CN105229180A - 超高强度铜-镍-锡合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超高强度锻造铜-镍-锡合金和用于提高所述铜-镍-锡合金的屈服强度的方法,使得所得到的0.2%补偿屈服强度至少为175ksi。所述合金包含约14.5重量%至约15.5%的镍、约7.5重量%至约8.5%的锡和余量铜。步骤包括冷加工所述铜-镍-锡合金,其中所述合金经历50%-75%之间的塑性变形。在约740°F和约850°F之间的高温下热处理所述合金达约3分钟至14分钟。
Description
相关申请
本申请要求提交于2013年3月14日的序列号为61/781,942的美国临时专利申请的优先权,其内容通过引用完全并入本文。
背景技术
本发明涉及超高强度锻造铜-镍-锡合金和提高所述铜-镍-锡合金的屈服强度特性的方法。特别地,使所述铜-镍-锡合金经历这样的加工方法,使得获得比已知的合金和工艺显著更高的强度水平,所述加工方法将具体参照其进行描述。
铜-铍合金被用于音圈电机(VCM)技术。VCM技术是指用于在移动设备中提供高分辨率、自动对焦、光学变焦摄像机能力的各种机械和电子设计。这种技术要求所述合金能够安装在有限的空间内并同时具有减小的尺寸、重量和能耗特征,以提高所述移动设备的便携性和功能性。由于铜-铍合金的高强度、弹性和疲劳强度,它们被用于这些应用中。
已确定一些铜-镍-锡合金具有与铜-铍合金的性质相似的理想性质,并且可以以低的成本制造。例如,由Materion公司以158(BF158)提供的铜-镍-锡合金以各种形式出售,是一种高性能的经热处理的合金,其使得设计者可将该合金形成为电子连接器、开关、传感器、弹簧等。这些合金通常作为锻造合金产品出售,其中设计者通过加工而非铸造来使合金成为最终的形状。然而,这些铜-镍-锡合金与铜-铍合金相比具有可成形性方面的局限。
因此,将期望开发新的超高强度铜-镍-锡合金和用于提高所述合金的屈服强度特性的方法。
发明内容
本公开涉及一种超高强度的铜-镍-锡合金,和提高所述铜-镍-锡合金的0.2%补偿屈服强度(以下简称“屈服强度”)以使得所得到的屈服强度为至少175ksi的方法。通常,对所述合金进行第一机械冷加工以产生约50%-约75%的塑性变形%CW(即,冷加工百分比)。然后将所述合金加热至约740℉和约850℉之间的高温达约3分钟和约14分钟之间的时间以进行热应力消除步骤,从而产生所希望的可成形性特性。
下面更具体地公开本发明的这些和其他非限制性特征。
附图说明
下面是附图的简述,其为举例说明而非限制本文所公开的示例性实施方案的目的。
图1是示出本发明示例性方法的流程图。
图2是示出在不同温度下0.2%补偿屈服强度对线速度的图。
具体实施方式
参照附图可更完整地理解本文所公开的组件、方法和装置。为了便于和易于说明本发明,这些附图仅是示意性表示,因此并非旨在表示所述设备或其部件的相对大小和尺寸,和/或限定或限制示例性实施方案的范围。
尽管为了清楚起见,在以下的描述中使用了特定术语,这些术语旨在仅指代被选择在附图中示出的实施方案的具体结构,并非旨在限定或限制本公开的范围。在附图和下面的描述中应理解,类似的数字标号指代的是具有类似功能的组件。
除非上下文中另有明确说明,单数形式的“一个”、“一种”和“所述”包括多个指代物的情况。
如在说明书和权利要求书中使用的,术语“包含”、“包括”、“具有”、“有”、“能够”、“含有”及其变化形式旨在表示开放式的连接短语、术语或词语,其要求具有所提到的成分/步骤,并且允许具有其他成分/步骤。然而,这种描述应被解释为还描述了组合物或方法“由所列举的成分/步骤组成”和“基本上由所列举的成分/步骤组成”的情况,其允许仅具有所指出的成分/步骤,以及任何可能由此产生的不可避免的杂质,并排除了其他成分/步骤。
在本申请的说明书和权利要求书中的数值应被理解为:包括减少到相同有效数字位数时相同的数值、以及与所述值之间的差值小于本申请中所述的用以确定该值的常规测量技术的试验误差的数值。
本文中所披露的全部范围均包括所列的端值,并且是可独立组合的(例如,范围“2g至10g”包括端值2g和10g,并且包括全部的中间值。
由一个或多个术语(如“约”和“基本上”)修饰的值可以不限于指定的精确值。用于表示近似的用语可符合用于测量所述值的仪器的精度。修饰语“约”还应被视为公开了由两个端值的绝对值所确定的范围。例如,“约2至约4”的表述还公开了范围“2至4”。
除非另有明确说明,元素的百分数应视为所述合金的重量百分数。
如本文所用,术语“亚稳合金”指的是其化学组成能够进行亚稳分解的合金。术语“亚稳合金”是指合金的化学状态而非物理状态。因此,“亚稳合金”可以经历或不经历亚稳分解,并且可以处于或不处于进行亚稳分解的过程中。
亚稳老化/分解是一种这样的机制,通过该机制,多种成分可以分成具有不同的化学组成和物理性质的独特区域或微观组织。特别地,位于相位图中心区域的具有总体组成(bulkcomposition)的晶体发生出溶。位于本公开合金表面的亚稳分解导致表面硬化。
亚稳合金结构由原始相在特定温度下分离而产生的均匀两相混合物和在高温下产生的称为溶混间隙的组合物构成。合金相自发分解为其他相,其中晶体结构保持相同,但在结构中的原子被修饰但在尺寸上保持相似。亚稳硬化增强了基体金属的屈服强度,并包括高度均匀的组成和微观组织。
本文使用的铜-镍-锡合金主要包含约9.0重量%至约15.5重量%的镍、和约6.0%重量至约9.0重量%的锡、以及余量铜。这种合金可得到硬化并且更易于形成可用于各种工业和商业应用的高屈服强度产品。这种高性能的合金被设计为提供与铜-铍合金相似的性能。
更具体地,本公开的铜-镍-锡合金包含约9%重量至约15重量%的镍和约6%重量至约9重量%的锡和余量的铜。在更具体的实施方案中,铜-镍-锡合金包含约14.5重量%至约15.5%的镍和约7.5重量%至约8.5重量%的锡和余量铜。这些合金可具有将合金分成不同的范围的各种性能的组合。本公开针对称为TM12的合金。更具体地,“TM12”指的是这样的铜-镍-锡合金,其通常具有至少175ksi的0.2%补偿屈服强度、至少180ksi的极限拉伸强度、和1%的最小断裂伸长率。作为TM12合金,所述合金的屈服强度必须为至少175ksi
图1是概述本公开的用于获得TM12合金的金属加工方法的步骤的流程图。所述金属加工方法以对合金进行第一冷加工100作为开始。然后使所述合金经历热处理200。
冷加工是通过塑性变形机械地改变金属的形状或大小的方法。这可以通过金属或合金的轧制、拉拔、挤压、旋压、挤出或顶煅来实现。当金属发生塑性变形时,材料内发生了原子的位错。具体地,位错跨越金属晶粒发生或在金属晶粒内发生。位错彼此交叠,并且材料内的位错密度增加。交叠位错的增加使得进一步的位错移动更加困难。这增加了所得到的合金的硬度和抗拉强度,同时通常降低了合金的延展性和冲击性能。冷加工还提高了合金的表面光洁度。机械冷加工通常在低于合金的再结晶点的温度下进行,通常是在室温下进行。冷加工百分比(%CW)或变形的程度,可以通过测量在冷加工之前和之后合金的截面面积的变化,根据以下公式确定:
%CW=100*[A0-Af]/A0
其中A0为冷加工前的初始或原始截面面积,Af是冷加工后的最终截面面积。值得注意的是,截面面积的变化通常只是由于合金厚度的变化产生的,所以%CW也可使用初始和最终厚度进行计算。
对合金进行初始冷加工步骤100,使得所得到的合金具有50%至75%冷加工百分比的塑形变形。更具体地说,通过此第一步骤获得的冷加工百分比可为约65%。
接着,使合金经历热处理步骤200。金属或合金的热处理是加热和冷却金属以改变它们的物理和机械性能而不改变产品形状的受控方法。热处理与提高材料的强度有关,但它还可以用于改变某些可制造性的目的,例如在冷加工操作后改善加工性、提高可成形性或者恢复延展性。在冷加工步骤100之后对合金进行热处理步骤200。所述合金被置于传统的炉中或其他类似装置中,然后暴露于约740°F至约850°F的高温下达约3分钟-约14分钟。值得注意的是,这些温度指的是所述合金被暴露于其中的气氛温度,或所述炉的设定温度;所述合金自身无需达到这些温度。可通过(例如)将带状的合金置于输送炉装置上并使所述合金带以约5英尺/分钟的速率行进通过所述输送炉来进行这种热处理。在更具体的实施方案中,温度为约740°F至约800°F。
该方法可以获得屈服强度水平至少为175ksi的超高强度铜-镍-锡合金。始终确定该方法产生了屈服强度在约175ksi至190ksi范围内的合金。更具体地,该方法可以加工合金以得到约178ksi至185ksi的屈服强度(0.2%补偿)。
获得了冷加工和热处理之间的平衡。在由冷加工获得的强度的量之间存在理想的平衡,其中过度的冷加工会对所述合金的可成形性特性产生不利影响。相似地,如果由热处理产生过多的强度增加,则可成形性特性也会受到不利影响。所得到的TM12合金的特性包括至少为175ksi的屈服强度。该强度特性超过了其他已知的相似铜-镍-锡合金的强度特征。
提供以下实施例来说明本公开的合金、制品和方法。这些实施例仅是说明性的,并且不旨在将公开内容限制于其中所设定的材料、条件或工艺参数。
实施例
将含有15重量%的镍、8重量%的锡和余量铜的铜-镍-锡合金形成为带。然后使用轧制装置冷加工所述带。冷加工所述带并在65%的%CW下对其进行测量。接着,利用输送炉装置使所述带经历热处理步骤。将输送炉设定在740°F、760°F、780°F、800°F、825°F或850°F的温度下。使所述带以5、10、15或20英尺/分钟的线速度行进通过输送炉。对每种温度和速度的组合,使用两个带。
然后测定各种性能。这些性能包括:极限拉伸强度(T),以ksi表示;0.2%补偿屈服强度(Y),以ksi表示;断裂伸长率%(E);和杨氏模量(M),以每平方英寸百万磅(10^6psi)表示。表1和表2提供所测量的结果。还提供了T和Y的平均值。
表1.
温度 | FPM | T | Y | T(平均值) | Y(平均值) | E | M |
740 | 5 | 187.1 | 180.6 | 1.77 | 16.88 | ||
740 | 5 | 183.3 | 180.0 | 185.2 | 180.3 | 1.43 | 16.89 |
740 | 10 | 179.2 | 173.5 | 1.73 | 16.93 | ||
740 | 10 | 180.7 | 175.4 | 180.0 | 174.5 | 1.64 | 16.89 |
740 | 15 | 175.0 | 171.2 | 1.54 | 16.95 | ||
740 | 15 | 173.8 | 168.9 | 174.4 | 170.0 | 1.60 | 17.00 |
740 | 20 | 168.2 | 161.6 | 1.61 | 16.64 | ||
740 | 20 | 171.0 | 165.9 | 169.6 | 163.7 | 2.05 | 16.98 |
760 | 5 | 190.4 | 182.0 | 1.83 | 16.72 | ||
760 | 5 | 187.8 | 181.6 | 189.1 | 181.8 | 1.62 | 16.78 |
760 | 10 | 183.4 | 176.8 | 1.60 | 16.90 | ||
760 | 10 | 183.1 | 174.4 | 183.3 | 175.6 | 2.00 | 16.80 |
760 | 15 | 178.3 | 170.2 | 1.97 | 16.89 | ||
760 | 15 | 181.1 | 173.5 | 179.7 | 171.8 | 1.90 | 16.76 |
760 | 20 | 174.9 | 168.2 | 1.61 | 16.86 | ||
760 | 20 | 173.5 | 165.3 | 174.2 | 166.8 | 2.03 | 16.64 |
780 | 5 | 188.9 | 180.0 | 1.80 | 16.55 | ||
780 | 5 | 189.8 | 181.8 | 189.4 | 180.6 | 1.68 | 16.78 |
780 | 10 | 186.4 | 177.7 | 1.84 | 16.88 | ||
780 | 10 | 185.7 | 178.0 | 186.1 | 177.8 | 1.67 | 16.82 |
780 | 15 | 181.8 | 173.7 | 1.91 | 16.86 | ||
780 | 15 | 181.1 | 172.8 | 181.5 | 173.2 | 1.99 | 16.89 |
780 | 20 | 176.3 | 167.6 | 1.80 | 16.76 | ||
780 | 20 | 179.1 | 171.2 | 177.7 | 169.4 | 1.83 | 16.81 |
表2.
温度 | FPM | T | Y | T(平均值) | Y(平均值) | E | M |
800 | 5 | 189.1 | 178.2 | 1.83 | 16.53 | ||
800 | 5 | 185.1 | 176.8 | 187.1 | 177.5 | 1.59 | 16.31 |
800 | 10 | 187.7 | 178.6 | 1.66 | 16.77 | ||
800 | 10 | 186.5 | 181.2 | 187.1 | 179.9 | 1.49 | 17.27 |
800 | 15 | 184.0 | 175.1 | 1.76 | 16.84 | ||
800 | 15 | 174.6 | 173.6 | 179.3 | 179.4 | 1.25 | 17.09 |
800 | 20 | 180.9 | 171.8 | 1.74 | 16.67 | ||
800 | 20 | 179.9 | 172.2 | 180.4 | 172 | 1.66 | 17.03 |
825 | 5 | 172.0 | 157.6 | 1.79 | 15.51 | ||
825 | 5 | 170.8 | 156.1 | 171.4 | 156.8 | 1.70 | 15.86 |
825 | 10 | 183.1 | 171.5 | 1.83 | 16.59 | ||
825 | 10 | 185.9 | 172.1 | 184.5 | 171.8 | 2.08 | 16.37 |
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825 | 15 | 184.5 | 171.3 | 185.4 | 172.5 | 1.99 | 16.18 |
825 | 20 | 177.9 | 172.5 | 1.45 | 16.51 | ||
825 | 20 | 186.6 | 174.4 | 182.2 | 173.5 | 1.92 | 16.73 |
850 | 5 | 157.6 | 137.5 | 2.58 | 15.87 | ||
850 | 5 | 151.8 | 130.2 | 154.7 | 133.8 | 2.47 | 15.66 |
850 | 10 | 175.1 | 163.7 | 1.73 | 16.33 | ||
850 | 10 | 176.8 | 163.2 | 176.0 | 163.4 | 2.00 | 16.08 |
850 | 15 | 178.6 | 165.9 | 1.91 | 16.25 | ||
850 | 15 | 173.1 | 167.6 | 175.9 | 166.8 | 1.40 | 16.31 |
850 | 20 | 178.9 | 169.8 | 1.60 | 16.53 | ||
850 | 20 | 178.9 | 170.4 | 178.9 | 170.1 | 1.56 | 16.62 |
综上所述,发现可获得这样的合金,其具有至少为175ksi的最小0.2%补偿屈服强度、至少180ksi的极限拉伸强度、至少1%的断裂伸长率、和至少16,000,000psi的杨氏模量。图2是示出在不同温度下,0.2%补偿屈服强度对线速度的图。在宽的温度范围内获得了至少175ksi的最小屈服强度。
应该理解的是,上述公开的变化形式和其他特征和功能或其替代方式,可以组合成许多其他不同的系统或应用。本领域技术人员后续可作出各种目前未预见或未预期的替代方式、修改、变化形式或改进,这也旨在由所附权利要求所涵盖。
Claims (20)
1.一种提高锻造铜-镍-锡合金的屈服强度的方法,包括:
对所述合金进行第一机械冷加工步骤至约50%至约75%的冷加工百分比(%CW);和
热处理所述合金;
其中所得到的铜-镍-锡合金获得了至少175ksi的0.2%补偿屈服强度。
2.权利要求1所述的方法,其中,所述热处理步骤在约740℉至约850℉的温度下进行约3分钟至14分钟。
3.权利要求2所述的方法,其中,所述热处理步骤在约740℉至约800℉的温度下进行。
4.权利要求1所述的方法,其中通过使带状的所述合金以约5英尺/分钟至约20英尺/分钟的速率行进通过炉而进行所述热处理步骤。
5.权利要求1所述的方法,其中所得到的合金具有175ksi至190ksi的0.2%补偿屈服强度。
6.权利要求1所述的方法,其中所得到的合金具有至少180ksi的极限拉伸强度。
7.权利要求1所述的方法,其中所得到的合金具有至少1%的断裂伸长率。
8.权利要求1所述的方法,其中所得到的合金具有至少16,000,000psi的杨氏模量。
9.权利要求1所述的方法,其中所得到的合金获得了至少175ksi的0.2%补偿屈服强度和至少180ksi的极限拉伸强度。
10.权利要求1所述的方法,其中所述铜-镍-锡合金包含约14.5重量%至约15.5重量%的镍、和约7.5重量%至约8.5重量%的锡和余量铜。
11.一种超高强度锻造铜-镍-锡合金,包含:
约14.5重量%至约15.5重量%的镍;
约7.5重量%至约8.5%的锡;和
余量铜;
其中所述合金具有至少175ksi的0.2%补偿屈服强度。
12.权利要求11所述的合金,其中所述合金具有175ksi至190ksi的0.2%补偿屈服强度。
13.权利要求11所述的合金,其中所述合金具有至少180ksi的极限拉伸强度。
14.权利要求11所述的合金,其中所述合金具有至少1%的断裂伸长率。
15.权利要求11所述的合金,其中所述合金具有至少16,000,000psi的杨氏模量。
16.权利要求11所述的合金,其中所得到的合金获得了至少175ksi的0.2%补偿屈服强度和至少180ksi的极限拉伸强度。
17.权利要求11所述的合金,其中所述合金通过以下方法制备:
对合金进行第一机械冷加工步骤至约50%至约75%的冷加工百分比(%CW);和
热处理所述合金;
18.权利要求17所述的合金,其中所述热处理步骤在约740℉至约850℉的温度下进行约3分钟至14分钟。
19.权利要求18所述的合金,其中所述热处理步骤在约740℉至约800℉的温度下进行。
20.权利要求17所述的合金,其中通过使带状的所述合金以约5英尺/分钟至约20英尺/分钟的速率行进通过炉而进行所述热处理步骤。
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