TWI694163B - 銅鎳鋅合金及其用途 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種具有以下組成的銅鎳鋅合金，單位為wt%：Cu 46.0至51.0%，Ni 8.0至11.0%，Mn 0.2至0.6%，Si 0.05至0.5%，皆不超過0.8%的Fe及/或Co，其中Fe含量與雙倍Co含量之和為至少0.1wt%，殘餘量的Zn以及不可避免之雜質，其中在一由α與β相構成之構造中作為球形或橢圓粒子而嵌入有含鎳、含鐵及含錳以及/或者含鎳、含鈷及含錳之混合矽化物。

本發明亦有關於本發明之銅鎳鋅合金的用途。

Description

銅鎳鋅合金及其用途

發明領域

本發明係有關於一種銅鎳鋅合金，在其由α與β相構成之構造中作為球形或橢圓粒子而嵌入有含鎳、含鐵及含錳以及/或者含鎳、含鈷及含錳之混合矽化物；以及此種銅鎳鋅合金的用途。

發明背景

由銅、鎳及鋅構成之合金因其類銀色彩而稱作德銀。技術上常用的合金具有47至64wt%的銅及7至25wt%的鎳。採用可旋轉及鑽削之合金時，通常添加不超過3wt%的鉛作為斷屑器，採用鑄造合金時甚至達到9wt%。殘餘量為鋅。作為添加劑，市售德銀合金還可含有0.2至0.7wt%的錳，以防止出現脆斷。錳添加劑亦起脫氧及脫硫的作用。

德銀合金(如CuNi12Zn24或CuNi18Zn20)主要在光學工業中用來製造眼鏡鉸鏈。為將此等產品進一步小型化，需要採用強度較高的材料。此等產品對表面品質亦提出較高要求。

德銀合金亦用來製造珠寶及鐘錶件。此等產品對表面品質的要求極高。該材料在拉伸狀態下就必須具有帶光澤且類似於經拋光處理的表面，其不含劃痕或縮孔等瑕疵。該材料還必須易於切削且視需要可被拋光。該材料之色彩在使用期間不允許發生變化。應用於醫療技術領域或者用來製造樂器的材料亦應具備類似要求。

由公開案DE 1 120 151已知在可鑄造性及熱成形性方面具有良好特性的高強度德銀合金。此等合金由以下構成：0.01至5%的Si，超過10至30%的Ni，45至70%的Cu，0.3至5%的Mn，殘餘量為至少10%的鋅。少量Si添加劑用於對合金進行脫氧且增強可鑄造性。錳添加劑的作用是增強合金的韌性及冷加工性，亦用於節約鎳。可選地，亦可完全用鋁來取代錳，部分用鈷來取代鎳。需要避免添加鐵，因為鐵會降低合金的抗腐蝕性。透過1%的錳含量來達到約400MPa的強度值。該案提出用熱處理來增強機械特性。

公開案JP 01177327描述了具有良好的熱成形性及冷成形性之易於切削的德銀合金。此等合金由以下構成：6至15%的Ni，3至8%的Mn，0.1至2.5%的Pb，31至47%的Zn，殘餘量的Cu及不可避免之雜質。可選地，可添加少量Fe、Co、B、Si或P，以免在熱成形前之加熱過程中發生晶粒生長。

由公開案DE 10 2012 004 725 A1已知含鉛之銅鎳鋅合金，在其構造中作為球形或橢圓粒子而嵌入有 含鎳、含鐵及含錳以及/或者含鎳、含鈷及含錳之混合矽化物。此等合金之特徵在於較高的抗拉強度、較高的冷成形特性及良好的切削性。1.0至1.5wt%的鉛比例確保此等合金之良好的切削性。此等合金係用於製造圓珠筆的優質筆尖。但此種材料之表面特性並非總是勝任對表面品質提出極高要求的應用。

發明概要

本發明之目的在於，提供一種銅鎳鋅合金，其在表面特性有所改良的同時具有較高強度。該表面在拉伸狀態下就具有類似於經拋光處理的外觀。該合金亦具良好的切削性及優異的不退色性。本發明之另一目的在於，提供此種銅鎳鋅合金的一種用途。

在一種銅鎳鋅合金方面，本發明用以達成上述目的之解決方案為請求項1之特徵，在一種用途方面，本發明用以達成上述目的之解決方案為請求項4及5的特徵。更多回溯引用之請求項涉及的是本發明的有利構建方案及改良方案。

本發明包含一種具有以下組成的銅鎳鋅合金，單位為wt%：Cu 46.0至51.0%，Ni 8.0至11.0%，Mn 0.2至0.6%，Si 0.05至0.5%， 皆不超過0.8%的Fe及/或Co，其中Fe含量與雙倍Co含量之和為至少0.1wt%、殘餘量的Zn以及不可避免之雜質，其中在一由α與β相構成之構造中作為球形或橢圓粒子而嵌入有含鎳、含鐵及含錳以及/或者含鎳、含鈷及含錳之混合矽化物。

本發明基於以下思考：透過添加矽來改變德銀材料之構造，從而形成矽化物析出。作為金屬間化合物的矽化物，其硬度約為800HV，遠大於基質構造之α與β相的硬度。原則上係添加錳來改善冷成形特性及熱成形特性並提高強度。錳還起脫氧及脫硫的作用。在同時存在錳、鐵及鎳的情況下，矽形成混合矽化物，其大體上之組成主要介於(Mn,Fe,Ni)₂Si與(Mn,Fe,Ni)₃Si之間。類似地，在同時存在錳、鈷及鎳的情況下，矽形成大體上之組成為(Mn,Co,Ni)_xSi_y的混合矽化物，其中x

y。此外亦可形成除錳及鎳外亦含有鐵及鈷的混合矽化物。該等混合矽化物作為球形或橢圓粒子微細分佈在該基質構造中。該等粒子之體積當量直徑的平均值為0.5至2μm。該構造不含面積較大的矽化物，故矽化物易於自該基質構造分離出來。在本發明之合金中，該項有利特性主要透過較小比例之錳及鐵或鈷來實現。鐵及鈷皆用作用於矽化物形成的晶種點，亦即，在存在鐵及/或鈷的情況下，熱力學平衡的極小偏差就足以產生較小析出。該等在採用本發明之合金組成的情況下亦可含有鎳的析出晶種，微細分佈在該構造中。該等析出晶種上較佳沈積有亦含錳的其他矽化物。透 過該合金之極小的錳含量來限制各矽化物的大小。亦即，少量鐵及/或鈷與少量錳的組合係形成混合矽化物的前提條件。如此地界定鐵及/或鈷的最小量，使得鐵含量與雙倍鈷含量之和為至少0.1wt%。

令人驚異的是，本發明之銅鎳鋅合金具有極佳之表面品質。該材料之表面在拉伸狀態下就非常平滑、帶銀色光澤且無可見瑕疵。該表面具有類似於經拋光處理的外觀。因此，透過成形製程(如拉伸製程或軋製製程)用本發明之合金製成之半成品的表面在許多情形下就已符合最終產品的品質要求。毋需為改善表面而進行再加工。此種半成品之表面的平均粗糙度Ra通常為最大0.2μm。該平均粗糙度Ra係在至少4mm之量測長度上測得。

本發明之銅鎳鋅合金的表面品質至少與迄今為止在光學工業中所採用的材料相當。而本發明之銅鎳鋅合金的強度遠大於迄今為止所用之材料。具備此種強度增大後，便能將構件構建得更小且更易損，從而符合當前的設計要求。本發明之銅鎳鋅合金的抗拉強度為700至900MPa，具體視該材料之成形度而定。在較硬狀態下，該抗拉強度為至少800MPa。

由本發明之銅鎳鋅合金構成之工件的特徵在於優質表面及華美外觀，故該合金適於製造珠寶及鐘錶件。且由本發明之銅鎳鋅合金構成之工件易於受到拋光，故視需要可進一步提高工件之視覺感受並增大產品價值。此外，本發明之銅鎳鋅合金的表面因其平面度極佳而易於 受到塗佈。

特定言之，本發明之銅鎳鋅合金的表面品質遠高於類似組成之含鉛銅鎳鋅合金的表面品質。在本發明之銅鎳鋅合金中的雜質中，可含有不超過0.1wt%的較小鉛比例，其既非基質有效，又不會對混合矽化物之形成產生任何影響。本發明之銅鎳鋅合金的鉛比例較佳為最大0.05wt%。本發明之銅鎳鋅合金尤佳不含鉛。

本發明之銅鎳鋅合金的另一優點在於其約為40wt%的較高鋅比例。此點使得該材料例如與德銀合金CuNi12Zn24或CuNi18Zn20相比更為廉價。

本發明之銅鎳鋅合金還具有良好的可加工性。該合金既能受到熱成形又能受到冷成形。如此便能降低半成品及最終產品的製造成本。本發明之銅鎳鋅合金特別是具有極佳的切削性，儘管其充其量僅含極少量的鉛。即使在Pb含量遠低於不可避免之雜質的閾值的情況下，本發明之銅鎳鋅合金同樣易於切削。該合金之此種良好的切削性之原因在於，微細分佈之起斷屑器作用的混合矽化物。

有利地，Fe含量或Co含量可為至少0.1wt%。此點有助於形成微細分佈之混合矽化物。

在本發明之較佳設計方案中，本發明之銅鎳鋅合金可具有以下組成【單位為wt%】：Cu 47.5至49.5%，Ni 8.0至10.0%， Mn 0.2至0.6%，Si 0.05至0.4%，Fe 0.2至0.8%，可選地不超過0.8%的Co，殘餘量的Zn以及不可避免之雜質。

採用此種組成時，在一由α與β相構成之構造中可作為球形或橢圓粒子而嵌入有含鎳、含鐵及含錳之混合矽化物。透過針對性地添加鐵來形成會對該材料的表面品質產生有益作用的非常細之混合矽化物。

在本發明的一種替代性有利設計方案中，本發明之銅鎳鋅合金可具有以下組成【單位為wt%】：Cu 47.5至49.5%，Ni 8.0至10.0%，Mn 0.2至0.6%，Si 0.05至0.4%，Co 0.1至0.8%，可選地不超過0.8%的Fe，殘餘量的Zn以及不可避免之雜質。

用此種組成時，在一由α與β相構成之構造中可作為球形或橢圓粒子而嵌入有含鎳、含鈷及含錳之混合矽化物。透過針對性地添加鈷來形成在良好表面品質的同時會對該材料的強度產生有益作用的混合矽化物。

本發明亦有關於本發明之合金的用途，用於製造對表面品質提出較高要求的消費品，如珠寶、鐘錶 件、眼鏡鉸鏈、樂器或醫療器械。由於由本發明之合金構成之工件的優異表面品質，該合金特別適於製造珠寶、鐘錶件及樂器。在該等領域，該合金之良好的不退色性亦為有利之舉。此種不退色性源於該合金之良好的抗腐蝕性。醫療器械必須易於清潔。器械表面愈光滑，愈容易除去有害物質。本發明之銅鎳鋅合金因其既具良好表面品質又具較高強度而適於製造眼鏡鉸鏈。

本發明亦有關於本發明之合金的用途，用於製造鑰匙、鎖件、插式連接器或圓珠筆的筆尖。製造鑰匙或鎖件等日用品時，本發明之銅鎳鋅合金之在可加工性方面有利的特性，即良好的成形性及良好的切削性，得以實現。本發明之銅鎳鋅合金之作為插式連接器的用途亦是如此，該等插式連接器係用型材、棒材或管材透過切削製造而成。此外在作為圓珠筆的筆尖之用途時，本發明之銅鎳鋅合金之良好的抗腐蝕性亦起有益作用。

較佳實施例之詳細說明

下面結合一實施例對本發明進行詳細說明。

將本發明之銅鎳鋅合金以及三個比較合金熔化並澆鑄成螺栓。藉由熱壓及冷成形來用該等螺栓製成外徑為4mm的線材及棒材。表1為各合金的組成(單位為wt%)。

在拉伸後的線材上實施粗糙度量測。以下特性值係在4mm之量測長度上在與拉伸方向縱向及橫向之方向上測得： Ra 平均粗糙度

Rz 平均粗糙度深度

Rmax 最大粗糙度深度

Rt 剖面總高度

表2為在各樣本上測得之值的對比圖。

表2中所記錄之量測值表明，本發明之合金的表面在八個量測值中的七個中具有最小的粗糙度或粗糙度深度。亦即，本發明之合金在拉伸狀態下具有最佳表面品質。特別是在本發明之合金上測得的量測值總是小於在含鉛之比較樣本1及3上測得的量測值。

在該等四個樣本上進行了切削測試。為此 而在線材中置入一內徑為2mm的軸向平行之中心鑽孔。本發明之合金以及該二含鉛之比較樣本1及3順利地受到切削。鑽屑較細。不含鉛的比較樣本2在鑽削測試中變得很熱，鑽頭在測試過程中折斷。

在具有表1所示組成的本發明之合金的樣本上，測定了表3中所記錄之機械特性：

測試表明，本發明之銅鎳鋅合金在以上組合中將先前技術中之合金所無法實現的特性有益地加以結合。

Claims (4)

1. 一種具有以下組成的銅鎳鋅合金【單位為wt%】：Cu 46.0至51.0%，Ni 8.0至11.0%，Mn 0.2至0.6%，Si 0.05至0.5%，Fe 0.1至0.8%，可選地不超過0.8%的Co，殘餘量的Zn以及不可避免之雜質，其中在一由α與β相構成之構造中作為球形或橢圓粒子而嵌入有含鎳、含鐵及含錳之混合矽化物。
2. 如請求項1之具有以下組成的銅鎳鋅合金【單位為wt%】：Cu 47.5至49.5%，Ni 8.0至10.0%，Mn 0.2至0.6%，Si 0.05至0.4%，Fe 0.2至0.8%，可選地不超過0.8%的Co，殘餘量的Zn以及不可避免之雜質，其中在一由α與β相構成之構造中作為球形或橢圓粒子而嵌入有含鎳、含鐵及含錳之混合矽化物。
3. 一種如請求項1或2之銅鎳鋅合金的用途，用於製造對表面品質提出較高要求的消費品。
4. 一種如請求項1或2之銅鎳鋅合金的用途，用於製造鑰匙、鎖件、插式連接器或圓珠筆的筆尖。