專利名稱：無鉛、高強(qiáng)度、高潤滑性的銅合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種銅合金，更確切地涉及一種具有高強(qiáng)度、延展性和潤滑性的銅-鉍合金。
背景技術(shù)：
被稱為高鉛青銅，含有2(T30 wt % (重量百分比)鉛的銅合金通常由于具有例如高強(qiáng)度，高延展性，高溶化溫度以及高潤滑性的優(yōu)點而被使用。高鉛青銅通常用于旋轉(zhuǎn)軸的軸承，例如普通滑動軸承或套筒軸承，其中的充足額外潤滑液供應(yīng)不確定或周期性間斷。高鉛青銅的潤滑性由在凝固過程中形成的鉛基第二相所提供。這種潤滑性至少部分地與鉛基第二相的體積分?jǐn)?shù)成比例，而該體積分?jǐn)?shù)反過來與合金中的鉛含量成比例。由于某些目前待定的健康和環(huán)境規(guī)定，在銅合金中充分減少或去除鉛的使用則比較理想。為了稱作“無鉛”，合金中鉛的組成必須低于0.10 wt. %。然而，目前并沒有高鉛青銅的無鉛替代品。因此，廠商經(jīng)常要求免除高鉛青銅使用的規(guī)定。例如，在空調(diào)和熱泵中使用的壓縮機(jī)的一個領(lǐng)先廠商最近要求從限制有害物質(zhì)的指令中繼續(xù)免除關(guān)于“無鉛青銅軸承殼套和襯套”的(％)規(guī)定。因此，有必要發(fā)展無鉛、高強(qiáng)度、高潤滑性的銅合金。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面涉及一種無鉛銅合金，包括，按照重量組成，約10. (Γ約20. 0% 的鉍，約0. 05% 約0. 3%的磷，約2. 29Γ約10. 0%的錫，達(dá)到約5. 0%的銻，約0. 02%的硼， 余量主要為銅和偶然元素以及雜質(zhì)。該合金包括不超過0.10 wt. %的鉛。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，該合金包括少于0. 05 Wt %的鉛。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，該合金包含約12. 0 wt. %的鉍，約2. 4 wt. °/Γ3. lwt%的錫，約1. 0 Wt. %的銻，約0. 1 Wt. %的磷，和約0. 01 Wt. %的硼，或該合金包含約12. 0 wt. % 的鉍,約5. 5 約6. 2 wt. %的錫，約0. Iwt. %的磷，達(dá)到約0. 05 wt. %的鉛和約0. 01 wt. % 的硼。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，該合金具有Cu3Sn的相分?jǐn)?shù)低于約0. 15 (即15%體積分?jǐn)?shù))，CuSb的相分?jǐn)?shù)低于約0. 15 (即15 vol. %)，以及Cu3P的相分?jǐn)?shù)低于約0. 01 (即1 vol. %)。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，該合金具有約90-210 MPa (13-31 ksi)范圍的極限拉伸強(qiáng)度，約80-120 MPa (12-17 ksi)范圍的屈服強(qiáng)度，和約1_20%范圍的延伸率。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，該合金還包含至少一種稀土元素，其形式選自元素鑭，元素鈰，含鈰的稀土元素合金，以及它們之間任意組合。
本發(fā)明的另一個方面涉及一種無鉛銅合金，包括，按照重量組成，約10.0 9Γ約 20. 0%的鉍，約0. 05% 約0. 3%的磷，約2. 2% 約10. 0%的錫，達(dá)到約5. 0%的銻，達(dá)到約0. 02% 的硼，以及至少一種稀土元素，其形式選自元素鑭，元素鈰，含鈰的稀土元素合金，以及它們之間任意組合，余量主要為銅和偶然元素和雜質(zhì)。該合金包含達(dá)到約0. 10 Wt. %的鉛。此外，該合金包含鉍基相的體積分?jǐn)?shù)至少為0. 04。本發(fā)明的另一個方面涉及一種包括鑄造坯料的方法，該坯料由一種合金制成，該合金由約10. 09Γ約20. 0%的鉍，約0. 059Γ約0. 3%的磷，約2. 2°/Γ約10. 0%的錫，達(dá)到約 5.0%銻，以及達(dá)到約0.0 的硼，余量主要為銅，偶然元素和雜質(zhì)，以及不超過約0. 10 wt. % 的鉛組成。該坯料隨后冷卻到室溫，并固化。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，該坯料通過離心鑄造至近凈成形(接近最終形狀)。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，該坯料在每分鐘約100°c的速率下冷卻至室溫。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，該坯料通過直接激冷鑄造(direct-chill casting)，并用水冷卻。以下將結(jié)合說明書附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明。


通過以下附圖以及實施例，詳細(xì)描述本發(fā)明。圖1為光學(xué)顯微圖，展示了本發(fā)明的一個實施例。
具體實施例方式本發(fā)明總體上涉及一種易延展的無鉛Cu-Bi合金，包括超過10 wt. %的鉍。在專利號為5，413，756的美國專利中公布了包含2、wt. %鉍的銅合金，該專利在此引入并作為本申請的一部分，這種銅合金在此用作軸承材料，但是與高鉛青銅相比，這些合金的潤滑性通常較低。較低的潤滑性通常是由于潤滑的鉍基第二相的較低體積分?jǐn)?shù)。為增加銅合金中鉍含量至高于10 wt.%所作的努力導(dǎo)致鉍基第二相偏析成晶界區(qū)域，這樣反過來會降低了合金的延展性。在某些實施例中，在此公開的Cu-Bi合金包括將有助于避免該問題的額外的錫，銻和/或磷鑄造成合金。在一個實施例中，Cu-Bi合金包括約10. 0 wt. 約20. 0 wt. %的鉍，約2. 2 wt. 約10 wt. %的錫，達(dá)到約5. 0 Wt. %的銻，達(dá)到約0. 05 Wt. % 約0. 3 wt. %的磷，達(dá)到約0. 02 wt. %的硼，余量主要為銅和偶然元素和雜質(zhì)。在該實施例中，合金為“無鉛”，意思是該合金包括低于0. 10 wt. %的鉛，或在另一個實施例中，少于0. 05 wt. %的鉛。該合金可以包括少量但有效量的稀土元素以獲得一些雜質(zhì)。這種稀土元素可以通過含鈰的稀土元素合金(可以包括鈰和/或鑭的混合，以及可能的其它元素)，或元素鈰和/或鑭，或這種形式的結(jié)合來加入。在一個實施例中，該合金包括這種稀土元素約0.02 wt. %的聚集含量。在另一個實施例中，Cu-Bi合金包括約12. 0 wt. %的鉍，約2. 4 wt. % 3. 1 wt. %的錫，約1. 0 Wt. %的銻，約0. 1 Wt. %的磷，以及約0. 01 Wt. %的硼，余量主要為銅和偶然元素和雜質(zhì)。在該實施例中，合金為“無鉛”，意思是該合金包括少于0. 10 wt.%的鉛。在另一個實施例中，這種公稱成分可以包括每種表示的重量百分比具有5%或10%的變化。圖1為這種實施例的光學(xué)顯微圖。在另一個實施例中，合金包括約12. 0 wt. %的鉍，約5. 5至約6. 2 wt. %的錫，約0. 1 wt. %的磷，達(dá)到約0. 05 wt. %的鉛，以及達(dá)到約0. 01 wt. %的硼，余量主要為銅和偶然元素和雜質(zhì)。在另一個實施例中，這種公稱成分可以包括每種所述的重量百分比的5%或 10%的變化。根據(jù)不同實施例的合金可以具有優(yōu)越的物理性質(zhì)和特征，包括高強(qiáng)度，高延展性， 高熔化溫度以及高潤滑性。這種合金可以具有約90-210 MPa (13-31 ksi)范圍的極限拉伸強(qiáng)度(UTS)，約80-120 MPa (12-17 ksi)范圍的屈服強(qiáng)度，約1-20%范圍的延伸性。此外， 該合金可以具有約1000°C的熔化溫度。此外，這種合金的潤滑性可比得上含鉛銅合金(例如高鉛青銅)的潤滑性。在一個實施例中，與現(xiàn)有的Cu-Bi合金相比，該合金具有較高的鉍基第二相體積分?jǐn)?shù)。這可以增加合金的潤滑性，因為鉍基第二相具有較高的潤滑性。在一個實施例中，鉍基第二相在合金中的體積分?jǐn)?shù)至少為0.04 (即，4 vol. %)。在一個實施例中，如圖1所示，使鉍基第二相分離并分布在銅基體中并限制相微粒的相互連接則比較理想。鑄造額外的錫，銻，和/或磷成為合金有助于避免鉍基相偏析為晶界區(qū)域。如上所述，這種偏析會降低合金的延展性。此外，在此公開的Cu-Bi合金促進(jìn)液體不混溶性。當(dāng)兩種液體不混溶時， 具有較低凝固溫度的液體(即鉍)通常不太可能偏析至由其它液體(即銅)形成的固體的晶界。將此應(yīng)用到接近鑄造中使用的Cu-Bi合金中，可以阻止晶界偏析并獲得較高延展性。 為了促進(jìn)液體不混溶性，公開合金的某些實施例包括將額外的錫，銻和磷進(jìn)行鑄造。為了提供適當(dāng)程度的延展性，在此公開的Cu-Bi合金也可以限制有害相的形成， 例如Cu3Sn, CuSb,和/或Cu3P。在某些實施例中，Cu3Sn的相分?jǐn)?shù)限制為低于約0. 15 (即 15 vol. %)，CuSb的相分?jǐn)?shù)限制為低于約0.15 (即15 vol. %)，Cu3P的相分?jǐn)?shù)限制為低于約 0.01 (即1 vol. %)。這可以通過限制額外的錫至低于約10.0 wt.%，銻低于約5.0 wt.%， 磷低于約0.3 wt. %來得到。圖1所示樣品中存在至少某些這種金屬間相，但這些相沒有被所使用的刻蝕技術(shù)展現(xiàn)出。在一個實施例中，本發(fā)明的合金可以通過在鋼模中鑄造來制造，不需真空熔化。在某些應(yīng)用中，該合金可以離心鑄造成近凈成形。這種鑄造隨后在每分鐘100°c的速率下冷卻至室溫。較高的冷卻速率有利于排除鑄件的偏析。通過例如凝固過程中用水冷卻坯料的直接激冷鑄造可以得到較高冷卻速率。在某些實施例中，該合金可以理解為由或者主要由在此公開的元素成分組成。同樣，本發(fā)明的其他方面可理解為體現(xiàn)在例如鑄件產(chǎn)品之中，該鑄件產(chǎn)品由上述一個或多個實施例中全部或部分合金所形成。以下將詳細(xì)說明幾種具體的實施例，包括實施例的具體過程和所產(chǎn)生的物理特性以及特征。以下實施例所示數(shù)值概括在以下表格中，其中每種合金的余量為銅。表 1
實施例Bi(wt.%)Sn (wt. %)Sb (wt. %)P(wt.%)B(wt.%)Pb (wt.%)其余(wt. %)112. 02. 51. 00. 10. 010. 10最大值含鈰的稀土元素合金⑴.02)212. 03. 01. 00. 10. 010. 10最大值含鈰的稀土元素合金0102)312. 02. 51. 00. 10. 0050. 10最大值412. 02. 51. 00. 10. 0050. 10最大值含鈰的稀土元素合金0102)514. 15. 5~00. 1<0.00030.01最大值
實施例1
一種具有公稱成分為 12. 0 wt% Bi, 2. 5 wt% Sn, 1. 0 wt% Sb, 0. 1 wt% P, 0. 01wt% B,和余量為Cu的合金在不需要真空熔化的情況下進(jìn)行鑄造。該合金同樣包含約0. 02 wt. %的含鈰稀土元素合金以幫助取得雜質(zhì)。鑄件重約36 kg并測得高度為42 cm。在溫度為25 150°C之間的銷-盤式摩擦測試中，該合金所展示的潤滑性可與包含30 wt. %鉛的銅合金相比。該實施例的屈服強(qiáng)度約8(Tl00MPa (12-14 ksi)。此外，合金展示了約4-12%的延伸性。圖1為該實施例的光學(xué)顯微圖，展示了銅基體和鉍基第二相。實施例2
一種具有公稱成分為 12. 0 wt% Bi, 3. 0 wt% Sn, 1. 0 wt% Sb, 0. 1 wt% P, 0. 01 wt% B,和余量為Cu的合金在不需要真空熔化的情況下進(jìn)行鑄造。該合金同樣包含約0. 02 wt. %的含鈰稀土元素合金以幫助取得雜質(zhì)。鑄件重約36 kg并測得42 cm的高度。在溫度為25 150°C之間的銷-盤式摩擦測試中，該合金所展示的潤滑性可與包含約30 wt. %鉛的銅合金相比。該實施例的屈服強(qiáng)度約100 MPa (14-15 ksi)且UTS為約110 180 MPa (16 至沈ksi)。此外，該合金展示了約3-13%的延伸性。實施例3
一種具有公稱成分為 12. 0 wt% Bi, 2. 5 wt% Sn, 1. 0 wt% Sb, 0. 1 wt% P, 0. 005 wt% B,和余量為Cu的合金在不需要真空熔化的情況下進(jìn)行鑄造。該合金不包含含鈰稀土元素合金。鑄件重約36 kg并測得42 cm的高度。該實施例的屈服強(qiáng)度約100 110 MPa (14-16 ksi)且UTS為約110 210 MPa (16至31 ksi)。此外，該合金展示了約5-20%的延伸性。實施例4
一種公稱成分為 12. 0 wt% Bi, 2. 5 wt% Sn, 1. 0 wt% Sb, 0. 1 wt% P, 0. 005 wt% B,和余量為Cu的合金在不需要真空熔化的情況下進(jìn)行鑄造。該合金同樣包含含鈰的稀土元素合金以取得雜質(zhì)。鑄件重約36 kg并測得42 cm高度。該實施例的屈服強(qiáng)度約100 110 MPa (14-16 ksi)且 UTS 為約 150 180MPa (22 至 27 ksi)。此外，該合金展示了約 7-10%的延伸性。實施例5
一種實際成分為 14. 1 wt% Bi, 5.5 wt% Sn, 0. 1 wt% P, 0.01 wt% Pb,和余量為 Cu 的合金在不需要真空熔化的情況下進(jìn)行鑄造。該合金不包括含鈰稀土元素合金。鑄件重約 36 kg并測得42 cm的高度。在溫度為25 150°C之間的銷-盤式摩擦測試中，該合金所展示的潤滑性可與波暗含約30 wt. %鉛的銅合金相比。該實施例的屈服強(qiáng)度約120 MPa (17 ksi)且UTS為約120 130 MPa (18 ksi)。此外，該合金展示了約1-3%的延伸性。在此展示了幾種實施例中，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解每個實施例的特點以及可能的成分組合和變化。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)進(jìn)一步理解當(dāng)中的每個實施例可以通過在此公開的其它實施例的任意組合來提供。本發(fā)明應(yīng)該理解為在不偏離其思想或中心特點的情況下可以具有其它的具體形式。本實施例可以被認(rèn)為是關(guān)于說明，而并非限制性的，本發(fā)明也并非限制于在此所描述的示例，在不偏離本發(fā)明思想以及保護(hù)范圍的情況下的多種改進(jìn)只受權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1.一種合金，其特征在于，按照重量組成，包括約10. 09Γ約20. 0%的鉍，約0. 059Γ約 0. 3%的磷，約2. 29Γ約10. 0%的錫，達(dá)到約5. 0%的銻，達(dá)到約0. 02%的硼，余量主要為銅和偶然元素和雜質(zhì)，其中所述合金包含不超過0. 10 Wt. %的鉛。
2.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金包含低于約0.05wt. %的鉛。
3.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金包含約12.0 wt. %的鉍，約2. 4 wt. % 3. 1 wt. %的錫，約1. 0 wt. %的銻，約0. 1 wt. %的磷，以及約0. 01 wt. %的硼。
4.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金包含約12.0wt. %的鉍，約5. 5 約 6. 2 wt. %的錫，約0. 1 wt. %的磷，達(dá)到約0. 05 wt. %的鉛和達(dá)到約0. 01 wt. %的硼。
5.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金包括至少一種稀土元素，其形式選自元素鑭，元素鈰，含鈰的稀土元素合金，以及它們的任意組合。
6.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金中的Cu3Sn相分?jǐn)?shù)低于約0.15， CuSb的相分?jǐn)?shù)低于約0. 15，Cu3P的相分?jǐn)?shù)低于約0. 01。
7.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金具有極限拉伸強(qiáng)度約為9(Γ210 MPa (13-31 ksi)，屈服強(qiáng)度約 80 120 MPa (12-17 ksi)，延伸率為約廣20%。
8.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金包含鉍基相的體積分?jǐn)?shù)至少為 0. 04。
9.一種合金，其特征在于，按照重量組成，包括約10. 09Γ約20. 0%的鉍，約0. 059Γ約 0. 3%的磷，約2. 29Γ約10. 0%的錫，達(dá)到約5. 0%的銻，達(dá)到約0. 02%的硼，以及至少一種稀土元素，其形式選自元素鑭，元素鈰，含鈰的稀土元素合金，以及它們的任意組合，余量主要為銅和偶然元素和雜質(zhì)，其中所述合金包含不超過0. 10 Wt. %的鉛，且其中的鉍基相體積分?jǐn)?shù)至少為0. 04。
10.如權(quán)利要求9所述的合金，其特征在于，所述合金中的Cu3Sn相分?jǐn)?shù)低于約0.15， CuSb的相分?jǐn)?shù)低于約0. 15，Cu3P的相分?jǐn)?shù)低于約0. 01。
11.如權(quán)利要求9所述的合金，其特征在于，所述合金具有極限拉伸強(qiáng)度約為9(Γ210 MPa (13-31 ksi)，屈服強(qiáng)度約 80 120 MPa (12-17 ksi)，延伸率為約廣20%。
12.—種方法，其特征在于，包括鑄造一種合金的坯料，并冷卻所述坯料至室溫，其中所述合金包括按照重量組成，約10. 09Γ約20. 0%的鉍，約0. 059Γ約0. 3%的磷，約2. 29Γ 約10. 0%的錫，達(dá)到約5. 0%的銻，達(dá)到約0. 02%的硼，余量主要為銅和偶然元素和雜質(zhì)，其中所述合金包含不超過0. 10 wt. %的鉛。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述合金包含至少約0.05wt. %的鉛。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述合金包含約12.0 wt. %的鉍，約2. 4 wt. % 約3. 1 wt. %的錫，約1. 0 wt. %的銻，約0. 1 wt. %的磷，和約0. 01 wt. %的硼。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述合金包含約12.0wt. %的鉍，約5. 5 約6. 2 wt. %的錫，約0. 1 wt. %的磷，達(dá)到約0. 05 wt. %的鉛和達(dá)到約0. 01 wt. %的硼。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征還在于，所述合金包括至少一種稀土元素，其形式選自元素鑭，元素鈰，含鈰的稀土元素合金，以及它們的任意組合。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述合金中的Cu3Sn相分?jǐn)?shù)低于約0.15， CuSb的相分?jǐn)?shù)低于約0. 15，Cu3P的相分?jǐn)?shù)低于約0. 01。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述坯料經(jīng)過離心鑄造成近凈成形。
19.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述坯料在每分鐘約100°C的速率下冷卻至室溫。
20.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述坯料采用直接激冷鑄造，并用水冷卻。
全文摘要
一種無鉛的銅合金，包括按照重量組成，約10.0%至約20.0%的鉍，約0.05%至約0.3%的磷，約2.2%至約10.0%的錫，達(dá)到約5.0%的銻和達(dá)到約0.02%的硼，余量主要為銅和偶然元素和雜質(zhì)。該合金包括不超過約0.05wt.%或0.10wt.%的鉛。
文檔編號C22C9/00GK102341513SQ201080010519
公開日2012年2月1日 申請日期2010年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月3日
發(fā)明者詹姆士·A·萊特, 賈森·塞巴斯蒂安, 阿赫杰特·米斯拉 申請人:奎斯泰克創(chuàng)新公司