TWI855258B - 高強度耐磨耗的多元銅合金及其用途 - Google Patents
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Abstract
本發明主要揭示一種高強度耐磨耗多元銅合金，其組成包括：80〜90at％的Cu、0.1〜4at％的Al、6〜10at％的Ni、0.1〜3at％的Si、0.1〜2at％的V及/或Nb、以及0.1〜2at％的M。其中， M為選自於Zr、Cr、Ti、Sn、Fe、Mn、Mg、C、P、和B之中的至少一添加元素。實驗結果顯示，本發明之多元銅合金的多個樣品在以450℃的溫度進行時效處理50小時之後，其強度和硬度明顯升高，顯示出時效硬化之效，且在時效處理的過程中未有過時效軟化現象發生。並且，量測數據顯示，本發明之多元銅合金的多個樣品係相較習知的銅合金而顯示出更好的抗磨耗特性，因此本發明之多元銅合金係能夠取代習知的銅合金，從而被應用在各種要求具備優良抗磨耗特性之零件及/或構件的製造，例如：軸承、齒輪、活塞、連接器、導電軌、導線框架、繼電器、探針等。
Description
本發明係關於銅合金之相關技術領域，尤指一種高強度耐磨耗的多元銅合金。
由於具有良好的導電性及導熱性、高耐蝕能力、優秀的機械強度、抗疲勞能力、以及獨特的金屬光澤，因此銅及銅合金在工業製造上獲得廣泛應用。
熟悉銅合金之設計與製造的材料工程師必然知道，銅鈹合金和銅鎳矽合金皆為高耐磨耗之銅合金，其中，銅鎳矽合金又稱為可魯遜合金(Corson Alloy)。高耐磨耗之銅合金常被用來製作軸承、精密的齒輪、蝸輪、軸襯外套等對抗磨耗特性有較高要求的零組件。
隨著對於工具機之加工精準度及長期穩定度的需求持續提高，傳統的銅鈹合金及銅鎳矽合金的抗磨耗特性已不足以滿足市場需求。圖1顯示時間相對於硬度的曲線圖。更進一步地說明，當環境溫度低於350°C時，銅鈹合金之硬度變化與時間的關係如圖1所示。
可惜的是，研究數據顯示，銅鈹合金常溫以及低於350°C的環境溫度下雖具有高強度的特性，但是，在350°C以上的環境溫度之下，其硬
度仍會大幅下降，這個特性限制了銅鈹合金的應用。另一方面，當銅鈹合金和另一物件發生界面磨擦時，兩者之界面會產生溫升現象。因此，即使在室溫下操作，在銅鈹合金高荷重的情況下，銅鈹合金之界面溫度仍可高達600℃。
由前述說明可知，有必要對習知的銅合金進行改良，使其磨耗特性能夠顯著提升，從而增加其工業製造之應用。有鑑於此，本案之發明人係極力加以研究發明，而終於研發完成一種高強度耐磨耗的多元銅合金。
本發明之主要目的在於提供一種高強度耐磨耗的多元銅合金，其組成包括：80〜90at％的Cu、0.1〜4at％的Al、6〜10at％的Ni、0.1〜3at％的Si、0.1〜2at％的V及/或Nb、以及0.1〜2at％的M。其中，M為選自於Zr、Cr、Ti、Sn、Fe、Mn、Mg、C、P、和B之中的至少一添加元素。實驗結果顯示，本發明之多元銅合金的多個樣品在以450℃的溫度進行時效處理50小時之後，其強度和硬度明顯升高，顯示出時效硬化之效，且在時效處理的過程中未有過時效軟化現象發生。並且，量測數據顯示，本發明之多元銅合金的多個樣品係相較習知的銅合金而顯示出更好的抗磨耗特性，因此本發明之多元銅合金係能夠取代習知的銅合金，從而被應用在各種要求具備優良抗磨耗特性之零件及/或構件的製造，例如：軸承、齒輪、活塞、連接器、導電軌、導線框架、繼電器、探針等。
為達成上述目的，本發明提出所述高強度耐磨耗多元銅合金高強度耐磨耗多元銅合金之一第一實施例，其磨耗阻抗係大於415 m/mm
3，且其組成係由下列之組成式所表示: Cu
wAl
xNi
ySi
zN
mM
s；
其中，N為選自於由V和Nb所組成群組之中的至少一種耐火元素，且M為選自於由Zr、Cr、Ti、Sn、Fe、Mn、Mg、C、P、和B所組成群組之中的至少一種添加元素；
其中，w、x、y、z、m與s皆為原子百分比之數值，且w、x、y、z、m與s係滿足以下不等式: 80≦w≦90、0.1≦x≦4、6≦y≦10、0.1≦z≦3、0.1≦m≦2、及0.1≦s≦2。
並且，本發明同時提出所述高強度低模數合金之一第二實施例，其磨耗阻抗係大於475 m/mm
3，且其組成係由下列之組成式所表示: Cu
wAl
xNi
ySi
zN
mM
s；
其中，N為選自於由V和Nb所組成群組之中的至少一種耐火元素，且M為選自於由Zr、Cr、Ti、Sn、Fe、Mn、Mg、C、P、和B所組成群組之中的至少一種添加元素；
其中，w、x、y、z、m與s皆為原子百分比之數值，且w、x、y、z、m與s係滿足以下不等式: 97≦w≦98.5、x≦0.1、0.2≦y≦0.45、0.1≦z≦0.3、0.1≦m≦0.6、及0.1≦s≦1.6。
在可行的實施例中，所述高強度耐磨耗多元銅合金係利用選自於由真空電弧熔煉法、電熱絲加熱法、感應加熱法、和快速凝固法所組成群組之一種製程方法所製成。
在一可行實施例中，所述高強度耐磨耗多元銅合金係利用選自於由鑄造、鍛造、擠型、和抽線所組成群組之一種塑性變形加工而被加工成為一半成品或一成品。
在另一可行實施例中，所述高強度耐磨耗多元銅合金係與至少一金屬材結合以成為一複合金屬結構。
在可行的實施例中，所述高強度耐磨耗多元銅合金為一鑄造態合金或經一均質化熱處理的一均質化態合金。
在可行的實施例中，所述高強度耐磨耗多元銅合經由一高溫時效處理而呈現時效硬化態。
進一步地，本發明同時提供一種高強度耐磨耗多元銅合金之用途，其係用於要求具優良抗磨耗特性之物件的製造。
為了能夠更清楚地描述本發明之一種高強度耐磨耗多元銅合金及其用途，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。
實施例一
於實施例一中，本發明之所述高強度耐磨耗多元銅合金具有大於415 m/mm
3的磨耗阻抗，且其組成為Cu
wAl
xNi
ySi
zN
mM
s。依據本發明之設計，N為選自於由V和Nb所組成群組之中的至少一種耐火元素，M為選自於由Zr、Cr、Ti、Sn、Fe、Mn、Mg、C、P、B所組成群組之中的至少一種添加元素。並且，w、x、y、z、m與s皆為原子百分比之數值，且w、x、y、z、m與s係滿足以下不等式: 80≦w≦90、0.1≦x≦4、6≦y≦10、0.1≦z≦3、0.1≦m≦2、及0.1≦s≦2。舉例而言，所述高強度耐磨耗多元銅合金包括：82at%的銅(Cu)、2at%的鋁(Al)、9at%的鎳(Ni)、3at%的矽(Si)、1at%的釩(V)、1at%的鈮(Nb)、1at%的錫(Sn)、以及1at%的錳(Mn)。在此情況下，所述高強度耐磨耗多元銅合金的組成為Cu
82Al
2Ni
9Si
3V
1Nb
1Sn
1Mn
1，亦即，w=82、x=2、y=9、z=3、m=1+1=2、且s=1+1=2。
實施例二
於實施例二中，本發明之所述高強度耐磨耗多元銅合金具有大於475 m/mm
3的磨耗阻抗，且其組成為Cu
wAl
xNi
ySi
zN
mM
s。依據本發明之設計，N為選自於由V和Nb所組成群組之中的至少一種耐火元素，且M為選自於由Zr、Cr、Ti、Sn、Fe、Mn、Mg、C、P、和B所組成群組之中的至少一種添加元素。並且，w、x、y、z、m、與s皆為原子百分比之數值，且w、x、y、z、m與s係滿足以下不等
式: 97≦w≦98.5、x≦0.1、0.2≦y≦0.45、0.1≦z≦0.3、0.1≦m≦0.6、及0.1≦s≦1.6。舉例而言，所述高強度耐磨耗多元銅合金包括：97at%的銅(Cu)、0.1at%的鋁(Al)、0.45at%的鎳(Ni)、0.25at%的矽(Si)、0.3at%的釩(V)、0.3at%的鈮(Nb)、0.45at%的鋯(Zr)、0.45at%的鉻(Cr)、0.45at%的鈦(Ti)、以及0.25at%的碳(C)。在此情況下，所述高強度耐磨耗多元銅合金的組成為Cu
97Al
0.1Ni
0.45Si
0.25V
0.3Nb
0.3Zr
0.45Cr
0.45Ti
0.45C
0.25，亦即，w=97、x=0.1、y=0.45、z=0.25、m=0.3+0.3=0.6、且s=0.45+0.45+0.45+0.25=1.6。
本發明之高強度耐磨耗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、或快速凝固法製造而得。並且，在實務應用中，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可以利用鑄造、鍛造、擠型、抽線等塑性變形加工對本發明之高強度耐磨耗多元銅合金的成品或半成品進行加工。進一步地，在實務應用中，還可以將本發明之高強度耐磨耗多元銅合金與至少一金屬材結合以成為一複合金屬結構。
特別說明的是，本發明之高強度耐磨耗多元銅合金係用以取代習知的銅合金，從而被應用在各種要求具備優良抗磨耗特性之零件及/或構件的製造，例如：軸承、齒輪、活塞、連接器、導電軌、導線框架、繼電器、探針等。為了證實上述本發明之高強度耐磨耗多元銅合金的實施例一及實施例二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。
實驗例一
於實驗例一中，係利用真空電弧熔煉爐來製造本發明之高強度耐磨耗多元銅合金的多個樣品，並接著對各個樣品進行均質化熱處理以及時效硬化處理，最後進行各個樣品之硬度量測以及乾式磨耗測試。值得說明的是，均質化處理之目的在於消除各個樣品內部的樹枝狀偏析、增加固溶度以及提升後續時效熱處理的析出硬化效果。
乾式磨耗試驗係利用銷對盤(pin-on-disk)磨耗試驗機完成。進行乾式磨耗試驗時，係先將樣品2切成切割成直徑8mm、厚度3mm的圓薄片，接著將該圓薄片固定在直徑8mm的SKD-61圓鋼棒下方處，而後操作該SKD-61圓鋼棒轉動從而與圓薄片在室溫下對磨。磨耗阻抗的計算方式為: 磨耗距離(m)/磨耗所損失之體積(mm
3)。
在實驗例一中，均質化的製程條件為溫度900°C且處理時間6小時。並且，時效熱處理的製程條件為溫度450°C且處理時間50小時。所述多個樣品之組成及其相關實驗數據係整理於下表(1)之中。
表(1)
| 高強度耐磨耗多元銅合金 | 維氏硬度 (HV) | 磨耗 阻抗 | ||
| 樣品 | 合金組成 | 均質 化態 | 時效 硬化態 | |
| #1 | Cu 82Al 4Ni 10Si 3V 1 | 132 | 282 | 423 |
| #2 | Cu 82Al 4Ni 10Si 3Nb 1 | 135 | 284 | 430 |
| #3 | Cu 82Al 3Ni 9Si 2.5V 1Nb 0.5Cr 1Fe 0.5P 0.5 | 102 | 295 | 457 |
| #4 | Cu 82Al 2Ni 9Si 3V 1Nb 1Sn 1Mn 1 | 119 | 285 | 477 |
| #5 | Cu 82Al 3Ni 8Si 3V 1Nb 1Zr 0.5Ti 1Mn 0.5 | 108 | 301 | 490 |
| #6 | Cu 82Al 3Ni 8Si 3V 1Nb 1Cr 1Mg 0.5C 0.5 | 185 | 292 | 531 |
| #7 | Cu 88Al 1.5Ni 7.5Si 1Nb 1Zr 0.5P 0.5 | 104 | 277 | 462 |
| #8 | Cu 88Al 1Ni 8Si 1V 1Ti 0.5Mg 0.3B 0.2 | 149 | 281 | 483 |
| #9 | Cu 88Al 1Ni 8.5Si 1Nb 0.5Cr 0.5Ti 0.3Fe 0.2 | 113 | 284 | 433 |
| #10 | Cu 88Al 1Ni 7.5Si 2V 0.5Zr 0.5Mn 0.5 | 131 | 272 | 421 |
| #11 | Cu 88Al 1.5Ni 7.5Si 1V 0.5Nb 0.3Zr 1Sn 0.2 | 124 | 279 | 418 |
| #12 | Cu 88Al 1.5Ni 7.5Si 1V 1Cr 0.5Fe 0.2C 0.3 | 157 | 287 | 513 |
更詳細地說明，表(1)所列者為本發明之高強度耐磨耗多元銅合金的實施例一的12種樣品的成分組成。並且，由表(1)的實驗數據可發現，添加釩(V)或鈮(Nb)等耐火元素及至少一種其他微量添加元素於本發明之高強度耐磨耗多元銅合金的成分組成之中，的確是能夠使合金的磨耗阻抗獲得提升。值得注意的，合金的磨耗阻抗的提升與添加元素的添加量及/或添加種類並非呈現正相關。更重要的是，表(1)實驗數據顯示，本發明之多元銅合金的各個樣品皆相較習知的C17200銅鈹合金(390 m/mm
3)而顯示出更好的抗磨耗特性，因此本發明之多元銅合金係能夠取代習知的銅合金，從而被應用在各種要求具備優良抗磨耗特性之零件及/或構件的製造，例如：軸承、齒輪、活塞、連接器、導電軌、導線框架、繼電器、探針等。
圖2為樣品#3的時效時間相對於硬度的曲線圖。樣品#3係在450°C的環境溫度下進行時效處理，並且，如圖2所示，樣品#3在長達100小時的時效處理的過程中未有過時效軟化現象發生。因此，實驗數據證實本發明之高強度耐磨耗多元銅合金在高溫環境中仍舊可以維持高強度，此一特性對其對磨耗阻抗(耐磨性)的提升起到了關鍵因素作用。
補充說明的是，藉由使本發明之高強度耐磨耗多元銅合金包含多種添加元素及/或多種耐火元素的方式，可使所述多元銅合金內部發生多元競爭，從而使得合金內部原子擴散速率降低、成核成長速度減慢。最終，可達到減小合金內部析出物之尺寸的效果，從而使合金硬度提升且及減緩高溫時效軟化。舉例而言，釩(V)與鈮(Nb)為高熔點耐火元素，故而其原子在多元銅合金的銅基地相之中擴散緩慢。同時，釩(V)、鈮(Nb)與矽(Si)有強大鍵結，故而會減緩Ni-Si-V-Nb化合物的形成，且聚集Ni-Si化合物析出，達到對多元銅合金之高溫耐磨耗性明顯改善效果。
實驗例二
於實驗例二中，同樣是利用真空電弧熔煉爐來製造本發明之高強度耐磨耗多元銅合金的多個樣品，並接著對各個樣品進行均質化熱處理以及時效硬化處理，最後進行各個樣品之硬度量測以及乾式磨耗測試。所述多個樣品之組成及其相關實驗數據係整理於下表(2)之中。
表(2)
| 高強度耐磨耗多元銅合金 | 維氏硬度 (HV) | 磨耗 阻抗 | ||
| 樣品 | 合金組成 | 均質 化態 | 時效 硬化態 | |
| #13 | Cu 97Al 0.1Ni 0.45Si 0.25V 0.3Nb 0.3Zr 0.45Cr 0.45Ti 0.45C 0.25 | 92 | 155 | 510 |
| #14 | Cu 97.3Al 0.1Ni 0.45Si 0.3V 0.3Nb 0.2Cr 0.45Fe 0.45Mg 0.3B 0.15 | 87 | 149 | 488 |
| #15 | Cu 97.3Al 0.1Ni 0.35Si 0.3V 0.45Zr 0.45Ti 0.45Mn 0.45P 0.15 | 89 | 152 | 503 |
| #16 | Cu 97.75Al 0.1Ni 0.45Si 0.2V 0.25Nb 0.15Cr 0.45Sn 0.2Fe 0.3C 0.15 | 58 | 142 | 479 |
| #17 | Cu 98Ni 0.35Si 0.2V 0.3Nb 0.2Zr 0.15Cr 0.45Ti 0.2C 0.15 | 76 | 134 | 697 |
| #18 | Cu 98Al 0.1Ni 0.45Si 0.3Nb 0.25Cr 0.3Sn 0.3Mg 0.15P 0.15 | 51 | 135 | 527 |
| #19 | Cu 98.15Ni 0.4Si 0.2V 0.15Zr 0.3Cr 0.45Mn 0.2C 0.15 | 55 | 139 | 586 |
| #20 | Cu 98.5Ni 0.25Si 0.1V 0.25Nb 0.15Zr 0.3Ti 0.3C 0.15 | 51 | 130 | 566 |
更詳細地說明，表(2)所列者為本發明之高強度耐磨耗多元銅合金的實施例二的8種樣品的成分組成。圖3為樣品#17的時效時間相對於硬度的曲線圖。樣品#17係在450°C的環境溫度下進行時效處理，並且，如圖3所示，樣品#17在長達100小時的時效處理的過程中未有過時效軟化現象發生。因此，實驗數據證實本發明之高強度耐磨耗多元銅合金在高溫環境中仍舊可以維持高強度，此一特性對其對磨耗阻抗(耐磨性)的提升起到了關鍵因素作用。
值得注意的是，表(2)的實驗數據顯示，隨著多元銅合金的銅含量的增加，各個樣品之均質化狀態的硬度也跟著降低。即使如此，藉由使多元銅合金包含多種添加元素及/或多種耐火元素的方式，可使所述多元銅合金內部的析出物之尺寸減小，從而使合金硬度提升
且及減緩高溫時效軟化，達到對多元銅合金之高溫耐磨耗性的明顯改善效果。故而，表(2)實驗數據顯示，本發明之多元銅合金的各個樣品皆相較習知的C17200銅鈹合金(390 m/mm
3)而顯示出更好的抗磨耗特性，因此本發明之多元銅合金係能夠取代習知的銅合金，從而被應用在各種要求具備優良抗磨耗特性之零件及/或構件的製造，例如：軸承、齒輪、活塞、連接器、導電軌、導線框架、繼電器、探針等。
如此，上述係已完整且清楚地說明本發明所揭示的一種高強度耐磨耗多元銅合金的所有實施例及其實驗數據。並且，由上述說明可知本發明具有以下特徵及優點：
(1) 本發明主要揭示一種高強度耐磨耗多元銅合金，其組成包括：80〜90at％的Cu、0.1〜4at％的Al、6〜10at％的Ni、0.1〜3at％的Si、0.1〜2at％的V及/或Nb、以及0.1〜2at％的M。其中， M為選自於Zr、Cr、Ti、Sn、Fe、Mn、Mg、C、P、和B之中的至少一添加元素。實驗結果顯示，本發明之多元銅合金的多個樣品在以450℃的溫度進行時效處理50小時之後，其強度和硬度明顯升高，顯示出時效硬化之效，且在時效處理的過程中未有過時效軟化現象發生。並且，量測數據顯示，本發明之多元銅合金的多個樣品係相較習知的銅合金而顯示出更好的抗磨耗特性，因此本發明之多元銅合金係能夠取代習知的銅合金，從而被應用在各種要求具備優良抗磨耗特性之零件及/或構件的製造，例如：軸承、齒輪、活塞、連接器、導電軌、導線框架、繼電器、探針等。
然而，必須加以強調的是，前述本案所揭示者乃為較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。
無
圖1為銅鈹合金於350°C下，時間相對於硬度的曲線圖；
圖2為樣品#3之均質化狀態下進行450℃時效熱處理的硬度變化趨勢圖；以及
圖3為樣品#17之均質化狀態下進行450℃時效熱處理的硬度變化趨勢圖。
Claims (13)
- 一種高強度耐磨耗多元銅合金，其為利用選自於由真空電弧熔煉法、電熱絲加熱法、和感應加熱法所組成群組之一種製程方法所製成的一合金塊材，具有大於415m/mm3的磨耗阻抗，且其時效硬化態具有大於HV260的維式硬度，且其組成係由下列之組成式所表示：CuwAlxNiySizNmMs；其中，N為選自於由V和Nb所組成群組之中的至少一種耐火元素，且M為選自於由Zr、Cr、Ti、Sn、Fe、Mn、Mg、C、P、和B所組成群組之中的至少一種添加元素；其中，w、x、y、z、m與s皆為原子百分比之數值，且w、x、y、z、m與s係滿足以下不等式：80≦w≦90、0.1≦x≦4、6≦y≦10、0.1≦z≦2、0.1≦m≦2、及0.1≦s≦2；其中，w+x+y+z+m+s=100。
- 如請求項1所述之高強度耐磨耗多元銅合金，其中，所述高強度耐磨耗多元銅合金係利用選自於由鑄造、鍛造、擠型、和抽線所組成群組之一種塑性變形加工而被加工成為一半成品或一成品。
- 如請求項1所述之高強度耐磨耗多元銅合金，其中，所述高強度耐磨耗多元銅合金係與至少一金屬材結合以成為一複合金屬結構。
- 如請求項1所述之高強度耐磨耗多元銅合金，其中，所述高強度耐磨耗多元銅合金為一鑄造態合金或經一均質化熱處理的一均質化態合金。
- 如請求項1所述之高強度耐磨耗多元銅合金，其中，所述高強度耐磨耗多元銅合金經由一高溫時效處理而呈現所述時效硬化態。
- 一種如請求項1至請求項5中任一項所述之高強度耐磨耗多元銅合金的用途，其係用於要求具優良抗磨耗特性之物件的製造。
- 一種高強度耐磨耗多元銅合金，其為一合金塊材，具有大於475m/mm3的磨耗阻抗，且其組成係由下列之組成式所表示：CuwAlxNiySizNmMs；其中，N為選自於由V和Nb所組成群組之中的至少一種耐火元素，且M為選自於由Zr、Cr、Ti、Sn、Fe、Mn、Mg、C、P、和B所組成群組之中的至少一種添加元素；其中，w、x、y、z、m與s皆為原子百分比之數值，且w、x、y、z、m與s係滿足以下不等式：97≦w≦98.5、x≦0.1、0.2≦y≦0.45、0.1≦z≦0.3、0.1≦m≦0.6、及0.1≦s≦1.6；其中，w+x+y+z+m+s=100。
- 如請求項7所述之高強度耐磨耗多元銅合金，其中，所述高強度耐磨耗多元銅合金係利用選自於由真空電弧熔煉法、電熱絲加熱法、感應加熱法、和快速凝固法所組成群組之一種製程方法所製成。
- 如請求項7所述之高強度耐磨耗多元銅合金，其中，所述高強度耐磨耗多元銅合金係利用選自於由鑄造、鍛造、擠型、和抽線所組成群組之一種塑性變形加工而被加工成為一半成品或一成品。
- 如請求項7所述之高強度耐磨耗多元銅合金，其中，所述高強度耐磨耗多元銅合金係與至少一金屬材結合以成為一複合金屬結構。
- 如請求項7所述之高強度耐磨耗多元銅合金，其中，所述高強度耐磨耗多元銅合金為一鑄造態合金或經一均質化熱處理的一均質化態合金。
- 如請求項7所述之高強度耐磨耗多元銅合金，其中，所述高強度耐磨耗多元銅合經由一高溫時效處理而呈現時效硬化態。
- 一種如請求項7至請求項12中任一項所述之高強度耐磨耗多元銅合金的用途，其係用於要求具優良抗磨耗特性之物件的製造。
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| US20010001641A1 (en) | 1998-02-26 | 2001-05-24 | Ryuji Ninomiya | Abraion resistant copper alloy, copper alloy powder for build-up cladding, and engine cylinder head |
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