TW201807207A

TW201807207A - 無鈹多元銅合金

Info

Publication number: TW201807207A
Application number: TW105128017A
Authority: TW
Inventors: 葉均蔚
Original assignee: 國立清華大學
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2018-03-01
Also published as: TWI580802B

Abstract

有鑑於習用的銅-鈹合金具有價格昂貴、相當程度的毒性、造成環保安全等問題，本發明提供一種無鈹多元銅合金，其係至少由45~80at%的Cu、4~17at%的Al、3~19at%的Ni、以及Cr、Fe等多種金屬元素所組成；其中，Cr及Fe的原子百分比皆高於0.5at%，同時Cr及Fe的原子百分比總和必須大於或等於2at%並小於或等於26at%。進一步地，該無鈹多元銅合金可更包括原子百分比總和不超過15at％的至少一種強化元素，且該強化元素可以為Sn、Co、V、Ti、Mn、Zn、Pb、Ge、C、P、Mg、Ce、Y、La、B、Sb、Zr、Mo、Si、Nb 等元素。並且，經由實際量測數據證明，本發明之無鈹多元銅合金的多組實施例的維氏硬度皆大於HV200；因此，本發明之無鈹多元銅合金係能夠取代習用的銅-鈹合金，進而應用於塑膠射出成型模具、導電彈簧、散熱片、電極、無火花工具、軸承、齒輪、活塞等構件的製造。

Description

無鈹多元銅合金

本發明係關於合金材料之相關技術領域，尤指一種無鈹多元銅合金。

由於具有良好的導電性及導熱性、高耐蝕能力、中高機械強度、抗疲勞能力、獨特的金屬光澤，因此銅及銅合金被廣泛地應用在日常生活之上。

在眾多銅合金之中，銅-鈹合金係具有最優異的機械強度。如熟悉合金材料設計與製造的工程師所熟知的，隨著溫度的改變，鈹在銅中的固溶度會有非常明顯的變化。例如，當溫度為25°C之時，鈹在銅中的固溶度為0.5wt% (3.4at%)；並且，當溫度高達886°C之時，鈹在銅中的固溶度則上升至2.7wt% (16.4at%)。因此，製造銅-鈹合金之時，便可以利用此固溶度差異進以根據應用需求而製造出不同硬度的銅-鈹合金。一般而言，所製得的銅-鈹合金的硬度主要係依據鈹含量(0.6~2.7 wt%)以及時效處理的條件而有所不同。舉例而言，目前商業上可取得的高硬度銅-鈹合金包括：鍛製合金(例如：C17000(Cu-1.7Be-0.3Co)與C17200(Cu-1.9Be-0.2Co)以及鑄造合金(例如：C82400(Cu-1.7Be-0.3Co)、C82500(Cu-2Be-0.5Co-0.25Si)、C82600(Cu-2.4Be-0.5Co)、與C82800(Cu-2.6Be-0.5Co-0.3Si)，在不同的鑄造、鍛造及熱處理條件下，它們的硬度約介於HV200~460(相當於HRC 18～46)之間。

由於具有優良的導電性與導熱性、高機械強度、及抗疲勞能力，銅-鈹合金長期以來被廣泛的應用於導電彈簧、散熱片、電極之製造。此外，銅-鈹合金與鋼有低摩擦、不產生火花之作用，是以亦被應用於無火花工具、軸承、齒輪、活塞等構件之製造。

即便銅-鈹合金具有上述之諸多優點與應用，銅-鈹合金仍舊於實務上顯示出以下之缺陷： (1)由於鈹金屬極為昂貴，導致以銅-鈹合金加工製成的金屬件的販售價格高居不下； (2)鈹金屬具有相當程度的毒性，導致以銅-鈹合金加工製成的金屬件衍生出環保及安全方面的顧慮。

因此，有鑑於習用的銅-鈹合金於實務面仍具備諸多缺陷，本案之發明人乃極力研究開發含多元素的銅合金之材料配方，最終研發完成本發明之一種無鈹多元銅合金。

有鑑於習用的銅-鈹合金具有價格昂貴、相當程度的毒性、造成環保安全等問題，本發明係提供一種無鈹多元銅合金，其係至少由45~80at%的Cu、4~17at%的Al、3~19at%的Ni、以及Cr、Fe等多種金屬元素所組成；其中，Cr及Fe的原子百分比皆高於0.5at%，同時Cr及Fe的原子百分比總和必須大於或等於2at%並小於或等於26at%。進一步地，該無鈹多元銅合金可更包括原子百分比總和不超過15at％的至少一種強化元素，且該強化元素可以為Sn、Co、V、Ti、Mn、Zn、Pb、Ge、C、P、Mg、Ce、Y、La、B、Sb、Zr、Mo、Si、Nb等元素。並且，經由實際量測數據證明，本發明之無鈹多元銅合金的多組實施例的維氏硬度皆大於HV200；因此，本發明之無鈹多元銅合金係能夠取代習用的銅-鈹合金，進而應用於塑膠射出成型模具、導電彈簧、散熱片、電極、無火花工具、軸承、齒輪、活塞等構件。

為了達成上述本發明之目的，本案之發明人係提出所述無鈹多元銅合金之一實施例；其中，該無鈹多元銅合金係具有高於HV200的一特定維氏硬度，且該無鈹多元銅合金的組成係由下列之組成式所表示：Cu_x Al_y Ni_z Cr_m Fe_n ；並且，顯示於組成式中的x、y、z、m、與n係滿足以下不等式：45%≦x≦80%、4%≦y≦17%、3%≦z≦19%、0.5%≦m、0.5%≦n、2%≦(m+n)≦26%。

於所述無鈹多元銅合金之實施例中，更可添加另一種強化元素至該無鈹多元銅合金，使得該無鈹多元銅合金的組成由下列之組成式所表示：Cu_x Al_y Ni_z Cr_m Fe_n M_s ；其中，M可為下列任一者：鉛(Pb)、錫(Sn)、鍺(Ge)、矽(Si)、碳(C)、銻(Sb)、磷(P)、硼(B)、鎂(Mg)、鈷(Co)、鋅(Zn)、錳(Mn)、鉬(Mo)、釩(V)、鈮(Nb)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、釔(Y)、鑭(La)、鈰(Ce)、上述任兩者之組合、或上述任兩者以上之組合；並且，0%≦s≦15%。

於所述無鈹多元銅合金之實施例中，當所述M包含錫(Sn)之時，錫(Sn)的原子百分比不超過10at%。

於所述無鈹多元銅合金之實施例中，當所述M包含其他元素時，每一種元素的原子百分比不超過6at%。

為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種無鈹多元銅合金，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。

本發明所提出的無鈹多元銅合金係具有大於HV200的一特定維氏硬度，並由一主要金屬元素以及四種第一強化元素。其中，該主要金屬元素係用以形成此無鈹多元銅合金之一基地相結構，且該基地相結構係為面心立方晶格結構(face centered cubic, FCC)；並且，該主要金屬元素為原子百分比介於45at%至80at%之間的銅金屬元素(Cu)。再者，該四種第一強化元素係用以形成該無鈹多元銅合金之至少一強化相結構；該四種金屬元素包括：原子百分比介於4at%至17at%之間的鋁金屬元素(Al)、原子百分比介於3at%至19at%之間的鎳金屬元素(Ni)、原子百分比高於0.5at%的鉻金屬元素(Cr)、以及原子百分比高於0.5at%的鐵金屬元素(Fe)。必須特別說明的是，所述鉻金屬元素(Cr)及所述鐵金屬元素(Fe)具有一第一原子百分比總和，且該第一原子百分比總和係大於或等於2at%並小於或等於26at%。

本發明之無鈹多元銅合金的成分組成可以簡單地表示為Cu_x Al_y Ni_z Cr_m Fe_n 之組合式。其中，x、y、z、m、以及n為原子百分比之數值，並符合下列不等式:45%≦x≦80％、4%≦y≦17％、3%≦z≦19％、0.5%≦m、0.5%≦n、2%≦(m+n)≦26%。

值得說明的是，本發明之無鈹多元銅合金的成分組成可更同時包含至少一種第二強化元素，用以藉由提升該無鈹多元銅合金的固溶強化、析出強化及/或散佈強化的方式而加強該無鈹多元銅合金的該特定維氏硬度；其中，所述第二強化元素可以為：鉛(Pb)、錫(Sn)、鍺(Ge)、矽(Si)、碳(C)、銻(Sb)、磷(P)、硼(B)、鎂(Mg)、鈷(Co)、鋅(Zn)、錳(Mn)、鉬(Mo)、釩(V)、鈮(Nb)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、釔(Y)、鑭(La)、鈰(Ce)、上述任兩者之組合、或上述任兩者以上之組合。

進一步包含第二強化元素的無鈹多元銅合金的組成可以簡單地表示為Cu_x Al_y Ni_z Cr_m Fe_n M_s 之組合式。其中，x、y、z、m、n、以及s為原子百分比之數值，並符合下列不等式：45%≦x≦80％、4%≦y≦17％、3%≦z≦19％、0.5%≦m、0.5%≦n、2%≦(m+n)≦26%、0＜s≦15％。必須特別說明的是，當所述M包含錫(Sn)時，錫(Sn)的原子百分比不超過10at%；並且，當所述M包含其他元素時，每一種元素的原子百分比不超過6at%。

本發明之無鈹多元銅合金可以利用真空電弧熔煉法、電熱絲加熱法、感應加熱法、快速凝固法、機械合金法、或粉末冶金法製造而得。並且，所製得之無鈹多元銅合金的成品或半成品之型態可以是粉末、線材、焊條、包藥焊絲、或塊材，並沒有特別限定的型態。另一方面，熟悉合金材料設計與製造的工程師係能夠根據其工程經驗將本發明之無鈹多元銅合金的成品或半成品進行加工，且該加工方式可以是鑄造、電弧焊、雷射焊、電漿焊、熱噴塗、或熱燒結；如此，便能夠將本發明之無鈹多元銅合金應用至於塑膠射出成型模具、導電彈簧、散熱片、電極、無火花工具、軸承、齒輪、活塞等構件的製造。

為了證實上述關於本發明之無鈹多元銅合金的材料組成與技術特徵係的確能夠被據以實施的，以下將藉由多組實驗資料的呈現，加以證實之。

實施例一

本發明之實施例係採用真空電弧熔煉爐來熔煉合金，並後續進行均質化熱處理以及時效硬化處理，最後進行硬度量測、微結構觀察及成分分析。熔煉時係先將總重量約50克之純金屬或母合金(master alloy)顆粒依前述成分配比置於電弧熔煉爐的水冷銅模上，接著蓋上電弧熔煉爐的上蓋，抽取真空至0.01atm，而後通入純氬氣至0.2atm。值得說明的是，為了避免合金大量氧化，再重複如上所述之抽氣充氣過程三次後，方進行熔煉處理，其中熔煉電流為500安培。另一方面，均質化處理目的在消除樹枝狀偏析及增加固溶度，以增進析出硬化，其中均質化溫度落在900～1100°C之間。並且，熱處理溫度是為了時效析出增進硬度，處理溫度為400°C。

請參閱如下表(1)，係紀錄了本發明之無鈹多元銅合金的多個測試樣品及其相關硬度數據。如表(1)所示，各測試樣品的主要金屬元素(亦即，Cu)之原子百分比皆被設計為45at%，並設計讓不同的各測試樣品搭配不同原子百分比之第一強化元素(Al、Ni、Cr、Fe)以及不同原子百分比之第二強化元素(Sn、Co、V、Ti、Mn、Zn、Pb、Ge、C、P、Mg、Ce、Y、La、B、Sb、Zr、Mo、Si、Nb)。值得說明的是，成分包含銅元素45at%的樣品被稱為Cu45系列之無鈹多元銅合金。表(1)

比較樣品Cu45#1與Cu45#2可以輕易地發現，藉由添加至少一種第二強化元素於該無鈹多元銅合金的成分組成之中，的確是能夠提升無鈹多元銅合金的維氏硬度；然而，無鈹多元銅合金的維氏硬度的提升並非與添加越多種類的第二強化元素呈現正相關。舉例而言，比較Cu45#7與Cu45#12可以發現，雖然Cu45#12的元素組成中含有6種第二強化元素，但其維氏硬度卻低於元素組成中僅含有3種第二強化元素的Cu45#7。同時，表(1)的量測資料也證實了本發明之無鈹多元銅合金具有大於HV200之維氏硬度。

必須補充說明的是，表(1)所列之12種樣品之製程原料的純度皆在99%以上。並且，合金製備的方法係包括以下步驟：步驟(1)：以電弧熔煉法在水冷銅模中氬氣保護下熔解各成分原料；步驟(2)：待合金錠固化之後再次翻面熔解及固化；步驟(3)：再次重複該步驟(2)共4次，即獲得鑄造狀態之無鈹多元銅合金。

進一步地，將經由上述步驟(1)至步驟(3)所製得之無鈹多元銅合金之樣品進行切片取樣，接著於1000°C的溫度環境對樣品切片進行均質化製程，歷時6小時。繼續地，將完成均質化製程之樣品切片進行水淬之後，即獲得均質化態之無鈹銅合金樣品。之後，再將均質化態之無鈹多元銅合金樣品置入時效處理爐之中，於400°C的溫度下進行時效熱處理。繼續地，將完成時效處理之樣品切片進行水淬之後，即獲得呈現時效硬化態之無鈹多元銅合金樣品，且該無鈹多元銅合金樣品經量測顯示具有相較於均質化態之較高維氏硬度(如表(1)所示)。請參閱圖1，係顯示時效處理時間相對於維氏硬度之曲線圖。由圖1，熟悉合金材料設計與製造的工程師可非常容易地發現到，本發明之無鈹多元銅合金的Cu45#3樣品的最大的時效硬度為HV447。

實施例二

請參閱如下表(2)，係紀錄了本發明之無鈹多元銅合金的多個測試樣品及其相關硬度數據。如表(2)所示，各測試樣品的主要金屬元素(亦即，Cu)之原子百分比皆被設計為52at%，並設計讓不同的各測試樣品搭配不同原子百分比之第一強化元素(Al、Ni、Cr、Fe)以及不同原子百分比之第二強化元素(Sn、Co、V、Ti、Mn、Zn、Pb、Ge、C、P、Mg、Ce、Y、La、B、Sb、Zr、Mo、Si、Nb)。值得說明的是，成分包含銅元素52at%的樣品被稱為Cu52系列之無鈹多元銅合金。表(2)

同樣地，表(2)的量測資料證實了本發明之無鈹多元銅合金具有大於HV200之維氏硬度。繼續地，請再參閱如下表(3)，係紀錄了本發明之無鈹多元銅合金的多個測試樣品及其相關硬度數據。如表(3)所示，各測試樣品的主要金屬元素(亦即，Cu)之原子百分比皆被設計為60at%，並設計讓不同的各測試樣品搭配不同原子百分比之第一強化元素(Al、Ni、Cr、Fe)以及不同原子百分比之第二強化元素(Sn、Co、V、Ti、Mn、Zn、Pb、Ge、C、P、Mg、Ce、Y、La、B、Sb、Zr、Mo、Si、Nb)。值得說明的是，成分包含銅元素60at%的樣品被稱為Cu60系列之無鈹多元銅合金。表(3)

表(3)的量測資料證實了本發明之無鈹多元銅合金具有大於HV200之維氏硬度。繼續地，請再參閱如下表(4)，係紀錄了本發明之無鈹多元銅合金的多個測試樣品及其相關硬度數據。如表(4)所示，各測試樣品的主要金屬元素(亦即，Cu)之原子百分比皆被設計為75at%，並設計讓不同的各測試樣品搭配不同原子百分比之第一強化元素(Al、Ni、Cr、Fe)以及不同原子百分比之第二強化元素(Sn、Co、V、Ti、Mn、Zn、Pb、Ge、C、P、Mg、Ce、Y、La、B、Sb、Zr、Mo、Si、Nb)。值得說明的是，成分包含銅元素75at%的樣品被稱為Cu75系列之無鈹多元銅合金。表(4)

表(4)的量測資料證實了本發明之無鈹銅合金可具有大於HV200之時效硬度。繼續地，請再參閱如下表(5)，係紀錄了本發明之無鈹多元銅合金的多個測試樣品及其相關硬度數據。如表(5)所示，各測試樣品的主要金屬元素(亦即，Cu)之原子百分比皆被設計為80at%，並設計讓不同的各測試樣品搭配不同原子百分比之第一強化元素(Al、Ni、Cr、Fe) 以及不同原子百分比之第二強化元素(Sn、Co、V、Ti、Mn、Zn、Pb、Ge、C、P、Mg、Ce、Y、La、B、Sb、Zr、Mo、Si、Nb)。值得說明的是，成分包含銅元素80at%的樣品被稱為Cu80系列之無鈹多元銅合金。表(5)

表(5)的量測資料證實了本發明之無鈹多元銅合金可具有大於HV200之時效硬度。

必須補充說明的是，本發明之無鈹多元銅合金在鑄造狀態下的主要相係為由FCC結晶所組成的富銅相基地，其他的相有富鎳鋁、富鐵鉻等多元相，由於富銅相有固溶強化及過飽和析出的析出硬化，而其他的相又具有散佈強化的效果，因此本發明之無鈹多元銅合金可提供不同的強硬度；並且，經由實際量測數據證明，此新穎之無鈹多元銅合金的鑄造態、均質化態、及/或時效硬化態皆具有大於HV200之維氏硬度。顯然地，相對於習用的銅-鈹合金具有價格昂貴、相當程度的毒性、造成環保安全等問題，本發明之無鈹多元銅合金係能夠取代習用的銅-鈹合金，進而應用於塑膠射出成型模具、導電彈簧、散熱片、電極、無火花工具、軸承、齒輪、活塞等構件的製造。

必須加以強調的是，上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

＜本發明＞

無

＜習知＞

無

圖1係顯示時效處理時間相對於維氏硬度之資料曲線圖。

Claims

一種無鈹多元銅合金，係具有一特定維氏硬度，且該特定維氏硬度係大於HV200；其中，所述無鈹銅合金的組成係由下列之組成式所表示：Cu_x Al_y Ni_z Cr_m Fe_n ；並且，顯示於組成式中的x、y、z、m、與n係滿足以下不等式：45%≦x≦80%、4%≦y≦17%、3%≦z≦19%、0.5%≦m、0.5%≦n、2%≦(m+n)≦26%。
如申請專利範圍第1項所述之無鈹多元銅合金，其中，該基地相結構係為面心立方晶格結構(face centered cubic, FCC)。
如申請專利範圍第1項所述之無鈹多元銅合金，其中，係可透過下列任一種製程方法製得：真空電弧熔煉法、電熱絲加熱法、感應加熱法、快速凝固法、機械合金法、或粉末冶金法。
如申請專利範圍第1項所述之無鈹多元銅合金，其中，所述無鈹多元銅合金之成品或半成品的型態可為下列任一者：粉末、線材、焊條、包藥焊絲、或塊材。
如申請專利範圍第1項所述之無鈹多元銅合金，其中，所述無鈹多元銅合金可透過以下任一種製程方式而被加工披覆至一目標工件的表面上：鑄造、電弧焊、雷射焊、電漿焊、熱噴塗、或熱燒結。
如申請專利範圍第1項所述之無鈹多元銅合金，其中，所述無鈹多元銅合金係經由均質化熱處理而呈現均質化態。
如申請專利範圍第6項所述之無鈹多元銅合金，其中，呈現均質化狀態的該無鈹銅合金係經由高溫時效處理而呈現時效硬化態。
一種無鈹多元銅合金，係具有一特定維氏硬度，且該特定維氏硬度係大於HV200；其中，所述無鈹多元銅合金的組成係由下列之組成式所表示：Cu_x Al_y Ni_z Cr_m Fe_n M_s ；並且，顯示於組成式中的x、y、z、m、n、與s係滿足以下不等式: 45%≦x≦80%、4%≦y≦17%、3%≦z≦19%、0.5%≦m、0.5%≦n、2%≦(m+n)≦26%、0%≦s≦15%；其中，M可為下列任一者：鉛(Pb)、錫(Sn)、鍺(Ge)、矽(Si)、碳(C)、銻(Sb)、磷(P)、硼(B)、鎂(Mg)、鈷(Co)、鋅(Zn)、錳(Mn)、鉬(Mo)、釩(V)、鈮(Nb)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、釔(Y)、鑭(La)、鈰(Ce)、上述任兩者之組合、或上述任兩者以上之組合。
如申請專利範圍第8項所述之無鈹多元銅合金，其中，當所述M包含錫(Sn)時，錫(Sn)的原子百分比不超過10at%。
如申請專利範圍第8項所述之無鈹多元銅合金，其中，當所述M包含其他元素時，每一種元素的原子百分比不超過6at%。
如申請專利範圍第8項所述之無鈹銅合金，其中，該基地相結構係為面心立方晶格結構(face centered cubic, FCC)。
如申請專利範圍第8項所述之無鈹多元銅合金，係可透過下列任一種製程方法製得：真空電弧熔煉法、電熱絲加熱法、感應加熱法、快速凝固法、機械合金法、或粉末冶金法。
如申請專利範圍第8項所述之無鈹多元銅合金，其中，所述無鈹多元銅合金之成品或半成品的型態可為下列任一者：粉末、線材、焊條、包藥焊絲、或塊材。
如申請專利範圍第8項所述之無鈹多元銅合金，其中，所述無鈹多元銅合金可透過以下任一種製程方式而被加工披覆至一目標工件的表面上：鑄造、電弧焊、雷射焊、電漿焊、熱噴塗、或熱燒結。
如申請專利範圍第8項所述之無鈹多元銅合金，其中，所述無鈹多元銅合金係經由均質化熱處理而呈現均質化態。
如申請專利範圍第15項所述之無鈹多元銅合金，其中，呈現均質化狀態的該無鈹多元銅合金係經由高溫時效處理而呈現時效硬化態。