TW201702393A - 錳銅鎳錫合金 - Google Patents

Abstract

一種銅鎳錫合金包含從約1.9wt%至約21wt%錳。

Description

錳銅鎳錫合金

本發明所揭露的是有關銅鎳錫錳合金。

使用在石油勘探與生產活動的銅合金必須具有高度衝擊韌性(例如，至少20ft-lbs(英呎-磅))。在冶金學方面，術語「韌性」是指合金吸收能量且沒有發生斷裂的彈性變形之能力。因此，韌性需要強度與延展性的平衡。合金亦可暴露於腐蝕性材料(諸如，硫化氫(H2S))與有害環境(諸如，高軸承磨損與摩擦)。硫化氫是一種具有難聞的氣味像臭雞蛋的無色氣體。硫化氫是比空氣重、劇毒、易燃、易爆、且具高度腐蝕性。此外，飛機著陸系統在起飛與著陸期間需要高耐低速、高負荷滑動承重力。

因此需要開發一種具有高度的耐衝擊韌性、耐腐蝕性、與耐軸承磨損與摩擦的新合金。

本發明所揭露的是有關銅鎳錫錳合金。合金顯現高衝擊韌性與良好的耐腐蝕、磨損與摩擦，特別是在加工變形(冷工序)而後增強。

在具體實施例中的揭露是包括銅、鎳、錫、與從約1.9至約20wt%錳的合金。在某些具體實施例，鎳為從約5至約25wt%含量，及/或錫為從約5至約10wt%含量。

錳可為約從1.9至約10wt%含量，包括從約1.9至約5wt%、從約1.9至約2wt%、與從約2.0至約10wt%含量。

在其他具體實施例的揭露是一含有銅鎳錫錳合金的物件。錳在合金中為從約1.9至約20wt%含量。

物件可選自下組成群組：軸襯、儀器殼體、連接器、扶正器、緊固件、鑽鋌、塑形模具、焊接臂、電極、與經驗證鑄錠。

在某些具體實施例，該物件是一支條、桿、棒、管、或板的形狀出現。

該合金可包括從約5至約25wt%鎳與從約5至約10wt%錫。

可選用地，該物件具有多出約5英吋的尺吋。

該物件可為一飛機著陸系統或其組件。

在進一步具體實施例的揭露是一種用於製造物件的方法。該方法包括提供一銅鎳錫合金；且基於該物件總重量以添加0.2至20wt%錳至該銅鎳錫合金。 可選用地，該方法更包括冷加工該物件。

在某些具體實施例，鎳為物件的從約5至約25%含量，及/或錫為物件的從約5至10wt%含量。

錳可為從約0.2至約10wt%含量，包括從約0.2至約5wt%、從約0.2至約2wt%、與從約0.2至約1.9wt%。

以下是更具體揭露本發明的這些及其他非限制性特徵。

(100)‧‧‧方法

(110)‧‧‧步驟

(120)‧‧‧步驟

(125)‧‧‧步驟

(130)‧‧‧步驟

(140)‧‧‧步驟

(150)‧‧‧步驟

下列是附圖的簡單說明，其目的是要示意說明在本說明書揭露的示範性具體實施例而不是限制。

圖1為示意說明本發明的示範性方法的流程圖。

從參考附圖可更完全瞭解本發明揭露的組件、方法與設備。這些附圖只是為了方便及容易示範本發明的示意圖式，因此，沒有按照其裝置或組件的相對大小與尺寸表示、及/或沒有定限或限制示例性具體實施例的範疇。

雖然為了清楚緣故在下面描述中使用特定術語，不過這些術語只是用以參考示意說圖式所選定具體實施例的特定結構，而不是要限定或限制本公開的範圍。應明白，在下面的附圖與下面描述中，相同的編號表示類似功能的組件。

除非本說明書有明確說明，否則單數「一」與「該」包括複數個物件。

應瞭解，在本說明書與本專利申請案的文後申請專利範圍中使用的用來決定數值的數值包括減少到相同有效數字位數的相同數值；及不同於描述值的數值，其低於在本專利申請案中所述類型的現行測量技術的實驗誤差。本說明書揭露的所有範圍包括列舉的邊界值(Endpoint)與個別組合(例如，「從2公克至10公克」的範圍包括2公克與10公克的邊界值、與所有涵攝於端點之間的值)。在本說明書揭露範圍的邊界值與任何值並未限定於精確範圍或數值；其值是足夠不精確以包括近似這些範圍及/或數值的數值。

諸如「約」與「實質」的一或多個術語修飾值並未侷限於指定的精確值。「近似」用詞是相當於用於測量值的儀器精確度。「約」修飾語亦應視為兩邊界的絕對值所定義的範圍。例如，敘述「約2至約4」亦揭露「從2至4」的範圍。

如本說明書的使用，術語「調幅合金(Spinodal alloy)」是指化學成分能夠經歷調幅分解的合金。術語「調幅合金」是指合金化學狀態而不是物理狀態。 因此，「調幅合金」可以或可沒有經歷調幅分解，且可以或沒有經歷調幅分解的製程。

圖1示意說明用於生成物件的示範性方法(100)。該方法(100)包括：步驟(110)，熔融一銅鎳錫合金；步驟(120)，基於物件總重量，添加0.2至20wt%錳至銅鎳錫合金；步驟(125)，鑄造合金；步驟(130)，或者固溶退火(Annealing)；步驟(140)，或者冷加工物件；及步驟(150)，或者熱處理物件。 銅鎳錫合金可為調幅合金。

銅、鎳、和錫的正確比例批次製備是在步驟(110)的熔化組合物後面進行。在步驟(110)的熔化可在符合想要固化生成物結構尺寸的燃氣、電感應或電弧爐中進行。通常，熔化溫度是在過度加熱的至少約2057℉，此取決於鑄造過程，且在150至400℉的範圍內。

在步驟(120)，添加錳可藉由在至少約2100℉溫度將錳溶解成熔體來進行，且最好是在從約2200至約2350℉的範圍內。

其次，在步驟(125)的合金是鑄件。合金鑄件可在適度過熱下遵循熔融溫度穩定化進行，以鑄成連鑄坯或形狀。此外，鑄件亦可進行以生成鑄錠、半成品零件、近成品零件、噴丸、預合金粉末、或其離散形式。

在某些具體實施例，某些鎂是在步驟(110)的熔化、步驟(120)的添加、及/或步驟(130)的固溶退火過程中添加，以減少合金的氧含量。氧化鎂會形成，其可從合金質體去除。

強度亦可經由加工硬化(例如，在步驟(140)的冷加工)、及/或調幅時效處理予以提高。這些特徵可改善整體強度-延性組合，同時實現改善其他特性，諸如強度衝擊韌性組合、耐蝕性、與軸承品質。

冷加工是藉由塑變形來強化金屬。此通常是在溫度低於再結晶溫度時，藉由擠壓、彎曲、拉伸、或剪切金屬予以實現。例如，合金可經錘擊、拉伸、及其他形成。此冷加工可增加合金所形成物件的硬度、降伏強度、及/或拉伸強度。

調幅時效/分解是多個組件可分成具有不同化學組成與物理特性的不同區域或微結構的機構。特別是，在相圖的中心區域帶有鬆散組合物的晶體會經歷出溶(Exsolution)現象。本發明的合金表面的調幅分解會造成表面硬化。經過熱處理的調幅結構保留相同於原始的幾何形狀且物件在熱處理期間不會扭曲，因為相似的原子大小。

銅鎳錫合金可為一調幅合金。在大多數情況，調幅合金在其稱為相溶縫隙的相圖中會顯現異常。在相溶縫隙的相對窄溫度範圍內，原子有序化會發生在現有的晶格結構。結果的兩相結構在明顯低於縫隙的溫度是穩定的。銅鎳錫調幅合金具有良好的特性組合，諸如高強度、優異的摩擦學特性、且在海水與酸性環境中具有高度防腐蝕性。增加基本金屬的降伏強度可能會在銅鎳錫合金導致調幅分解。

相較於習知的高性能亞鐵、鎳與鈦合金，銅合金具有非常高的電與熱傳導性。習知的銅合金很少用在要求需要高硬度的應用。不過，銅鎳錫調幅合金在硬化鑄造與鍛造兩條件可結合高硬度與導電性。

惰性氣體(例如，包含氬氣及/或二氧化碳/一氧化碳)及/或使用保護罩(例如，蛭石、氧化鋁、及/或石墨)可用來維持中性或還原條件以保護易氧化元素。在初始熔融後，添加反應金屬，諸如鎂、鈣、鈹、及/或鎢，以確保溶解氧處於低濃度。

鑄件可在適度過熱下遵循熔融溫度穩定化進行，以鑄成連鑄坯、零件、或噴丸。

或者，在步驟(130)，固溶退火是在從約1350至約1625℉溫度下進行從約1至約12小時。

在步驟(140)，冷加工是指在溫度低於再結晶溫度時的金屬機械性變形。當變形量增加時，金屬會變得更不容易變形。換句話說，材料為加工硬化或應變硬化。此步驟為選擇性。

或者，金屬是在步驟(150)利用熱處理進一步強化。在某些具體實施例，熱處理包括從約600至約950℉溫度範圍內，重新加熱從約1至約8小時以實現硬化。

鎳可為從約5至約25wt%含量，包括從約10至約20wt%與約15wt%。在更多具體實施例，鎳可為約8wt%至約16wt%、約14wt%至約16wt%、約8wt%至約10wt%、或約10wt%至約12wt%含量。

錫可為從約5至約10wt%含量，包括約6至約9wt%、與從約7至約8wt%。在更多具體實施例，錫可為約5%至約9wt%、或約7wt%至約9wt%、或約5wt%至約7wt%含量。

錳可添加至少約0.2wt%含量，包括至少約0.5wt%、至少約1wt%、與至少約1.5wt%。在某些具體實施例，錳為至少4wt%、至少5wt%、約4wt%至約12wt%、約5wt%至約21wt%、約16wt%至約21wt%、或約19wt%至約21wt%含量。在某些具體實施例，最大錳含量為至多10wt%，包含至多5wt%、至多3wt%、至多2wt%、至多1.9wt%、至多1.8wt%、至多1.7wt%、至多1.6wt%、與至多1.5wt%。

在某些具體實施例，銅鎳錫錳合金包含從約7wt%至約9wt%鎳、與約5wt%至約7wt%錫。這些具體實施例亦將包含約0.2wt%至約21wt%錳、與其餘為銅。特別考慮這些具體實施例可包含約5wt%至約21wt%、約16wt%至約21wt%、或約19wt%至約21wt%、且其餘為銅。

在其他具體實施例，銅鎳錫錳合金包含從約14wt%至約16wt%鎳與約7wt%至約9wt%錫。這些具體實施例亦包含約0.21wt%至約21wt%錳、與其餘為銅。特別考慮這些實施例可包含約5wt%至約21wt%、約16wt%至約21wt%、或約19wt%至約21wt%、與其餘為銅。

合金可更包或一或多個其他金屬，諸如鈹、鉻、矽、鉬、鐵、與鋅。

在某些具體實施例，銅合金可包含從約1至約5wt%鈹。

銅合金可包含從約0.7至約6wt%鈷。

在具體實施例，合金包括約2wt%鈹與約0.3wt%鈷。

在其他具體實施例，合金可包含從約5至約7wt%含量的鈹。

鉻可為低於合金約5wt%含量，包括從約0.5wt%至約2.0wt%、及從約0.6wt%至約1.2wt%。

物件可為一條、桿、棒、管、或板的形狀。

在某些具體實施例，該物件是一軸襯、儀表殼體、連接器、扶正器、緊固件、鑽鋌、塑形模具、焊接臂、電極、鑄件、或經驗證鑄錠。物件可為一飛機著陸系統或其組件。

應明白，前述揭露及其他特徵與功能、或其替代物的變異體可組合成許多其他不同系統或應用。熟諳此技者可隨後進行各種目前無法預料或無法預期的替代、修改、變異或改善，且是在文後申請專利範圍的範疇內。

Claims (20)

1. 一種包含銅、鎳、錫、與從約1.9wt%至約21wt%錳的合金。
2. 如請求項1所述之合金，其中該鎳為從約5wt%至約25wt%含量。
3. 如請求項1所述之合金，其中該錫為從約5wt%至約10wt%含量。
4. 如請求項1所述之合金，該錳為從約1.9wt%至約10wt%含量。
5. 如如請求項1所述之合金，該錳為從約1.9wt%至約5wt%含量。
6. 如如請求項1所述之合金，該錳為從約1.9wt%至約2%含量。
7. 如請求項1所述之合金，該錳為從約2wt%至約10wt%含量。
8. 一種包含銅鎳錫錳合金的物件，其中該錳在該合金中為從約1.9wt%至約21wt%含量。
9. 如請求項8所述之物件，其中該物件是選自下列組成群組：軸襯、儀表殼體、連接器、扶正器、緊固件、鑽鋌、塑形模具、焊接臂、電極、鑄件與經驗證鑄錠。
10. 如請求項8所述之物件，其中該物件是一條、桿、棒、管、或板。
11. 如請求項8所述之物件，其中該合金包括從約5wt%至約25wt%鎳與從約5wt%至約10wt%錫。
12. 如請求項8所述之物件，其中該物件具有超過約5英吋的至少一尺寸。
13. 一種用於生成物件的方法，包括鑄造一銅鎳錫合金，該合金還包含0.2wt%至21wt%錳，以生成該物件。
14. 如請求項13所述之方法，其更包括冷加工該物件。
15. 如請求項13所述之方法，其更包括藉由熱處理、需冷加工或無需冷加工，以沉澱硬化該物件。
16. 如請求項13所述之方法，其中該鎳為物件的從約5wt%至約25wt%含量；且其中該錫為物件的從約5wt%至約10wt%含量。
17. 如請求項13所述的方法，其中該錳為物件的從約0.2wt%至約10wt%含量。
18. 如請求項13所述之方法，其中該錳為物件的從約0.2wt%至約5wt%含量。
19. 如請求項13所述之方法，其中該錳為物件的從約0.2wt%至約2wt%含 量。
20. 如請求項13所述之方法，其中該錳為物件的從約0.2wt%至約1.9wt%含量。