CN110291219A - 具有均匀强度的经沉淀强化的金属合金制品 - Google Patents

具有均匀强度的经沉淀强化的金属合金制品 Download PDF

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Abstract

公开了一种金属合金制品，其在制品的横截面面积上具有均匀的机械特性的组合。金属合金是可沉淀硬化的合金，诸如铝、铜、镍、铁或钛合金。在具体的实施方案中，金属合金是标称组成为Cu‑15Ni‑8Sn的铜‑镍‑锡合金。所述制品通过包括固溶退火、冷加工和沉淀硬化的工艺处理步骤进行强化。所述制品沿其长度具有恒定的横截面，横截面上的最小0.2％残余变形屈服强度为约70ksi。

Description

具有均匀强度的经沉淀强化的金属合金制品
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年12月15日提交的美国临时专利申请序列号62/434,582的优先权，其全部内容通过引用结合于本文中。
背景技术
本公开内容涉及具有超过70ksi的屈服强度和非常高且均匀的冲击韧性的机械特性组合的制品，例如大直径的棒和管。现已发现与由经沉淀硬化的合金(诸如包含铜、镍和锡的合金)制成的制品相关的特定应用，并且将特别参考所述制品来进行描述。然而，应当理解，本公开内容也可以适用于另一些可沉淀硬化的合金的其它类似应用。
发明内容
根据本公开内容的一方面，公开了强化来自铸造或锻造输入物的金属合金制品的方法。原则上，将进行固溶退火，直到输入物整体达到均匀的温度。接下来，对输入物进行冷加工以获得所需的形状和尺寸，诸如沿其长度具有相对恒定的横截面的输入物。例如，输入物可以是直径为至少3.25英寸，长度为至少30英尺的圆柱体。然后，可以对输入物进行热处理，以获得这样的制品：在制品的横截面上具有均匀的韧性和均匀的屈服强度。
根据本公开内容的另一方面，公开了一种来自金属输入物的金属合金制品。所述合金是可沉淀硬化的金属合金，例如含有铜与镍和锡的合金。所述制品沿着该制品的长度具有相对恒定的横截面。金属合金制品在制品的横截面上具有均匀的机械特性。
以下更具体地公开了本公开内容的这些特征和另一些非限制性特征。
附图说明
以下是附图的简要描述，所述附图是为了说明本文公开的示例性实施方案而提供的，而不是为了对其进行限制。
图1A是示出了0.2％残余变形屈服强度(offset yield strength,YS)作为根据本公开内容的方法/工艺制造的标称直径为5英寸的成品金属合金棒的位置的函数的图。
图1B是示出了0.2％残余变形屈服强度作为根据传统工艺制造的标称直径为7英寸的金属合金棒的位置的函数的图，用于与图1A所示的图进行比较。
图2A是示出了洛氏硬度B(Rockwell Hardness B,HRB)作为根据本公开内容的方法/工艺制造的标称直径为5英寸的金属合金棒的位置的函数的图。
图2B是示出了洛氏硬度B作为根据传统工艺制造的标称直径为7英寸的金属合金棒的位置的函数的图，用于与图2A所示的图进行比较。
图3A是示出了极限拉伸强度(ultimate tensile strength,UTS)作为根据本公开内容的方法/工艺制造的标称直径为5英寸的金属合金棒的位置的函数的图。
图3B是示出了极限拉伸强度(UTS)作为根据传统工艺制造的标称直径为7英寸的金属合金棒的位置的函数的图，用于与图3A所示的图进行比较。
具体实施方式
参考以下对本文包括的期望实施方案和实施例的详细描述，可以更容易地理解本公开内容。在下面的说明书和随后的权利要求中，将引用许多术语，这些术语应被定义为具有以下含义。
除非上下文另有明确规定，否则没有数量词修饰的名词和“所述”包括复数个/种指示物。
本申请的说明书和权利要求中的数值应该被理解为，包括当减少到相同数目的有效数字时相同的数值，以及与所述值的差小于本申请中描述的确定该值的类型的常规测量技术的实验误差的数值。
本文公开的所有范围包含所述端点并且可独立组合(例如，“2克至10克”的范围包含端点2克和10克以及所有中间值)。
如本文所使用的，可以应用诸如“约”和“基本上”等近似语言来修饰可以进行变化但不会导致其所涉及的基本功能变化的任何定量表述。修饰语“约”也应该被认为是公开了由两个端点的绝对值限定的范围。例如，表述“从约2到约4”还公开了“从2到4”的范围。术语“约”可以指所示数字的正负10％。
术语“室温”是指从20℃到25℃的范围。
术语“均匀”用于描述制品的机械特性，诸如0.2％残余变形屈服强度、硬度或韧性。当用于描述机械特性时，术语“均匀”是指在制品横截面上不同位置之间的测量的特性值的一致性。当不同位置之间存在微小偏差时，测量的特性值仍被视为“均匀”。出于本公开内容的目的，如果所有值在平均值的任一方向上为±5ksi，则获得均匀的0.2％残余变形屈服强度。如果所有测量值在平均值的任一方向上为±2HRB或HRC，则获得B级或C级的均匀的洛氏硬度。最后，如果所有值在平均值的任一方向上为±10ft-lbs，则获得均匀的冲击韧性。请注意，这些是绝对值，而不是标准偏差。
如本文所使用的，术语“沉淀硬化”和“时效硬化”是可互换的。在这方面，例如，并非所有合金都是可旋节硬化的，但是所有可旋节硬化的合金都是可沉淀硬化的或可时效硬化的。
本公开内容提供了制造和强化金属合金制品(诸如棒或管状圆柱体)的方法。所述制品可以来自铸件或锻造模型。有利地，所公开的方法使得可以制造出横截面直径超过至少3.25英寸，同时仍保持机械特性的组合的制品(诸如棒)，所述机械特性在横截面直径上优选是均匀的。在现有的制造和强化工艺中，直径超过约3.25英寸的金属合金棒在实现这种均匀的机械特性的组合上未获成功。特别地，本公开内容可以涉及具有棒或管状圆柱体形状的制品。然而，本文描述的方法/工艺将适用于沿其长度具有恒定的横截面的任何制品，诸如条、板、“L”形模型、星形模型、“X”形模型等。
沿其存在恒定的横截面的长度不一定等于整个制品的长度。例如，制品可以包含具有不同横截面尺寸的多个部分。例如，可以设想一种狗骨形制品，其中该制品的端部部分具有较大的外径，而中心部分具有小于端部部分的较大外径的外径。在这样的实施例中，由于在较小直径的中心部分中进行了集中的均匀冷加工，所以较小直径的中心部分相对于较大外径的端部部分可以表现出增强的机械特性。
最初，合金制品来自输入物。所述输入物可以是坯料或工件。在这方面，应该注意，术语“合金”是指材料本身，而术语“输入物”是指由熔融合金制成并且根据本公开内容的方法加工的固化结构。术语“坯料”用于指连续的或静态的铸件，其先前未被加工(即，原始的)。“工件”是指随后机械成形的坯料。“棒”是实心的，而“管”在其整个长度上具有中空通道。术语“输入物”还用于指进入本公开内容的工艺的初始金属片，而术语“制品”用于指离开本公开内容的工艺或通过本公开内容的工艺获得的最终金属片。
用于制造所公开的制品的金属合金可以是铜基合金。可选地，用于制造所公开的制品的金属合金可以是铝(Al)、镍(Ni)、铁(Fe)或钛(Ti)合金。合金的50wt％以上是所列元素。
例如，可以使用可沉淀硬化的铜-镍-锡(CuNiSn)合金。本文公开的铜-镍-锡合金包含约5wt％至约20wt％的镍、约5wt％至约10wt％的锡，以及余量的铜。更优选地，铜-镍-锡合金包含约14wt％至约16wt％的镍，包含约15wt％的镍；约7wt％至约9wt％的锡，包含约8wt％的锡；以及余量的铜，不包含杂质和少量添加剂。在另外其它的优选实施方案中，铜-镍-锡合金包含约8wt％至约10wt％的镍和约5wt％至约7wt％的锡，以及余量的铜，不包含杂质和少量添加剂。少量添加剂包括硼、锆、铁和铌，这些添加剂进一步促进了等轴晶体的形成，并且还降低了固溶热处理期间基质中Ni和Sn的扩散速率的相异性。其它少量添加剂包括镁和锰，所述镁和锰可用作脱氧剂和/或可以对成品状态下的合金的机械特性产生影响。还可以存在其它元素。杂质包括铍、钴、硅、铝、锌、铬、铅、镓或钛。出于本公开内容的目的，应当认为小于0.01wt％的量的这些元素是不可避免的杂质，即它们的存在不是预期或期望的。在铜-镍-锡合金中存在不超过约0.3wt％的前述元素。
在一些实施方案中，铜合金是铜镍(CuproNickel)合金，其也被称为CA717或UNSC71700合金。UNS C71700合金含有高达1.0wt％的锌、约0.40wt％至约1.0wt％的铁、约29wt％至约33wt％的镍、约0.3wt％至约0.7wt％的铍(Be)、高达1.0wt％的锰，以及余量的铜。
在另一些实施方案中，铜合金还含有铍(即BeCu合金)。在一些实施方案中，BeCu合金通常包含约1.6wt％至约2.0wt％的铍，包含约1.8wt％至约2.0wt％和约1.8wt％至约1.9wt％的铍。这些BeCu合金还可以包含钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)和/或铅(Pb)。在一些实施方案中，BeCu合金可以进一步包含约0.2wt％至约0.3wt％的钴。在再一些实施方案中，BeCu合金中可以包含约0.2wt％至约0.6wt％的铅。这些列出的每种元素的量可以以任何组合方式彼此结合。
在另一些实施方案中，这些BeCu合金中钴和镍的总和为至少0.2wt％。在另一些实施方案中，BeCu合金中钴、镍和铁的总和为至多0.6wt％。应该注意，不需要存在所有这三种元素。这类合金可以含有镍或钴中的至少一种，也可能仅含有镍或钴。不需要存在铁，但在一些特定实施方案中，铁的存在量为约0.1wt％或更多(高达所述极限)。
在一些特定实施方案中，BeCu合金包含约1.8wt％至约2.0wt％的铍；总和为至少0.2wt％的钴和镍；总和为至多0.6wt％的钴、镍和铁；以及余量的铜。该合金可从Materion公司以商品名Alloy 25、Alloy 190或Alloy 290商购获得，并且也被称为UNS C17200合金。
在一些特定实施方案中，BeCu合金包含约1.6wt％至约1.85wt％的铍；总和为至少0.2wt％的钴和镍；总和为至多0.6wt％的钴、镍和铁；以及余量的铜。该合金可从Materion公司以商品名Alloy 165商购获得，并且也被称为UNS C17000合金。
在另一些实施方案中，BeCu合金包含约1.8wt％至约2.0wt％的铍；约0.2wt％至约0.3wt％的钴；以及余量的铜。该合金可从Materion公司以商品名MoldMax 或MoldMax商购获得，并且可以被认为是UNS C17200合金。
在另一些特定实施方案中，BeCu合金包含约1.8wt％至约2.0wt％的铍；总和为至少0.2wt％的钴和镍；总和为至多0.6wt％的钴、镍和铁；约0.2wt％至约0.6wt％的铅；以及余量的铜。该合金可从Materion公司以商品名Alloy M25商购获得，并且也被称为UNSC17300合金。
在一些另外的实施方案中，BeCu合金通常包含约0.2wt％至约0.7wt％的铍，包含约0.2wt％至约0.6wt％或约0.4wt％至约0.7wt％的铍。这些BeCu合金还可以包含钴(Co)或镍(Ni)。在一些实施方案中，BeCu合金可以进一步包含约0.8wt％至约2.7wt％的钴，包含约0.8wt％至约1.3wt％或约2.4wt％至约2.7wt％的钴。在一些实施方案中，BeCu合金可以进一步包含约0.8wt％至约2.2wt％的镍，包含约0.8wt％至约1.3wt％或约1.4wt％至约2.2wt％的镍。这些列出的每种元素的量可以以任何组合方式彼此结合。
在一些特定实施方案中，BeCu合金包含约0.2wt％至约0.6wt％的铍；约1.4wt％至约2.2wt％的镍；以及余量的铜。该合金可从Materion公司以商品名Alloy 3商购获得，并且也被称为UNS C17510合金。
在一些特定实施方案中，BeCu合金包含约0.4wt％至约0.7wt％的铍；约2.4wt％至约2.7wt％的钴；以及余量的铜。该合金可从Materion公司以商品名Alloy 10商购获得，并且也被称为UNS C17500合金。
在另一些替选实施方案中，铜合金是铜-镍-硅-铬(Cu-Ni-Si-Cr)合金。Cu-Ni-Si-Cr合金中的镍的量可以为合金的约5wt％至约9wt％，包含约6wt％至约8wt％或者约6.4wt％至约7.6wt％的镍。Cu-Ni-Si-Cr合金中的硅的量可以为合金的约1wt％至约3wt％，包含约1.5wt％至约2.5wt％的硅。Cu-Ni-Si-Cr合金中的铬的量可以为合金的约0.2wt％至约2.0wt％，包含约0.3wt％至约1.5wt％或者约0.6wt％至约1.2wt％的铬。合金的余量是铜。这些列出的铜、镍、硅和铬的量可以以任何组合方式彼此结合。
在又一些更具体的实施方案中，铜-镍-硅-铬合金含有：约6.4wt％至约7.6wt％的镍；约1.5wt％至约2.5wt％的硅；约0.6wt％至约1.2wt％的铬；以及余量的铜。该合金可从Materion公司以商品名MoldMax 或PerforMetTM商购获得。
在本文所述的加工步骤之后，合金制品的0.2％残余变形屈服强度为至少70,000psi(即70ksi)至约180ksi。0.2％残余变形屈服强度根据ASTM E8-16a测量。另外，当根据ASTM E23-16b利用夏氏V形缺口试验在室温下测量时，合金制品的冲击韧性为至少25英尺-磅(ft-lbs)至约100ft-lbs。另外，合金制品的硬度为至少约90HRB至约100HRB，或者硬度为至少约20HRC至约40HRC。洛氏硬度根据ASTM E18-17e1测量。
根据所公开的方法实现的机械特性组合包括在最终的金属合金制品的整个横截面面积上均匀的冲击韧性、硬度和屈服强度。通过使用热强化机制可以实现这些特性。例如，在一些实施方案中，所述工艺包括垂直连铸、均化、热加工、固溶退火、冷加工和沉淀硬化所有这些步骤。作为根据本文公开的实施方案的另一个实例，所述工艺包括铸造、均化、固溶退火、冷加工和沉淀硬化处理所有这些步骤。在另一个示例性的非限制性实施方案中，至少三个强化工艺步骤是关键的，包括固溶退火、冷加工和沉淀硬化。预期由通过上述工艺强化的合金制成的所得制品可以是直径高达至少10英寸的棒/管，诸如那些用于石油和天然气工业的棒/管、工业机加工轴承，以及包括棒、条和板的另一些对称模型。在进一步的非限制性实施方案中，所得制品可以是由通过上述工艺强化的合金制成的且直径为约1英寸至约10英寸的棒/管。
对输入物进行本公开内容的工艺，所述输入物可以是坯料或工件。可以通过铸造(诸如通过垂直连续铸造)形成具有细的且高度单一的颗粒结构的坯料。根据所需的应用，坯料可以是板坯或方坯，并且在一些实施方案中具有圆柱形或其它形状。有利地，铸造工艺使得可以实现热加工工艺并且扩展机械特性组合选项以满足应用需求，例如航空航天、石油和天然气勘探部件，以及用于机械系统和机构的摩擦学零件。可选地，输入物可以是预锻造的锻造模型(也被称为热加工产品或工件)。
如上所述，输入物和最终制品具有恒定的横截面。“横截面”是指输入物/制品沿着与输入物/制品的长度垂直的平面的形状。如果在横截面的周界的相对侧之间绘制出的参考线(例如“直径”)的长度距该线的平均值在任一方向上变化不超过±5％，则横截面几何形状或形状是“恒定的”，如通过沿输入物/制品的长度所进行的多次测量确定的。
热强化工艺可以包括使输入物经受第一热处理或均化步骤。所述热处理在足够的温度下进行足够长的时间以将合金基质转变成单相(或非常接近单相)。换句话说，对输入物进行热处理以使合金均化。根据所需的最终机械特性和合金，可以改变对输入物进行热处理的温度和时间段。在实施方案中，对于铜合金，该均化热处理在约1350℉或更高的温度下进行，包括约1475℉至约1650℉的范围。对于铝合金，均化温度可以为约840℉至约1070℉。对于钛合金，均化温度可以为约800℉至约1050℉。对于铁合金，均化温度可以为约1700℉至约1950℉。对于镍合金，均化温度可以为约1800℉至约2450℉。均化可以进行约4小时至约48小时的时间段。
热强化工艺还可以包括使均化的输入物经受热加工。这里，输入物经受显著均匀的机械变形，这种显著均匀的机械变形减小了输入物的横截面面积，或者基本上改变了原始输入物的形状。可以在固溶相线温度与固相线温度之间进行热加工，使得合金在变形期间再结晶。这改变了合金的微观结构，从而形成可以提高材料的强度、延展性和硬度的更细的晶粒。根据热加工进度，所述热加工可能导致合金具有各向异性或不具有各向异性。热加工可以通过热锻造、热挤出、热轧、热穿孔(即旋转穿孔)或其它热加工工艺进行。在热加工期间，可以重新加热输入物，每英寸厚度的输入物加热约1小时，但无论如何加热至少足够长的时间以确保温度均匀性。在一些实施方案中，这为约6小时。
对于诸如可沉淀硬化的铜合金等金属，用于输入物的热强化工艺通常从热处理(诸如固溶退火)开始。换句话说，在一些实施方案中，在上述均化步骤之后进行固溶退火，并且不进行中间的热加工(例如，对于直接来自铸件的坯料)。在另一些非限制性实施方案中，在上述热加工步骤之后进行固溶退火。在固溶退火期间，将金属输入物加热到足够高的温度，以使所有合金元素均匀地扩散到合金的主要元素中。可以对输入物进行固溶退火，直到其整体达到均匀的温度。在铜合金的实施方案中，固溶退火在约1300℉或更高的温度下进行，对于铜合金，包括约1350℉至约1650℉或约1300℉至约1700℉的范围。固溶退火进行约60秒至约5小时的时间段，包括约3小时或更长的时间段。
对于铝合金，固溶退火温度可以为约840℉至约1070℉。对于钛合金，固溶退火温度可以为约800℉至约1050℉。对于铁合金，固溶退火温度可以为约1700℉至约1950℉。对于镍合金，固溶退火温度可以为约1800℉至约2450℉。对于这些合金，固溶退火也进行约60秒至约5小时的时间段，包括约3小时或更长的时间段。应当注意，固溶退火温度通常低于均化温度，并且固溶退火时间通常也短于上述均化的时间。
通常，在固溶退火处理之后立即对输入物进行冷水淬火。用于淬火的水温为180℉或更低。淬火提供了一种在从固溶退火处理获得的结构中保留尽可能多的溶解元素的方式。将从热处理炉中取出输入物直到开始淬火的时间间隔最小化是重要的。例如，在从固溶热处理炉中取出输入物与淬火之间大于2分钟的任何延迟都是有害的。输入物应在淬火中保持至少三十(30)分钟，以将内部温度降低至约500℉或更低。空气冷却或其它受控冷却替代淬火也是可以接受的。
接下来，冷加工固溶退火的输入物，或者换句话说，对固溶退火的输入物进行冷加工。例如，输入物可以是铸件或现有的热加工棒、管或板。在固溶处理后，输入物通常是“柔软的”并且更耐冷加工或成形。冷加工是通过塑性变形改变金属输入物的形状或尺寸的过程，并且可以包括轧制、拉拔、皮尔格轧制、压制、旋压、挤出或冷镦金属输入物。
冷加工通常在低于输入物的再结晶点的温度下进行，并且通常在室温下完成。冷加工提高了硬度和拉伸强度，同时通常降低了延展性和冲击特征。冷加工还可以改善输入物的表面光洁度。该工艺在本文中被归类为由塑性变形导致的横截面面积的百分比减小。这通过机械地减少输入物工件中的二次枝晶间的距离降低了显微偏析。冷加工也提高了输入物的屈服强度。对于通过冷加工和沉淀硬化可实现的高强度的最佳值，应当减小至少20％的横截面面积。然而，根据所需的机械特性，可以通过冷加工对横截面面积进行任何合适的减小。例如，通过冷加工可以减小约5％至约40％或更多的横截面面积。减小程度根据以下公式测量：
％CW＝100*[A0-Af]/A0
其中A0是冷加工前的初始或原始横截面面积，Af是冷加工后的最终横截面面积。这些冷加工参数适用于铜合金以及铝(Al)、镍(Ni)、铁(Fe)或钛(Ti)合金。
可以重复固溶退火和冷加工步骤，直到产生所需的尺寸或其它参数。在实施方案中，对输入物进行冷加工，直到输入物的直径为至少3.25英寸，长度高达约30英尺或更长。在进一步的实施方案中，预期直径为约1英寸至约10英寸。冷加工必须直接在沉淀硬化之前进行。
然后，对经过冷加工的输入物进行额外的热处理或沉淀硬化，无论所述输入物是直接来自铸件还是来自锻造模型。这种热处理用于使输入物时效硬化。一般而言，沉淀硬化在旋节沉淀区域或其它沉淀区域内在一定温度下进行，所述温度是低于固溶退火温度的温度。在实施方案中，对于铜合金(诸如CuNiSn)，该温度为约400℉至约1000℉，包括约475℉至约850℉，约475℉至约1000℉，以及约500℉至约750℉。这里，单相材料将自发地分解成两个化学上不同但结构上相同的相的交替区域。沉淀硬化的制品中的结构非常精细，肉眼不可见，并且在整个晶粒上是连续的，直到晶界。通过旋节分解强化的合金形成特征化的调制的微观结构。这种精细尺度结构的分辨率超出了光学显微镜的范围。只能通过纯熟的电子显微术分辨。可选地，已经观察到在电子衍射图谱中的基频布拉格反射周围的卫星反射以确认铜-镍-锡和其它合金系统中发生的旋节分解。可以改变对工件进行热处理的温度和时间段，以获得所需的最终特性。在实施方案中，沉淀硬化处理进行约10分钟至约10小时或更长的时间段，包括约3小时至约5小时的时间段。
对于铝合金，沉淀硬化处理温度可以为约200℉至约500℉。对于钛合金，沉淀硬化处理温度可以为约400℉至约650℉。对于铁合金，沉淀硬化处理温度可以为约900℉至约1150℉。对于镍合金，沉淀硬化处理温度可以为约1000℉至约2080℉。对于这些合金，沉淀硬化处理也进行约10分钟至约10小时或更长的时间段，包括约3小时至约5小时的时间段。
在特定实施方案中，最终制品(可以是棒/管)的直径为至少3.25英寸。
在铜合金的一些特定实施方案中，所述输入物的固溶退火在约1500℉的温度下进行约3小时的时间；冷加工导致所述输入物的横截面面积减小约25％，输入物的横截面直径为至少3.25英寸，输入物的长度高达约30英尺；并且沉淀硬化在约475℉至约850℉的温度下进行约10分钟至约10小时的时间段。
在铜合金的一些另外的特定实施方案中，输入物的固溶退火在约1500℉的温度下进行约3小时的时间；冷加工导致输入物的横截面面积减小约25％，输入物的横截面直径为约5英寸；并且沉淀硬化在约475℉至约850℉的温度下进行约10分钟至约10小时的时间。
在具有大直径(诸如约10英寸)且由铜合金制成的制品的特定实施方案中，沉淀/旋节硬化在约500℉至约750℉的温度下进行约3小时至约5小时的时间，然后对该制品进行空气冷却。
利用以上描述的工艺，针对本文所述的金属合金，获得了具有有利组合的机械特性的所得制品合。在特定实施方案中，所述制品可以是棒或管的形状。所述制品在冷加工后在横截面上具有均匀的机械特性，并且在最终的旋节热处理之前具有令人惊讶的高屈服强度和高冲击韧性的组合。根据已知的沉淀硬化原理，在旋节热处理或时效硬化之后，强度特征(即屈服强度和极限拉伸强度)提高。根据以上描述的工艺，通过对大直径制品(例如棒或管)进行适当地热处理，实现了强度(用于静态结构工程设计)和冲击韧性(用于减少粗加工应用中的断裂)之间的平衡。换句话说，通过平衡冷加工和沉淀硬化的程度，可以实现特定的目标强度水平。
在一些特定实施方案中，制品是棒/管，在棒/管的直径上具有大于70,000psi(即70ksi)的均匀的0.2％残余变形屈服强度。在一些另外的特定实施方案中，棒/管的直径上的均匀的0.2％残余变形屈服强度为约70ksi至约180ksi。在一些其它特定实施方案中，棒/管的直径上的均匀的0.2％残余变形屈服强度为约95ksi至约180ksi。棒/管在棒/管的直径上具有大于25英尺磅(foot pounds,ft-lbs)的均匀的冲击韧性。在一些特定实施方案中，棒/管的直径上的均匀的冲击韧性为约25ft-lbs至约100ft-lbs。冲击韧性根据ASTM E23-16b利用夏氏V形缺口试验并且在室温下测量。这些特性也适用于其它横截面。
在一些特定实施方案中，制品是直径大于3.25英寸，长度高达约30英尺，最小0.2％残余变形屈服强度为约70ksi，并且冲击韧性为约24ft-lbs或更大的棒/管。
在一些特定实施方案中，制品是直径大于3.25英寸，最小0.2％残余变形屈服强度为约95ksi，并且冲击韧性为约25ft-lbs至约100ft-lbs的棒/管。
提供以下实施例来说明本公开内容的工艺。这些实施例仅仅是说明性的，并非旨在将本公开内容内容限制于其中所述的材料、条件或工艺参数。
实施例
参考图1A、图2A和图3A，示出了根据本公开内容的工艺利用一致量的冷加工和热处理在来自铸件的棒中可实现的示例性特性组合。特别地，对于棒使用Cu-15Ni-8Sn合金，所述棒由原始工件锻造而成。最终制品是这样的棒：其标称直径为5英寸并且使用上述工艺强化以实现在棒的横截面上类似的韧性、屈服强度和极限拉伸强度组合。制备原始工件的不同位置处的测试样品，以测量作为位置的函数的屈服强度、硬度和极限拉伸强度。在六个不同的位置测试三个测试样品的屈服强度、拉伸强度和硬度。这些位置是从原始工件的中心到测试样品的中心的距离的量度。所述位置包括距离中心0.45英寸、0.73英寸、1.3英寸、1.33英寸、1.6英寸和2.2英寸的距离。
为了与本文公开且在图1A、图2A和图3A中示出的使用强化工艺可实现的特性组合进行比较，在图1B、图2B和图3B中示出了使用现有的强化工艺的特性组合。特别地，对于棒使用可从Materion以商品名3商购获得的现有铜-镍-锡合金。成品制品是标称直径为7英寸的棒。制备制品的多种直径的测试样品，以测量作为位置的函数的屈服强度、硬度和极限拉伸强度。在四个不同的位置测试三个测试样品的屈服强度、拉伸强度和硬度。这些位置是从原始工件的中心到测试样品的中心的距离的量度。所述位置包括距离中心0.5英寸、1.5英寸、2.5英寸和3.5英寸的距离。
参考图1A，对0.45英寸、0.73英寸、1.3英寸、1.33英寸、1.6英寸和2.2英寸的测试位置样品中的每一个进行拉伸测试。屈服强度是作为0.2％残余变形测量的。观察到不同位置处的每个测试样品的屈服强度通常是均匀的。对于在0.45英寸位置处的第三测试样品，观察到的最低屈服强度为约97.5ksi，对于在1.3英寸位置处的第三测试样品，观察到的最高屈服强度为约106.5ksi。因此，在棒的截面上观察到的最大屈服强度变化仅为约9ksi。然而，测试样品之间屈服强度通常仅变化约2ksi，所有测试样品的平均值为约104ksi。因此，5英寸标称直径的成品棒在其直径上表现出均匀的屈服强度，如图1A所示。相比之下，图1B所示的现有的铜-镍-锡合金的拉伸测试显示出这样的屈服强度：所述屈服强度从表面(即3.5英寸)到棒的中心变化很大(范围为30ksi)。
参考图2A，对0.45英寸、0.73英寸、1.3英寸、1.33英寸、1.6英寸和2.2英寸的测试位置样品中的每一个进行硬度测试。特别地，测量B级洛氏硬度。对于不同位置处的每个测试样品观察到硬度通常是均匀的，包括约90HRB至约100HRB的范围。对于在0.73英寸位置处的第二测试样品，观察到的最低硬度为约95.3HRB点。对于在1.33英寸位置处的第三测试样品和在1.6英寸位置处的第一测试样品，观察到的最高硬度为约97.5HRB点。因此，观察到的最大硬度变化仅为约2HRB点，这对于这些直径处的经过冷加工的棒来说是出乎意料的。因此，5英寸标称直径的棒在其直径上表现出均匀的硬度，如图2B所示。相比之下，图2B所示的现有的铜-镍-锡合金的硬度测试显示出这样的硬度：所述硬度在棒的直径上变化很大(范围为～10HRB点)。
参考图3A，对0.45英寸、0.73英寸、1.3英寸、1.33英寸、1.6英寸和2.2英寸的测试位置样品中的每一个进行极限拉伸测试。对于不同位置处的每个测试样品观察到极限拉伸强度通常是均匀的。对于在0.45英寸位置处的第三测试样品，观察到的最低极限拉伸强度为约102ksi，对于在1.3英寸位置处的第三测试样品，观察到的最高极限拉伸强度为约108ksi。因此，在棒的截面上观察到的最大极限拉伸强度变化仅为约6ksi。然而，测试样品之间的极限拉伸强度通常仅变化约2ksi。因此，5英寸标称直径的棒在其直径上表现出均匀的极限拉伸强度，如图3A所示。相比之下，图3B所示的现有的铜-镍-锡合金的拉伸测试显示出这样的极限拉伸强度：所述极限拉伸强度从表面(即3.5英寸)到棒的中心变化很大(范围为30ksi)。
在另一些应用中，由本文公开的可沉淀硬化的合金制成的制品可用于石油和天然气勘探工业、航空航天工业，以及使用摩擦学零件的机械系统和机械。特别地，本文所公开的制品可以用于石油和天然气勘探工业，诸如钻铤、保护接头、转换接头、钻头部件或扶正器。同样，目标制品可以用于石油和天然气生产工业，诸如采油树(即，通常用于控制石油或天然气流出井的流量的阀门、阀芯和配件的组件)、防喷系统中的部件、滑阀门或滑阀体、生产井泵的部件，或杆式泵系统的部件。可选地，本文所述的制品可用作耐磨部件，诸如工业系统中的滑动部件。本文公开的制品的进一步的用途包括作为飞机、海底船舶或水面船舶、工业机器、越野运输设备、地面接合设备或采矿机的衬套或轴承。本文公开的制品的额外用途包括用于勘探、传感或方向引导设备的非磁性部件。目标制品的另一些用途可包括用于塑性模制和制造部件的工具。
通过加工，包括固溶退火、冷加工和沉淀硬化，现在可以获得具有为70ksi至高达180ksi的最小0.2％残余变形屈服强度和高至25ft-lbs且高达100ft-lbs的夏氏冲击能量的大直径(即，直径大于3.25英寸)的铜-镍-锡合金棒或管。这些有利的机械特性可以在沿制品的长度具有相对恒定的横截面的制品中进一步实现。固溶退火、冷加工和沉淀硬化处理使得这些有利的机械特性在本文公开的制品的横截面面积上是均匀的。这些特性是在严格的机械服务应用中至关重要的特征，其中需要高裂纹萌生和延展抗性、抗疲劳性、长寿命和可靠性、耐擦性、耐磨性、耐腐蚀性、耐温性等。
已经参考示例性实施方案描述了本公开内容。显然，在阅读和理解了前面的详细描述之后，可以进行多种修改和替换。本公开内容意图被解释为包括所有这样的修改和替换，只要它们落入所附权利要求或其等同物的范围内即可。

Claims (25)

1.一种由输入物制备制品的方法，所述输入物为铸件或锻造模型，所述方法包括：
使所述输入物固溶退火直到整个所述输入物达到均匀的温度；
冷加工所述输入物直到减少约5％至约40％的横截面面积；以及
沉淀硬化所述输入物以获得所述制品，
其中所述制品沿其长度具有恒定的横截面，并且在所述横截面上具有约70ksi或更大的均匀的0.2％残余变形屈服强度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述冷加工期间减少至少20％的横截面面积。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述输入物由铜合金制成，并且所述固溶退火在约1350℉至约1650℉的温度下进行约60秒至约5小时的时间段。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述固溶退火在约800℉至约2450℉的温度下进行约60秒至约5小时的时间段。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述制品是直径大于3.25英寸，或直径高达10英寸，或直径为约1英寸至约10英寸的棒或管。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述制品的长度为约30英尺或更长。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，铜合金的所述沉淀硬化在约400℉至约1000℉的温度下进行约10分钟至约10小时的时间段。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述沉淀硬化在约200℉至约2080℉的温度下进行约10分钟至约10小时的时间段。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，当根据ASTM E23-16b利用夏氏V形缺口试验在室温下进行测量时，所述制品在所述横截面上具有约25ft-lbs至约100ft-lbs或更大的均匀的CVN冲击韧性。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述制品的所述均匀的0.2％残余变形屈服强度为约70ksi至约180ksi。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述制品在所述横截面上具有约HRB90至约HRB100的均匀的洛氏B硬度，或者在所述横截面上具有约HRC 20至约HRC 40的均匀的洛氏C硬度。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述坯料由铜、铝、镍、铁或钛合金制成。
13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述固溶退火之前使所述输入物在约800℉至约2450℉的温度下均化约60秒至约5小时的时间段；其中所述固溶退火在比所述均化更低的温度下进行。
14.一种制品，包含：
经沉淀硬化的金属合金；并且
沿着所述制品的长度具有恒定的横截面，
其中所述制品在所述制品的所述横截面上具有均匀的0.2％残余变形屈服强度和均匀的硬度。
15.根据权利要求14所述的制品，其中，所述制品是棒或管。
16.根据权利要求15所述的制品，其中，所述棒或管的直径为至少3.25英寸，或直径为约5英寸，或直径为约10英寸。
17.根据权利要求15所述的制品，其中，所述棒或管的长度高达约30英尺或更长。
18.根据权利要求14所述的制品，其中，所述金属合金是铜-镍-锡合金。
19.根据权利要求18所述的制品，
其中，所述铜-镍-锡合金包含约5wt％至约20wt％的镍、约5wt％至约10wt％的锡，以及余量的铜；或者
其中，所述铜-镍-锡合金包含约14wt％至约16wt％的镍、约7wt％至约9wt％的锡，以及余量的铜；或者
其中，所述铜-镍-锡合金包含约8wt％至约10wt％的镍、约5wt％至约7wt％的锡，以及余量的铜。
20.根据权利要求14所述的制品，其中，所述制品具有约25ft-lbs至约100ft-lbs的均匀的夏氏V形缺口冲击韧性。
21.根据权利要求14所述的制品，其中，所述制品的所述均匀的0.2％残余变形屈服强度为约70ksi至约180ksi。
22.根据权利要求14所述的制品，其中，所述制品具有约HRB 90至约HRB 100的均匀的洛氏B硬度或者具有约HRC20至约HRC40的均匀的洛氏C硬度。
23.根据权利要求14所述的制品，其中，所述制品是钻铤；保护接头；转换接头；钻头部件；扶正器；采油树；防喷系统的部件；滑阀门或滑阀体；生产井泵的部件；杆式泵系统的部件；工业系统中的滑动部件；用于飞机、海底船舶或水面船舶、工业机器、越野运输和地面接合设备、采矿机的衬套或轴承；用于勘探、传感或定向引导设备的非磁性部件；或者是用于塑性模制、焊接或制造装置的工具部件。
24.根据权利要求14所述的制品，其中，所述金属合金是铝、铜、镍、铁或钛合金。
25.一种包括根据权利要求14所述的制品的装置。
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