CN1439734A - 铜基合金以及使用该合金制造高强度和高导热性锻制件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种含有2～6％(重量百分比；以下相同)的银和0.5～0.9％的铬的铜基合金的熔融物通过铸造固化，并且固化件在进行均匀化热处理之后进行热加工。热加工件进行溶液处理，该工件通过锻制或滚压进行冷加工或温加工，并且成形件进行时效处理以便不考虑其几何形状以低成本获得能够制造高强度和高导热性金属成形件的金属材料，以及使用该材料制造金属成形件的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于铜基合金以及涉及一种使用该合金制造高强度和高导热性锻制件的方法。
背景技术
具有高强度和高导热性的金属材料使用在暴露于极度热疲劳的构件中，例如火箭发动机的推力室、聚变反应堆的结构(其中一表面接触3000℃的燃烧气体并且另一表面接触液态氢)和模具中。
使用在该领域的高强度和高导热合金的实例包括铜基合金，其包括0.8％(此后所有百分比在此说明书中是重量百分比)的铬和0.2％的锆，如日本未审查专利申请，第一公布号Hei 4-198460所述。通常，铜基合金在铸造之后通过锻制和滚压成形为预定形状，并接着成形件经受预定热处理以便获得高强度和高导热锻制件。铜基合金的抗拉强度通过控制热机械处理的条件并同时将导热性保持在高水平来提高，而不考虑是否具有相同组分。
然而，由于设备的构件的操作条件由于热应力的产生而变得恶劣，并指出传统材料到出现裂纹时具有短的寿命，近来一直需要更高的抵抗热疲劳性能。为减少金属材料中热应力的产生，需要改善导热性并增加热疲劳强度。由于导热性的改善几乎达到极限，希望增加热疲劳强度，并与磁体金属材料相比不降低导热性。
己经发现在操作温度下提高抗拉强度和抗拉屈服应力而不降低导热性以便提高热疲劳强度。为实现所述目的，进行多次试验通过进一步在作为基体的所述含有铬(0.8％)和锆(0.2％)的铜基合金中增加铬和锆的比例来增加强度，因此增加缩小比。当铬和锆的比例增加并通过能够在一方向上引入大应力的锻制或拉丝，可获得高强度。然而，与所希望相反，由于延展性不好，热疲劳强度没有增加，并且由于成形件的形状的限制不能进行充分的锻制和滚压，因此难以在具有任何形状的成形件内获得所需强度。因此，其应用限制在使用高强度和高导电性的电构件上。
如日本未审查专利申请第一公布号Hei 6-279894以及“Sakai等人的Journal of The Japan Institute of Metal，55卷(1991)，1382～1391页”所述，含有大量银添加其中的铜基合金己经开发成为新的合金系统。与铬或锆类似，银在接近室温下在铜中具有小的固溶度，因此作为合金的结果，导热性略微下降。在含有8.5％或更多的添加其中的银的铜基合金中，在固化时形成共晶。当添加15％的银以便获得足够量的共晶结构的铜基合金锭块与所述铜-铬-锆合金类似经受在一方向上引入大应力的锻制或拉丝时，共晶结构破坏以便形成纤维增强结构。尽管因此获得的强度很高，需要进行高缩小使得圆形铸棒形成具有该圆形铸棒直径十分之一的直径的线材，因此具有一定尺寸壁厚的成形件不能通过此技术获得。
发明内容
本发明是考虑所述问题进行的并且其目的在于提供一种能够通过简单方法以低成本制造高强度和高导热性金属成形件而不考虑其几何形状的金属材料，以及使用该材料制造该金属成形件的方法。
为实现所述目的，本发明提供一种高强度和高导热性铜基合金，其包括至少2～6％(重量百分比；以下相同)的银和0.5～0.9％的铬。
所述铜基合金还包含0.05～0.2％的锆。
同样，本发明提供一种制造高强度和高导热性锻制件的方法，其包括熔化所述锻制铜基合金的第一步骤；通过铸造来固化第一步骤中获得的熔化合金的第二步骤；将第二步骤中获得的固化件在780～950℃的范围内的温度下进行均匀化热处理的第三步骤；将第三步骤中获得的热处理件在750～950℃的范围内的温度下通过锻制或滚压进行热加工的第四步骤；将第四步骤中获得的热加工件在750～980℃的范围内的温度下进行溶液处理的第五步骤；将第五步骤中获得的热处理件在等于或小于500℃的温度下通过锻制或滚压进行至少5％的冷加工或温加工的第六步骤；以及将第六步骤中获得的成形件在370～500℃的范围内的温度下进行0.1小时或更多的时效处理的第七步骤。
如这里使用，术语“均匀化热处理”意味着一种处理，其中通过将铸造获得的固化件加热到高温状态以便没有肉眼可见的熔化产生的方法来消除合金元素的偏析。
同样术语“溶液处理”意味着一种处理，其中通过将热加工件加热到高温来分解热加工期间生成的粗大沉积物。
同样术语“时效处理”意味着一种处理，其中通过将固溶体在预定温度下保持预定时间在结构中沉积异相。
在所述方法中，第三步骤中获得的材料最好通过以在将材料进行热加工之前和之后之间截面或长度比值(此后作为“锻制比”)为1.5或更多的比值热锻制或滚压来进行热加工。
在所述方法中，第五步骤中的溶液处理最好进行0.1到10个小时。
在所述方法中，第七步骤中的时效处理的处理条件、处理温度以及处理时间最好决定成使得通过(由绝对温度表示的处理温度)×(20+由小时表示的处理时间的常用对数)表示的参数在13000～15000的范围内。
由于本发明的锻制铜基合金包含适当范围内的适量银和铬或银、铬和锆，可以通过使用本发明制造锻制件的方法来锻制以便制造高强度和高导热性锻制铜基合金件。
附图说明
图1是表示锻制铜基合金件的时效处理的条件和硬度之间的关系的图表。
具体实施方式
本发明现在在下面进行描述。
本发明的锻制铜基合金包括2～6％重量百分比的银和0.5～0.9％重量百分比的铬，余量为铜。
己经发现具有高导热性和高强度并包含低成本的铜作为基体的成形件可通过在本发明含有小量铬或铬和锆添加其中的锻制铜基合金中进一步添加银并使用例如铸造或锻制和滚压的简单方法来获得。因此，当使用此锻制铜基合金时，可制造出高强度和高导热性锻制成形件而不考虑例如大尺寸产品的形状。
当银在具有所述组分的铜基合金中的含量小于2％时，得到的锻制件的硬度降低并不能获得高强度和高导热性锻制件。另一方面，当银的含量超过6％时，可能出现热加工裂纹。
当铬的含量小于0.5％时，得到的锻制件的硬度降低并不能获得高强度和高导热性锻制件。另一方面，即使铬添加的含量超过0.9％时，效果不明显，并在成本上是不利的。
进一步添加0.05到0.2％的锆，使得可以抑制脆化。当锆的含量小于0.05％时，不显著抑制脆化。然而，在采用本发明制造高强度和高导热性锻制件的方法中不总是需要锆。即使锆添加量超过0.2％，效果不明显，与铬类似，在成本上是不利的。
本发明制造高强度和高导热性锻制件的方法包括熔化所述锻制铜基合金的第一步骤；通过铸造来固化第一步骤中获得的熔化合金的第二步骤；将第二步骤中获得的固化件在780～950℃的范围内的温度下进行均匀化热处理的第三步骤；将第三步骤中获得的热处理件在750～950℃的范围内的温度下通过锻制或滚压进行热加工的第四步骤；将第四步骤中获得的热加工件在750～980℃的范围内的温度下进行溶液处理的第五步骤；将第五步骤中获得的热处理件在等于或小于500℃的温度下通过锻制或滚压进行至少5％的冷加工或温加工的第六步骤；以及将第六步骤中获得的成形件在370～500℃的范围内的温度下进行0.1～20小时的时效处理的第七步骤。
按照本发明制造高强度和高导热性锻制件的方法，该合金元素的偏析通过将由第一和第二步骤中获得的固化件在第三步骤中在780～950℃的范围内的温度下进行均匀化热处理来消除。即，在熔化包括不同元素的合金和通过铸造固化熔化件的过程中，具有高熔点的相首先固化并且具有最低熔点的相(通常含有大量合金元素的相)最后固化，因此造成添加的合金元素的偏析以及合金元素大的宏观变化。于是，固化件进行均匀化热处理，即加热到高温状态以便没有肉眼可见的熔化产生，并因此出现元素扩散并消除偏析。
当处理温度小于780℃时，在锻制加热期间由于扩散不充分出现共晶反应。另一方面，当处理温度超过950℃时，基体材料在扩散处理期间熔化。因此，这不是优选的。
按照本发明的方法，在第三步骤获得的热处理件在第四步骤中在750～950℃的范围内的温度下通过锻制或滚压进行热加工。当处理温度小于750℃时，在随后的冷加工或温加工期间可能出现裂纹。另一方面，当处理温度超过950℃时，基体材料熔化。因此，这不是优选的。
通过在第四步骤中以1.2或更多的锻制比进行热加工，可以获得包括均匀晶粒的精细结构(重结晶结构)。在锻制比小于1.2的情况下，获得部分完全重结晶结构。在制造大尺寸锻制件的情况下，该锻制比最好控制在1.5或更多以便均匀地引入操作应力。在板件厚度是200mm或更多的情况下，该锻制比最好控制在5～15的范围内。
按照本发明的方法，在第四步骤中获得的热加工件在第五步骤中在750～980℃的范围内的温度下进行溶液处理，因此分解生成的粗大沉积物。在第六步骤中，在第五步骤中获得的热处理件在等于或小于500℃的温度下通过锻制或滚压进行至少5％的冷加工或温加工。在第七步骤中，在第六步骤中获得的成形件在370～500℃的范围内的温度下进行0.1～20小时的时效处理，因此在该结构中沉积异相。
在保持例如热加工的高温状态很长时间的过程中，由于可能生成粗大沉积物，该热加工件通过该溶液处理一次分解并进行时效处理，以便沉积精细异相。同样当时效处理之前该热加工件进行加工(引入操作应力)时，沉积现象由缺陷造成，其用作成核位置，例如在加工期间形成的移位，并因此形成更精细沉积物。因此，锻制件的强度通过结构的细化改善。
当第五步骤中的溶液处理温度小于900℃时，铬沉积物的固溶现象变得不充分。另一方面，当其超过980℃时，例如空腔的严重的缺陷(孔)在结构中形成。因此，这不是优选的。当该热处理温度变得更高时，晶粒生成更加活跃，并且更加促进作为损害疲劳强度的因素的粗大晶粒的形成。由于沉积物的固溶现象出现在720℃或更高，通过加热到750℃或更高实现了由于银的沉积强化。
当第六步骤中加工结果小于5％，强度改善的效果不明显。
当第七步骤中的时效处理的处理温度小于370℃时，所需处理时间延长。另一方面，当其超过500℃时，加工硬化程度小，并且另外，银或铬的沉积物部分出现固溶现象，因此造成沉积物的晶粒粗化。因此，这不是优选的。因此获得的粗大沉积物当温度降低时不会细化，并且因此急剧降低了沉积强化。
为了在第七步骤中确定该时效处理的处理条件，该处理温度和处理时间最好确定成使得通过(由绝对温度表示的处理温度)×(20+由小时表示的处理时间的常用对数)表示的参数值在13000～15000的范围内。因此，可以可靠地获得具有高硬度的锻制件。
实例1-1：铜基合金的制备(1)
每一具有总重量2kg并通过将2％、4％、6％和8％的银添加到包括0.7％的铬和0.13％的锆以及余量为铜的中间合金中来制备的原材料在氩大气中熔化，并且得到的熔化合金倒入冰凉的模具中并接着固化。宽度为30mm、高度为35mm以及长度为120mm的方材从得到的固化件上切割而成并在900℃下热滚压成具有18mm厚度的滚制件。
因此，在含有2％和4％银的滚制件中没有发现裂纹(出现在侧边上的裂纹，热加工裂纹)，同时在含有6％银的滚制件中发现更少的裂纹。在含有8％银的滚制件中，发现裂纹从端部扩张到几个毫米的深度。
因此，银添加的量最好限制在6％或更少以便获得更少热加工裂纹的锻制件。
铬和锆是作为沉积强化因素的有效元素，但在该熔化合金固化之后显示在固体状态下具有少量的固溶体含量，例如至多为0.73％和高温状态的0.15％。由于这些元素在固化期间的偏析不可避免并难以消失，这些添加元素的总量的一部分浪费成为“粗大沉积物”，其对于沉积强化无效。适当的是浪费的元素量估计大约为总量的20％。因此，铬的最大量最好如下限制：0.73×1.2＝0.9(％)。类似地，锆的最大量最好如下限制：0.15×1.2＝0.2(％)。
实例1-2：铜基合金的制备(2)
具有总重量2kg并通过将0.2％的锆添加到包括4％的银和0.7％的铬以及余量为铜的中间合金中来制备的原材料以及具有总重量2kg并通过不添加锆到相同的中间合金中来制备的原材料在氩大气中熔化，并且得到的熔化合金倒入冰凉的模具中并接着固化。宽度为30mm、高度为35mm以及长度为120mm的方材从得到的固化件上切割而成并在500℃和750℃下热滚压成具有18mm厚度的滚制件。
因此，在含有0.2％的锆添加其中的滚制件中没有发现裂纹(出现在侧边上的裂纹，热加工裂纹)。在由没有添加锆的材料获得的滚制件中在500℃处理的滚制件中出现几个毫米的深裂纹，同时在750℃处理的滚制件中没有出现裂纹。
使用凹入的上和下模子(模具)，通过不添加锆制备的材料放置在锻制状态下的锻压机中。因此，在750℃下材料的滚制件没有出现裂纹。
从此结果明显看出，通过改进加工方法，不总是不需要添加锆，锆认为对于热加工性很有效。该方法最好是加工方法，其尽可能造成小的拉伸应力。
添加作为沉积强化元素的锆是有效的。然而，在特别大的锭块的情况下，例如几千克到几吨的锻制件，添加大量的锆造成严重的偏析。因此，锆添加的量最好限制在最多0.2％。
实例2：均匀化热处理
熔化包括4％的银、0.7％的铬和0.13％的锆以及余量为铜的中间合金，并且得到的熔化合金倒入冰凉的模具中并接着固化以便得到350kg的大铸造锭块。
从该铸造锭块的中心部分采样出0.2g的小块并进行该小块的热分析。因此，在这种合金的情况下铜和银之间的共晶反应出现在780℃。
在热分析之前，加热此合金以便使该结构均匀化，即消除合金元素的偏析。在此合金加热到700℃长达20小时的情况下，出现共晶反应。在该合金加热到780℃到800℃长达2.5小时的情况下，银很强地扩散并且共晶反应峰值消失。己经发现当加热温度超过950℃时，即使共晶反应消失基体金属开始部分熔化。
因此，己经发现从780℃到950℃范围内的温度适合此合金的均匀化热处理。
拉伸试验样本对通过将铸造锭块在900℃下进行2.5小时和20小时的热处理(均匀化热处理)获得的热处理件以及不进行均匀化热处理的铸造锭块采样，并且在加热到800℃之后进行拉伸试验并测量破坏之后的伸长量。因此，在900℃下进行2.5小时的均匀化热处理的样本破坏之后的伸长量是6％，在900℃下进行20小时的均匀化热处理的样本破坏之后的伸长量是5％，不进行均匀化热处理的样本破坏之后的伸长量是0％。因此，己经发现均匀化热处理对于抑制热加工裂纹是有效的。
同样，己经发现均匀化热处理对于在实际热加工(热滚压)中抑制热加工裂纹是有效的。
另外，每个具有不同于所述样本合金的组分比例并包括2～6％的银、0.5～0.9％的铬和0～0.2％的锆的样本合金以相同方式进行试验。因此，相对于该均匀化热处理的效果获得相同的结果。
己经发现，在银含量为6％的情况下，均匀化热处理的效果下降并出现裂纹(热加工裂纹)。同样，己经发现当使用具有大约2千克重量的小铸造锭块时出现较少的裂纹。当使用具有几百千克重量的大铸造锭块时，考虑到材料合格率，银的添加量最好控制在小于6％。
实例3：热加工
在实例2中使用的铸造锭块在900℃下进行均匀化热处理并在700℃下进行20％的滚压。因此，没有出现裂纹(热加工裂纹)。当该滚制件在950℃下进行溶液处理并接着进行20％的冷滚压时，出现严重的裂纹。
检查严重裂纹的原因并发现由该均匀化热处理不能完全消除的偏析造成加热到950℃时的部分熔化，从而形成在冷滚压期间延伸的小空腔(孔)。
实例2使用的铸造锭块在900℃下进行均匀化热处理，在750～950℃下进行滚压，在950℃下进行溶液处理并接着进行20％的冷滚压。因此，没有出现裂纹。
从所述结果可以看出，在引入例如滚压的均匀加工应力的情况下，进行大约20％的加工，即锻制比最好控制在大约1.2或更多。由于难以在大的锻制件中均匀引入加工应力，该锻制比最好控制在1.5或更多。
在板件厚度是200mm或更多的情况下，该锻制比最好控制在从5～15的范围内。己经发现包括具有大约100μm的颗粒尺寸的均匀晶粒的精细结构可通过由锻制获得的锻制件进行溶液处理来获得。
实例4：溶液处理、冷加工和温加工
在实例2使用的铸造锭块在900℃下进行均匀化热处理之后，厚度为100mm以及宽度为150mm的小块通过热锻制压入具有25mm厚度的热加工件。接着，热加工件在从750～980℃范围内的温度下进行溶液处理并水冷。在400℃下进行20％滚压(冷加工/温加工)之后，在420℃下进行1.5小时的时效处理并在室温下测量硬度(Vickers硬度)。该结果如下表示：
| 锻制温度(℃) | Vickers硬度(Hv) |
| 750 | 150 |
| 850 | 160 |
| 905 | 175 |
| 920 | 187 |
| 950 | 187 |
| 980 | 183 |
从所述结果可以看出，通过在750～980℃范围内的温度下进行溶液处理可以获得高的时效硬化度。
尽管在920～980℃范围内的温度下显著出现时效硬化，在晶粒中发现大量的粗大晶粒。由于粗大晶粒降低所述的疲劳强度，该处理最好在相对高温范围内进行短时间，同时该处理最好在相对低温范围进行长时间，例如大约0.1～1小时。
该溶液处理在1000℃下进行。因此，在热加工件中形成大量空腔(孔)。
在时效处理之前的冷加工或温加工的缩小比例最好按照锻制件用途选择。即使滚压缩小比例在400℃下降低到15％，在时效处理之后硬度几乎不变。己经发现，即使滚压缩小比例降低到5～10％，在时效处理之后硬度略微变化，当可以获得强度改善的充分效果。
实例5：时效处理
实例2中使用的铸造锭块在900℃下进行均匀化热处理并在900℃下进行45％热滚压，并接着热加工件在950℃下进行溶液处理并在400℃下进行20％滚压(冷加工/温加工)。在400～500℃范围内处理温度并在0.5～30小时范围内的处理时间的不同条件下进行时效处理，并且接着测量处理件的硬度(Vickers硬度)。结果如图1所示。
在图1中，使用由公式：T×(20+logt)表示的参数配置处理条件，公式中T表示由绝对温度表示的处理温度(K)并且t表示处理时间(h)。
当该参数在13400～14700范围内的处理条件下进行时效处理时，获得Hv185或更高的硬度。例如，当处理温度更高时，处理时间可以大约0.1小时。当处理温度控制在370℃时，需要大约一天的处理时间。
为获得Hv180或更高的硬度，选择处理条件使得该参数在13000～15000范围内。
为了使得在固化或在先前步骤通过溶液处理获得的沉积物进行溶解，加热时间可以大约5分钟。在具有几千克重量或大约10mm厚度的薄板件的情况下，由于铜合金具有出色的导热性，需要大约10分钟以便均匀加热表面到内部。因此，在将要处理的工件表面温度达到预定温度时，溶液处理可进行15分钟。在这种处理中，作为该参数计算的结果，最佳的处理温度大约为470℃。另一方面，大的工件需要更长的时间直到整个大工件的温度变得均匀为止。尽管温度逐渐从大约300℃升高，在炉子温度和将要处理工件的温度之间有差别，并且因此处理时间不准确并且它不可避免地必须大致控制大约1小时。在这种情况下，最佳处理温度是大约430℃。
如上所述，最好使用该参数控制时效硬化以便获得最佳硬度。
Claims (6)
1.一种高强度和高导热性铜基合金，其包括至少2～6％重量百分比的银和0.5～0.9％的铬。
2.如权利要求1所述的高强度和高导热性铜基合金，其特征在于，其包括至少0.05～0.2％的锆。
3.一种制造高强度和高导热性锻制件的方法，其包括熔化如权利要求1或2所述的锻制铜基合金的第一步骤；通过铸造来固化第一步骤中获得的熔化合金的第二步骤；将第二步骤中获得的固化件在780～950℃的范围内的温度下进行均匀化热处理的第三步骤；将第三步骤中获得的热处理件在750～950℃的范围内的温度下通过锻制或滚压进行热加工的第四步骤；将第四步骤中获得的热加工件在750～980℃的范围内的温度下进行溶液处理的第五步骤；将第五步骤中获得的热处理件在等于或小于500℃的温度下通过锻制或滚压进行至少5％的冷加工或温加工的第六步骤；以及将第六步骤中获得的成形件在370～500℃的范围内的温度下进行0.1小时或更多的时效处理的第七步骤。
4.如权利要求3所述的制造高强度和高导热性锻制件的方法，其特征在于，在第四步骤中以1.5或更大的锻制比进行热加工。
5.如权利要求3所述的制造高强度和高导热性锻制件的方法，其特征在于，第五步骤中的溶液处理进行0.1～10小时。
6.如权利要求3所述的制造高强度和高导热性锻制件的方法，其特征在于，时效处理的处理条件、处理温度以及处理时间最好决定成使得通过(由绝对温度表示的处理温度)×(20+由小时表示的处理时间的常用对数)表示的参数在13000～15000的范围内。
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