專利名稱：無鉛銅合金和其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于Cu-Zn-Sn的銅合金和其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
黃銅被用于機(jī)械制造、電工學(xué)和公共衛(wèi)生工程等不同領(lǐng)域中。
在機(jī)械制造和電工學(xué)中，由于微型化的趨勢，結(jié)構(gòu)件變得越來越小和精細(xì)。而且由黃銅制成的構(gòu)件通常與其它金屬和非金屬材料復(fù)合。然而這二者給基于拆開和/或熔化的材料的循環(huán)再利用造成困難。
特別地在待再利用的結(jié)構(gòu)件包含毒性或有害身體健康的元素或者物質(zhì)時(shí)還出現(xiàn)其它困難。這些元素或者物質(zhì)可以直接危及制備或加工這些材料的工藝上的工人。當(dāng)必須長時(shí)間儲存這種材料并因此使這些材料遭受氣候的影響時(shí)，勢必增加了環(huán)境負(fù)荷。此外，有毒的物質(zhì)如果需要污染了助劑，例如有些在采用沉積法和/或浮選法的schredderfraktionen加工中使用的分離劑。那么要求以高成本清除這些助劑。當(dāng)然如果不能完全避免有害健康的物質(zhì)和元素在環(huán)境或者有機(jī)體中的釋放，那么它們在這些結(jié)構(gòu)件的使用過程中也是不希望的。
因此，對于這種產(chǎn)品來說，在生態(tài)學(xué)和毒性方面毫無問題的組合物是十分重要的。日益提高的環(huán)境意識(這種意識可以在許多標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)手冊例如像修訂的飲用水規(guī)定DIN50930-6或者廢品規(guī)定中重新找到)要求相應(yīng)的原材料。
在電工學(xué)中，大多數(shù)情況下使用含Pb的黃銅作為接點(diǎn)材料，并且作為靜止接點(diǎn)或者固定接點(diǎn)，屬于此的例如是接線柱連接和插塞連接器或插塞接點(diǎn)。在選擇材料時(shí)，易于加工是非常重要的。吸引人的是相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)部件可以由具有較高生產(chǎn)率的含鉛的切削黃銅制備。
結(jié)構(gòu)中填充的鉛產(chǎn)生了缺陷。這種填充不但起斷屑器的作用，而且由于應(yīng)力集中以及支承截面的縮小降低了材料的強(qiáng)度和/或延展性。這種缺陷必須通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)件幾何尺寸來補(bǔ)償。
在所有的緊固元件中，根據(jù)工藝條件存在或多或少的大的機(jī)械殘余應(yīng)力。這通常與來源于螺旋連接的拉應(yīng)力相疊加。如果接線柱連接由常規(guī)的含鉛黃銅制成，那么由于這種應(yīng)力存在大的應(yīng)力腐蝕開裂的危險(xiǎn)。
此外，在電工學(xué)和電子學(xué)中同樣也需要生態(tài)學(xué)上友好的材料。根據(jù)歐洲國會對電子和電工的舊儀器的中期方針，Pb將來是一種不希望的合金組分。這種推動的目標(biāo)是提高合金循環(huán)中對環(huán)境友好的材料的含量。
此外，由含鉛黃銅可以制備用于液體運(yùn)輸或儲存的結(jié)構(gòu)件或者容器。重要的方面是衛(wèi)生工程。同樣這里的金屬滲漏也是特別成問題的。因此，所使用的材料應(yīng)該對所有種類的腐蝕均具有抵抗力。用于液體運(yùn)輸或儲存的結(jié)構(gòu)件的制備一般是通過切削進(jìn)行的。通常之前通過模鍛進(jìn)行熱加工。
這種含鉛的黃銅合金例如已經(jīng)由DE 43 18 377 C2公開，其作為鍛造或者鑄造合金用于光學(xué)工業(yè)、首飾加工和飲用水和衛(wèi)生設(shè)備中。同樣這種合金由于加入了顯著量的鉛而獲得了好的切削性。
研制出的另一種具有好的切削性的無鉛銅基塑性合金已經(jīng)由申請DE 691 24835 T2公開。該合金可以代替目前為止的含鉛材料，而無需改變加工條件。對此添加少量鉍和其它元素磷、銦和錫來代替合金中的鉛。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種其性能進(jìn)一步改善的無鉛銅合金以及其應(yīng)用。
本發(fā)明的任務(wù)是通過基于銅、鋅和錫的銅合金解決的，該合金由下列組分組成60至70％Cu、0.5至3.5％Sn和其它的粘結(jié)性(matrixaktiven)元素0.01至0.5％Fe和/或Co、0.01至0.5％Ni、0.01至0.5％Mn和/或硅，余量是Zn和不可避免的雜質(zhì)。
可選擇地該銅合金還包括最高達(dá)3％Mg、最高達(dá)0.2％P以及在每種情況下可選擇地還包括最高達(dá)0.5％Ag、Al、As、Sb、Ti、Zr。
該合金組分的所有含量均以重量％表示。
因此本發(fā)明是出于這種考慮的，即在其整個(gè)單元中由合金元素的適當(dāng)組合和由單個(gè)組分的協(xié)同作用獲得的性能滿足了對合金寄予的期望并因此滿足了對材料的要求。
為此，該材料同時(shí)還具有下列特征.無有毒的元素.好的切削性
.好的成型性.高的耐腐蝕性.與含鉛的切削黃銅相比，在相同高的延展性下，具有升高的強(qiáng)度水平.適合于大批量制備半成品以及.在半成品制備過程中工藝是穩(wěn)定的，即對波動的工藝參數(shù)不敏感。
對此，該銅合金可以設(shè)計(jì)為無有毒添加劑的含Sn的CuZn合金(特種黃銅)。當(dāng)然因此滿足了有益健康的和生態(tài)學(xué)上相容性的要求。
本發(fā)明合金的Cu含量是60至70％。Cu含量低于60％時(shí)導(dǎo)致脆化，這將顯著地造成明顯降低的斷裂伸長或者缺口沖擊韌度。此外例如還產(chǎn)生無切屑的模塑成型方面的缺陷。當(dāng)Cu含量超過70％時(shí)，在無斷裂截面的切屑加工時(shí)產(chǎn)生長、占地方的切屑。
Sn含量也存在類似的比例在Sn濃度低于0.5％時(shí)，對短的切屑的優(yōu)點(diǎn)不抱希望；超過3.5％時(shí)韌性大大降低。
為了控制α-相和β-相的晶粒尺寸，F(xiàn)e或Co是必需的。附加地Fe減少合金中的特殊的切屑形成操作。當(dāng)?shù)陀?.01％時(shí)這種作用是不足的。高于0.5％時(shí)存在與Si一起作為晶粒析出的危險(xiǎn)。這對于冷成型是不利的。
使用Ni、Mn和Si以便在給定的銅含量下有針對性地影響組織結(jié)構(gòu)。Si和Mn提高體心立方體的β-相的含量。Ni穩(wěn)定體心立方體的銅-鋅混晶的含量。
Ni含量低于0.01時(shí)不足以充分地穩(wěn)定銅混晶，附加地還削弱了對抗平面腐蝕性的有利作用。Ni低于0.5％時(shí)將導(dǎo)致冷成型時(shí)過高的硬化并且因此是不利的。
Mn含量低于0.01％是不利，因?yàn)檫@樣β-相將以特別低的含量存在。Mn含量高于0.5％將影響成型性和抗應(yīng)力腐蝕開裂的穩(wěn)定性。
Si含量低于0.01％是不利的，因?yàn)閷⑹功?相含量太低，Si含量高于0.5％時(shí)影響冷成型性。
Mg減少了合金中的特殊的切屑形成操作，并且基本上為改善可切削加工性作出了貢獻(xiàn)。原因在于在二元邊際體系Cu-Mg和Zn-Mg中形成了低共熔的相組分。該低共熔組合物處于易碎的情況，并且是結(jié)構(gòu)中的主要斷裂位置，在該位置上出現(xiàn)切屑斷裂。高于3％時(shí)，韌度明顯降低，并且不能進(jìn)行連鑄。
可選擇地包含P，以便有利地影響初始鑄造組織的形成和腐蝕性能。磷提高了熔體的流動性并且有利于抗易受應(yīng)力腐蝕開裂的侵蝕性。此外P還具有耐脫鋅性。特別地含量高于0.003％時(shí)這種效果是明顯的。然而大于0.2％時(shí)由于特別容易在晶粒界面上發(fā)生晶間腐蝕性而導(dǎo)致的缺陷占上風(fēng)。
任選地，加入最高達(dá)0.5％的鋁，以便形成氧化層。這特別地對于裝飾目的是有利的。特別地含量高于0.003時(shí)這種作用是明顯的。超過0.5％的含量由于有助于形成β-相而不再是有利的。
由本發(fā)明的材料制成的半成品優(yōu)選是通過常規(guī)連鑄、在600至750℃的溫度下的擠壓和冷卻成型(例如通過拉拔)來制備的。
在這種制備過程中，證明該組合物的加工性是毫無問題的，并且令人驚奇地在性能方面是穩(wěn)定的。這在現(xiàn)有技術(shù)中通常加工處理的三元合金Cu-Zn-Sn中是不能獲得的。它們在連鑄中缺乏有利的性能，并且缺乏穩(wěn)定的與操作參數(shù)(例如擠壓時(shí)的)的波動無關(guān)的結(jié)構(gòu)形成。這不但涉及制品本身中技術(shù)特性值的均勻分布而且涉及在加工不同的鑄造批料之間不變的性能。已經(jīng)表明，制成的圓鋼在性能方面的波動范圍主要取決于粘結(jié)性元素的含量。在主要組分Cu、Zn和Sn的基礎(chǔ)上，在基體中至少部分熔融的粘結(jié)性元素Fe、Co、Ni、Mn和Si單獨(dú)的或者與選擇元素Mg、P、Ag、Al、As、Sb、Ti和Zr一起的總含量對半成品制備過程中穩(wěn)定的、對波動的操作參數(shù)不敏感的加工顯然具有重要意義。


圖1產(chǎn)品性能的標(biāo)準(zhǔn)偏差和粘結(jié)性元素(不是主要組分)含量之間的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，該銅合金由60至70％Cu、0.5至3.5％Sn、0.07至3％Mg和0.003至0.01％P組成，余量是Zn和不可避免的雜質(zhì)。
可替代地在另一優(yōu)選的實(shí)施方式中，該銅合金由60至70％Cu、0.5至3.5％Sn、0.07至3％Mg和0.03至0.1％P組成，余量是Zn和不可避免的雜質(zhì)。
可替代地在另一優(yōu)選的實(shí)施方式中，該銅合金由60至70％Cu、1.5至2.5％Sn、0.07至3％Mg和0.03至0.1％P組成，余量是Zn和不可避免的雜質(zhì)。
可替代地在另一優(yōu)選的實(shí)施方式中，該銅合金由60至70％Cu、2.0至2.5％Sn、0.07至3％Mg和0.03至0.1％P組成，余量是Zn和不可避免的雜質(zhì)。
在上述所有優(yōu)選的實(shí)施方案中，均可以包含磷，以便特別有利地影響起始鑄造組織的形成和腐蝕性能。通過該合金組成和0.03至0.1％P可以以特別的方式滿足對材料提出的要求。
已經(jīng)表明，在除Cu、Zn和Sn外的粘結(jié)性元素的含量低于一定量時(shí)工藝性能出現(xiàn)如此大的偏差，以致于對加工產(chǎn)生長遠(yuǎn)的影響并且在生產(chǎn)過程的安全管理的極限情況下是不可能的。為了克服這點(diǎn)，銅合金中其它粘結(jié)性元素和可選擇加入的元素的總含量是0.5至5％。
在該含量下，非常明顯地降低了這種偏差，并且在特別優(yōu)選的實(shí)施方案中在許多標(biāo)準(zhǔn)加工中其最佳值是0.7至1％。
當(dāng)然根據(jù)生產(chǎn)過程，加入高含量的粘結(jié)性元素也是有意義的。然而，最高達(dá)5％的總含量才具有實(shí)用性。含量超過5％時(shí)實(shí)際上不再觀察到對偏差的明顯改善，因?yàn)橛^察到通過添加劑的疊加作用產(chǎn)生的顯著的不可預(yù)見的附加效果，這種效果使預(yù)期目的破滅。
有利地，該銅合金可用于電工學(xué)中的接點(diǎn)、銷釘或者緊固元件，例如作為靜止接點(diǎn)或固定接點(diǎn)，屬于此的例如是接線柱連接和插塞連接器或插塞接點(diǎn)，以及通信技術(shù)中。
該合金對液態(tài)的或者氣態(tài)的介質(zhì)具有高的耐腐蝕性。此外，其也具有非常高的抗脫鋅性和抗應(yīng)力腐蝕開裂性。由于這些性能有利地該合金適合作為運(yùn)輸或儲存液體或者氣體的容器，特別是作為制冷技術(shù)中的容器或者衛(wèi)生工程中的管道、上水道配件、龍頭延長管、管子連接器和閥。
對應(yīng)力腐蝕開裂的不敏感性推薦該合金可用于在一定工藝條件下在其中儲存了大量的彈性能量的螺旋連接或插塞連接。因此特別有利地是該合金用于所有的拉力負(fù)荷和/或扭轉(zhuǎn)載荷的結(jié)構(gòu)件，特別是用于螺栓和螺母。在冷成型之后，與含鉛CuZn-合金相比，本發(fā)明的材料獲得更高的屈服點(diǎn)值。因此可以在不允許塑性變形的螺旋連接中實(shí)現(xiàn)更高的擰緊力矩。該CuZnSn合金的屈服點(diǎn)比例Rp0.2/Rm小于易切削黃銅的。因此，僅拉拔一次的并在這種情況下有意地拉伸過度的螺旋連接可以獲得特別高的箍緊力。由于高的強(qiáng)度水平，通過微型化至少節(jié)約10％的重量。
低的腐蝕率保證了金屬滲漏(即由于液體或氣態(tài)介質(zhì)的影響合金排出的性能)本身是低的。只要該材料適合于應(yīng)用領(lǐng)域，對環(huán)境保護(hù)來說要求低的有害物質(zhì)滲入。有利地，本發(fā)明合金的應(yīng)用是可回收再利用的結(jié)構(gòu)件的領(lǐng)域。
本發(fā)明的合金表現(xiàn)出突出的缺口沖擊韌度和溫度關(guān)系。在溫度超過600℃時(shí)，該缺口沖擊韌度降低至與有些含Pb合金相同的并且預(yù)計(jì)會出現(xiàn)有利地用于模鍛件的值。
在鉛不作為合金組分時(shí)本發(fā)明的合金具有好的可加工性。因此它們適合于制備汽車制造業(yè)和飛機(jī)以及航天技術(shù)中的滑動副。
該銅合金的應(yīng)用可能性證明不但可用于管狀的而且是帶狀的原材料。有利地，好的可銑削性或者可沖壓性的帶材、板材和片材特別適合于鑰匙、模膛、裝飾性目的或者用于沖壓柵板。對于制備來說，常規(guī)的連鑄、在500至850℃之間的熱軋和隨后的成型例如冷軋和根據(jù)需要補(bǔ)充的其它的退火步驟和成型步驟將獲得相應(yīng)的帶式半成品。該合金可以作為塑性合金、軋制合金或者鑄造合金使用。
通過本發(fā)明獲得的優(yōu)點(diǎn)特別地在于，其具有好的可加工性、好的成型性以及高的耐腐蝕性。在這種情況下，恰好是抗脫鋅性和抗應(yīng)力腐蝕開裂性是特別顯著的。
此外，不含有毒元素，由于逐漸嚴(yán)格的對環(huán)境負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)這使毫無顧慮的應(yīng)用特別是與飲用水管道有關(guān)的應(yīng)用成為可能。
另一重要的優(yōu)點(diǎn)是與含鉛的切屑黃銅相比在相同高的延展性下升高的強(qiáng)度水平。
最后，在制備該合金時(shí)，窄的制造公差不再扮演重要角色。特別有利地證明本發(fā)明的合金在穩(wěn)定的即對波動的操作參數(shù)不敏感的半成品加工中具有大量生產(chǎn)的能力。
附圖1中描述了產(chǎn)品性能的標(biāo)準(zhǔn)偏差和粘結(jié)性元素(不是主要組分)含量之間的關(guān)系。曲線走向表明所期望的標(biāo)準(zhǔn)偏差的趨勢，而沒有觀察到其它效果。因此表明，在除Cu、Zn和Sn外的粘結(jié)性元素的含量超過一定值時(shí)技術(shù)性能的偏差漸進(jìn)地升高，因此可以得出這種結(jié)果是盡可能高的粘結(jié)元素含量帶來的。然而實(shí)踐表明，最高達(dá)5％的總含量便出現(xiàn)了所需的材料性能。含量超過5％時(shí)，不再觀察到這種偏差的改善，因?yàn)橛^察到通過添加劑的疊加作用產(chǎn)生的顯著的不可預(yù)見的附加效果，這種效果不能導(dǎo)致進(jìn)一步的改善。
通過使用本發(fā)明的組合物在其可變性方面特別地處于重要地位的材料性能是材料的屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長、硬度、晶粒度和加工硬化能力。在通過冷成形和退火(如果需要相互交替進(jìn)行)的進(jìn)一步加工過程中進(jìn)行相應(yīng)的觀察。
對含Mg合金的試驗(yàn)表明，通過在690℃下的連鑄成形過程之后形成在結(jié)構(gòu)中作為脆性析出物的低共熔相組分。這種結(jié)構(gòu)改變可以通過在500℃下的后熱處理來進(jìn)一步強(qiáng)化。通過拉拔的冷成形獲得半產(chǎn)品的最終形狀和強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.基于銅、鋅和錫的銅合金，該合金由下列組分組成(重量％)60至70％Cu，0.5至3.5％Sn和其它的粘結(jié)性元素0.01至0.5％Fe和/或Co，0.01至0.5％Ni，0.01至0.5％Mn和/或Si，和可選擇地最高達(dá)3％Mg可選擇地最高達(dá)0.2％P在每種情況下可選擇地最高達(dá)0.5％Ag、Al、As、Sb、Ti、Zr，余量Zn和不可避免的雜質(zhì)。
2.權(quán)利要求1的銅合金，其特征在于，60至70％Cu、0.5至3.5％Sn、0.07至3％Mg、0.003至0.01％P，余量是Zn和不可避免的雜質(zhì)。
3.權(quán)利要求1的銅合金，其特征在于，60至70％Cu、0.5至3.5％Sn、0.07至3％Mg、0.03至0.1％P，余量是Zn和不可避免的雜質(zhì)。
4.權(quán)利要求1的銅合金，其特征在于，60至70％Cu、1.5至2.5％Sn、0.07至3％Mg、0.03至0.1％P，，余量是Zn和不可避免的雜質(zhì)。
5.權(quán)利要求1的銅合金，其特征在于，60至70％Cu、2.0至2.5％Sn、0.07至3％Mg、0.03至0.1％P，余量是Zn和不可避免的雜質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一或多項(xiàng)的銅合金，其特征在于，其它粘結(jié)性元素和可選擇加入的元素的總含量是0.5至5％，優(yōu)選0.7至1％。
7.權(quán)利要求1至6之一或多項(xiàng)的銅合金的應(yīng)用，其用于電工學(xué)和通信技術(shù)中的接點(diǎn)、銷釘或者緊固元件。
8.權(quán)利要求1至6之一或多項(xiàng)的銅合金的應(yīng)用，其用于運(yùn)輸或儲存液體或者氣體的容器，特別是制冷技術(shù)中的容器或者衛(wèi)生工程中的管道、上水道配件、龍頭延長管、管子連接器和閥。
9.權(quán)利要求1至6之一或多項(xiàng)的銅合金的應(yīng)用，其用于拉力負(fù)荷和/或扭轉(zhuǎn)載荷的結(jié)構(gòu)件，特別是用于螺栓和螺母。
10.權(quán)利要求1至6之一或多項(xiàng)的銅合金的應(yīng)用，其用于對環(huán)境保護(hù)來說低的有害物質(zhì)滲入的可循環(huán)再利用的結(jié)構(gòu)件。
11.權(quán)利要求1至6之一或多項(xiàng)的銅合金的應(yīng)用，其用于模鍛件。
12.權(quán)利要求1至6之一或多項(xiàng)的銅合金的應(yīng)用，其用于滑動軸承。
13.權(quán)利要求1至6之一或多項(xiàng)的銅合金的應(yīng)用，其用于制備好的可銑削性或者可沖壓性的帶材、板材和片材，特別適合于鑰匙、模膛、裝飾性目的或者用于沖壓柵板。
14.權(quán)利要求1至6之一或多項(xiàng)的銅合金的應(yīng)用，其用作塑性合金、軋制合金或者鑄造合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于Cu－Zn－Sn的無鉛銅合金和其應(yīng)用。該合金是在無有毒添加劑下以銅、鋅和錫為基礎(chǔ)構(gòu)成的，并且由下列組分組成60至70％Cu、0.5至3.5％Sn和其它的粘結(jié)性元素0.01至0.5％Fe和/或Co、0.01至0.5％Ni、0.01至0.5％Mn和/或硅，余量是Zn和不可避免的雜質(zhì)?？蛇x擇地還可以加入最高達(dá)3％Mg、最高達(dá)0.2％P以及最高達(dá)0.5％Ag、Al、As、Sb、Ti、Zr。當(dāng)然因此滿足了健康和生態(tài)學(xué)相容性方面的要求。
文檔編號C22C9/02GK1570165SQ20041000429
公開日2005年1月26日 申請日期2004年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月28日
發(fā)明者烏韋·霍夫曼, 莫尼卡·布羅伊, 哈拉爾德·西格爾, 安德烈亞斯·伯格爾, 約爾格·西格 申請人:威蘭德-沃克公開股份有限公司