TWI690599B - 銅-鎳-矽-鉻合金的銲接方法及合金成品的修補方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種銅-鎳-矽-鉻合金的銲接方法，包括：對銅-鎳-矽-鉻合金進行銲前固溶熱處理；對銅-鎳-矽-鉻合金進行銲接步驟，以將銅-鎳-矽-鉻合金固定於金屬基材；對銅-鎳-矽-鉻合金進行銲後固溶熱處理；以及對銅-鎳-矽-鉻合金進行時效熱處理。其中，銲前固溶熱處理的溫度為900℃~1000℃。銲後固溶熱處理的溫度為900℃~1000℃。時效熱處理的溫度為400℃~500℃。銲前固溶熱處理的時間與銲後固溶熱處理的時間的總和為8小時，且銲後固溶熱處理為2小時以上。
Description
本發明是有關於一種合金的銲接方法及合金成品的修補方法，且特別是有關於一種銅-鎳-矽-鉻合金的銲接方法及合金成品的修補方法。
在銅合金中，銅鈹合金由於具有優異的機械強度及抗疲勞能力，因此被廣泛地應用於導電彈簧、散熱片、無火花工具、軸承、齒輪、活塞等金屬構件或合金成品(例如模具)。然而，銅鈹合金中的鈹具有毒性，因此在回收或加工中，操作人員容易以粉塵或氣體方式吸入鈹，衍生出環保及安全方面的問題。
另外，舉例來說，銅合金作為模具材料時，在長期使用後，模具會在受到融熔金屬反覆衝擊及脫模時的作用力，使模具表面形成各種缺陷(龜裂或破損)。這些缺陷將使模具生產的鑄品無法符合規格之要求，因此導致模具廢棄，而造成成本及資源的
浪費。為了解決模具因表面缺陷，需要對模具進行銲接修補，以維護模具。
近年來，為了達成模具特性基本要求(抗拉強度(Tensile Strength，T.S.)>850MPa，熱傳導係數>100Wm-1K-1)，銅-鎳-矽-鉻合金(Cu-Ni-Si-Cr合金)已被開發來替代銅鈹合金應用於工業上。然而，由於銅-鎳-矽-鉻合金屬於高熱傳導性的合金，因此在銲接過程中易發生母材與填料難熔合、銲接後各區域的強度不均且銲接特性不佳等問題，因此如何降低銅-鎳-矽-鉻合金的熱傳導係數，以提升銅-鎳-矽-鉻合金的銲接特性乃為此領域研發人員亟欲解決的問題之一。
有鑒於此，本發明提供一種銅-鎳-矽-鉻合金的銲接方法及合金成品的修補方法，其可降低銅-鎳-矽-鉻合金的熱傳導係數，以提升銅-鎳-矽-鉻合金的銲接特性。
本發明提供一種銅-鎳-矽-鉻合金的銲接方法，包括：對銅-鎳-矽-鉻合金進行銲前固溶熱處理；對銅-鎳-矽-鉻合金進行銲接步驟，以將銅-鎳-矽-鉻合金固定於金屬基材；對銅-鎳-矽-鉻合金進行銲後固溶熱處理；以及對銅-鎳-矽-鉻合金進行時效熱處理。銲前固溶熱處理的溫度為900℃~1000℃。銲後固溶熱處理的溫度為900℃~1000℃。時效熱處理的溫度為400℃~500℃。銲前固溶熱處理的時間與銲後固溶熱處理的時間的總和為8小時，且
銲後固溶熱處理為2小時以上。
本發明還提供一種合金成品的修補方法，包括如上述的銅-鎳-矽-鉻合金的銲接方法。
基於上述，本發明提供一種銅-鎳-矽-鉻合金的銲接方法及合金成品的修補方法，其經由在銲接步驟的前後加入特定條件的前處理(銲前固溶熱處理)以及特定條件的後處理(銲後固溶熱處理及時效熱處理)，而降低銅-鎳-矽-鉻合金的熱傳導係數並且提升銅-鎳-矽-鉻合金的機械性質(硬度)。藉此，在銲接過程中，作為銲接材料的銅-鎳-矽-鉻合金不易變形，因此銅-鎳-矽-鉻合金的銲接特性也大幅提升。同時，由於銲接特性的提升，亦可減少銲接過程中所需的功率。
另一方面，本發明提供機械性質佳及將高熱傳導係數降低的銅-鎳-矽-鉻合金的銲接方法作為合金成品(例如模具)的修補方法，因此就環保的觀點及合金成品產業而言，將有助於降低廢棄物產生及廢料回收的成本，並能夠延長合金成品的使用壽命。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1(a)是實施例A1的銅-鎳-矽-鉻合金於銲前固溶熱處理後的顯微組織的高倍率的光學顯微鏡照片。
圖1(b)是實施例A2的銅-鎳-矽-鉻合金於銲前固溶熱處理後的顯微組織的高倍率的光學顯微鏡照片。
圖1(c)是實施例A3的銅-鎳-矽-鉻合金於銲前固溶熱處理後的顯微組織的高倍率的光學顯微鏡照片。
圖1(d)是實施例A4的銅-鎳-矽-鉻合金於銲前固溶熱處理後的顯微組織的高倍率的光學顯微鏡照片。
圖2是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的顯微組織的低倍率的光學顯微鏡照片。
圖3(a)是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域A於銲接步驟後的高倍率的光學顯微鏡照片。
圖3(b)是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域B於銲接步驟後的高倍率的光學顯微鏡照片。
圖3(c)是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域C於銲接步驟後的高倍率的光學顯微鏡照片。
圖3(d)是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域D於銲接步驟後的高倍率的光學顯微鏡照片。
圖3(e)是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域E於銲接步驟後的高倍率的光學顯微鏡照片。
圖3(f)是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域E於銲接步驟後的更高倍率的光學顯微鏡照片。
圖3(g)是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域F於銲接步驟後的高倍率的光學顯微鏡照片。
圖4(a)是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域A於銲後固溶熱處理後的高倍率的光學顯微鏡照片。
圖4(b)是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域B於銲後固溶熱處理後的高倍率的光學顯微鏡照片。
圖4(c)是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域C於銲後固溶熱處理後的高倍率的光學顯微鏡照片。
圖4(d)是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域D於銲後固溶熱處理後的高倍率的光學顯微鏡照片。
圖4(e)是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域E於銲後固溶熱處理後的高倍率的光學顯微鏡照片。
圖4(f)是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域F於銲後固溶熱處理後的高倍率的光學顯微鏡照片。
圖5(a)是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域A於時效熱處理後的高倍率的光學顯微鏡照片。
圖5(b)是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域B於時效熱處理後的高倍率的光學顯微鏡照片。
圖5(c)是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域C於時效熱處理後的高倍率的光學顯微鏡照片。
圖5(d)是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域D於時效熱處理後的高倍率的光學顯微鏡照片。
圖5(e)是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域E於時效熱處理後的高倍率的光學顯微鏡照片。
圖5(f)是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域F於時效熱處理後的高倍率的光學顯微鏡照片。
本發明的銅-鎳-矽-鉻合金的銲接方法，包括：對銅-鎳-矽-鉻合金依序進行(a)銲前固溶熱處理、(b)銲接步驟、(c)銲後固溶熱處理、以及(d)時效熱處理。以下詳細說明各個步驟：
銲前固溶熱處理的溫度可為900℃~1000℃，較佳為約970℃。銲前固溶熱處理的溫度可為1大氣壓。
銲前固溶熱處理的時間與後述銲後固溶熱處理的時間的總和為8小時，且銲後固溶熱處理為2小時以上。在銲前固溶熱處理的時間與銲後固溶熱處理的時間符合上述條件下，在銲接前可降低銅-鎳-矽-鉻合金的熱傳導係數並且可使銅-鎳-矽-鉻合金在銲後固溶熱處理後具有較佳的硬度。更進一步來說，銲前固溶熱處理的時間可為2~6小時，較佳為3.5~4.5小時，更佳為約4小時。
在對銅-鎳-矽-鉻合金進行銲接步驟之前，對銅-鎳-矽-鉻合金進行銲前固溶熱處理，可降低銅-鎳-矽-鉻合金的熱傳導係數。在一實施例中，銲前固溶熱處理可使銅-鎳-矽-鉻合金的熱傳導係數由120~130Wm-1K-1降低至80~90Wm-1K-1。
對銅-鎳-矽-鉻合金進行銲接步驟，以將銅-鎳-矽-鉻合金
固定於金屬基材。另外，此處的金屬基材較佳為銅-鎳-矽-鉻合金。
銲接的方法沒有特別的限制，例如是鎢極惰性氣體銲接(Tungsten Inert Gas Welding，TIG welding)或金屬惰性氣體銲接(Metal Inert Gas Welding，MIG welding)。
銲後固溶熱處理的溫度可為900℃~1000℃，較佳為約970℃。銲後固溶熱處理的溫度為1大氣壓。銲後固溶熱處理的時間可為2~6小時，較佳為3.5~4.5小時，更佳為約4小時。
在對銅-鎳-矽-鉻合金進行銲接步驟之後，在銲道的部分，析出物的連續相會出現在晶界上，而此連續相對於銅-鎳-矽-鉻合金的機械性質有負面影響。因此，在對銅-鎳-矽-鉻合金進行銲接步驟之後，對銅-鎳-矽-鉻合金進一步進行銲後固溶熱處理，可有效打斷銅-鎳-矽-鉻合金中的析出物的連續相，藉此降低微組織中的析出物的尺寸及數量，達到提升機械性質的效果。
另外，在銲後固溶熱處理之後，可對銅-鎳-矽-鉻合金進行第一冷卻處理步驟，以將銅-鎳-矽-鉻合金冷卻至室溫。第一冷卻處理步驟的方法沒有特別的限制，例如是水淬或油淬。
時效熱處理的溫度可為400℃~500℃，較佳為約450℃。時效熱處理的時間可為5.5~6.5小時，較佳為約6小時。
在對銅-鎳-矽-鉻合金進行銲後固溶熱處理之後，對銅-鎳-矽-鉻合金進行時效熱處理，可使奈米級的析出物均勻地析出，使
銅-鎳-矽-鉻合金的硬度增加，並且機械性質獲得提升。
在時效熱處理之後，可對銅-鎳-矽-鉻合金進行第二冷卻處理步驟，以將銅-鎳-矽-鉻合金冷卻至室溫。第二冷卻處理步驟的方法沒有特別的限制，例如是空氣冷卻或爐內冷卻。
本發明還提供一種合金成品的修補方法，包括如上述的銅-鎳-矽-鉻合金的銲接方法。更具體而言，若以銅-鎳-矽-鉻合金作為合金成品，可以上述的銅-鎳-矽-鉻合金的銲接方法將作為修補材料的銅-鎳-矽-鉻合金銲接於合金成品的待修補處，以達到修補合金成品的目的。
本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施的限制。
分別對銅-鎳-矽-鉻合金進行0小時、2小時、4小時、6小時以及8小時的銲前固溶熱處理，以製備實施例A0至實施例A4的銅-鎳-矽-鉻合金。其中，利用感應耦合電漿質譜分析儀(Inductively Coupled plasma-mass Spectormeter，ICP-MASS)量測銅-鎳-矽-鉻合金中的各金屬成分的結果為Ni(65.0wt%)、Si(1.0wt%)、Cr(0.3wt%)、Cu(Bal.)(Bal.為剩餘部分)。
接著，以光學顯微鏡分別觀察實施例A1至實施例A4的銅-鎳-矽-鉻合金於銲前固溶熱處理後的顯微組織。由圖1(a)~
圖1(d)可知，隨著銲前固溶熱處理的時間增加，連續型析出物減少並且小顆粒析出物也減少。
接著，分別以維氏硬度機及熱傳導分析儀(型號為Hot Disk TPS2500)分別觀察實施例A1至實施例A4的銅-鎳-矽-鉻合金於銲前固溶熱處理後的硬度及熱傳導係數。由表1可知，隨著銲前固溶熱處理的時間增加，硬度及熱傳導係數均有下降的現象。這樣的結果可能與析出物的減少有關。
在銲前固溶熱處理之後，在電壓為14.2伏特、電流為65安培、銲接速度為98.7mm/分鐘以及入熱量為561.1J/mm的條件下，對銅-鎳-矽-鉻合金進行銲接步驟。隨後，對銅-鎳-矽-鉻合金進行銲後固溶熱處理及時效熱處理。具體而言，本發明是以銲前固溶熱處理與銲後固溶熱處理的總時間為8小時進行分配，來獲得銲前固溶熱處理、銲後固溶熱處理以及時效熱處理的最佳化條件。
表2為控制不同銲前固溶熱處理及銲後固溶熱處理的時間所得的硬度及熱傳導係數的結果，其中WFZ、HAZ以及PM為分別於銲道(Weld Fusion Zone，WFZ)、熱影響區(Heat Affected Zone，HAZ)以及母材(Parent Material，PM)所測得的結果。由表2可知，銲前固溶熱處理及銲後固溶熱處理的時間分別為2~6小時的範圍內的實施例B1~B3的具有較佳的硬度，其中銲道的硬度為300~320Hv。相對於此，銲前固溶熱處理及銲後固溶熱處理的時間不在2~6小時的範圍內的比較例B4、B5的硬度遠低於實施例B1~B3。更進一步來說，比較例B4相當於一般的鑄造條件。在銲前固溶熱處理為8小時，銲後固溶熱處理為0小時，時效溶熱處理為6小時的條件下，因為缺乏打斷析出物的連續相的銲後固溶熱處理，故所表現出來的硬度不佳。
另一方面，銲前固溶熱處理及銲後固溶熱處理的時間分別為4小時的範圍內的實施例B2具有較佳的硬度，其中銲道的硬度約為314Hv(所對應的抗拉強度約為900MPa)。
圖2是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的顯微組織的低倍率的光學顯微鏡照片。請參照圖2，光學顯微鏡所觀察到的銅-鎳-矽-鉻合金的銲接位置的顯微組織可分為不同的區域。具體來說，區域A及區域B為銲道；區域C及區域D為熱影響區，並且區域E及區域F為母材。
表3為區域A、區域B、區域C、區域D、區域E以及區域F分別於銲接步驟後、銲後固溶熱處理後以及時效熱處理後的硬度。區域A、區域B、區域C、區域D、區域E以及區域F於銲接步驟後的硬度有很大的差異，但在銲後固溶熱處理後的硬度的差異明顯變小。更進一步來說，各區域在銲後固溶熱處理後的硬度的數值約為120Hv，亦即各區域在銲後固溶熱處理後的硬度的數值之間的差距更小，因此銲後固溶熱處理相當於均質化熱處理，其可使各區域的硬度趨近相同。另外，各區域在時效熱處理後的硬度大幅增加，原因在於奈米尺寸的析出物均勻散佈析出，而使銅-鎳-矽-鉻合金的強度增加。
圖3(a)~圖3(g)分別是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域A、區域B、區域C、區域D、區域E以及區域F於銲接步驟後的高倍率的光學顯微鏡照片。
從銲接步驟後的各個區域的微組織來看，區域A具有等軸晶為主的結構(如圖3(a))。區域B具有等軸柱狀晶及等軸樹狀晶的結構(如圖3(b))。區域C呈現部分析出物未熔融入基材的偏析現象(如圖3(c))。區域D呈現析出物皆無熔融之現象(如圖3(d))。區域E呈現大顆粒析出物存在(如圖3(e))，並且以更高倍率觀察，可發現微米級小顆粒析出物較其他區域多，且晶粒尺寸也略微粗大(如圖3(f))。又，由表3可知，區域E的硬度略低於區域C及區域D，其原因推測為區域E受熱以至於晶粒成長所導致。區域F的微組織(如圖3(g))與銲前的微組織(如圖1(b)，實施例A2)類似，且區域F的硬度(194Hv)也與銲前(即實施例A2的硬度193Hv)。由此結果可推測，區域F受熱的影響較小。
圖4(a)~圖4(f)分別是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域A、區域B、區域C、區域D、區域E以及區域F於銲後固
溶熱處理後的高倍率的光學顯微鏡照片。
從銲後固溶熱處理後的各個區域的微組織來看，區域A具有等軸晶為主的結構(如圖4(a))，但析出物(尺寸<10μm)呈現不連續型且大部分析出物存在在晶界上。區域B的連續型析出物也有縮小的現象(如圖4(b))。區域C於銲後固溶熱處理後，析出物(尺寸<20μm)更為均勻，且偏析現象明顯改善(如圖4(c))。區域D依然存在偏析現象，大部分析出物存在在晶界上，而部分析出物固溶進基地相中(如圖4(d))。區域E及區域F依然存在偏析現象(如圖4(e)及(如圖4(f))。
圖5(a)~圖5(f)分別是實施例B2的銅-鎳-矽-鉻合金的區域A、區域B、區域C、區域D、區域E以及區域F於時效熱處理後的高倍率的光學顯微鏡照片。從時效熱處理後的各區域的微組織來看，微組織並未有大幅度的改變，各區域的析出物皆散佈於晶界與晶粒內。
綜上所述，本發明的銅-鎳-矽-鉻合金的銲接方法有下述特點：
(1)藉由特定時間的銲前固溶熱處理、特定時間的銲後固溶熱處理及時效熱處理，可使銲接後的銅-鎳-矽-鉻合金的機械性質不僅可以回復到銲接前的機械性質，甚至還比銲接前的機械性質更佳。
(2)以微組織的觀點來看，連續相會造成強度不佳，但藉由如本發明般的特定時間的銲前固溶熱處理、特定時間的銲後
固溶熱處理及時效熱處理，可使銲接位置的晶粒變得更細，對於合金的耐疲勞性與強度有正面的效果。
因此，本發明的銅-鎳-矽-鉻合金的銲接方法經由在銲接步驟加入特定條件的前處理(銲前固溶熱處理)以及特定條件的後處理(銲後固溶熱處理及時效熱處理)，而降低微組織中的析出物的尺寸及數量以提升銅-鎳-矽-鉻合金的機械性質，並且降低銅-鎳-矽-鉻合金的熱傳導係數。藉此，在銲接過程中，作為銲接材料的銅-鎳-矽-鉻合金不易變形，因此銅-鎳-矽-鉻合金的銲接特性也大幅提升。同時，由於銲接特性的提升，亦可減少銲接過程中所需的功率。
另一方面，本發明提供機械性質佳及將高熱傳導係數降低的的銅-鎳-矽-鉻合金的銲接方法作為合金成品的修補方法，因此就環保的觀點及合金成品產業而言，將有助於降低廢棄物產生及廢料回收的成本，並能夠延長合金成品的使用壽命。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
Claims (7)
- 一種銅-鎳-矽-鉻合金的銲接方法，包括：對銅-鎳-矽-鉻合金進行銲前固溶熱處理，其中所述銲前固溶熱處理的溫度為900℃~1000℃；對所述銅-鎳-矽-鉻合金進行銲接步驟，以將所述銅-鎳-矽-鉻合金固定於金屬基材；對所述銅-鎳-矽-鉻合金進行銲後固溶熱處理，所述銲後固溶熱處理的溫度為900℃~1000℃；以及對所述銅-鎳-矽-鉻合金進行時效熱處理，其中所述時效熱處理的溫度為400℃~500℃，其中所述銲前固溶熱處理的時間與所述銲後固溶熱處理的時間的總和為8小時，所述銲後固溶熱處理為2小時以上，且所述時效熱處理的時間為5.5~6.5小時。
- 如申請專利範圍第1項所述的銅-鎳-矽-鉻合金的銲接方法，其中所述金屬基材為銅-鎳-矽-鉻合金。
- 如申請專利範圍第1項所述的銅-鎳-矽-鉻合金的銲接方法，其中所述銲前固溶熱處理的時間為2~6小時。
- 如申請專利範圍第1項所述的銅-鎳-矽-鉻合金的銲接方法，其中所述銲後固溶熱處理的時間為2~6小時。
- 如申請專利範圍第1項所述的銅-鎳-矽-鉻合金的銲接方法，更包括在所述銲後固溶熱處理之後，對所述銅-鎳-矽-鉻合金進行第一冷卻處理步驟，以將所述銅-鎳-矽-鉻合金冷卻至室溫。
- 如申請專利範圍第1項所述的銅-鎳-矽-鉻合金的銲接方法，更包括在所述時效熱處理之後，對所述銅-鎳-矽-鉻合金進行第二冷卻處理步驟，以將所述銅-鎳-矽-鉻合金冷卻至室溫。
- 一種合金成品的修補方法，包括如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述的銅-鎳-矽-鉻合金的銲接方法。
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