專利名稱：一種新型的銅合金及銅合金管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種銅基合金，特別涉及一種高強(qiáng)度的銅合金及由所述銅合金制備的 銅合金管。
背景技術(shù)：
通常，制冷空調(diào)用熱交換器(蒸發(fā)器、冷凝器)、連接管(室內(nèi)外連機(jī)用)以及各種 銅合金管多采用磷脫氧銅(TP2)，是由于磷脫氧銅具有良好的熱傳導(dǎo)性能，且塑性好、易加 工和易焊接。目前，在空調(diào)用制冷劑市場，發(fā)展中國家大都采用HCFC (氫氯氟烴)系氟利昂，以 該系列的R22為例，管道工作壓力最大為1. 5MPa, R22對地球大氣臭氧層的破壞系數(shù)較大。 而歐美、日本等一些發(fā)達(dá)國家已開始全面使用對地球臭氧層破壞系數(shù)較小的HFC系氟利 昂，如R410A，管道工作壓力最大2. 25MPa。此外在一些熱泵熱水器、大型超市的冷柜機(jī)以及 一些汽車空調(diào)領(lǐng)域已開始應(yīng)用純天然的更加環(huán)保的(X)2做制冷劑，管道工作壓力最大達(dá)到 9 12MPa。也就是說，未來做為制冷空調(diào)用的銅合金管包括熱交換器用管、連接管以及各 種銅合金管必須具有耐高壓的能力，現(xiàn)有的磷脫氧銅合金管通過增加壁厚或許可以滿足要 求，但外徑不變的情況下，壁厚增加將會使銅合金管的流通面積減小，制冷劑的單位流量也 就減少，從而影響熱交換能力。如果使銅合金管壁厚增加，勢必使銅合金管的單重增加，若 每臺空調(diào)所用的銅合金管長度不變，將會使空調(diào)的制造成本增加。因此這要求制冷用銅合 金管具有較高的強(qiáng)度和耐高壓的性能。另外，在制作空調(diào)熱交換器的過程中，制冷用銅合金管還要進(jìn)行彎管、脹管和擴(kuò)口 三道加工過程，而且制冷用銅合金管制作的發(fā)卡管經(jīng)過擴(kuò)口后要與小U型彎頭焊接，焊接 溫度750 850°C，加熱后，局部晶粒長大，強(qiáng)度降低，客觀上增加了從焊接處開裂的幾率。 因此這些又要求制冷用銅合金管具有較好的加工性能和耐熱性能。綜上所述，現(xiàn)實中迫切需要一種銅合金，可以制備具有更薄的壁厚、更高的強(qiáng)度、 更良好的耐熱性能和加工性能的銅合金管。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種銅合金及其制備的銅合金管，所述銅 合金管在退火狀態(tài)下抗拉強(qiáng)度明顯提高，在增加銅合金管耐壓能力的同時，不因屈服(極 限)強(qiáng)度σ ^ 2的提高而影響銅合金管的彎管、脹管、擴(kuò)口以及焊接等性能，另外該銅合金管 還具有優(yōu)良的耐熱性能及耐腐蝕性能。本發(fā)明主要是利用固溶強(qiáng)化原理，以銅為基體，選擇添加適當(dāng)?shù)奈⒘拷饘僭兀_(dá) 到改善制冷用銅管性能的目的，以期滿足空調(diào)與制冷行業(yè)對制冷用銅管的新要求。本發(fā)明的一種新型銅合金及銅合金管，其主要成分有如下組成Sn :0. 15 0. 95 質(zhì)量％，P :0. 01 0. 060質(zhì)量％，B :0. 001 0. 01質(zhì)量％，余量有銅和其它雜質(zhì)組成，雜質(zhì) 含量小于0.06質(zhì)量％。經(jīng)過退火處理的銅合金管，其縱向抗拉強(qiáng)度ob> 250N/mm2，徑向平均晶?！?.035mm，設(shè)縱向拉伸試驗的屈服(極限)強(qiáng)度0(1.2，屈強(qiáng)比σ Q.2/σ b彡0. 27。 相對于磷脫氧銅制做的銅合金管，抗拉強(qiáng)度提高，晶粒細(xì)化，屈服(極限)強(qiáng)度無明顯變化， 耐蝕性及耐熱性良好。本發(fā)明的一種新型銅合金及銅合金管中，還可以含有綜合稀土元素，0.001 0. 05質(zhì)量％。此外還可以因為一些不可避免的原因而含有狗、Co、Ni、Mn、Mg、&、Cr等元素，且 總計含量< 0. 06質(zhì)量％。本發(fā)明的一種新型銅合金管供貨狀態(tài)可以是1/2H (半硬態(tài))，也可以是軟態(tài)M或 輕軟態(tài)M2，1/2H(半硬態(tài))狀態(tài)下銅合金管的縱向抗拉強(qiáng)度> ^ON/mm2，軟態(tài)M或輕軟態(tài)禮 狀態(tài)下縱向抗拉強(qiáng)度250 ^ON/mm2之間，且不論何種狀態(tài)(H、1/2H、M、M2)下，銅合金管 徑向平均晶粒0. 010 0. 030mm。在750 850°C的焊接溫度下，加熱時間不超過1分鐘后 冷卻至常溫，徑向平均晶粒彡0. 12mm。本發(fā)明的一種新型銅合金及銅合金管相對于磷脫氧銅管，不因成分的變化降低耐 腐蝕性能，尤其耐點蝕性能。本發(fā)明的一種新型銅合金管可以是光面銅管、內(nèi)螺紋銅管，還可以是制做中央空 調(diào)的外翅片管。由上可以看出，發(fā)明人通過銅合金管成分的配比調(diào)整以及耐蝕性、熱傳導(dǎo)、耐熱等各種試驗，并且 對銅合金管的加工性能也進(jìn)行了驗證后，認(rèn)為在純銅溶液里添加Sn、P、B元素，并將質(zhì)量％ 控制在一定的范圍之內(nèi)，同時嚴(yán)格控制其它雜質(zhì)元素的含量，可以提高銅合金管退火狀態(tài) 下縱向抗拉強(qiáng)度到250N/mm2以上，細(xì)化銅合金管的晶粒組織，提高其耐熱能力，并且不對銅 合金管的耐蝕性能造成影響。前面所述磷脫氧銅合金管優(yōu)點眾多，成為制冷空調(diào)用銅管的最佳選擇。但隨著國 際上對環(huán)保的要求越來越高以及新型制冷劑對銅合金管高耐壓能力的需求，具有高抗拉強(qiáng) 度的銅合金管的優(yōu)越性就得以體現(xiàn)?，F(xiàn)有的磷脫氧銅合金管退火狀態(tài)下的屈服(極限) 強(qiáng)度0。2與縱向抗拉強(qiáng)度Ob的比值(屈強(qiáng)比0q.2/Ob)在一個范圍內(nèi)，即0.27彡O0 2/ ob^0. 30, Sn以及B元素的添加將會使退火狀態(tài)下銅合金管的縱向抗拉強(qiáng)度提高，通過調(diào) 整退火工藝，屈服(極限)強(qiáng)度無明顯變化，屈強(qiáng)比OciV0b <0.27，銅合金管的加工性能 更加優(yōu)良。
具體實施例方式Sn 0. 15 0. 95質(zhì)量％。Sn元素的添加，不只使銅合金管的成分發(fā)生了改變，更 主要的是引起了銅合金管組織局部晶體點陣的畸變。當(dāng)基體原子Cu原子與溶質(zhì)原子Sn尺 寸存在差別時，局部晶體點陣畸變而引起的應(yīng)變場將產(chǎn)生與位錯交互作用的變化，最終起 到增加晶體變形抗力，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的效果。Sn元素是銅合金管縱向抗拉強(qiáng)度提高的關(guān)鍵 因素，同時σα2變化不大。相對于磷脫氧銅合金管，在退火狀態(tài)下，相同外徑相同壁厚的銅 合金管耐壓能力明顯提升；如果保證耐壓能力相同的情況下，Sn元素的添加可以銅合金管 的壁厚減薄，達(dá)到節(jié)約材料的目的，并且不對銅合金管的其它性能產(chǎn)生影響。另外Sn元素 的添加可以提高銅合金的再結(jié)晶溫度，抑制高溫焊接時晶粒的過度增大，提高銅合金管的耐熱性。若Sn含量小于0. 15質(zhì)量％，退火態(tài)銅合金管的縱向抗拉強(qiáng)度提高有限，不能應(yīng)對 新型冷媒耐高壓的需求，節(jié)材效果也不明顯。如果Sn含量大于質(zhì)量0.95%，退火態(tài)銅合金 管的縱向抗拉強(qiáng)度提高明顯，但屈服(極限)強(qiáng)度提高幅度更大，。a2/ob>0.30，銅合金 管材質(zhì)明顯偏硬，易造成彎管時外側(cè)開裂和扁管，擴(kuò)口時闊口裂現(xiàn)象較多。Sn含量優(yōu)選范圍 0. 30 0. 70 質(zhì)量 ％。P :0.01 0.06質(zhì)量％。P元素在銅合金中屬于一種脫氧劑，以P-Cu的形式加入， 能防止氧化物的產(chǎn)生，減少鑄件內(nèi)地氣孔現(xiàn)象產(chǎn)生。另外，P還能提高熔體的流動性，對銅的 力學(xué)性能尤其是焊接性能有良好的影響。若P含量小于0.01質(zhì)量％，脫氧不足，導(dǎo)致鑄件 內(nèi)缺陷增多，銅合金管拉伸過程廢料增多。如果P含量大于0. 060質(zhì)量％，導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性 明顯下降，且易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕引起的開裂現(xiàn)象。P含量的優(yōu)選范圍0. 014 0. 045質(zhì)量％。B 0. 001 0. 01質(zhì)量％。B元素是一種非常好的晶粒細(xì)化劑，輔助銅合金管抗拉 強(qiáng)度的提高，延長鑄造過程中石墨模具的使用壽命，同時可以阻止焊接過程中晶粒增長過 大，抑制焊接部位強(qiáng)度降低，減少從焊接處開裂現(xiàn)象。以B-Cu合金的形式加入，由于高溫 鑄造過程中燒損嚴(yán)重，不宜加入過早。B含量小于0.001質(zhì)量％，達(dá)不到細(xì)化晶粒的效果。 B含量大于0. 01質(zhì)量％，細(xì)晶效果與0. 01質(zhì)量％類似，銅管成本增加。B含量的優(yōu)選范圍 0. 003 0. 01 質(zhì)量 ％。稀土元素0. 001 0. 05質(zhì)量％。稀土元素在冶金工業(yè)中被稱作金屬材料的“維生 素”，在銅合金中不僅能通過凈化基體組織而起到強(qiáng)化作用，而且能降低合金的屈服強(qiáng)度， 使合金的屈強(qiáng)比減少，并且綜合稀土的添加不降低合金耐蝕性，從而起到了提高合金綜合 性能的目的。若混合稀土元素含量小于0. 001質(zhì)量％，凈化作用不明顯，如果大于0. 05質(zhì) 量％，凈化作用效果趨于相同，稀土元素不能起到細(xì)化晶粒的效果反而能惡化組織，并且稀 土金屬元素成為了合金元素，以第二相形式存在與基體中，同時此時的銅合金耐腐蝕性能 和熱傳導(dǎo)率下降。而且由于稀土元素價高，銅管成本也會相應(yīng)的增加。雜質(zhì)元素彡0.06質(zhì)量％。Fe、Co、Ni、Mn、Mg、&、Cr等元素主要由于一些不可避 免的原因帶入銅合金中，合計含量小于0. 06質(zhì)量％，不會對合金性能產(chǎn)生影響，大于0. 06 質(zhì)量％，合金表面易產(chǎn)生氧化，缺陷增多，容易使銅合金管產(chǎn)生開裂，降低成品率。縱向抗拉強(qiáng)度提高至250N/mm2以上。本發(fā)明中，Sn元素是縱向抗拉強(qiáng)度提升的主 要元素。退火狀態(tài)下，磷脫氧銅合金管的縱向抗拉強(qiáng)度205 250N/mm2，本發(fā)明的銅合金縱 向抗拉強(qiáng)度大于250N/mm2。既能適應(yīng)新型高壓冷媒的需求，又能在使用現(xiàn)有冷媒的情況下， 減小壁厚，節(jié)約材料。徑向平均晶粒0. 010 0. 030mm。Sn元素的添加也能起到細(xì)化晶粒，但真正起細(xì) 晶作用的是B元素。磷脫氧銅退火狀態(tài)下銅合金管的徑向平均晶粒0. 015 0. 040mm,而本 發(fā)明的銅合金管徑向平均晶粒為0. 010 0. 030mm，細(xì)晶作用既輔助強(qiáng)度提高，又能抑制高 溫焊接時晶粒過度長大。Sn、B元素在優(yōu)選的范圍內(nèi)，合金的徑向平均晶粒彡0.020mm。屈服(極限)強(qiáng)度σ Q2與縱向抗拉強(qiáng)度σ b的比值σ α2/ ob^0. 27?，F(xiàn)有的磷 脫氧銅合金管退火狀態(tài)下的屈服(極限)強(qiáng)度σ ^ 2與縱向抗拉強(qiáng)度Ob的比值在一個范圍 內(nèi)，即0. 27 < σ 02/ ob^0. 30，比較適宜于加工，如果大于0. 30，加工性能就會明顯下降。 本發(fā)明的銅合金管經(jīng)過大量的試驗驗證以及在客戶端的批量應(yīng)用，證明。C12/ ο b彡0. 27同 樣加工性能優(yōu)良，甚至優(yōu)于磷脫氧銅合金管。但并非ob越小越好，值越小說明銅合金管狀態(tài)偏軟，彎管時易出現(xiàn)內(nèi)測起皺現(xiàn)象，優(yōu)選范圍0. M < σ 0.2/ Ob^O. 27，事實上也不 可能出現(xiàn)σ α2/ob太小的情況。1/2Η(半硬態(tài))狀態(tài)下銅合金管的縱向抗拉強(qiáng)度彡^ON/mm2。本發(fā)明的銅合金管 在接近成品管尺寸的情況下，經(jīng)退火工藝進(jìn)行熱處理，最后再進(jìn)行一道次小變形量的拉伸 加工，狀態(tài)即為1/2H(半硬態(tài))狀態(tài)。750 850°C的焊接溫度下，加熱時間不超過1分鐘后冷卻至常溫，徑向平均晶粒 (0. 09mm?，F(xiàn)有的磷脫氧銅合金管高溫焊接部位的徑向平均晶粒> 0. 12mm，甚至更大，造 成焊接部位的強(qiáng)度明顯降低。本發(fā)明的銅合金高溫焊接部位的徑向平均晶粒< 0.09mm，在 合金成分優(yōu)選范圍內(nèi)，小于0. 08mm，提高了焊接部位的強(qiáng)度。銅合金管可以是光面銅管、內(nèi)螺紋銅管，還可以是制做中央空調(diào)的外翅片管?，F(xiàn)有 的磷脫氧銅合金管，光面銅管主要應(yīng)用于制冷空調(diào)的連接管，內(nèi)螺紋管則主要應(yīng)用于熱交 換器，外翅片管主要指一些特殊的橫截面適宜于做大型中央空調(diào)的直管。本發(fā)明的銅合金 管由于其強(qiáng)度的提高，晶粒細(xì)化，綜合機(jī)械性能明顯改善，適宜于做成包含光面銅管、內(nèi)螺 紋銅管和外翅片管各種銅合金管。不因成分的變化降低耐腐蝕性能，尤其耐點蝕性能?，F(xiàn)有的磷脫氧銅在室溫大氣、 淡水和海水中具有耐蝕性，是用于海洋環(huán)境中的最佳材料之一。一般情況下，在純銅里添加 合金元素會造成合金組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，可能引起合金局部耐蝕性能的降低，本發(fā)明的銅 合金材料Sn、B含量低，常溫下類似于磷脫氧銅的組織結(jié)構(gòu)，不對耐蝕性產(chǎn)生影響，尤其耐 點蝕性能。下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。本發(fā)明利用微合金化設(shè)計 的原理和方法，以銅為基體，在基體中添加適當(dāng)?shù)奈⒘拷饘僭匦纬晒倘荏w，到達(dá)固溶強(qiáng)化 的效果，從而提高合金的強(qiáng)度，且合金的屈強(qiáng)比。ο.2/ σ b彡0. 27，加工性能和耐熱性能更加 優(yōu)良，耐蝕性能良好。實施例1光面銅合金管本發(fā)明實施例中使用的銅合金管制備原料為電解銅板、純Sn、磷銅CuP14及B，采 用制備工藝為本領(lǐng)域中常用的電磁攪拌水平連鑄、三輥行星旋軋、聯(lián)合拉拔、圓盤拉伸、退 火等工藝。銅合金管的金屬組成為表1所示，含有Sn :0. 15 0. 95質(zhì)量％，P :0. 01 0. 06 質(zhì)量％，B :0. 001 0. 01質(zhì)量％，余量為銅及不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)含量小于0. 06質(zhì)量％， 并且徑向晶粒度為0.01 0.03mm。銅合金還可以含有混合稀土金屬0. 001 0. 05質(zhì)量％。具體操作如下將石墨片放入有芯感應(yīng)電爐爐底，然后加入電解銅板，采用低功 率加熱升溫，待銅熔化后再加入烘干后的石墨片，以不見紅為準(zhǔn)；待熔體溫度達(dá)到1100 1150°C后，并迅速加入純Sn、磷銅CuP14及B，然后繼續(xù)升溫，在1150 1200°C下保溫 30min-lh左右；待合金充分熔化后，傾倒熔化爐使熔融的銅合金液經(jīng)過密閉流槽流入到 保溫爐內(nèi)，密閉流槽內(nèi)要在傾注前3-^iin連續(xù)沖入氮氣保護(hù)，傾爐完以后關(guān)閉；待傾爐 完畢，保溫爐熔體達(dá)到設(shè)定的起牽溫度1150 1180°C后，保溫l_2h，然后由電磁攪拌水 平連鑄系統(tǒng)牽出規(guī)格為外徑為0 83mm、內(nèi)徑為0 40mm、長為13m的空心鑄坯，正常牽引保 溫溫度為1150°C。其次將銅合金空心管鑄坯進(jìn)行三輥或四輥行星旋軋，再經(jīng)聯(lián)合拉拔和圓盤拉拔制成規(guī)格為0 6X0. 5mm的光面銅管。在輥底式光亮退火爐純N2氣氛下進(jìn)行 (550-6500C ) X (30-120min)退火，消除內(nèi)應(yīng)力，使之通過冷卻帶而冷至室溫，成為供試銅 合金管。銅合金管的力學(xué)性能檢測在CMT4504型電子萬能材料拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行，其拉 伸試樣按照國標(biāo)GB228-2002《金屬材料室溫試驗方法》的規(guī)定加工成拉伸試驗試樣。利 用Axioert200MAT倒置金相顯微鏡觀察成品管的微觀組織并檢測其晶粒度，根據(jù)GB/T 17791-1999評價其機(jī)械性能及工藝性能。銅合金管性能評定結(jié)果如表2所示。銅合金化學(xué)組成成分如表1所示，發(fā)明例1 10銅合金化學(xué)組分范圍為下表1所 述，對比例11 16和現(xiàn)有例TP2含量為下表1所述的銅合金表1銅合金化學(xué)成分
權(quán)利要求
1.一種銅合金，其特征在于，所述銅合金含有Sn 0. 15 0. 95質(zhì)量％，P :0. 01 0. 060 質(zhì)量％，B 0. 001 0. 01質(zhì)量％，余量為銅及不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅合金，其特征在于，所述雜質(zhì)為元素 ^、&)、Ν 、Μη、Μβ、&、 Cr的一種或兩種以上，所述元素的總含量小于0. 06質(zhì)量％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅合金，其特征在于，所述銅合金還含有混合稀土0. 001 0. 05質(zhì)量％。
4.一種抗拉強(qiáng)度優(yōu)異的銅合金管，其特征在于，含有Sn 0. 15 0. 95質(zhì)量％，P 0.01 0. 060質(zhì)量％，B 0. 001 0.01質(zhì)量％，余量為銅及不可避免的雜質(zhì)，并且，所述 銅合金管在退火狀態(tài)下，縱向抗拉強(qiáng)度彡250N/mm2，徑向平均晶粒< 0.035mm，屈強(qiáng)比 0CiV0bi^O- 27。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的銅合金管，其特征在于，所述雜質(zhì)為元素Fe、Co、Ni、Mn、Mg、 Zr、Cr的一種或兩種以上，所述元素的總含量小于0. 06質(zhì)量％。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的銅合金管，其特征在于，所述銅合金還含有混合稀土 0. 001 0. 05 質(zhì)量 ％。
7.根據(jù)權(quán)利要求4-6中任意一項所述的銅合金管，其特征在于，所述銅合金在750 850°C的溫度下，加熱時間不超過1分鐘后冷卻至常溫，徑向平均晶粒彡0. 12mm。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種抗拉強(qiáng)度優(yōu)異的銅合金和由所述銅合金制備而成的銅合金管，其主要成分有如下組成Sn0.15～0.95質(zhì)量％，P0.01～0.060質(zhì)量％，B0.001～0.01質(zhì)量％，余量有銅和其它雜質(zhì)組成，雜質(zhì)含量小于0.06質(zhì)量％。經(jīng)過退火處理的銅合金管，其縱向抗拉強(qiáng)度σb≥250N/mm2，徑向平均晶?！?.035mm，設(shè)縱向拉伸試驗的屈服(極限)強(qiáng)度σ0.2，屈強(qiáng)比σ0.2/σb≤0.27。相對于磷脫氧銅制做的銅合金管，抗拉強(qiáng)度提高，晶粒細(xì)化，屈服強(qiáng)度無明顯變化，耐蝕性及耐熱性良好。
文檔編號F16L9/02GK102071335SQ20111003469
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者馮振國, 唐永立, 李新奎, 熊雙奎, 趙金浩, 魯長健 申請人:金龍精密銅管集團(tuán)股份有限公司