CN108350552B - 铜镍锌合金及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铜镍锌合金，其具有以下由重量百分比表示的组成：46.0％至51.0％的Cu，8.0％至11.0％的Ni，0.2％至0.6％的Mn，0.05％至0.5％的Si，各自最高达0.8％的Fe和/或Co，其中Fe含量和两倍Co含量的总和为至少0.1％，余量的Zn和不可避免的杂质，其中含有镍、铁和锰的和/或含镍、钴和锰的混合硅化物作为球形或椭圆形颗粒嵌入由α相和β相组成的微观结构中。本发明进一步涉及根据本发明的铜镍锌合金的应用。

Description

铜镍锌合金及其应用

本发明涉及铜镍锌合金，其中含镍、铁和锰的和/或含镍、钴和锰的混合硅化物作为球形或椭圆形的颗粒嵌入由α和β相组成的微观结构，并且还涉及该铜镍锌合金的应用。

铜、镍和锌的合金由于其银色而被称为镍银。工业上可使用的合金具有按重量计47％至64％的铜和按重量计7％至25％的镍。在可钻孔和可钻的合金中，通常添加最高达按重量计3％的铅作为断屑器(chip breaker)，在铸造合金中其甚至最高达按重量计9％。余量为锌。商用镍银合金可另外含有按重量计0.2％至0.7％的锰作为添加剂以降低热暴露脆性。锰的添加也具有脱氧和脱硫作用。

镍银合金诸如CuNi12Zn24或CuNi18Zn20尤其在光学产业中用于制造眼镜铰链。这些产品的持续小型化需要具有更高强度的材料。此外，这些产品必须在表面质量方面满足苛刻的要求。

镍银合金也用于生产首饰和生产钟表/手表的部件。这些产品必须在表面质量方面满足特别苛刻的要求。即使在拉伸状态下，材料也必须具有显得光亮并且没有例如凹槽或孔的缺陷的闪亮表面。此外，材料必须非常容易加工并且如果有必要也可以抛光。材料的颜色在使用过程中也不能改变。用于医疗技术或乐器生产的材料必须满足非常类似的要求。

从文件DE 1 120 151可知具有关于可铸造性和热成形性的有益性能的高强度镍银合金。这些合金由0.01％至5％的Si、>10％至30％的Ni、45％至70％的Cu、0.3％至5％的Mn，余量为至少10％的锌组成。Si的少量添加用于使合金脱氧并提高可铸造性。锰的添加具有增加合金的韧性和由此冷加工性(workability)的作用，并且还用于节省镍。如果有需要，锰可以被铝完全取代，并且镍可以被钴部分地取代。应避免添加铁作为合金成分，因为铁降低合金的耐腐蚀性。当锰含量为1％时，强度值达到约400MPa。为了改善力学性能，建议进行热处理。

文件JP 01177327描述了具有良好的热成形性和冷成形性的可切削(machinable)的镍银合金。这些合金由6％至15％的Ni、3％至8％的Mn、0.1％至2.5％的Pb、31％至47％的Zn、余量的Cu和不可避免的杂质组成。如果有需要，在热成形之前可以加入少量的Fe、Co、B、Si或P以防止加热时的晶粒生长。

含有镍、铁和锰的和/或含镍、钴和锰的混合硅化物作为球形或椭圆形颗粒嵌入微观结构中的含铅的铜镍锌合金由文件DE 10 2012 004 725 A1可知。该合金呈现出高拉伸强度、良好的冷成形能力和良好的可切削性(machinability)。按重量计1.0％至1.5％的铅的比例确保合金的良好切削性。该合金被用于生产圆珠笔的高质量笔尖。对于在表面质量方面具有特别苛刻要求的应用来说，材料的表面性能并不总是令人满意。

本发明的目的是提供具有改善的表面质量和高强度的铜镍锌合金。即使在拉伸状态下，表面也应该显得光亮。此外，合金应具有良好的切削性和优异的颜色稳定性。本发明的另一个目的是表明该铜镍锌合金的应用。

本发明通过权利要求1的特征限定铜镍锌合金并通过权利要求4和5的特征限定应用。另外的从属权利要求涉及本发明的有益实施方式和进一步的发展。

本发明包括具有以下重量百分比组成的铜镍锌合金：

46.0％至51.0％的Cu，

8.0％至11.0％的Ni，

0.2％至0.6％的Mn，

0.05％至0.5％的Si，

在各自情况中最高达0.8％的Fe和/或Co，其中Fe含量和两倍Co含量的总和为按重量计至少0.1％，余量的Zn和不可避免的杂质，

其中含有镍、铁和锰的和/或含镍、钴和锰的混合硅化物作为球形或椭圆形颗粒嵌入由α相和β相组成的微观结构中。

本发明始于如下想法：通过以形成硅化物沉淀物的方式进行硅的合金化来改变镍银材料的微观结构。作为金属间化合物，硅化物具有约800HV的硬度，其明显高于基体微观结构的α相和β相的硬度。锰合金化以主要地提高冷和热成形能力并增加强度。另外，锰具有脱氧和脱硫作用。在同时存在锰、铁和镍的情况下，硅形成具有主要在(Mn,Fe,Ni)₂Si到(Mn,Fe,Ni)₃Si范围内的近似组成的混合硅化物。以类似的方式，硅在同时存在锰、钴和镍的情况下形成(Mn,Co,Ni)_xSi_y(其中x≥y)近似组成的混合硅化物。此外，还可形成除了锰和镍之外含有铁和钴的混合硅化物。混合硅化物作为球形或椭圆形颗粒以高度分散的形式存在于基体微观结构中。颗粒的体积当量直径的平均值为0.5μm至2μm。微观结构不含任何具有大面积的硅化物，因此可容易地从基体微观结构中分离出来。这种有利的性能在本发明的合金中通过特别地小比例的锰和铁或钴来实现。铁和钴均充当形成硅化物的核，即在存在铁和/或钴的情况下，甚至与热力学平衡的小偏差足以形成小的沉淀。这些沉淀核在本合金组合物中也可以含有镍，其高度分散在微观结构中。现在还含有锰的其他硅化物优先附着至这些核。单个硅化物的尺寸受限于合金的小的锰含量。因此少量的铁和/或钴与少量的锰结合是形成混合硅化物的先决条件。铁和/或钴的最小量被限定为铁含量和两倍钴含量的和，其为至少按重量计0.1％。

令人惊讶地发现，本发明的铜镍锌合金具有优异的表面质量。即使在拉伸状态下，材料表面也非常光滑，具有闪亮的银色外观，并且没有明显的缺陷。表面看起来好像已经被抛光了。通过成形方法(例如拉拔或轧制方法)由根据本发明的合金生产的半成品部件的表面因此在许多情况下已经满足最终产品的质量要求。不再需要进一步改进表面。该半成品部件的表面的平均粗糙度Ra通常不大于0.2μm。平均粗糙度Ra是在至少4mm的测量长度上确定的。

本发明的铜镍锌合金的表面质量至少与迄今在光学产业中使用的材料的表面质量一样好。然而，本发明的铜镍锌合金的强度明显高于迄今使用的材料的强度。该强度的增加使得部件可以制造得更小，结构更精细，从而满足当前的设计要求。根据材料的变形程度，本发明的铜镍锌合金的拉伸强度在700至900MPa的范围内。在硬状态下，其至少为800MPa。

由根据本发明的铜镍锌合金制成的工件具有非常高质量的表面和漂亮的外观，使得该合金适用于制造首饰和制造钟表/手表的部件。此外，由根据本发明的铜镍锌合金制成的工件可以很好地抛光，由此如果有需要可以进一步改善工件的视觉印象并且可以增加产品的价值。此外，本发明的铜镍锌合金的表面由于其优异的均匀度而容易涂布。

特别地，根据本发明的铜镍锌合金的表面质量明显好于具有类似组成的含铅的铜镍锌合金的表面质量。按重量计最高0.1％的小比例的铅可以存在于根据本发明的铜镍锌合金中的杂质中；这些既不是基体活性物也不会影响混合硅化物的形成。根据本发明的铜镍锌合金中铅的比例优选不超过按重量计0.05％。根据本发明的铜镍锌合金特别优选不含铅。

根据本发明的铜镍锌合金的另一个优点是其按重量计约40％的高的锌含量。这使得材料相比例如镍银合金CuNi12Zn24或CuNi18Zn20便宜。

此外，根据本发明的铜镍锌合金具有良好的可加工性。合金可以容易热成形和冷成形。由此半成品部件和最终产品的生产成本降低。特别地，本发明的铜镍锌合金具有非常良好的切削性，即使其最多含有非常少量的铅。即使Pb含量明显低于不可避免的杂质阈值，根据本发明的铜镍锌合金也容易切削。合金良好的切削性的原因是精细处理的混合硅化物充当断屑器。

Fe含量或Co含量至少为按重量计0.1％是有益的。这促进了精细处理的混合硅化物的形成。

在本发明的优选实施方式中，本发明的铜镍锌合金可以具有以下组成[重量百分比]：

47.5％至49.5％的Cu，

8.0％至10.0％的Ni，

0.2％至0.6％的Mn，

0.05％至0.4％的Si，

0.2％至0.8％的Fe，

任选地最高达0.8％的Co，

余量的Zn和不可避免的杂质。

在这种组成下，含镍、铁和锰的混合硅化物可以作为球形或椭圆形颗粒嵌入由α相和β相组成的微结构中。目标铁的合金化导致形成非常好的混合硅化物，其对材料的表面质量具有有益影响。

在本发明的另一个有益的实施方式中，本发明的铜镍锌合金可以具有以下组成[重量百分比]：

47.5％至49.5％的Cu，

8.0％至10.0％的Ni，

0.2％至0.6％的Mn，

0.05％至0.4％的Si，

0.1％到0.8％的Co，

任选地最高达0.8％的Fe，

余量的Zn和不可避免的杂质。

在该组成下，含镍、钴和锰的混合硅化物可以作为球形或椭圆形的颗粒嵌入由α相和β相组成的微观结构中。目标钴的合金化导致形成混合硅化物，其对材料的强度和良好的表面质量具有有益影响。

本发明的另一方面包括根据本发明的合金在制造在表面质量方面具有苛刻要求的消费品，例如首饰和钟表/手表的部件、眼镜铰链、乐器或用于医疗技术的器械的应用。由于由根据本发明的合金制成的工件的优异表面质量，其特别适用于制造首饰、钟表/手表的部件和乐器。在这些应用中，合金的高颜色稳定性也是有益的。颜色稳定性归因于合金的高耐腐蚀性。医疗技术中使用的仪器必须易于清洁。仪器表面越光滑，越容易除去不需要的物质。良好的表面质量和高强度的组合注定了用于生产眼镜铰链的本发明的铜镍锌合金。

本发明的另一方面包括根据本发明的合金在制造钥匙、锁具、插头连接器或圆珠笔的笔尖中的应用。在制造消费品如钥匙或锁具时，根据本发明的铜镍锌合金在可加工性，即良好的可成形性和良好的切削性方面的有益性能得到应用。这同样适用于根据本发明的铜镍锌合金作为由型材(profile)、杆或管通过切削加工制成的插头连接器。在圆珠笔笔尖的应用中，本发明的铜镍锌合金的良好的耐腐蚀性也是有益的。

本发明将借助于工作实例来进行阐述。

将根据本发明的铜镍锌合金和三种比较的合金熔化并铸造以形成坯料。通过热压和冷成形从坯料制造具有4mm外径的线和棒。表1显示了各种合金的重量百分比的组成。

	Cu	Ni	Mn	Si	Fe	Pb	Zn
								本发明合金	48.5	9.5	0.4	0.2	0.5	<0.05	余量
比较样本1	49.0	7.5	3.0	-	-	3.0	余量
								比较样本2	62.5	17.5	0.4	-	-	-	余量
比较样本3	48.4	9.5	0.4	0.3	0.5	1.3	余量

表1：以重量百分比表示的各种合金的组成

在拉制线上进行粗糙度测量。以下性能是在4mm的测量长度上测定的，在每种情况下沿着并横向于拉伸方向：

Ra平均粗糙度

Rz平均峰谷高度

Rmax最大峰谷高度

Rt轮廓的总高度

表2中比较了在样本上测定的数值。

表2：以μm表示的测量的粗糙度值

表2中记录的测量值表明，在八个测量值中的七个测量值中，根据本发明的合金的表面具有最低的粗糙度或峰谷高度。因此根据本发明的合金在拉伸状态下具有最佳的表面质量。特别地，在根据本发明的合金上测定的测量值总是低于含铅的比较样品1和3上测定的测量值。

对四个样本进行切削加工测试。为此，将平行于轴线并且具有2mm内径的中心钻孔引入线中。本发明的合金以及两个含铅比较样本1和3可以没有问题地加工。钻屑是细的。无铅比较样本2在钻探实验中变得非常热，并且在实验期间钻头断裂。

表3中记录的力学性能是在具有如表1所示组成的根据本发明的合金样本上测定的：

	拉伸强度R<sub>m</sub>	屈服点R<sub>p0.2</sub>	断裂伸长率A<sub>10</sub>
				圆杆,直径为8mm	735MPa	561MPa	11％
圆线,直径为2.5mm	835MPa	619MPa	12％

表3：根据本发明的合金的力学性能

实验表明，根据本发明的铜镍锌合金有益地结合了由现有技术可知的合金的该组合中没有发现的性能。

Claims (5)

1.一种铜镍锌合金，其具有以下由重量百分比表示的组成：

46.0％至51.0％的Cu，

8.0％至11.0％的Ni，

0.2％至0.6％的Mn，

0.05％至0.5％的Si，

在各自情况中最高达0.8％的Fe和/或Co，其中Fe含量和两倍Co含量的总和为至少0.1％，

余量的Zn和不可避免的杂质，

其中含有镍、铁和锰的和/或含镍、钴和锰的混合硅化物作为球形或椭圆形颗粒嵌入由α相和β相组成的微观结构中。

2.根据权利要求1所述的铜镍锌合金，其具有以下由重量百分比表示的组成：

47.5％至49.5％的Cu，

8.0％至10.0％的Ni，

0.2％至0.6％的Mn，

0.05％至0.4％的Si，

0.2％至0.8％的Fe，

最高达0.8％的Co，

余量的Zn和不可避免的杂质，

其中含镍、铁和锰的混合硅化物可以作为球形或椭圆形的颗粒嵌入由α相和β相组成的微观结构中。

3.根据权利要求1所述的铜镍锌合金，其具有以下由重量百分比表示的组成：

47.5％至49.5％的Cu，

8.0％至10.0％的Ni，

0.2％至0.6％的Mn，

0.05％至0.4％的Si，

0.1％到0.8％的Co，

最高达0.8％的Fe，

余量的Zn和不可避免的杂质，

其中含镍、钴和锰的混合硅化物可以作为球形或椭圆形的颗粒嵌入由α相和β相组成的微观结构中。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的铜镍锌合金在制造首饰，手表或钟表的部件，眼镜铰链，乐器或医疗器械中的应用。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的铜镍锌合金在制造钥匙、锁具、插头连接器或圆珠笔的笔尖中的应用。