专利名称：无铅、高强度、高润滑性的铜合金的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及一种铜合金，更确切地涉及一种具有高强度、延展性和润滑性的铜-铋合金。
背景技术：
被称为高铅青铜，含有2(T30 wt % (重量百分比)铅的铜合金通常由于具有例如高强度，高延展性，高溶化温度以及高润滑性的优点而被使用。高铅青铜通常用于旋转轴的轴承，例如普通滑动轴承或套筒轴承，其中的充足额外润滑液供应不确定或周期性间断。高铅青铜的润滑性由在凝固过程中形成的铅基第二相所提供。这种润滑性至少部分地与铅基第二相的体积分数成比例，而该体积分数反过来与合金中的铅含量成比例。由于某些目前待定的健康和环境规定，在铜合金中充分减少或去除铅的使用则比较理想。为了称作“无铅”，合金中铅的组成必须低于0.10 wt. %。然而，目前并没有高铅青铜的无铅替代品。因此，厂商经常要求免除高铅青铜使用的规定。例如，在空调和热泵中使用的压缩机的一个领先厂商最近要求从限制有害物质的指令中继续免除关于“无铅青铜轴承壳套和衬套”的(％)规定。因此，有必要发展无铅、高强度、高润滑性的铜合金。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种无铅铜合金，包括，按照重量组成，约10. (Γ约20. 0% 的铋，约0. 05% 约0. 3%的磷，约2. 29Γ约10. 0%的锡，达到约5. 0%的锑，约0. 02%的硼， 余量主要为铜和偶然元素以及杂质。该合金包括不超过0.10 wt. %的铅。根据本发明的一个方面，该合金包括少于0. 05 Wt %的铅。根据本发明的另一个方面，该合金包含约12. 0 wt. %的铋，约2. 4 wt. °/Γ3. lwt%的锡，约1. 0 Wt. %的锑，约0. 1 Wt. %的磷，和约0. 01 Wt. %的硼，或该合金包含约12. 0 wt. % 的铋,约5. 5 约6. 2 wt. %的锡，约0. Iwt. %的磷，达到约0. 05 wt. %的铅和约0. 01 wt. % 的硼。根据本发明的另一个方面，该合金具有Cu3Sn的相分数低于约0. 15 (即15%体积分数)，CuSb的相分数低于约0. 15 (即15 vol. %)，以及Cu3P的相分数低于约0. 01 (即1 vol. %)。根据本发明的另一个方面，该合金具有约90-210 MPa (13-31 ksi)范围的极限拉伸强度，约80-120 MPa (12-17 ksi)范围的屈服强度，和约1_20%范围的延伸率。根据本发明的另一个方面，该合金还包含至少一种稀土元素，其形式选自元素镧，元素铈，含铈的稀土元素合金，以及它们之间任意组合。
本发明的另一个方面涉及一种无铅铜合金，包括，按照重量组成，约10.0 9Γ约 20. 0%的铋，约0. 05% 约0. 3%的磷，约2. 2% 约10. 0%的锡，达到约5. 0%的锑，达到约0. 02% 的硼，以及至少一种稀土元素，其形式选自元素镧，元素铈，含铈的稀土元素合金，以及它们之间任意组合，余量主要为铜和偶然元素和杂质。该合金包含达到约0. 10 Wt. %的铅。此外，该合金包含铋基相的体积分数至少为0. 04。本发明的另一个方面涉及一种包括铸造坯料的方法，该坯料由一种合金制成，该合金由约10. 09Γ约20. 0%的铋，约0. 059Γ约0. 3%的磷，约2. 2°/Γ约10. 0%的锡，达到约 5.0%锑，以及达到约0.0 的硼，余量主要为铜，偶然元素和杂质，以及不超过约0. 10 wt. % 的铅组成。该坯料随后冷却到室温，并固化。根据本发明的另一个方面，该坯料通过离心铸造至近净成形(接近最终形状)。根据本发明的另一个方面，该坯料在每分钟约100°c的速率下冷却至室温。根据本发明的另一个方面，该坯料通过直接激冷铸造(direct-chill casting)，并用水冷却。以下将结合说明书附图来详细说明本发明。
通过以下附图以及实施例，详细描述本发明。图1为光学显微图，展示了本发明的一个实施例。
具体实施例方式本发明总体上涉及一种易延展的无铅Cu-Bi合金，包括超过10 wt. %的铋。在专利号为5，413，756的美国专利中公布了包含2、wt. %铋的铜合金，该专利在此引入并作为本申请的一部分，这种铜合金在此用作轴承材料，但是与高铅青铜相比，这些合金的润滑性通常较低。较低的润滑性通常是由于润滑的铋基第二相的较低体积分数。为增加铜合金中铋含量至高于10 wt.%所作的努力导致铋基第二相偏析成晶界区域，这样反过来会降低了合金的延展性。在某些实施例中，在此公开的Cu-Bi合金包括将有助于避免该问题的额外的锡，锑和/或磷铸造成合金。在一个实施例中，Cu-Bi合金包括约10. 0 wt. 约20. 0 wt. %的铋，约2. 2 wt. 约10 wt. %的锡，达到约5. 0 Wt. %的锑，达到约0. 05 Wt. % 约0. 3 wt. %的磷，达到约0. 02 wt. %的硼，余量主要为铜和偶然元素和杂质。在该实施例中，合金为“无铅”，意思是该合金包括低于0. 10 wt. %的铅，或在另一个实施例中，少于0. 05 wt. %的铅。该合金可以包括少量但有效量的稀土元素以获得一些杂质。这种稀土元素可以通过含铈的稀土元素合金(可以包括铈和/或镧的混合，以及可能的其它元素)，或元素铈和/或镧，或这种形式的结合来加入。在一个实施例中，该合金包括这种稀土元素约0.02 wt. %的聚集含量。在另一个实施例中，Cu-Bi合金包括约12. 0 wt. %的铋，约2. 4 wt. % 3. 1 wt. %的锡，约1. 0 Wt. %的锑，约0. 1 Wt. %的磷，以及约0. 01 Wt. %的硼，余量主要为铜和偶然元素和杂质。在该实施例中，合金为“无铅”，意思是该合金包括少于0. 10 wt.%的铅。在另一个实施例中，这种公称成分可以包括每种表示的重量百分比具有5%或10%的变化。图1为这种实施例的光学显微图。在另一个实施例中，合金包括约12. 0 wt. %的铋，约5. 5至约6. 2 wt. %的锡，约0. 1 wt. %的磷，达到约0. 05 wt. %的铅，以及达到约0. 01 wt. %的硼，余量主要为铜和偶然元素和杂质。在另一个实施例中，这种公称成分可以包括每种所述的重量百分比的5%或 10%的变化。根据不同实施例的合金可以具有优越的物理性质和特征，包括高强度，高延展性， 高熔化温度以及高润滑性。这种合金可以具有约90-210 MPa (13-31 ksi)范围的极限拉伸强度(UTS)，约80-120 MPa (12-17 ksi)范围的屈服强度，约1-20%范围的延伸性。此外， 该合金可以具有约1000°C的熔化温度。此外，这种合金的润滑性可比得上含铅铜合金(例如高铅青铜)的润滑性。在一个实施例中，与现有的Cu-Bi合金相比，该合金具有较高的铋基第二相体积分数。这可以增加合金的润滑性，因为铋基第二相具有较高的润滑性。在一个实施例中，铋基第二相在合金中的体积分数至少为0.04 (即，4 vol. %)。在一个实施例中，如图1所示，使铋基第二相分离并分布在铜基体中并限制相微粒的相互连接则比较理想。铸造额外的锡，锑，和/或磷成为合金有助于避免铋基相偏析为晶界区域。如上所述，这种偏析会降低合金的延展性。此外，在此公开的Cu-Bi合金促进液体不混溶性。当两种液体不混溶时， 具有较低凝固温度的液体(即铋)通常不太可能偏析至由其它液体(即铜)形成的固体的晶界。将此应用到接近铸造中使用的Cu-Bi合金中，可以阻止晶界偏析并获得较高延展性。 为了促进液体不混溶性，公开合金的某些实施例包括将额外的锡，锑和磷进行铸造。为了提供适当程度的延展性，在此公开的Cu-Bi合金也可以限制有害相的形成， 例如Cu3Sn, CuSb,和/或Cu3P。在某些实施例中，Cu3Sn的相分数限制为低于约0. 15 (即 15 vol. %)，CuSb的相分数限制为低于约0.15 (即15 vol. %)，Cu3P的相分数限制为低于约 0.01 (即1 vol. %)。这可以通过限制额外的锡至低于约10.0 wt.%，锑低于约5.0 wt.%， 磷低于约0.3 wt. %来得到。图1所示样品中存在至少某些这种金属间相，但这些相没有被所使用的刻蚀技术展现出。在一个实施例中，本发明的合金可以通过在钢模中铸造来制造，不需真空熔化。在某些应用中，该合金可以离心铸造成近净成形。这种铸造随后在每分钟100°c的速率下冷却至室温。较高的冷却速率有利于排除铸件的偏析。通过例如凝固过程中用水冷却坯料的直接激冷铸造可以得到较高冷却速率。在某些实施例中，该合金可以理解为由或者主要由在此公开的元素成分组成。同样，本发明的其他方面可理解为体现在例如铸件产品之中，该铸件产品由上述一个或多个实施例中全部或部分合金所形成。以下将详细说明几种具体的实施例，包括实施例的具体过程和所产生的物理特性以及特征。以下实施例所示数值概括在以下表格中，其中每种合金的余量为铜。表 1
实施例Bi(wt.%)Sn (wt. %)Sb (wt. %)P(wt.%)B(wt.%)Pb (wt.%)其余(wt. %)112. 02. 51. 00. 10. 010. 10最大值含铈的稀土元素合金⑴.02)212. 03. 01. 00. 10. 010. 10最大值含铈的稀土元素合金0102)312. 02. 51. 00. 10. 0050. 10最大值412. 02. 51. 00. 10. 0050. 10最大值含铈的稀土元素合金0102)514. 15. 5~00. 1<0.00030.01最大值
实施例1
一种具有公称成分为 12. 0 wt% Bi, 2. 5 wt% Sn, 1. 0 wt% Sb, 0. 1 wt% P, 0. 01wt% B,和余量为Cu的合金在不需要真空熔化的情况下进行铸造。该合金同样包含约0. 02 wt. %的含铈稀土元素合金以帮助取得杂质。铸件重约36 kg并测得高度为42 cm。在温度为25 150°C之间的销-盘式摩擦测试中，该合金所展示的润滑性可与包含30 wt. %铅的铜合金相比。该实施例的屈服强度约8(Tl00MPa (12-14 ksi)。此外，合金展示了约4-12%的延伸性。图1为该实施例的光学显微图，展示了铜基体和铋基第二相。实施例2
一种具有公称成分为 12. 0 wt% Bi, 3. 0 wt% Sn, 1. 0 wt% Sb, 0. 1 wt% P, 0. 01 wt% B,和余量为Cu的合金在不需要真空熔化的情况下进行铸造。该合金同样包含约0. 02 wt. %的含铈稀土元素合金以帮助取得杂质。铸件重约36 kg并测得42 cm的高度。在温度为25 150°C之间的销-盘式摩擦测试中，该合金所展示的润滑性可与包含约30 wt. %铅的铜合金相比。该实施例的屈服强度约100 MPa (14-15 ksi)且UTS为约110 180 MPa (16 至沈ksi)。此外，该合金展示了约3-13%的延伸性。实施例3
一种具有公称成分为 12. 0 wt% Bi, 2. 5 wt% Sn, 1. 0 wt% Sb, 0. 1 wt% P, 0. 005 wt% B,和余量为Cu的合金在不需要真空熔化的情况下进行铸造。该合金不包含含铈稀土元素合金。铸件重约36 kg并测得42 cm的高度。该实施例的屈服强度约100 110 MPa (14-16 ksi)且UTS为约110 210 MPa (16至31 ksi)。此外，该合金展示了约5-20%的延伸性。实施例4
一种公称成分为 12. 0 wt% Bi, 2. 5 wt% Sn, 1. 0 wt% Sb, 0. 1 wt% P, 0. 005 wt% B,和余量为Cu的合金在不需要真空熔化的情况下进行铸造。该合金同样包含含铈的稀土元素合金以取得杂质。铸件重约36 kg并测得42 cm高度。该实施例的屈服强度约100 110 MPa (14-16 ksi)且 UTS 为约 150 180MPa (22 至 27 ksi)。此外，该合金展示了约 7-10%的延伸性。实施例5
一种实际成分为 14. 1 wt% Bi, 5.5 wt% Sn, 0. 1 wt% P, 0.01 wt% Pb,和余量为 Cu 的合金在不需要真空熔化的情况下进行铸造。该合金不包括含铈稀土元素合金。铸件重约 36 kg并测得42 cm的高度。在温度为25 150°C之间的销-盘式摩擦测试中，该合金所展示的润滑性可与波暗含约30 wt. %铅的铜合金相比。该实施例的屈服强度约120 MPa (17 ksi)且UTS为约120 130 MPa (18 ksi)。此外，该合金展示了约1-3%的延伸性。在此展示了几种实施例中，本领域的技术人员应该理解每个实施例的特点以及可能的成分组合和变化。本领域的技术人员应进一步理解当中的每个实施例可以通过在此公开的其它实施例的任意组合来提供。本发明应该理解为在不偏离其思想或中心特点的情况下可以具有其它的具体形式。本实施例可以被认为是关于说明，而并非限制性的，本发明也并非限制于在此所描述的示例，在不偏离本发明思想以及保护范围的情况下的多种改进只受权利要求的限制。
权利要求
1.一种合金，其特征在于，按照重量组成，包括约10. 09Γ约20. 0%的铋，约0. 059Γ约 0. 3%的磷，约2. 29Γ约10. 0%的锡，达到约5. 0%的锑，达到约0. 02%的硼，余量主要为铜和偶然元素和杂质，其中所述合金包含不超过0. 10 Wt. %的铅。
2.如权利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金包含低于约0.05wt. %的铅。
3.如权利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金包含约12.0 wt. %的铋，约2. 4 wt. % 3. 1 wt. %的锡，约1. 0 wt. %的锑，约0. 1 wt. %的磷，以及约0. 01 wt. %的硼。
4.如权利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金包含约12.0wt. %的铋，约5. 5 约 6. 2 wt. %的锡，约0. 1 wt. %的磷，达到约0. 05 wt. %的铅和达到约0. 01 wt. %的硼。
5.如权利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金包括至少一种稀土元素，其形式选自元素镧，元素铈，含铈的稀土元素合金，以及它们的任意组合。
6.如权利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金中的Cu3Sn相分数低于约0.15， CuSb的相分数低于约0. 15，Cu3P的相分数低于约0. 01。
7.如权利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金具有极限拉伸强度约为9(Γ210 MPa (13-31 ksi)，屈服强度约 80 120 MPa (12-17 ksi)，延伸率为约广20%。
8.如权利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金包含铋基相的体积分数至少为 0. 04。
9.一种合金，其特征在于，按照重量组成，包括约10. 09Γ约20. 0%的铋，约0. 059Γ约 0. 3%的磷，约2. 29Γ约10. 0%的锡，达到约5. 0%的锑，达到约0. 02%的硼，以及至少一种稀土元素，其形式选自元素镧，元素铈，含铈的稀土元素合金，以及它们的任意组合，余量主要为铜和偶然元素和杂质，其中所述合金包含不超过0. 10 Wt. %的铅，且其中的铋基相体积分数至少为0. 04。
10.如权利要求9所述的合金，其特征在于，所述合金中的Cu3Sn相分数低于约0.15， CuSb的相分数低于约0. 15，Cu3P的相分数低于约0. 01。
11.如权利要求9所述的合金，其特征在于，所述合金具有极限拉伸强度约为9(Γ210 MPa (13-31 ksi)，屈服强度约 80 120 MPa (12-17 ksi)，延伸率为约广20%。
12.—种方法，其特征在于，包括铸造一种合金的坯料，并冷却所述坯料至室温，其中所述合金包括按照重量组成，约10. 09Γ约20. 0%的铋，约0. 059Γ约0. 3%的磷，约2. 29Γ 约10. 0%的锡，达到约5. 0%的锑，达到约0. 02%的硼，余量主要为铜和偶然元素和杂质，其中所述合金包含不超过0. 10 wt. %的铅。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述合金包含至少约0.05wt. %的铅。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述合金包含约12.0 wt. %的铋，约2. 4 wt. % 约3. 1 wt. %的锡，约1. 0 wt. %的锑，约0. 1 wt. %的磷，和约0. 01 wt. %的硼。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述合金包含约12.0wt. %的铋，约5. 5 约6. 2 wt. %的锡，约0. 1 wt. %的磷，达到约0. 05 wt. %的铅和达到约0. 01 wt. %的硼。
16.如权利要求12所述的方法，其特征还在于，所述合金包括至少一种稀土元素，其形式选自元素镧，元素铈，含铈的稀土元素合金，以及它们的任意组合。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述合金中的Cu3Sn相分数低于约0.15， CuSb的相分数低于约0. 15，Cu3P的相分数低于约0. 01。
18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述坯料经过离心铸造成近净成形。
19.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述坯料在每分钟约100°C的速率下冷却至室温。
20.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述坯料采用直接激冷铸造，并用水冷却。
全文摘要
一种无铅的铜合金，包括按照重量组成，约10.0%至约20.0%的铋，约0.05%至约0.3%的磷，约2.2%至约10.0%的锡，达到约5.0%的锑和达到约0.02%的硼，余量主要为铜和偶然元素和杂质。该合金包括不超过约0.05wt.%或0.10wt.%的铅。
文档编号C22C9/00GK102341513SQ201080010519
公开日2012年2月1日 申请日期2010年3月2日 优先权日2009年3月3日
发明者詹姆士·A·莱特, 贾森·塞巴斯蒂安, 阿赫杰特·米斯拉 申请人:奎斯泰克创新公司