TW201715049A - 磁銅合金 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露磁性銅鎳錫錳合金。本發明還揭露有關維持及/或改變合金的各種磁性與機械特性所執行的製程步驟。本說明書更描述使用此合金、包含從其生成各種物件的方法。

Description

磁銅合金
本發明有關磁銅基合金，特別是，有關銅鎳錫錳合金。本發明還揭露用於獲得及/或使用此磁合金的各種製程，包括從其生成的各種物件。
銅鎳錫合金(諸如，申請人Materion公司提供的ToughMet®合金)結合低摩擦係數與優良耐磨損性。其專為針對高強度和硬度；及抗磨損、應力鬆弛、腐蝕與侵蝕所設計的調幅硬化合金。此合金在高溫下保持其強度，且很容易加工成複雜組件。這些合金亦為非磁性。想要提供在特定應用中能夠生成某些效益的磁銅基合金。
本發明有關磁銅合金，特別是銅鎳錫錳合金。這些磁合金可在特定狀態下藉由加工合金而生成。此外包括用於加工合金以調整合金磁性的製程，同時仍然提供有用的機械特性組合。
本發明的這些及其他非限制性特徵是在以下更具體揭露。
以下為附圖的簡單說明，其目的是要說明在本說明書揭露的示範性具體實施例，但並非做為限制條件。
圖1為50x放大倍率的Cu-Ni-Sn-Mn合金的拋光與蝕刻橫截面圖，且亦是600μm(微米)比例顯示。
圖2為50x放大倍率的Cu-Ni-Sn-Mn合金的蝕刻橫截面圖，且亦是600μm(微米)比例顯示。
圖3為50x放大倍率的Cu-Ni-Sn-Mn合金的蝕刻橫截面圖，且亦是600μm(微米)比例顯示。
圖4為50x放大倍率的Cu-Ni-Sn-Mn合金的蝕刻橫截面圖，且亦是600μm(微米)比例顯示。
圖5為50x放大倍率的Cu-Ni-Sn-Mn合金的蝕刻橫截面圖，且亦是600μm(微米)比例顯示。
圖6為50x放大倍率的Cu-Ni-Sn-Mn合金的蝕刻橫截面圖，且亦是600μm(微米)比例顯示。
圖7為50x放大倍率的Cu-Ni-Sn-Mn合金的蝕刻橫截面圖，且亦是600μm(微米)比例顯示。
圖8為50x放大倍率的Cu-Ni-Sn合金的蝕刻橫截面圖，且亦是600μm(微米)比例顯示。
圖9為顯示特定組合物在鑄造、均質化、與熱鐓後是否為磁性的列表。
圖10為顯示特定組合物在均質化與固態溶液退火後是否為磁性的列表。
圖11為顯示特定組合物在均質化與熱滾軋後是否為磁性的列表。
圖12為顯示特定組合物在均質化、熱滾軋、與固態溶液退火後是否為磁性的列表。
圖13為顯示特定組合物在均質化、熱滾軋、固態溶液退火、與冷滾軋後是否為磁性的列表。
圖14為顯示特定組合物在均質化、熱滾軋、固態溶液退火、冷滾軋、與時效處理後是否為磁性的列表。
圖15為顯示特定組合物在均質化、加熱、擠壓、與固態溶液退火後是否為磁性的列表。
圖16為列出在圖9所示製程後的組合物之相對磁導率的列表。
圖17為列出在圖10所示製程後的組合物之相對磁導率的列表。
圖18為列出在圖11所示製程後的組合物之相對磁導率的列表。
圖19為列出在圖12所示製程後的組合物之相對磁導率的列表。
圖20為列出在圖13所示製程後的組合物之相對磁導率的列表。
圖21為列出在圖14所示製程後的組合物之相對磁導率的列表。
圖22為列出在圖15所示製程後的組合物之相對磁導率的列表。
圖23為列出在圖9所示製程後的組合物之電導率的列表。
圖24為列出在圖10所示製程後的組合物之電導率的列表。
圖25為列出在圖11所示製程後的組合物之電導率的列表。
圖26為列出在圖12所示製程後的組合物之電導率的列表。
圖27為列出在圖13所示製程後的組合物之電導率的列表。
圖28為列出在圖14所示製程後的組合物之電導率的列表。
圖29為列出在圖15所示製程後的組合物之電導率的列表。
圖30為列出在圖9所示製程後的組合物之硬度的列表。
圖31為列出在圖10所示製程後的組合物之硬度的列表。
圖32為列出在圖11所示製程後的組合物之硬度的列表。
圖33為列出在圖12所示製程後的組合物之硬度的列表。
圖34為列出在圖13所示製程後的組合物之硬度的列表。
圖35為列出在圖14所示製程後的組合物之硬度的列表。
圖36為列出在圖15所示製程後的組合物之硬度的列表。
圖37為顯示在各種溫度的實效處理下的數個不同組合物的最大磁吸引距離的長條圖。
圖38A-38E為顯示不同Cu-Ni-Sn-Mn合金的錳含量與機械特性間關係的圖式。
圖38A為顯示0.2%偏移屈服强度與錳含量相比較的圖式。
圖38B為顯示極限抗拉強度與錳含量相比較的圖式。
圖38C為顯示百分比(%)伸長量與錳含量相比較的圖式。
圖38D為顯示硬度(HRB)與錳含量相比較的圖式。
圖38E為顯示磁吸引距離與錳含量相比較的圖式。
圖39A為在Cu-NiSn-Mn合金的不同時效溫度下的磁吸引距離與0.2%偏移屈服強度的圖式。
圖39B為在Cu-15Ni-8Sn-xMn合金的不同時效溫度下的磁吸引距離與0.2%偏移屈服強度的圖式。
圖39C為在Cu-9Ni-6Sn-xMn合金的不同時效溫度下的磁吸引距離與0.2%偏移屈服強度的圖式。
圖39D為在Cu-11Ni-6Sn-20Mn合金的不同時效溫度下的磁吸引距離與0.2%偏移屈服強度的圖式。
圖40A-40E為顯示時效溫度影響機械特性的圖式。
圖40A為0.2%偏移屈服强度與時效溫度相比較的圖式。
圖40B為極限拉伸強度與時效溫度相比較的圖式。
圖40C為百分比(%)伸長量與時效溫度相比較的圖式。
圖40D為硬度(HRC)與時效溫度相比較的圖式。
圖40E為磁吸引距離與時效溫度相比較的圖式。
圖41A為顯示針對不同製程的組合物A之磁吸引距離的圖式。
圖41B為顯示針對不同製程的組合物E之磁吸引距離的圖式。
圖42為顯示各種形式(桿材、滾板材)與組合物之磁吸引距離的圖式。
圖43為顯示按照形式(桿材與板材相比較)分類的圖42所示樣品的磁矩(emu(電磁單位))與施加磁場強度相比較的一組兩圖式。
圖44為顯示按照形式(桿材與板材相比較)分類的圖42所示樣品的退磁曲線(第二象限)的一組兩圖式。
圖45為顯示圖42所示樣品的剩餘磁、或剩餘磁矩的長條圖。
圖46為顯示圖42所示樣品的矯頑性、或矯頑力(奧斯特(Oersted))的長條圖。
圖47為顯示圖42所示樣品在飽和(emu(電磁單位))下的最大磁矩的長條圖。
圖48為顯示圖42所示樣品的垂直度(剩餘磁除以飽和時的最大磁矩)的長條圖。
圖49為顯示圖42所示樣品的σ(Sigma)標準差(飽和時的最大磁矩 除以質量)的長條圖。
圖50為顯示圖42所示樣品的交換場分佈(△H/Hc)的長條圖。
圖51A為200x放大倍率，在1500℉溫度進行固態溶液退火的組合物G的光學影像，且亦是120μm(微米)比例顯示。
圖51B為500x放大倍率，在1500℉溫度進行固態溶液退火的組合物G的光學影像，且亦是50μm(微米)比例顯示。
圖52為在250,000x放大倍率，在1520℉溫度進行固態溶液退火的組合物A的穿透式電子影像，且亦是100nm(奈米)比例顯示。
圖53為500x放大倍率，在910℉溫度進行時效處理的組合物F的光學影像，且亦是50μm(微米)比例顯示。
圖54A為500x放大倍率，在910℉溫度進行時效處理的組合物F的CLSM影像，且亦是25μm(微米)比例顯示。
圖54B為1500x放大倍率，在910℉溫度進行時效處理的組合物F的CLSM影像，且亦是25μm(微米)比例顯示。
圖54C為500x放大倍率，在835℉溫度進行時效處理的組合物A的CLSM影像，且亦是25μm(微米)比例顯示。
圖54D為1500x放大倍率，在835℉溫度進行時效處理的組合物A的CLSM影像，且亦是25μm(微米)比例顯示。
圖54E為500x放大倍率，在1100℉溫度進行過時效處理的組合物F的CLSM影像，且亦是25μm(微米)比例顯示。
圖54F為1500x放大倍率，在1100℉溫度進行過時效處理的組合物F的CLSM影像，且亦是25μm(微米)比例顯示。
圖55A為1500x放大倍率，在1000℉溫度進行過時效處理的組合物A的SEM影像，且亦是10μm(微米)比例顯示。
圖55B為10,000x放大倍率，在1000℉溫度進行過時效處理的組合物A的SEM影像，且亦是1μm(微米)比例顯示。
圖55C為3000x放大倍率，在1100℉溫度進行過時效處理的組合物F的SEM影像，且亦是5μm(微米)比例顯示。
圖55D為10,000x放大倍率，在1100℉溫度進行過時效處理的組合物F的SEM影像，且亦是1μm(微米)比例顯示。
圖56A為在20,000x放大倍率，在910℉溫度進行過時效處理的組合物A的ZC影像，且亦是1.5μm(微米)比例顯示。
圖56B為在50,000x放大倍率，在910℉溫度進行過時效處理的組合物A的ZC影像，且亦是600nm(奈米)比例顯示。
圖56C為在50,000x放大倍率，在910℉溫度進行過時效處理的組合物A的穿透式電子影像，且亦是600nm(奈米)比例顯示。
圖57為顯示固態溶液退火含錳組合物(A；未時效處理)與時效處理(顯示新相)後的相同組合物相比較的一組兩圖式。
圖58為顯示固態溶液退火含錳組合物(E；未時效處理)與時效處理(顯示新相)後的相同組合物相比較的一組兩圖式。
圖59為固態溶液退火含錳鎳錫合金(H；未時效處理)與時效處理後的相同組合物相比較的兩圖式，其顯示時效處理沒有形成新相(即是，此合金為非磁性)。
圖60A-60E為合金的放大影像，其顯示析出物的線條。
圖60A是與圖53相同，不過具有顯示析出物取向的三條線。
圖60B是與圖54A相同，不過具有顯示析出物取向的三條線。
圖60C是與圖54D相同，不過具有顯示析出物取向的三條線。
圖60D是與圖54F相同，不過具有顯示析出物取向的三條線。
圖60E是與圖55A相同，不過具有顯示析出物取向的三條線。
圖60F是與圖55C相同，不過具有顯示析出物取向的三條線。
從參考附圖可更完全瞭解本發明揭露的組件、製程與設備。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/或沒有限定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。
如在本說明書與專利申請專利範圍的使用，術語「包括」可包括「其組成」與「本質由其組成」的具體實施例。如本說明書使用的術語「包括」、「包含」、「具有」、「能夠」、及其變體是需要存在指定的組合物/步驟且允許存在其他組合物/步驟的廣泛轉折片語、術語或語句。不過，此描述應構成還描述列舉組合物/步驟「其組成」與 「本質由其組成」的組合物或處理，其允許存在只有指定的組合物/步驟、連同從其造成的任何雜質，且排除其他組合物/步驟。
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習知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端點(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公克的端點、與所有中間值)。
術語「約」與「近似」可用來包括任何數值，其可在無需改變該值的基本功能而發生變化。當連同範圍使用時，「約」與「近似」亦揭露兩端點的絕對值所定義的範圍，例如「約2至4」亦揭露範圍「從2至4」。通常，術語「約」與「近似」可視為指定數值的正或負(+/-)10%。
本發明提及特定製程步驟的溫度。注意，這些通常是指設置熱源(例如，爐)的溫度，且不必然是指材料暴露於熱所達到的溫度。
本發明有關磁性與導電兩者的銅鎳錫錳(Cu-Ni-Sn-Mn)合金。鎳可為從約8wt%至16wt%含量。在更多具體實施例，鎳是約14wt%至16wt%、約8wt%至10wt%、或約10wt%至12wt%含量。錫可為從約5wt%至9wt%含量。在更多具體實施例，錫是約7wt%至9wt%、或約5wt%至7wt%含量。錳可為從約1wt%至21wt%、或約1.9wt%至20wt%含量。在更多具體實施例，錳是至少4wt%、至少5wt%、約4wt%至 12wt%、約5wt%至21wt%、或約19wt%至21wt%含量。合金的其餘量是銅。合金可更包括少數含量的一或多個其他金屬，諸如鉻、矽、鉬、鋅。對於本發明所欲實現的目的，小於0.5wt%含量的元素應視為雜質，諸如鐵。
在某些具體實施例，銅鎳錫錳合金包含從約8wt%至16wt%鎳、約5wt%至9wt%錫、約1wt%至21wt%錳，其餘為銅。
在其他具體實施例，銅鎳錫錳合金包含從約8wt%至16wt%鎳、約5wt%至9wt%錫、約5wt%至21wt%錳，其餘為銅。
在不同具體實施例，銅鎳錫錳合金含有約8wt%至16wt%鎳、約5wt%至9wt%錫、約5wt%至11wt%錳、其餘為銅。
在仍然另一具體實施例，銅鎳錫錳合金包含從約14wt%至16wt%鎳、約5wt%至9wt%錫、約5wt%至11wt%錳、其餘為銅。
在更多具體實施例，銅鎳錫錳合金包含從約14wt%至16wt%鎳、約7wt%至9wt%錫、約1wt%至21wt%錳、其餘為銅。
在更多具體實施例，銅鎳錫錳合金包含從約14wt%至16wt%鎳、約7wt%至9wt%錫、約4wt%至12wt%錳、其餘為銅。
在其他具體實施例，銅鎳錫錳合金包含從約8wt%至10wt%鎳、約5wt%至7wt%錫、約1wt%至21wt%錳，其餘為銅。
在其他具體實施例，銅鎳錫錳合金包含約8wt%至10wt%鎳、約5wt%至7wt%錫、約4wt%至21wt%錳、其餘為銅。
在某些具體實施例，銅鎳錫錳合金包含從約10wt%至12wt%鎳、約5wt%至7wt%錫、約1wt%至21wt%錳、其餘為銅。
這些合金可由採用所需要比例的固態銅、鎳、錫、錳組合形成。銅、鎳、錫、錳的適當比例批量經由製備，然後熔融形成合金。或者鎳、錫、與錳顆粒可添加到熔融銅池。熔融可採用尺寸符合所需要固化產物結構的燃氣、電感應、電阻、或電弧爐等環境進行。通常，熔融溫度可隨著鑄造製程至少約2057℉過熱溫度，且在150至500℉範圍內。惰性氣體(例如，包含氬氣及/或二氧化碳/一氧化碳)及/或利用絕緣保護罩(例如，蛭石、氧化鋁、及/或石墨)可用來維持中性或還原狀態，以保護可氧化元素。
諸如鎂、鈣、鈹、鋯、及/或鋰的反應金屬可於初始熔融後添加，以確保低濃度的溶解氧。合金的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、或其他離散形式。
或者，分離的元素粉末可熱機械組合生成原輸入物料、半成品零件或近成品零件的銅鎳錫錳合金。
銅鎳錫錳合金的薄膜亦可透過標準薄膜沉積技術製造，包括(但有侷限於)濺鍍或蒸鍍。薄膜亦可由來自兩或多個元素濺鍍靶材的共濺鍍、或適當二元或三元合金濺鍍靶材的組合、或來自包含實現薄膜需要比例的製造所需全部四個元素的單塊濺鍍靶材的濺鍍生成。該項技術領域的通常知識為，需要薄膜的具體熱處理以發揮及改善薄膜的磁與材料特性。
在某些具體實施例，鑄造合金為磁性。特別是，此銅鎳錫錳合金 可包含從約2%至20wt%錳。藉由強大稀土磁體中所存在合金吸引力的半定量評值可決定銅基合金是否為磁性。或者，且更加量化，可為磁吸引距離測量。諸如振動樣品磁強儀的複雜磁場測量系統也很有用。
有趣的是，鑄造合金的磁與機械特性可藉由額外製程步驟來改變。此外，經過某些製程步驟的先前磁性的合金可藉由進一步製程步驟來顯現非磁性，然後在額外處理後再次顯現磁性。磁特性因而不必然要存在銅基合金本身，且會受到所執行製程的影響。因此，可獲得具有磁與強度特性需要組合的磁合金，諸如相對磁導率、電導率、與硬度(例如，洛氏B或C)特性。依需要的磁反應因此可基於均質化、固態溶液退火、時效處理、熱加工、冷加工、擠壓、與熱鐓的各種組合進行調整。此外，此合金應具有約15 x 106psi(每平方英寸)至約25×106psi(每平方英寸)的相當低彈性模數。因此，利用高彈性應變可實現良好的彈簧特性，預期高於鐵基合金或鎳基合金的50%大小。
均質化包括加熱合金以在合金建立一同質結構，以減少可能同凝固自然結果發生的化學或金相偏析。合金元素的擴散會發生持續到其均勻分佈在整個合金。此通常發生在介於合金的固相線溫度(Solidus temperature)的80%和95%間。均質化改善可塑性，增加機械特性的一致性與位準，及減小合金的各向異性。
固態溶液退火包括將析出物硬化合金加熱到足夠高的溫度，以將顯微結構轉換成一單相。快速焠火至室溫使合金處於使合金柔軟與 韌性的過飽和狀態，有助於調節晶粒度，並製備供時效處理的合金。過飽和固態溶液體的隨後加熱允許強化相的析出及硬化合金。
時效硬化是一種熱處理技術，其可使雜質相(阻礙晶格中缺陷的移動)產生排序與精細顆粒(即是析出物)。此可硬化合金。
熱加工是一種在通常高於合金再結晶溫度的溫度，合金通過滾輥、模具、或進行鍛造以減少合金截面及產生想要形狀與尺寸的金屬成型製程。此通常方向性減少機械特性，且產生新的等軸顯微結構，特別是後固體溶液退火。執行的熱加工程度是採用厚度減少百分比(%)、或面積減少百分比(%)來表示，且在本發明僅稱為「減少百分比(%)」。
冷加工通常是一種在接近室溫下進行的金屬成形製程，其中合金是通過滾輥、模具、或冷加工以減小合金的截面，使截面尺寸具一致性。此為增加合金的強度。進行的冷加工程度是以厚度減少百分比(%)、或面積減少百分比(%)來表示，且在本發明僅稱為「減少百分比(%)」。
擠壓是一種熱加工製程，其中特定橫截面的合金是透過具有較小橫截面的晶粒而受力。此可隨著溫度而在擠壓方向產生一拉長的晶粒結構。最後截面面積與原始橫截面面積的比率可用來表示變形的程度。
熱鐓或鐓鍛是工件厚度是藉由施加熱與壓力的壓縮之製程，其會擴大其橫截面或改變其形狀。此可塑性變形合金，且通常是在高於再結晶溫度下進行。此改善機械特性，改善延展性，進一步均質化 合金，且細化粗晶粒。厚度減少百分比用來表示熱鐓或鐓鍛的程度。
經過某些熱處理後，合金必須冷卻到室溫。此可藉由水焠火、油焠火、合成焠火、空氣冷卻、或爐冷卻進行。焠火介質選擇允許控制冷卻速率。
在第一組額外製程步驟，在合金為鑄件後，合金在約1400℉至約1700℉溫度進行均質化約4小時至約16小時時段，然後水焠火或空氣冷卻。此組步驟通常保持具有至少5wt%錳含量的合金之磁性，降低相對磁導率，可增加電導率，且依需要改變任何方向的硬度。具有較低錳含量的合金在此組的額外製程步驟通常會變成非磁性。
在某些合金，雖然第一組額外製程步驟移除磁性，不過在約1500℉至約1600℉溫度進行第二均質化約8小時至約12小時時段，然後進行水焠火，可重新取得磁性。
磁性亦可保持，如果在約1400℉至約1700℉溫度進行均質化約4小時至約16小時時段後，合金係熱鐓從約40%至60%減少，然後進行水焠火。
在第二組額外製程步驟，在合金為鑄件後，合金在約1500℉至約1700℉溫度進行均質化約5小時至約7小時時段，然後以空氣冷卻。此組步驟可保持具有至少5wt%錳含量的合金之磁性，特別是約10wt%至約12wt%錳含量。
有趣地，由第二組額外步驟的均質化步驟轉變為非磁性之某些銅合金的磁性可隨後藉由下列而再次產生磁性：在約1400℉至約 1600℉溫度進行固態溶液退火該均質化合金約1小時至約3小時時段，然後水焠火；在約750℉至約1200℉溫度進行時效處理該退火合金約2小時至約4小時時段，然後空氣冷卻。再者，此製程可降低相對磁導率，可提高電導率，且可依據需要改變任何方向的硬度。在具體實施例，電導率提高至約4% IACS。
在第三組額外製程步驟，在合金為鑄件後，合金在約1500℉至約1700℉的第一溫度進行均質化約5小時至約7小時時段，然後空氣冷卻。合金然後在約1400℉至約1600℉溫度(此通常較低於均質化溫度)進行加熱約1小時至約3小時時段，然後熱滾軋第一段時間。如需要，合金可在約1400℉至約1600℉溫度重新加熱約5分鐘至約60分鐘或更多時段，此取決於截面尺寸，然後熱滾軋第二段時間以實現總減少約65%至約70%。最後，合金在約1400℉至約1600℉溫度進行固態溶液退火約4小時至約6小時時段；然後藉由爐冷卻或水焠火進行冷卻。此組步驟可在具有至少5wt%錳含量的合金、以及具有約4wt%至約6wt%錳含量的合金中保持磁性。
在第三組額外製程步驟所述均質化、熱滾軋、與固態溶液退火後，合金亦可在約750℉至約850℉溫度進行時效處理約1小時至約24小時時段，然後空氣冷卻，且仍然保持磁性。
在第四組額外製程步驟，在合金為鑄件後，合金在約1200℉至約1700℉溫度進行均質化約4小時至約22小時時段。合金然後在約1400℉至約1600℉溫度進行加熱約1小時至約3小時時段，然後熱滾軋，以實現減少約65%至約70%。合金然後在約1200℉至約 1600℉溫度進行固態溶液退火約1小時至約3小時時段，然後以水焠火。在此第四組製程步驟後，具有至少5wt%錳含量的銅鎳錫錳合金亦可保持其磁性，特別是具有約7wt%至約21wt%錳含量之類、或具有約8wt%至約12wt%鎳含量與約5wt%至約7wt%錫含量之類。
在第四組額外製程步驟所述均質化、熱滾軋、與固體溶液退火後，合金亦可在約750℉至約1200℉溫度進行時效處理約2小時至約4小時的時間，然後以空氣冷卻，且保持磁性。在均質化、熱滾軋、與固態溶液退火製程步驟後，此時效處理步驟亦重新激活某些非磁合金的磁性。第四組額外製程步驟與此額外時效處理步驟的組合可認為是第五組額外製程步驟。
或者，在第四組額外製程步驟所述均質化、熱滾軋、與固態溶液退火後，合金亦可冷滾軋以實現減少約20%至約40%，且重新激活磁性。第四組額外製程步驟與此額外冷滾軋步驟的組合可認為是一第六組額外製程步驟。
此外，在第六組額外製程步驟所述均質化、熱滾軋、固態溶液退火、與冷滾軋後，合金然後在約750℉至約1200℉溫度進行時效處理約2小時至約4小時時段，然後空氣冷卻，且亦重新激活磁。第六組額外製程步驟與此額外時效處理步驟的組合可認為是一第七組額外製程步驟。
在第八組額外製程步驟，在合金為鑄件後，合金在約1200℉至約1700℉的第一溫度進行均質化約5小時至約7小時、或約9小時至11小時、或約18小時至約22小時時段，然後空氣冷卻。合金然 後在約1200℉至約1600℉溫度進行加熱約4小時或更長(包括約6小時或更長)的第二時間段。合金然後擠壓以達成減少約66%至約90%。在此第八組製程步驟後，具有至少7wt%錳含量的銅鎳錫錳合金亦可保持其磁性，特別具有約10wt%至約12wt%錳含量之類。
在第八組額外製程步驟所述的均質化及擠壓步驟後，合金亦可在約1200℉至約1700℉溫度進行固態溶液退火約1小時至約3小時時段，然後水焠火。在此第九組製程步驟後，具有至少7wt%錳含量的銅鎳錫錳合金亦可保持其磁性，特別是具有約10wt%至約12wt%錳含量之類。在均質化與擠壓步驟後，此固態溶液退火步驟亦可重新激活某些非磁合金的磁性。第八組製程步驟與此固態溶液退火步驟的組合可認為是一第九組額外製程步驟。
在第十組製程步驟，在合金是根據第八組製程步驟擠壓後，合金是在約1200℉至約1700℉溫度進行固態溶液退火約1小時至約3小時時間。合金可選擇性然後冷加工以實現減少約20%至約40%。合金然後在約600℉至約1200℉溫度進行時效處理約1小時至約4小時時段。在更多具體實施例，時效處理是在約700℉至約1100℉、或約800℉至約950℉溫度進行，然後以空氣冷卻。
合金亦可在磁場進行熱處理以改變其特性。合金暴露於磁場，然後加熱(例如，在爐中，利用紅外線燈或利用雷射)。此可能導致合金的磁特性變化，且可認為是一個第十一組額外製程步驟。
生成的磁性銅鎳錫錳合金可具有各種特性值的不同組合。磁合金可具有至少1.100、或至少1.500、或至少1.900的相對磁導率(μr)。 磁合金可具有至少60、至少70、或至少80、或至少90的洛氏(Rockwell)硬度B(HRB)。磁合金可具有至少25、至少30、或至少35的洛氏(Rockwell)硬度C(HRC)。磁合金可具有從約0.4emu(電磁單位)至約1.5emu(電磁單位)飽和度(ms)的最大磁矩。磁合金可具有從約0.1emu(電磁單位)至約0.6emu(電磁單位)剩餘磁或剩磁(mr)。磁合金可具有從約0.3至約1.0翻轉場分佈(△H/Hc)。磁合金可具有從約45奧斯特至約210奧斯特、或至少100奧斯特、或小於100奧斯特的矯頑力。磁合金可具有方形度，其係採mr/ms進行計算，約0.1至約0.5。磁合金可具有約4.5emu/g(每公克電磁單位)至約9.5emu/g(每公克電磁單位)的σ(Sigma)(ms/質量)。磁合金可具有從約1.5%至約15%、或從約5%至約15%的電導率(%IACS)。磁合金可具有從約20ksi至約140ksi(包括從約80ksi至約140ksi)的0.2%偏移屈服強度。磁合金可具有約60ksi至約150ksi(包括從約80ksi至約150ksi)的極限拉伸強度。磁合金可具有約4%至約70%的百分比(%)伸長量。當在室溫下利用Charpy V刻痕試驗，根據ASTM E23進行測量時，磁合金可具有至少2ft-lb(英尺-磅)至超過100ft-lb(英尺-磅)的CVN衝擊強度。磁合金可具有約8g/cc(公克/毫升)至約9g/cc(公克/毫升)密度。磁合金可具有約1600萬至2100萬psi(每平方英寸磅數)(95%置信區間)彈性模數。這些特性的各種組合是可預期的。
在特別具體實施例，磁合金可具有至少1.100的相對磁導率(μr)與至少60的洛氏(Rockwell)硬度B(HRB)。
在其他具體實施例，磁合金可具有至少1.100的相對磁導率(μr) 與至少25的洛氏(Rockwell)硬度C(HRC)。
在某些具體實施例，銅鎳錫錳合金亦可包含鈷。當出現鈷時，合金可包含從約1wt%至約15wt%鈷。
磁性銅鎳錫錳合金可形成基本物件，諸如帶材、桿材、管材、線材、棒材、板材、模子；或製造的物件，諸如各種彈簧。特別是，據信磁彈簧將需要更少力來移動，且將具有高彈性應變。其他物件可選自下列組群組：襯套、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。
理想上，本發明的磁合金具有機械強度、延展性、與磁性質的平衡。磁特性(諸如，磁吸引距離、矯頑力、剩磁、飽和時最大磁矩、磁導率、與磁滯行為、及機械特性)可調整到所需要要的組合。
據信，本發明的磁銅合金是在合金的磁性將隨著熱處理與合金的組合物變化的結構域。特別是，金屬間析出物已觀察到在某些合金的顯微結構內。因此，本發明的合金可認為是在銅基內含不連續分散相。在沒有受理論束縛(或者)，合金可認為分散在主要銅基內的Ni-Mn-Sn金屬間化合物，其亦可包含鎳與錳。
圖53-56C，如下面進一步描述，顯示本發明的Cu-Ni-Sn-Mn合金的各種放大圖。針狀金屬間物析出物出現在這些圖式的晶粒內。如圖60A-60F所示，析出物顯示為彼此約60°角度取向的三組線條。在這些圖，虛線是強調析出物取向的方向。在某些具體實施例，當從垂直於長軸觀察時，析出物的外觀比為4：1至20：1。在其他具體實施例，當從橫截面觀察時，析出物的外觀比為1：1至4：1。
某些潛在的應用存在於這些磁銅合金。關於這一點，其有銅合金的正常特性，諸如耐腐蝕性、電導率、與抗微生物特性、以及磁性。此應用可包括鹽水的磁性過濾；低位準電加熱水；水產養殖業的部件與組件；貨幣防偽線；磁性水軟化器；醫療設備或手術器儀器、電燒治療設備、定位裝置或儀器；海洋裝置，諸如浮標、浮筒、框架、雪橇、電纜、扣件、或低電流熱毯；用於電磁輻射吸收目的之顏料、塗料、膜或箔片；此外，特性特徵青睞應用的其他組合，諸如包鋼、鑲嵌、連接條與電線；溫度限制與控制裝置；磁感應器、磁感測旋轉軸測靶、與磁開關裝置；微機電系統(MEMS，Micro-electro-mechanical system)、半導體、與自旋傳輸電子裝置；變壓器與其他電子裝置的磁導線；EMF/RFI屏蔽材料、需要電磁屏蔽的電信裝置；薄膜塗層；需要磁場特徵的複合/混合系統；及電磁屏蔽與用於製冷或加熱的熱磁冷卻裝置。
下面實例用來說明本發明的合金、製程、物件、與特性。實例只是說明而沒有將本發明侷限在其中闡述的材料、狀態、或製程參數。

Claims (53)

  1. 一種磁銅合金，其包括：鎳、錫、錳、與銅；其中該合金為磁性。
  2. 如請求項1所述之磁銅合金，其包含8wt%至16wt%鎳、5wt%至9wt%錫、與1wt%至21wt%錳。
  3. 如請求項1所述之磁銅合金，其包含14wt%至16wt%鎳、7wt%至9wt%錫、與1wt%至21wt%錳。
  4. 如請求項3所述之磁銅合金，其包含從4wt%12wt%錳。
  5. 如請求項1所述之磁銅合金，其包含從8wt%至10wt%鎳、5wt%至7wt%錫、與1wt%至21wt%錳。
  6. 如請求項5所述之磁銅合金，其包含4wt%至21wt%錳。
  7. 如請求項1所述之磁銅合金，其包含10wt%至12wt%鎳、5wt%至7wt%錫、與1wt%至21wt%錳。
  8. 如請求項1所述之磁銅合金，其中該磁合金具有至少1.100、或至少1.500、或至少1.900相對磁導率(μr)。
  9. 如請求項1所述之磁銅合金，其中該磁合金是電導。
  10. 如請求項1所述之磁銅合金，其中該磁合金具有至少60、至少70、或至少80、或至少90洛氏硬度B(HRB)。
  11. 如請求項1所述的磁銅合金，其中該磁合金具有至少25、至少30、或至少35洛氏硬度C(HRC)。
  12. 如請求項1所述之磁銅合金，其中該磁合金具有至少1.100相對磁導率(μr)、與至少60的洛氏硬度B(HRB)。
  13. 如請求項1所述之磁銅合金，其中該磁合金具有至少1.100相對磁導率(μr)、與至少25的洛氏硬度C(HRC)。
  14. 如請求項1所述之磁銅合金，其具有至少5wt%錳含量且藉由下列步驟形成：鑄造該合金；及在1400℉至1700℉溫度進行均質化該合金4小時16小時時段，然後水焠火。
  15. 如請求項14所述之磁銅合金，其中該合金是在1500℉至1600℉溫度進行第二均質化8小時至12小時時段，然後水焠火以進一步形成。
  16. 如請求項14所述之磁銅合金，其中該合金是藉由熱鐓該合金到減少40%至60%，然後水焠火以進一步形成。
  17. 如請求項1所述之磁銅合金，其具有至少5wt%錳含量且藉由下列步驟形成：鑄造該合金；及在1500℉至1700℉溫度進行均質化該合金5小時至7小時時段，然後空氣冷卻。
  18. 如請求項17所述之磁銅合金，其中該合金是藉由下列步驟形成：隨後在1400℉至1600℉溫度進行固態溶液退火該均質化合金1小時至3小時時段，然後水焠火；及在750℉至1200℉溫度進行時效處理該退火合金2小時至4小時時段，然後空氣冷卻。
  19. 如請求項1所述之磁銅合金，其具有至少5wt%錳含量且藉 由下列步驟形成：鑄造該合金；在1500℉至1700℉的第一溫度進行均質化該合金5小時至7小時的第一時段，然後空氣冷卻；在1400℉至1600℉溫度進行加熱該合金1小時至3小時時段；熱滾軋該合金以達成減少65%至70%；在1400℉至1600℉溫度進行固態溶液退火該合金4小時至6小時時段；及藉由爐冷卻或水焠火以冷卻該退火合金。
  20. 如請求項19所述之磁銅合金，其中該合金是藉由在750℉至850℉溫度，進行時效處理該合金1小時至24小時時段，然後空氣冷卻以進一步形成。
  21. 如請求項1所述之磁銅合金，其具有至少5wt%錳含量且藉由下列步驟形成：鑄造該合金；在1200℉至1700℉溫度進行均質化該合金4小時至22小時時段；在1400℉至1600℉溫度進行加熱該合金1小時至3小時時段，且熱滾軋以達成減少65%至70%；在1200℉至1600℉溫度進行固態溶液退火該合金1小時至3小時時段，然後水焠火。
  22. 如請求項21所述之磁銅合金，其具有8wt%至12wt%鎳含 量與5wt%至7wt%錫含量。
  23. 如請求項21所述之磁銅合金，其中該合金是藉由在750℉至1200℉溫度，進行時效處理該合金2小時至4小時時段，然後空氣冷卻以進一步處理。
  24. 如請求項21所述之磁銅合金，其中該合金是藉由冷滾軋該合金促成減少20%至40%以進一步處理。
  25. 如請求項24所述之磁銅合金，其中該合金是藉由在750℉至1200℉溫度，進行時效處理該合金2小時至4小時時段，然後空氣冷卻以進一步處理。
  26. 如請求項1所述之磁銅合金，其具有至少7wt%錳含量且藉由下列步驟形成：鑄造該合金；在1200℉至1700℉的第一溫度進行均質化該合金5小時至22小時的第一時段，然後空氣冷卻；在1200℉至1600℉溫度進行加熱該合金4小時或更長時段；及擠壓該合金以達成減少66%至90%。
  27. 如請求項26所述之磁銅合金，其中藉由在1200℉至1700℉溫度，1小時至3小時時段進行固態溶液退火該合金及然後水焠火，以進一步形成該合金。
  28. 如請求項1所述之磁銅合金，其中該合金由是藉由下列步驟形成：鑄造該合金； 在1200℉至1700℉的第一溫度進行均質化該合金5小時至22小時的第一時段，然後空氣冷卻；在1200℉至1600℉溫度進行加熱該合金4小時或更長時段；及擠壓該合金以達成減少66%至90%；在1200℉至1700℉溫度進行固態溶液退火該合金1小時至3小時時段，然後焠火；或者，冷加工該合金以達成減少20%至40%；及在600℉至1200℉溫度進行時效處理該合金1小時至4小時時段，然後空氣冷卻。
  29. 如請求項1所述之磁銅合金，其中該合金為鑄造成形磁性。
  30. 如請求項1所述之磁銅合金，其中，該處於時效處理狀況的合金顯現的磁吸引距離為較高於處於固態溶液退火狀況的磁吸引距離。
  31. 如請求項1所述之磁銅合金，其中該合金具有20ksi至140ksi的0.2%偏移屈服强度。
  32. 如請求項1所述之磁銅合金，其中該合金具有60ksi至150ksi的極限拉伸強度。
  33. 如請求項1所述之磁銅合金，其中該合金具有4%至70%的拉伸長度。
  34. 如請求項1所述之磁銅合金，其中該合金具有至少60的洛氏B硬度、或至少25的洛氏C硬度。
  35. 如請求項1所述之磁銅合金，其中該合金具有20ksi至140ksi的0.2%偏移屈服強度；60ksi至150ksi的極限拉伸強度；及4%至70%的拉伸長度。
  36. 如請求項1所述之磁銅合金，其中該合金具有0.5公分至11.5公分的磁吸引距離。
  37. 如請求項1所述之磁銅合金，其中該合金具有至少6公分的磁吸引距離。
  38. 如請求項1所述之磁銅合金，其中該合金具有至少0.4emu(電磁單位)飽和度的最大磁矩。
  39. 如請求項1所述之磁銅合金，其中該合金具有至少100奧斯特(Oersted)的矯頑力。
  40. 如請求項1所述之磁銅合金，其中該合金具有小於100奧斯特(Oersted)的矯頑力。
  41. 如請求項1所述之磁銅合金，其中該合金是藉由添加鎳、錫、錳到熔融銅批量形成；或其中該合金是藉由形成混合物或銅、鎳、錫和錳，然後熔融該混合物形成。
  42. 如請求項1所述之磁銅合金，其中該合金更包括最多15%鈷含量。
  43. 一種主要銅基形式的Cu-Ni-Sn-Mn合金，其中包含鎳、錫、和錳。
  44. 如請求項43所述之Cu-Ni-Sn-Mn合金，其中該主要銅基還包含鎳和錳。
  45. 如請求項43所述之Cu-Ni-Sn-Mn合金，其中該合金包含8wt%至16wt%鎳、5wt%至9wt%錫、與1wt%至21wt%錳。
  46. 一種包含魏氏結構的Cu-Ni-Sn-Mn合金。
  47. 如請求項46所述之Cu-Ni-Sn-Mn合金，其中該魏氏結構是由析出物的三條線形成，該等三條線是彼此形成60℃角度取向。
  48. 一種從垂直於長軸觀察時包含具有4：1至20：1外觀比的析出物之Cu-Ni-Sn-Mn合金。
  49. 一種從橫截面觀察時包含具有1：1至4：1外觀比的析出物之Cu-Ni-Sn-Mn合金。
  50. 如請求項1-49中任一項所述之從磁銅合金形成的物件。
  51. 如請求項50所述之物件，其中該物件是一帶材、桿材、管材、線材、棒材、板材、模子、或彈簧、或是一磁屏蔽、一磁開關繼電器、一磁感應器組件、或一磁料間的隔離件、或一電導彈簧、或一聲阻尼裝置、或是一帶材、線材、薄膜、一溫度或位置控制裝置。
  52. 如請求項14-28或41中任一項所述之步驟用於形成磁銅合金的製程。
  53. 一種用於從磁銅合金製造物件的製程，其包括：如請求項14-28中任一項的所述之步驟處理該合金，以獲得該物件。
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