CN115404376A - 高强度耐磨耗的多元铜合金及其用途 - Google Patents

高强度耐磨耗的多元铜合金及其用途 Download PDF

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Abstract

本发明主要揭示一种高强度耐磨耗多元铜合金，其组成包括：80～90at％的Cu、0.1～4at％的Al、6～10at％的Ni、0.1～3at％的Si、0.1～2at％的V及/或Nb、以及0.1～2at％的M。其中，M为选自于Zr、Cr、Ti、Sn、Fe、Mn、Mg、C、P、和B之中的至少一添加元素。实验结果显示，本发明多元铜合金的多个样品在以450℃的温度进行时效处理50小时之后，其强度和硬度明显升高，显示出时效硬化之效，且在时效处理的过程中未有过时效软化现象发生。并且，量测数据显示，本发明多元铜合金的多个样品相较习知的铜合金而显示出更好的抗磨耗特性。

Description

高强度耐磨耗的多元铜合金及其用途
技术领域
本发明是关于铜合金的相关技术领域，尤其指一种高强度耐磨耗的多元铜合金。
背景技术
由于具有良好的导电性及导热性、高耐蚀能力、优秀的机械强度、抗疲劳能力、以及独特的金属光泽，因此铜及铜合金在工业制造上获得广泛应用。
熟悉铜合金设计与制造的材料工程师必然知道，铜铍合金和铜镍硅合金皆为高耐磨耗的铜合金，其中，铜镍硅合金又称为可鲁逊合金(Corson Alloy)。高耐磨耗的铜合金常被用来制作轴承、精密的齿轮、蜗轮、轴衬外套等对抗磨耗特性有较高要求的零组件。
随着对于工具机加工精准度及长期稳定度的需求持续提高，传统的铜铍合金及铜镍硅合金的抗磨耗特性已不足以满足市场需求。图1显示时间相对于硬度的曲线图。更进一步地说明，当环境温度低于350℃时，铜铍合金的硬度变化与时间的关系如图1所示。
可惜的是，研究数据显示，铜铍合金常温以及低于350℃的环境温度下虽具有高强度的特性，但是，在350℃以上的环境温度下，其硬度仍会大幅下降，这个特性限制了铜铍合金的应用。另一方面，当铜铍合金和另一对象发生界面磨擦时，两者界面会产生温升现象。因此，即使在室温下操作，在铜铍合金高荷重的情况下，铜铍合金的界面温度仍可高达600℃。
由前述说明可知，有必要对习知的铜合金进行改良，使其磨耗特性能够显著提升，从而增加其工业制造的应用。有鉴于此，本案发明人极力加以研究发明，而终于研发完成一种高强度耐磨耗的多元铜合金。
发明内容
本发明主要目的在于提供一种高强度耐磨耗的多元铜合金，其组成包括：80～90at％的Cu、0.1～4at％的Al、6～10at％的Ni、0.1～3at％的Si、0.1～2at％的V及/或Nb、以及0.1～2at％的M。其中，M为选自于Zr、Cr、Ti、Sn、Fe、Mn、Mg、C、P、和B之中的至少一添加元素。实验结果显示，本发明多元铜合金的多个样品在以450℃的温度进行时效处理50小时之后，其强度和硬度明显升高，显示出时效硬化之效，且在时效处理的过程中未有过时效软化现象发生。并且，量测数据显示，本发明多元铜合金的多个样品相较习知的铜合金而显示出更好的抗磨耗特性，因此本发明的多元铜合金能够取代习知的铜合金，从而被应用在各种要求具备优良抗磨耗特性零件及/或构件的制造，例如：轴承、齿轮、活塞、连接器、导电轨、导线框架、继电器、探针等。
为达成上述目的，本发明提出所述高强度耐磨耗多元铜合金一第一实施例，其磨耗阻抗大于415m/mm3，且其组成是由下列组成式所表示:CuwAlxNiySizNmMs；
其中，N为选自于由V和Nb所组成群组中的至少一种耐火元素，且M为选自于由Zr、Cr、Ti、Sn、Fe、Mn、Mg、C、P、和B所组成群组中的至少一种添加元素；
其中，w、x、y、z、m与s皆为原子百分比数值，且w、x、y、z、m与s满足以下不等式:80≦w≦90、0.1≦x≦4、6≦y≦10、0.1≦z≦3、0.1≦m≦2、及0.1≦s≦2。
并且，本发明同时提出所述高强度低模数合金一第二实施例，其磨耗阻抗大于475m/mm3，且其组成是由下列组成式所表示:CuwAlxNiySizNmMs；
其中，N为选自于由V和Nb所组成群组中的至少一种耐火元素，且M为选自于由Zr、Cr、Ti、Sn、Fe、Mn、Mg、C、P、和B所组成群组中的至少一种添加元素；
其中，w、x、y、z、m与s皆为原子百分比数值，且w、x、y、z、m与s满足以下不等式:97≦w≦98.5、x≦0.1、0.2≦y≦0.45、0.1≦z≦0.3、0.1≦m≦0.6、及0.1≦s≦1.6。
在可行的实施例中，所述高强度耐磨耗多元铜合金是利用选自于由真空电弧熔炼法、电热丝加热法、感应加热法、和快速凝固法所组成群组的一种制程方法所制成。
一可行实施例中，所述高强度耐磨耗多元铜合金是利用选自于由铸造、锻造、挤型、和抽线所组成群组的一种塑性变形加工而被加工成为一半成品或一成品。
在另一可行实施例中，所述高强度耐磨耗多元铜合金是与至少一金属材结合以成为一复合金属结构。
在可行的实施例中，所述高强度耐磨耗多元铜合金为一铸造态合金或经一均质化热处理的一均质化态合金。
在可行的实施例中，所述高强度耐磨耗多元铜合经由一高温时效处理而呈现时效硬化态。
进一步地，本发明同时提供一种高强度耐磨耗多元铜合金的用途，其是用于要求具优良抗磨耗特性对象的制造。
附图说明
图1为铜铍合金于350℃下，时间相对于硬度的曲线图；
图2为样品#3均质化状态下进行450℃时效热处理的硬度变化趋势图；以及
图3为样品#17均质化状态下进行450℃时效热处理的硬度变化趋势图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的一种高强度耐磨耗多元铜合金及其用途，以下将配合图式，详尽说明本发明的较佳实施例。
实施例一
实施例一中，本发明所述高强度耐磨耗多元铜合金具有大于415m/mm3的磨耗阻抗，且其组成为CuwAlxNiySizNmMs。依据本发明的设计，N为选自于由V和Nb所组成群组中的至少一种耐火元素，M为选自于由Zr、Cr、Ti、Sn、Fe、Mn、Mg、C、P、B所组成群组中的至少一种添加元素。并且，w、x、y、z、m与s皆为原子百分比数值，且w、x、y、z、m与s满足以下不等式:80≦w≦90、0.1≦x≦4、6≦y≦10、0.1≦z≦3、0.1≦m≦2、及0.1≦s≦2。举例而言，所述高强度耐磨耗多元铜合金包括：82at％的铜(Cu)、2at％的铝(Al)、9at％的镍(Ni)、3at％的硅(Si)、1at％的钒(V)、1at％的铌(Nb)、1at％的锡(Sn)、以及1at％的锰(Mn)。在此情况下，所述高强度耐磨耗多元铜合金的组成为Cu82Al2Ni9Si3V1Nb1Sn1Mn1，亦即，w＝82、x＝2、y＝9、z＝3、m＝1+1＝2、且s＝1+1＝2。
实施例二
于实施例二中，本发明所述高强度耐磨耗多元铜合金具有大于475m/mm3的磨耗阻抗，且其组成为CuwAlxNiySizNmMs。依据本发明的设计，N为选自于由V和Nb所组成群组中的至少一种耐火元素，且M为选自于由Zr、Cr、Ti、Sn、Fe、Mn、Mg、C、P、和B所组成群组中的至少一种添加元素。并且，w、x、y、z、m、与s皆为原子百分比数值，且w、x、y、z、m与s满足以下不等式:97≦w≦98.5、x≦0.1、0.2≦y≦0.45、0.1≦z≦0.3、0.1≦m≦0.6、及0.1≦s≦1.6。举例而言，所述高强度耐磨耗多元铜合金包括：97at％的铜(Cu)、0.1at％的铝(Al)、0.45at％的镍(Ni)、0.25at％的硅(Si)、0.3at％的钒(V)、0.3at％的铌(Nb)、0.45at％的锆(Zr)、0.45at％的铬(Cr)、0.45at％的钛(Ti)、以及0.25at％的碳(C)。在此情况下，所述高强度耐磨耗多元铜合金的组成为Cu97Al0.1Ni0.45Si0.25V0.3Nb0.3Zr0.45Cr0.45Ti0.45C0.25，亦即，w＝97、x＝0.1、y＝0.45、z＝0.25、m＝0.3+0.3＝0.6、且s＝0.45+0.45+0.45+0.25＝1.6。
本发明高强度耐磨耗多元铜合金可以利用真空电弧熔炼法、电热丝加热法、感应加热法、或快速凝固法制造而得。并且，在实务应用中，熟悉合金材料设计与制造的工程师能够根据其工程经验可以利用铸造、锻造、挤型、抽线等塑性变形加工对本发明高强度耐磨耗多元铜合金的成品或半成品进行加工。进一步地，在实务应用中，还可以将本发明高强度耐磨耗多元铜合金与至少一金属材结合以成为一复合金属结构。
特别说明的是，本发明高强度耐磨耗多元铜合金用以取代习知的铜合金，从而被应用在各种要求具备优良抗磨耗特性零件及/或构件的制造，例如：轴承、齿轮、活塞、连接器、导电轨、导线框架、继电器、探针等。为了证实上述本发明高强度耐磨耗多元铜合金的实施例一及实施例二的确能够被据以实施的，以下将藉由多组实验数据的呈现，加以证实。
实验例一
实验例一中，利用真空电弧熔炼炉来制造本发明高强度耐磨耗多元铜合金的多个样品，并接着对各个样品进行均质化热处理以及时效硬化处理，最后进行各个样品硬度量测以及干式磨耗测试。值得说明的是，均质化处理的目的在于消除各个样品内部的树枝状偏析、增加固溶度以及提升后续时效热处理的析出硬化效果。
干式磨耗试验利用销对盘(pin-on-disk)磨耗试验机完成。进行干式磨耗试验时，先将样品2切成切割成直径8mm、厚度3mm的圆薄片，接着将该圆薄片固定在直径8mm的SKD-61圆钢棒下方处，而后操作该SKD-61圆钢棒转动从而与圆薄片在室温下对磨。磨耗阻抗的计算方式为:磨耗距离(m)/磨耗所损失体积(mm3)。
在实验例一中，均质化的制程条件为温度900℃且处理时间6小时。并且，时效热处理的制程条件为温度450℃且处理时间50小时。所述多个样品的组成及其相关实验数据整理于下表(1)中。
表(1)
Figure BDA0003084167960000081
更详细地说明，表(1)所列者为本发明高强度耐磨耗多元铜合金的实施例一的12种样品的成分组成。并且，由表(1)的实验数据可发现，添加钒(V)或铌(Nb)等耐火元素及至少一种其他微量添加元素于本发明高强度耐磨耗多元铜合金的成分组成中，的确是能够使合金的磨耗阻抗获得提升。值得注意的，合金的磨耗阻抗的提升与添加元素的添加量及/或添加种类并非呈现正相关。更重要的是，表(1)实验数据显示，本发明多元铜合金的各个样品皆相较习知的C17200铜铍合金(390m/mm3)而显示出更好的抗磨耗特性，因此本发明多元铜合金能够取代习知的铜合金，从而被应用在各种要求具备优良抗磨耗特性零件及/或构件的制造，例如：轴承、齿轮、活塞、连接器、导电轨、导线框架、继电器、探针等。
图2为样品#3的时效时间相对于硬度的曲线图。样品#3在450℃的环境温度下进行时效处理，并且，如图2所示，样品#3在长达100小时的时效处理的过程中未有过时效软化现象发生。因此，实验数据证实本发明高强度耐磨耗多元铜合金在高温环境中仍旧可以维持高强度，此一特性对其对磨耗阻抗(耐磨性)的提升起到了关键因素作用。
补充说明的是，藉由使本发明高强度耐磨耗多元铜合金包含多种添加元素及/或多种耐火元素的方式，可使所述多元铜合金内部发生多元竞争，从而使得合金内部原子扩散速率降低、成核成长速度减慢。最终，可达到减小合金内部析出物尺寸的效果，从而使合金硬度提升且及减缓高温时效软化。举例而言，钒(V)与铌(Nb)为高熔点耐火元素，故而其原子在多元铜合金的铜基地相之中扩散缓慢。同时，钒(V)、铌(Nb)与硅(Si)有强大键结，故而会减缓Ni-Si-V-Nb化合物的形成，且聚集Ni-Si化合物析出，达到对多元铜合的高温耐磨耗性明显改善效果。
实验例二
于实验例二中，同样是利用真空电弧熔炼炉来制造本发明高强度耐磨耗多元铜合金的多个样品，并接着对各个样品进行均质化热处理以及时效硬化处理，最后进行各个样品的硬度量测以及干式磨耗测试。所述多个样品的组成及其相关实验数据整理于下表(2)中。
表(2)
Figure BDA0003084167960000101
更详细地说明，表(2)所列者为本发明高强度耐磨耗多元铜合金的实施例二的8种样品的成分组成。图3为样品#17的时效时间相对于硬度的曲线图。样品#17在450℃的环境温度下进行时效处理，并且，如图3所示，样品#17在长达100小时的时效处理的过程中未有过时效软化现象发生。因此，实验数据证实本发明高强度耐磨耗多元铜合金在高温环境中仍旧可以维持高强度，此一特性对其对磨耗阻抗(耐磨性)的提升起到了关键因素作用。
值得注意的是，表(2)的实验数据显示，随着多元铜合金的铜含量的增加，各个样品均质化状态的硬度也跟着降低。即使如此，藉由使多元铜合金包含多种添加元素及/或多种耐火元素的方式，可使所述多元铜合金内部的析出物尺寸减小，从而使合金硬度提升且及减缓高温时效软化，达到对多元铜合金高温耐磨耗性的明显改善效果。故而，表(2)实验数据显示，本发明多元铜合金的各个样品皆相较习知的C17200铜铍合金(390m/mm3)而显示出更好的抗磨耗特性，因此本发明多元铜合金能够取代习知的铜合金，从而被应用在各种要求具备优良抗磨耗特性零件及/或构件的制造，例如：轴承、齿轮、活塞、连接器、导电轨、导线框架、继电器、探针等。
如此，上述已完整且清楚地说明本发明所揭示的一种高强度耐磨耗多元铜合金的所有实施例及其实验数据。并且，
由上述说明可知本发明具有以下特征及优点：
(1)本发明主要揭示一种高强度耐磨耗多元铜合金，其组成包括：80～90at％的Cu、0.1～4at％的Al、6～10at％的Ni、0.1～3at％的Si、0.1～2at％的V及/或Nb、以及0.1～2at％的M。其中，M为选自于Zr、Cr、Ti、Sn、Fe、Mn、Mg、C、P、和B之中的至少一添加元素。实验结果显示，本发明多元铜合金的多个样品在以450℃的温度进行时效处理50小时之后，其强度和硬度明显升高，显示出时效硬化之效，且在时效处理的过程中未有过时效软化现象发生。并且，量测数据显示，本发明多元铜合金的多个样品相较习知的铜合金而显示出更好的抗磨耗特性，因此本发明多元铜合金能够取代习知的铜合金，从而被应用在各种要求具备优良抗磨耗特性零件及/或构件的制造，例如：轴承、齿轮、活塞、连接器、导电轨、导线框架、继电器、探针等。
然而，必须加以强调的是，前述本案所揭示者乃为较佳实施例，举凡局部变更或修饰而源于本案的技术思想而为熟习该项技艺之人所易于推知者，俱不脱本案的专利权范畴。

Claims (14)

1.一种高强度耐磨耗多元铜合金，其磨耗阻抗大于415m/mm3，且其组成是由下列组成式所表示:CuwAlxNiySizNmMs；
其特征在于，N为选自于由V和Nb所组成群组中的至少一种耐火元素，且M为选自于由Zr、Cr、Ti、Sn、Fe、Mn、Mg、C、P、和B所组成群组中的至少一种添加元素；
其中，w、x、y、z、m与s皆为原子百分比数值，且w、x、y、z、m与s满足以下不等式:80≦w≦90、0.1≦x≦4、6≦y≦10、0.1≦z≦3、0.1≦m≦2、及0.1≦s≦2。
2.根据权利要求1所述的高强度耐磨耗多元铜合金，其特征在于，所述高强度耐磨耗多元铜合金是利用选自于由真空电弧熔炼法、电热丝加热法、感应加热法、和快速凝固法所组成群组的一种制程方法所制成。
3.根据权利要求1所述的高强度耐磨耗多元铜合金，其特征在于，所述高强度耐磨耗多元铜合金是利用选自于由铸造、锻造、挤型、和抽线所组成群组的一种塑性变形加工而被加工成为一半成品或一成品。
4.根据权利要求1所述的高强度耐磨耗多元铜合金，其特征在于，所述高强度耐磨耗多元铜合金是与至少一金属材结合以成为一复合金属结构。
5.根据权利要求1所述的高强度耐磨耗多元铜合金，其特征在于，所述高强度耐磨耗多元铜合金为一铸造态合金或经一均质化热处理的一均质化态合金。
6.根据权利要求1所述的高强度耐磨耗多元铜合金，其特征在于，所述高强度耐磨耗多元铜合经由一高温时效处理而呈现时效硬化态。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的高强度耐磨耗多元铜合金的用途，其特征在于，其用于要求具优良抗磨耗特性对象的制造。
8.一种高强度耐磨耗多元铜合金，其磨耗阻抗大于475m/mm3，且其组成由下列之组成式所表示:CuwAlxNiySizNmMs；
其特征在于，N为选自于由V和Nb所组成群组中的至少一种耐火元素，且M为选自于由Zr、Cr、Ti、Sn、Fe、Mn、Mg、C、P、和B所组成群组中的至少一种添加元素；
其中，w、x、y、z、m与s皆为原子百分比数值，且w、x、y、z、m与s满足以下不等式:97≦w≦98.5、x≦0.1、0.2≦y≦0.45、0.1≦z≦0.3、0.1≦m≦0.6、及0.1≦s≦1.6。
9.根据权利要求8所述的高强度耐磨耗多元铜合金，其特征在于，所述高强度耐磨耗多元铜合金利用选自于由真空电弧熔炼法、电热丝加热法、感应加热法、和快速凝固法所组成群组的一种制程方法所制成。
10.根据权利要求8所述的高强度耐磨耗多元铜合金，其特征在于，所述高强度耐磨耗多元铜合金利用选自于由铸造、锻造、挤型、和抽线所组成群组的一种塑性变形加工而被加工成为一半成品或一成品。
11.根据权利要求8所述的高强度耐磨耗多元铜合金，其特征在于，所述高强度耐磨耗多元铜合金与至少一金属材结合以成为一复合金属结构。
12.根据权利要求8所述的高强度耐磨耗多元铜合金，其特征在于，所述高强度耐磨耗多元铜合金为一铸造态合金或经一均质化热处理的一均质化态合金。
13.根据权利要求8所述的高强度耐磨耗多元铜合金，其特征在于，所述高强度耐磨耗多元铜合经由一高温时效处理而呈现时效硬化态。
14.根据权利要求8-13中任一项所述的高强度耐磨耗多元铜合金的用途，其特征在于，其用于要求具优良抗磨耗特性对象的制造。
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