地，本发明涉及能容易通过车削、切割或铣削进行加工的基于铜、镍、锡、铅的合金。

技术状态

基于铜、镍和锡的合金是已知的并被广泛应用。它们提供优异的机械性能并在应***化中表现出强的硬化。它们的机械性能通过已知的热时效处理如亚稳态分解得到进一步提高。对于以重量计包含15％镍和8％锡的合金(标准合金ASTM C72900)，机械阻力可达到1500MPa。

Cu-Ni-S合金的另一有利性能在于它们能提供比得上青铜性质的良好摩擦学性能，同时表现出优良的机械性能。

这些材料的另一优点在于它们良好的可成形性，以及有利的弹性性能。此外，这些合金能提供良好的耐腐蚀性和优异的抗收缩热松弛性能。由于这个原因，Cu-Ni-Sn弹簧不会因年久失去它们的压缩力，即使在振动和强热应力下。

这些有利的性能以及良好的导热性和导电性意味着这些材料广泛用于制造电信和汽车工业用的高度可靠的连接器。这些合金还用于若干开关和电或电化学装置或作为电子元件的支架或用于制造受到高负荷的轴承摩擦表面。

Cu-Be合金可被相当好地切削，并比得上或甚至超过Cu-Ni-Sn合金的机械性能。相对于标准ASTM C36000黄铜，Cu-Be合金的切削性能指数可达到50-60％。但是它们的成本高，并且由于铍的高毒性，它们的生产、使用和回收特别受限制。对于超过150-175℃的温度，这些材料的抗收缩热松弛性能低于Cu-Ni-Sn的抗收缩热松弛性能。

但是，Cu-Ni-Sn合金的一个麻烦在于它们不能很好地适应过程如铣削、车削或切割或任何其它已知的方法。这些合金的另一麻烦在于它们在浇铸过程中强的偏析。

因此本发明的一个目的是提出一种结合了基于铜、镍和锡的合金的有利机械特性并具有良好可加工性的合金。

本发明的另一个目的是提出一种生产基于没有现有技术麻烦的Cu-Ni-Sn的可切削产品的方法。

本发明的另一个目的是提出结合了高弹性和机械阻力特性但没有铍或有毒元素的可切削合金。

本发明的还一目的是提出生产基于偏析有关问题得到解决的Cu-Ni-Sn的可切削产品的方法。

通过作为相应类别独立权利要求的目标的产品和方法达到这些目的，独立权利要求特征在于一种由合金构成的可切削产品，其中合金包含1wt％和20wt％之间的Ni、1wt％和20wt％之间的Sn、0.1wt％和4wt％之间的Pb、余量基本由Cu构成，并经过热均化处理，热均化处理包括加热所述合金的步骤然后是以足够慢至防止开裂的速度冷却的步骤。

发明详述

本发明涉及通过连续或半连续浇铸方法、静态方坯浇铸或喷射成形浇铸得到的基于铜、镍、锡和铅的合金。铜-镍-锡合金具有长的凝固间隔，在浇铸过程中造成相当大的偏析。在上述四种方法中，还称为“Ospery”方法并描述在例如专利EP0225732中的喷射成形浇铸可以获得几乎均匀的微观结构，提供了最小的偏析程度。在这种方法中，通过连续沉积雾化液滴得到金属方坯。偏析可只在雾化液滴水平上发生。因此缩短了消除偏析需要的扩散距离。在连续或半连续浇铸情况下，与用喷射成形方法相比，偏析更强，但仍保持被充分减少以避免合金的过多脆性。静态方坯浇铸造成强的偏析，其只有通过延长的热处理来消除。

铅在合金的其它金属中基本不溶解，得到的产品将包括分散在Cu-Ni-Sn基质中的铅颗粒。在切削操作中，铅具有润滑作用并有助于银的碎裂。

合金中引入的铅的数量取决于力争获得的可切削程度。通常，在不改变合金常温机械性能时，可引入最高几个重量百分数的铅量。但是，在铅熔点(327℃)以上，液态铅强烈地削弱合金。含铅的合金因此难以制造，一方面因为它们具有非常强的明显开裂趋势，另一方面，因为它们表现出包含不合需要的使相弱化的两相结晶学结构。

本发明的方法可以生产包含最高几个重量百分数的铅的可切削Cu-Ni-Sn-Pb产品，在制造过程中不会开裂，并具有优异的机械性能。铅的比例可在0.1wt％和4wt％之间变化，优选在0.2wt％和3wt％之间，甚至更优选在0.5wt％和1.5wt％之间。

在铸造车间熔炼后，生产方法可被分解成连续的毛坯：对于第一毛坯，根据产品是通过小直径下连续浇铸来生产还是大直径下通过静态方坯浇铸、喷射成形、半连续或连续浇铸来生产，必须考虑两种情况。

本发明的产品特征在于它们优异的可切削性，其大于Cu-Be合金的可切削性。本发明合金的切削性能指数超过80％，相对于标准ASTMC36000黄铜，并甚至达到90％。

第一毛坯：

通过连续小直径线浇铸得到的例如25mm或更小的合金经过热均化处理或通过锤锻冷变形然后均化和再结晶处理的步骤。热处理温度必须在合金为单相的范围内。热处理后的冷却必须以足够慢到防止因冷却中的温差产生的内部收缩引起的合金开裂和足够快到限制两相结构形成的速度进行。如果速度太低，则会出现相当大量的第二相。第二相非常易碎并大大降低了合金的变形性。避免太大量第二相形成所需要的临界冷却速度将取决于合金的化学组成，并且对于较高数量的镍和锡来说较大。

此外，在冷却过程中，在合金内产生暂时内部收缩。它们与产品表面和中心之间的温差有关。如果这些收缩超过合金阻力，则后者将开裂并不再可用。产品直径越大，由于冷却产生的内部收缩就都越高。避免开裂的临界冷却速度因此取决于产品直径。对于Cu-Ni-Sn-Pb合金，这个问题甚至更尖锐，因为在327℃的熔点以上，铅强烈地削弱了合金。

在本发明的方法中，考虑合金的化学组成和产品的横向尺寸或直径，热处理后的冷却以预定的速度进行。冷却速度必须同时足够慢至防止开裂和足够大至防止形成太大量的碎裂相。

在大直径产品的制造中，由于温差产生的内部收缩大于在小直径产品中，因此必须限制冷却速度。同时，大比例的Ni和Sn促进了碎裂相的形成和要求较快的冷却。

通过喷射成形、静态方坯浇铸或半连续浇铸得到的合金经过热挤压处理。如果产品具有大的直径，则对于连续浇铸也是如此。挤压过程中的冷却必须足够慢至防止开裂和足够快至限制碎裂的第二相的形成。或者，如果挤压过程中的冷却太慢，则对于小直径连续浇铸产品，挤压后必须有如上文所说明的热均化和再结晶处理。

一旦制得第一毛坯，必须通过一种或几种冷变形操作直接得到或通过一种或几种连续毛坯得到最终的可切削产品，冷变形操作例如轧制、拉丝、拉伸成形或任何其它冷变形方法。

连续毛坯

由第一毛坯开始，通过一种或几种冷变形操作然后热再结晶处理得到下面的毛坯。再结晶处理的温度必须在合金为单相的范围内。热处理后的冷却必须具有足够慢至防止开裂但总是足够快至限制两相结构形成的速度。通过连续毛坯，产品的尺寸被减小。通过一种或几种冷变形操作由最后毛坯得到最终产品。

随后可通过亚稳态分解热处理提高得到的合金的机械性能。可在最终切削前或后进行这种处理。

下文中，将提供根据本发明的方法和可切削产品的实施例。在下面的实施例中，冷却温度指产品中心。

实施例1

表1中给出了这个实施例中合金的化学组成：

表1

成分	比例(重量)
		CuNiSnPbMn其它	余量7.5％5％1％0.1％-1％＜0.5％

在组合物中引入锰作为脱氧剂。但是可使用其它替代元素或防止合金氧化的装置。

可根据上文提到的不同方法浇铸这种合金。在这个实施例中，通过连续方坯浇铸得到直径180mm的这种合金。

第一毛坯：挤压方坯例如到18mm的直径。在挤压模出口处，用能获得50℃/min-300℃/min的冷却速度的压缩空气流冷却合金，冷却速度在合金中心处测得。该速度足够慢到避免开裂和足够快到限制碎裂第二相的形成。还可使用水雾冷却，可获得300℃/min-1000℃/min的冷却速度而没有材料开裂。也可使用达到合适冷却速度的其它手段。如果挤压模出口处的冷却不能足够快，则会形成太大比例的第二相，则合金不得不进行均化处理，该处理具有与冷却速度相同的特点，即在合金为单相的范围内的温度下，对于表1的组成，在690℃和920℃之间。

第二毛坯：将直径为18mm的第一毛坯材料轧制到直径为13mm，然后在贯通式炉或可拆盖型炉中退火。对于具有实施例1的化学组成的合金，退火温度必须在690℃和920℃之间。对于这种组成和13mm的这种直径，10℃/min的冷却速度足以限制第二相的形成。另外，冷却速度为300℃/min-3000℃/min的水雾能防止开裂和限制碎裂第二相的形成。

精整：第二毛坯材料被拉丝或拉伸成形至8mm的直径，得到可切削产品。最后在可切削产品上或在切削的片上进行亚稳态分解处理得到最佳机械性能。

实施例2

表2中给出了这个实施例中合金的化学组成。

表2

成分	比例(重量)
		CuNiSnPbMn杂质	余量9％6％1％0.1％-1％＜0.5％

在这个实施例中，通过连续线浇铸得到直径为18mm的这种合金。

第一毛坯：在700℃和920℃之间的温度下在贯通式炉中对线进行均化处理，温度对应于实施例2的化学组成的单相范围。100℃/min和1000℃/min之间的冷却速度能防止开裂和限制碎裂第二相的比例。可通过例如使用压缩空气、水雾或气/水换冷器荻得这种冷却速度。

第二毛坯：直径为18mm的第一毛坯材料被轧制、拉丝或拉伸成形至13mm直径，然后在700℃和920℃之间的温度下在贯通式炉中退火。对于13mm的直径和表2的化学组成，100℃/min和3000℃/min之间的冷却速度能限制第二相形成，同时避免开裂。

第三毛坯：直径为13mm的第二毛坯材料被轧制、拉丝或拉伸成形至10mm直径，然后在700℃和920℃之间的温度下在贯通式炉或回火炉中退火。对于10mm的直径和表2的化学组成，100℃/min和15000℃/min之间的冷却速度能限制第二相形成，且不会形成任何开裂。

第四毛坯：直径为10mm的第三毛坯材料被轧制、拉丝或拉伸成形至7mm直径，然后在700℃和920℃之间的温度下在贯通式炉或回火炉中退火。对于7mm的直径和表2的化学组成，100℃/min和20000℃/min之间的冷却速度能限制碎裂第二相形成，且不会形成任何开裂。

第五毛坯：直径为7mm的第四毛坯材料被轧制、拉丝或拉伸成形至5mm直径，然后在700℃和920℃之间的温度下在贯通式炉或回火炉中退火。对于5mm的直径和表2的化学组成，100℃/min和30000℃/min之间的冷却速度能限制碎裂第二相形成，且不会形成任何开裂。通过在合适的流体中回火可获得大约15000℃/min的冷却速度。

第六毛坯：直径为5mm的第五毛坯材料被轧制、拉丝或拉伸成形至3mm直径，在700℃和920℃之间的温度下在贯通式炉或回火炉中退火，然后在100℃/min和40000℃/min之间的冷却速度下冷却。

第七毛坯：直径为3mm的第六毛坯材料被轧制、拉丝或拉伸成形至2mm直径，在700℃和920℃之间的温度下在贯通式炉或回火炉中退火，然后在100℃/min和40000℃/min之间的冷却速度下冷却。

第八毛坯：直径为2mm的第七毛坯材料被轧制、拉丝或拉伸成形至1.6mm直径，在700℃和920℃之间的温度下在贯通式炉或回火炉中退火，然后在100℃/min和50000℃/min之间的冷却速度下冷却。

精整：第八毛坯材料被轧制、拉丝或拉伸成形至1mm直径，得到可切削产品。最后在可切削产品上或在切削的片上进行亚稳态分解处理得到最佳机械性能。

“切削性ASTM试验方法”试验提出了测定相对于标准CuZn39Pb3或C36000黄铜的切削性能指数的方法。根据本发明这方面的合金的切削性能指数好过80％。

实施例3

这个实施例中合金的化学组成与表2中给出的第二个实施例的组成相同。在这个实施例中，通过连续浇铸得到直径25mm的合金。

第一毛坯：将直径为25mm的线铸件锤锻至16mm直径。锤锻能使材料不用现有的热均化处理就以相当大的缩减率变形。利用这种方法，在这个阶段可容忍碎裂第二相的高剩余比。第二相可达到大约50％的体积比。

锤锻后，在贯通式炉中对直径16mm的线进行均化和再结晶处理。热处理的温度必须在700℃和920℃之间。后面的冷却将在100℃/min和3000℃/min之间的速度下进行。对于具有这种直径和这种组成的产品，这些冷却速度能防止开裂和限制第二相的比例。可通过使用压缩空气、水雾或气/水交换器得到这种速度。

精整：第一毛坯材料被拉丝或拉伸成形至10mm直径，得到可切削产品。最后在可切削产品上或在切削的片上进行亚稳态分解处理得到最佳机械性能。

实施例4

表3中给出了这个实施例中合金的化学组成。

表3

成分	比例(重量)
		CuNiSnPbMn杂质	余量15％8％1％0.1％-1％＜0.5％

可按照上面提到的不同方法浇铸这种合金。在这个实施例中，通过喷雾成形直径为240mm的方坯得到这种合金。

第一毛坯：方坯被挤压至例如20mm的直径。如果方坯的尺寸不规则性太大，则挤压前车削步骤是必要的。在挤压模出口处，通过水雾冷却合金，水雾能获得300℃/min到3000℃/min的冷却速度，该速度在合金中心处测得。该速度足够慢至避免开裂，并足够快至限制碎裂第二相的形成。如果挤压模出口处的冷却不足够快，则会形成太大比例的第二相。则合金不得不进行均化处理，该处理具有与冷却速度相同的特点，即在合金为单相的范围内的温度下，对于表3的组成，在780℃和920℃之间。

第二毛坯：直径为20mm的第一毛坯材料被锤锻至11mm直径，然后在贯通式炉中退火。对于具有实施例3的化学组成的合金，退火温度必须在780℃和920℃之间。对于11mm的直径和表3的化学组成，在300℃/min和15000℃/min之间的冷却速度能限制第二相的存在，同时避免开裂。锤锻的使用允许获得相当大的应变-硬化速度，即使对于脆性材料。利用这种方法，碎裂第二相的剩余比例可比用轧制、拉丝或拉伸变形方法高。其可达到大约50体积％的值。

第三毛坯：直径为11mm的第二毛坯材料被锤锻至6.5mm直径，然后在780℃和920℃之间的温度下在贯通式炉或回火炉中退火。对于6.5mm的直径，表3的合金允许300℃/min到20000℃/min之间的冷却速度，没有任何开裂。这些速度使碎裂第二相的比例得到限制。

精整：第三毛坯材料被拉丝或拉伸成形至4mm直径，得到可切削产品。最后在可切削产品上或在切削的片上进行亚稳态分解处理得到最佳机械性能。

冷却试验

对本发明合金样品进行快速冷却试验以测定开裂出现。表2中给出了这个试验中合金的化学组成。

在800℃的温度下对样品进行热处理，然后通过浸入到回火流体(EXXON XD90)和水中快速冷却。

对于每次冷却，在样品中心处用热电偶测量以℃/min表示的冷却速度。通过牵引试验证实开裂的存在。

表5

直径/mm	速度XD90	牵引试验	速度水	牵引试验
					46810.813	24000160001200083506500	○○○○○/×	630004850033000-23500	×××××

(○＝成功/×＝失败)

试验允许观察到不超过约10mm的直径能容忍在回火流体中的冷却。另一方面，水回火总是导致样品开裂，这直到4mm的最小直径。

对于Cu-Ni-Sn-Pb的小尺寸产品，可使用大于24000℃/min的冷却速度。在这种情况下，如果产品尺寸足够小至限制临时内部收缩并因此防止形成开裂，则水回火是有效的。

实施例1、2、3和4的可切削产品各自可通过实施例1、2、3和4的方法制造，只要冷却速度和热处理温度适合化学组成和尺寸。在提供的每个实施例中，毛坯数目可随成品尺寸变化。

本发明合金的铜部分可被其它元素例如Fe、Zn或Mn代替，比例为例如最高10％。

还可存在其它元素如Nb、Cr、Mg、Zr和Al，比例最高到几个百分数。这些元素尤其具有提高亚稳态硬化的作用。

Claims (42)

1.由合金构成的金属产品的制造方法，其中该合金包含1wt％和20wt％之间的Ni、1wt％和20wt％之间的Sn、0.1wt％和4wt％之间的Pb、余量基本由Cu构成，

该方法包括热处理，热处理包括加热所述合金的步骤然后是在足够慢至防止开裂的速度下的冷却步骤。

2.根据权利要求1的方法，其中所述冷却步骤的速度足够高至限制两相结构的形成。

3.根据权利要求1或2的方法，其中所述冷却步骤在预定的冷却速度下进行，冷却速度取决于合金的化学组成和所述金属产品的尺寸。

4.根据权利要求1或2的方法，其中所述热处理后是利用轧制、拉丝、拉伸变形或锤锻的冷变形步骤。

5.根据权利要求4的方法，包括再结晶步骤，然后是在足够慢至防止开裂的速度下的冷却步骤。

6.根据权利要求1的方法，其中所述热处理在贯通式炉中进行。

7.根据权利要求1的方法，包括连续浇铸的初始步骤。

8.根据权利要求7的方法，包括在所述连续浇铸步骤后的锤锻步骤。

9.根据权利要求1的方法，包括静态方坯浇铸初始步骤或喷雾成形方坯浇铸步骤或半连续方坯浇铸步骤，然后是挤压步骤。

10.根据权利要求1的方法，其中所述热处理在690℃和920℃之间的温度下进行。

11.根据权利要求1的方法，其中在所述热处理中所述金属产品的横向尺寸在1mm和100mm之间。

12.根据权利要求1的方法，其中在所述热处理中所述金属产品的横向尺寸在5mm和50mm之间。

13.根据权利要求1的方法，其中在所述热处理中所述金属产品的横向尺寸在10mm和20mm之间。

14.根据权利要求1的方法，其中所述热处理的所述冷却步骤具有在10℃/min和24000℃/min之间的冷却速度。

15.根据权利要求1的方法，其中所述热处理的所述冷却步骤具有在10℃/min和4000℃/min之间的冷却速度。

16.根据权利要求1的方法，其中所述热处理的所述冷却步骤具有在100℃/min和1500℃/min之间的冷却速度。

17.根据权利要求1的方法，其中所述热处理的所述冷却步骤具有在100℃/min和1000℃/min之间的冷却速度。

18.根据权利要求1的方法，包括拉丝或拉伸变形或锤锻或轧制步骤。

19.根据权利要求1的方法，包括亚稳态硬化的步骤。

20.根据权利要求1的方法，其中所述合金含6％和8％之间的Ni、4％和6％之间的Sn、和0.5％和2％之间的Pb。

21.根据权利要求1的方法，其中所述合金含8％和10％之间的Ni、5％和7％之间的Sn、和0.5％和2％之间的Pb。

22.根据权利要求1的方法，其中所述合金含14％和16％之间的Ni、7％和9％之间的Sn、和0.5％和2％之间的Pb。

23.根据权利要求1的方法，含不超过10％的以下元素中的一种或多种：Zr，Nb，Cr，Al，Mg。

24.权利要求1的方法得到的产品。

25.可切削产品，由合金构成，该合金包含1wt％和20wt％之间的Ni、1wt％和20wt％之间的Sn、0.1wt％和4wt％之间的Pb、余量基本由Cu构成，该产品经过热处理，热处理包括加热所述合金的步骤然后是在足够慢至防止开裂的速度下的冷却步骤。

26.根据权利要求25的可切削产品，其中所述合金包含6％和8％之间的Ni、4％和6％之间的Sn、和0.5％和2％之间的Pb。

27.根据权利要求25的可切削产品，其中所述合金包含8％和10％之间的Ni、5％和7％之间的Sn、和0.5％和2％之间的Pb。

28.根据权利要求25的可切削产品，其中所述合金包含14％和16％之间的Ni、7％和9％之间的Sn、和0.5％和2％之间的Pb。

29.根据权利要求25的可切削产品，其中在贯通式炉中进行所述均化处理。

30.根据权利要求25的可切削产品，其中所述热处理后是利用轧制、拉丝、拉伸变形或锤锻的冷变形步骤和再结晶步骤，然后是在足够慢至防止开裂的速度下的冷却步骤。

31.根据权利要求25的可切削产品，其中所述冷却步骤的速度足够高至限制两相结构的形成。

32.根据权利要求25的可切削产品，其中所述热处理在690℃和920℃之间的温度下进行。

33.根据权利要求25的可切削产品，其中在所述热处理中所述金属产品的横向尺寸在1mm和100mm之间。

34.根据权利要求25的可切削产品，其中所述热处理的所述冷却步骤具有在10℃/min和24000℃/min之间的冷却速度。

35.根据权利要求25的可切削产品，其中所述热处理的所述冷却步骤具有在10℃/min和4000℃/min之间的冷却速度。

36.根据权利要求25的可切削产品，其中所述热处理的所述冷却步骤具有在100℃/min和1500℃/min之间的冷却速度。

37.根据权利要求25的可切削产品，其中所述热处理的所述冷却步骤具有在100℃/min和1000℃/min之间的冷却速度。

38.根据权利要求25的可切削产品，包括亚稳态硬化的步骤。

39.根据权利要求25的可切削产品，包含不超过10％的以下元素中的一种或多种：Fe，Zn，Mn和/或不超过5％的以下元素中的一种或多种：Zr，Nb，Cr，Al，Mg。

40.可切削产品，由合金构成，该合金包含8％和10％之间的Ni、5％和7％之间的Sn、和0.5％和2％之间的Pb，余量基本由Cu构成。

41.根据权利要求40的可切削产品，特征在于切削性能指数大于80％。

42.根据权利要求40的可切削产品，包含不超过10％的以下元素中的一种或多种：Fe，Zn，Mn和/或不超过5％的以下元素中的一种或多种：Zr，Nb，Cr，Al，Mg。