專利名稱：銅－鋅－硅合金、其用途和其制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及銅-鋅-硅合金以及這種銅-鋅-硅合金的用途和制備。
背景技術(shù)：
對(duì)銅-鋅-硅合金的緊要的要求是它們抗脫鋅并且是可機(jī)械加工的。迄今，已經(jīng)通過(guò)添加鉛實(shí)現(xiàn)了此類黃銅合金的良好的機(jī)械加工性能，例如在EP 1 045 041 A1中所描述。然而，近來(lái)，也已開(kāi)發(fā)出具有良好的機(jī)械加工性能的無(wú)鉛的黃銅合金，例如在EP 1 038 981 A1和DE103 08 778 B3中所描述。無(wú)鉛和含鉛的Cu-Zn-Si合金都在300℃和800℃之間的溫度下傾向于氧化并形成氧化皮層。這種氧化皮層只是松松地與金屬粘附且可以容易地剝離，并分布在整個(gè)生產(chǎn)設(shè)備中，這導(dǎo)致的結(jié)果是，這些被干擾性地污染。清洗該生產(chǎn)設(shè)備非常昂貴和費(fèi)力，由此生產(chǎn)成本高。目前已知的Cu-Zn-Si合金的另一個(gè)缺點(diǎn)是該材料的機(jī)械性能沿長(zhǎng)的工件方向發(fā)生變化，原因在于該材料不均勻。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到這些事實(shí)，本發(fā)明因此基于的技術(shù)問(wèn)題是提供在其均勻性方面獲得改進(jìn)且此外較低傾向于形成氧化皮的銅-鋅-硅合金，并提供此類黃銅合金的用途和制備。
涉及合金的第一個(gè)任務(wù)根據(jù)本發(fā)明通過(guò)銅-鋅-硅合金而解決，該銅-鋅-硅合金包含(按重量％計(jì))70-80％銅，1-5％硅，0.0001-0.5％硼，0-0.2％磷和/或砷，和余量的鋅連同不可避免的雜質(zhì)。
銅含量在70％和80％之間，因?yàn)樾∮?0％或大于80％的銅含量將對(duì)合金的機(jī)械加工性能具有不利影響。如果偏離所指出的1％-5％的硅濃度范圍，也是相同的情況。在合金中硼濃度在0.0001-0.5％之間。令人驚奇的是，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，通過(guò)添加對(duì)應(yīng)于所要求保護(hù)的濃度范圍的硼一方面實(shí)現(xiàn)氧化皮層的形成少，同時(shí)顯著地提高剩余的氧化皮對(duì)材料的粘附。另一方面，還令人驚奇的是，添加硼導(dǎo)致改進(jìn)了組織結(jié)構(gòu)的均勻性并因此避免機(jī)械性能的波動(dòng)。磷和砷可以各自以最多至0.2％的濃度含量存在于合金中，并且可以相互替代。磷和砷對(duì)初始鑄造組織結(jié)構(gòu)的形成和腐蝕性能具有有利的影響，這里此外還提高熔體的流動(dòng)能力，降低對(duì)應(yīng)力開(kāi)裂腐蝕的敏感性。合金中剩余的主要部分是鋅。
除了以上列出的避免容易分離的增加生產(chǎn)成本的氧化皮層和改進(jìn)機(jī)械性能，以及還提供良好的機(jī)械加工性能和良好成型性能連同高的抗腐蝕性的優(yōu)點(diǎn)之外，在本發(fā)明中還尤其明顯的是抗脫鋅性和抗應(yīng)力開(kāi)裂腐蝕性。根據(jù)ISO 6509進(jìn)行的脫鋅試驗(yàn)獲得僅最多至26μm的脫鋅深度。
涉及這種銅-鋅-硅合金的用途的第二個(gè)任務(wù)通過(guò)用于電工技術(shù)構(gòu)件，衛(wèi)生工程構(gòu)件，用于輸送或貯存液體或氣體的容器，受扭轉(zhuǎn)載荷的構(gòu)件，可再循環(huán)構(gòu)件，模鍛部件，半成品，帶材，片材，異型材，板材，或用作塑性合金、軋制合金或鑄造合金的用途而解決。
該Cu-Zn-Si合金可在電工技術(shù)中用于觸點(diǎn)、銷釘或緊固元件，例如用作靜止觸點(diǎn)或固定觸點(diǎn)，它們還包括夾緊和插接連接或插頭觸點(diǎn)。
該合金對(duì)于液態(tài)和氣態(tài)介質(zhì)具有高的抗腐蝕性。此外，它極其抗脫鋅和應(yīng)力開(kāi)裂腐蝕。因此，該合金尤其適合用于輸送或貯存液體或氣體的容器，尤其是在制冷技術(shù)中的容器，或衛(wèi)生工程中的管道、上水道配件、龍頭延長(zhǎng)部件、管道連接器和閥。
低的腐蝕速率也確保，金屬漏損，即由于液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)的作用排出合金成分的性能，自身是低的。在這一方面，該材料適于要求低的有害物質(zhì)排放以保護(hù)環(huán)境的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，根據(jù)本發(fā)明的合金可用于可再循環(huán)構(gòu)件的領(lǐng)域。
對(duì)應(yīng)力開(kāi)裂腐蝕的不敏感性推薦該合金用于螺旋或夾緊連接，在這樣的連接中，由于技術(shù)決定地存儲(chǔ)了高的彈性能量。因此，尤其合適的是該合金用于所有經(jīng)受拉伸和/或扭轉(zhuǎn)載荷的構(gòu)件，尤其是螺栓和螺母。在冷變形之后，該材料獲得高的屈服點(diǎn)(Dehngrenze)值。因此，在不允許塑性變形的螺旋連接中可以實(shí)現(xiàn)更大的擰緊扭矩。該Cu-Zn-Si合金的屈服點(diǎn)比例(Streckgrenzenverhltnis)比在易切削黃銅的情況下低。因此，僅一次擰緊的且在該過(guò)程中有意地過(guò)度擰緊的螺旋連接獲得特別高的緊固力。
該Cu-Zn-Si合金的可能的用途是用于管形和帶形起始材料。該合金還非常適用于可以被銑削或沖壓的帶材、片材和板材，尤其適用于鑰匙、雕刻花紋、裝飾性目的或沖壓格網(wǎng)(Stanzgitter)應(yīng)用。
涉及這種銅-鋅-硅合金的制備的第三個(gè)任務(wù)如下解決常規(guī)連續(xù)鑄造和在600℃和760℃之間進(jìn)行熱軋，隨后變形，尤其是冷軋，優(yōu)選外加進(jìn)一步的退火和變形步驟。
涉及這樣的銅-鋅-硅合金的制備的任務(wù)也如下解決進(jìn)行常規(guī)連續(xù)鑄造和在最高至760℃，優(yōu)選在650℃和680℃之間擠壓，并在空氣中冷卻。
在Cu-Zn-Si合金的一個(gè)有利改進(jìn)中，該合金包含75-77％銅，2.8-4％硅和0.001-0.1％硼，以及0.03-0.1％磷和/或砷，除了作為剩余元素的鋅和不可避免的雜質(zhì)。
在一個(gè)優(yōu)選的備選方案中，銅-鋅-硅合金包含(以重量％計(jì))至少一種選自如下的元素0.01-2.5％鉛，0.01-2％錫，0.01-0.3％鐵，0.01-0.3％鈷，0.01-0.3％鎳和0.01-0.3％錳。鉛的添加可對(duì)機(jī)械加工性能具有有利的影響。
在這種情況下，該合金有利地包含(以重量％計(jì))至少一種選自如下的元素0.01-0.1％鉛，0.01-0.2％錫，0.01-0.1％鐵，0.01-0.1％鈷，0.01-0.1％鎳和0.01-0.1％錳。
在一個(gè)優(yōu)選的改進(jìn)中，Cu-Zn-Si合金此外還包含(以重量％計(jì))至少一種選自如下的元素最多至0.5％的銀，最多至0.5％的鋁，最多至0.5％的鎂，最多至0.5％的銻，最多至0.5％的鈦以及最多至0.5％的鋯，并且優(yōu)選選自0.01-0.1％銀，0.01-0.1％鋁，0.01-0.1％鎂，0.01-0.1％銻，0.01-0.1％鈦和0.01-0.1％鋯。
在一個(gè)有利的備選方案中，Cu-Zn-Si合金此外還包含(以重量％計(jì))至少一種選自如下的元素最多至0.3％的鎘，最多至0.3％的鉻，最多至0.3％的硒，最多至0.3％的碲和最多至0.3％的鉍，優(yōu)選選自0.01-0.3％鎘，0.01-0.3％鉻，0.01-0.3％硒，0.01-0.3％碲和0.01-0.3％鉍。
具體實(shí)施例方式
將參考附圖和以下描述更詳細(xì)地說(shuō)明一個(gè)實(shí)施例。在該附圖中


圖1示出了在沒(méi)有添加硼的CuZn21Si3P合金(a)，含有0.0004％硼的CuZn21Si3P合金(b)，以及含有0.009％硼的CuZn21Si3P合金(c)上在600℃下退火2小時(shí)之后氧化皮層的形成，和圖2示出了沒(méi)有添加硼的CuZn21Si3P合金(a)，含有0.0004％硼的CuZn21Si3P合金(b)，以及含有0.009％硼的CuZn21Si3P合金(c)的鑄造組織結(jié)構(gòu)的形成。
該實(shí)施例所基于的CuZn21Si3P合金具有組分的濃度變化，其中銅為75.8-76.1％，硅為3.2-3.4％，磷為0.07-0.1％，連同作為其余組分的鋅和不可避免的雜質(zhì)。該合金實(shí)例具有0％、0.004％和0.009％的不同的硼含量。該合金如下制備連續(xù)鑄造，接著在低于760℃的溫度，優(yōu)選在650℃和680℃之間的溫度下擠壓，并快速冷卻。
所有合金具有優(yōu)異的抗脫鋅性。根據(jù)ISO 6509的脫鋅試驗(yàn)揭示僅小于26μm的脫鋅深度。
如果將CuZn21Si3P合金，例如在熱變形期間，暴露于300-800℃的溫度下，則形成氧化皮，該氧化皮容易剝離并污染生產(chǎn)設(shè)備。無(wú)硼CuZn21Si3P合金的深度起氧化皮的表面在圖1a中示出。在圖1a中，該樣品表面的主要部分顯現(xiàn)灰色。這種灰色著色說(shuō)明該CuZn21Si3P合金的起氧化皮表面。該合金表面上僅可看見(jiàn)幾個(gè)少數(shù)的個(gè)別的沒(méi)有任何規(guī)則分布的亮點(diǎn)。與此相反，圖1b中的含0.0004％硼的CuZn21Si3P合金比無(wú)硼合金在合金表面上顯示更多得多數(shù)量的白色顯現(xiàn)的斑點(diǎn)。這些白色斑點(diǎn)代表合金的金屬亮區(qū)域。這些金屬亮區(qū)域，即沒(méi)有起氧化皮的區(qū)域，均勻地分布在合金的表面上。與無(wú)硼合金的情況相比，起氧化皮的表面的比例顯著地降低且留下的氧化皮更牢固地粘附到金屬上。圖1c示出了含有0.009％硼的CuZn21Si3P合金。從該圖中清楚地看到金屬亮表面，即白色斑點(diǎn)的數(shù)量進(jìn)一步增加。在某些區(qū)域中，存在亮金屬材料的較大的連續(xù)區(qū)域，并且從該圖還可看到在該合金表面上的非常規(guī)則的分布。起氧化皮的表面的比例進(jìn)一步降低，且剩余的氧化皮牢固地粘附到金屬上。因此，令人驚奇地表明，0.0001-0.5％的低的硼濃度限制了Cu-Zn-Si合金的氧化皮形成，同時(shí)顯著地增加了氧化皮對(duì)金屬的粘附，從而避免了生產(chǎn)設(shè)備的不希望的污染。
對(duì)于具有不同鉛含量，例如0.01％、0.05％、0.1％或2.5％的Cu-Zn-Si-P合金，也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。
除了降低Cu-Zn-Si合金傾向于起氧化皮的傾向之外，硼對(duì)機(jī)械性能也有積極的作用，因?yàn)榕鹗购辖鸬慕M織結(jié)構(gòu)更均勻。合金組織結(jié)構(gòu)的這一改變作為硼濃度的函數(shù)在圖2中示出。雖然沒(méi)有添加硼的CuZn21Si3P合金具有粗糙的、不均勻的組織結(jié)構(gòu)(圖2a)，含有0.0004％硼的CuZn21Si3P合金具有顯著更均勻的組織結(jié)構(gòu)，該組織結(jié)構(gòu)已具有非常均勻的粒徑(圖2b)。硼含量進(jìn)一步增加到0.009％導(dǎo)致CuZn21Si3P合金甚至更均勻或均勻性變得甚至更大，其中該組織結(jié)構(gòu)的顆粒不再能通過(guò)肉眼看見(jiàn)(圖2c)。
除了組織結(jié)構(gòu)的視覺(jué)改變之外，硼的添加也對(duì)機(jī)械性能具有有利的影響。這對(duì)由Cu-Zn-Si合金壓制的棒料特別顯而易見(jiàn)。為了測(cè)定機(jī)械性能，在這種棒料的起始處和末尾處提取樣品。由沒(méi)有添加硼的CuZn21Si3P合金制成的棒料的拉伸強(qiáng)度在棒料的起始處與棒料的末尾處相比相差60N/mm2以上。對(duì)比之下，相應(yīng)的具有0.0004％的硼含量的合金在棒料的起始處和末尾處的拉伸強(qiáng)度之間僅具有低于40N/mm2的差異。通過(guò)將0.009％的硼添加到CuZn21Si3P合金中，在棒料的起始處和末尾處的拉伸強(qiáng)度之間的偏差低于5N/mm2。
因此，該材料具有貫穿整體地相同的機(jī)械性能。相應(yīng)地，在整個(gè)壓制長(zhǎng)度內(nèi)獲得均勻的強(qiáng)度。其原因是硼的顆粒細(xì)化作用。
表中總結(jié)了Cu-Zn-Si合金的硼含量與合金組織結(jié)構(gòu)的增加的均勻性或在一個(gè)壓制工件內(nèi)降低的強(qiáng)度差之間的關(guān)系。

權(quán)利要求
1.Cu-Zn-Si合金，其包含以重量％計(jì)70-80％銅，1-5％硅，0.0001-0.5％硼，以及0-0.2％磷和/或砷，以及余量的鋅連同不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的Cu-Zn-Si合金，其特征在于以重量％計(jì)75-77％銅，2.8-4％硅和0.0001-0.01％硼，以及0.03-0.1％磷和/或砷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的Cu-Zn-Si合金，其特征在于以重量％計(jì)額外包含至少一種選自如下的元素0.01-2.5％鉛，0.01-2％錫，0.01-0.3％鐵，0.01-0.3％鈷，0.01-0.3％鎳，0.01-0.3％錳。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的Cu-Zn-Si合金，其特征在于以重量％計(jì)額外包含至少一種選自如下的元素0.01-0.1％鉛，0.01-0.2％錫，0.01-0.1％鐵，0.01-0.1％鈷，0.01-0.1％鎳和0.01-0.1％錳。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的Cu-Zn-Si合金，其特征在于以重量％計(jì)額外包含至少一種選自如下的元素最多至0.5％的銀，最多至0.5％的鋁，最多至0.5％的鎂，最多至0.5％的銻，最多至0.5％的鈦以及最多至0.5％的鋯，優(yōu)選選自如下的元素0.01-0.1％銀，0.01-0.1％鋁，0.01-0.1％鎂，0.01-0.1％銻，0.01-0.1％鈦和0.01-0.1％鋯。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的Cu-Zn-Si合金，其特征在于以重量％計(jì)額外包含至少一種選自如下的元素最多至0.3％的鎘，最多至0.3％的鉻，最多至0.3％的硒，最多至0.3％的碲和最多至0.3％的鉍，優(yōu)選選自如下的元素0.01-0.3％鎘，0.01-0.3％鉻，0.01-0.3％硒，0.01-0.3％碲和0.01-0.3％鉍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)的Cu-Zn-Si合金用于電工技術(shù)構(gòu)件，衛(wèi)生工程構(gòu)件，用于輸送或貯存液體或氣體的容器，受扭轉(zhuǎn)載荷的構(gòu)件，可再循環(huán)構(gòu)件，模鍛部件，半成品，帶材，片材，異型材，板材，或用作塑性合金、軋制合金或鑄造合金的用途。
8.制備根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)的Cu-Zn-Si合金的方法，其包括常規(guī)連續(xù)鑄造和在600-760℃下熱軋，隨后變形，尤其是冷軋，優(yōu)選外加進(jìn)一步的退火和變形步驟。
9.制備根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)的Cu-Zn-Si合金的方法，其包括常規(guī)連續(xù)鑄造，和在最高至760℃，優(yōu)選650-680℃下擠壓，接著在空氣中冷卻。
全文摘要
本發(fā)明涉及Cu－Zn－Si合金，其包含(以重量％計(jì))70－80％銅，1－5％硅，0.0001－0.5％硼，最多至0.2％磷和/或最多至0.2％砷，余量的鋅連同不可避免的雜質(zhì)；以及這種合金的用途和制備，所述合金突出表現(xiàn)在改進(jìn)的抗氧化性和均勻的機(jī)械性能。
文檔編號(hào)C22C9/04GK101023191SQ200580031766
公開(kāi)日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2005年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月11日
發(fā)明者H·施特羅布爾, K·施瓦姆, H·邁爾, N·加格, U·雷克塞爾, K·馬斯塔勒 申請(qǐng)人:迪爾金屬合作兩合公司