相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求于2015年3月18日提交的美國臨時專利申請第62/134,731號的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。

背景技術(shù)：

本發(fā)明涉及銅-鎳-錫-錳合金。

用于石油勘探和生產(chǎn)的銅合金必須表現(xiàn)出高沖擊韌性(例如至少20ft-lbs)。在冶金學(xué)中，術(shù)語“韌性”是指合金吸收能量并且在沒有斷裂的情況下塑性變形的能力。因此，韌性需要強(qiáng)度和延展性的平衡。合金也可能暴露于腐蝕性材料如硫化氫(h2s)和有害環(huán)境，如高軸承磨損和摩擦。硫化氫是一種無色氣體，具有類似腐爛的雞蛋的臭味。除了具有高腐蝕性之外，硫化氫比空氣重，有劇毒，易燃，易爆。此外，飛機(jī)著陸系統(tǒng)需要在起飛和著陸期間對低速度、高負(fù)載滑動軸承力具有高抵抗力。

需要開發(fā)具有高沖擊韌性、耐腐蝕性和耐軸承磨損和摩擦的新合金。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及銅-鎳-錫-錳合金。該合金表現(xiàn)出高沖擊韌性和良好的耐腐蝕、耐磨和耐摩擦性，特別的是，這些特性能通過制造變形(冷加工)得到增強(qiáng)。

在實(shí)施例中公開了一種包含銅、鎳、錫和約1.9wt％至約20wt％的錳的合金。

在一些實(shí)施例中，鎳的量為約5wt％至約25wt％，和/或錫的量為約5wt％至約10wt％。

錳的量可為約1.9wt％至約10wt％，包括約1.9wt％至約5wt％、約1.9wt％至約2wt％、和約2.0wt％至約10wt％。

其它實(shí)施例公開的是包含銅-鎳-錫-錳合金的制品。所述錳在所述合金中的量為約1.9wt％至約20wt％。

所述制品可以選自襯套、儀器殼體、連接器、扶正器、緊固件、鉆鋌、用于塑料成形的模具、焊接臂、電極和經(jīng)認(rèn)證的錠(certifiedingot)。

在一些實(shí)施例中，所述制品是帶狀、棒狀、條狀、管狀或板狀。

所述合金可以包括約5wt％至約25wt％的鎳和約5wt％至約10wt％的錫。

可選地，所述制品具有超過約5英寸的至少一個尺寸。

所述制品可以是飛機(jī)著陸系統(tǒng)或其部件。

另外的實(shí)施例公開了制備制品的方法。所述方法包括提供一種銅-鎳-錫合金；并且基于所述制品的總重量，向銅-鎳-錫合金中添加0.2-20wt％的錳。

可選地，所述方法還包括對所述制品進(jìn)行冷加工。

在一些實(shí)施例中，所述制品中所述鎳的量為約5wt％至約25wt％，和/或所述制品中所述錫的量所述制品的量為約5wt％至約10wt％。

所述錳的量為約0.2wt％至約10wt％，包括約0.2wt％至約5wt％，約0.2wt％至約2wt％，以及約0.2wt％至約1.9wt％。

下文將詳述本發(fā)明的這些和其他非限制性特征。

附圖說明

以下為附圖的簡要說明，其目的是舉例說明在本文中公開的實(shí)施例，而不是用于限制其范圍。

圖1為表示本公開的示例性方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

參考附圖可對本文公開的部件、過程和裝置有更全面的理解。這些附圖僅僅是示意性的表面，是為了使得本公開的呈現(xiàn)更方便和簡單，因此并未刻意表明其中設(shè)備或部件的相對大小和尺寸，和/或不限定或限制示例性實(shí)施例的范圍。

為了清楚起見，以下描述中使用了具體術(shù)語，但是這些術(shù)語僅用于指代圖中示例性實(shí)施例的特定結(jié)構(gòu)，并不限定或限制發(fā)明內(nèi)容。在附圖和下面的描述中，可以理解的是，相似的數(shù)字標(biāo)號指代功能相似的部件。

單數(shù)形式“一”和“所述”包括復(fù)數(shù)指示物，除非上下文另有明確規(guī)定。

本申請的說明書和權(quán)利要求書中的數(shù)值應(yīng)當(dāng)理解為包括：當(dāng)減少到相同位數(shù)的有效數(shù)字時成為相同數(shù)值的數(shù)值，以及雖然不同于上述記載的數(shù)值但是小于本申請所述用于測定數(shù)值的常規(guī)測量技術(shù)的實(shí)驗(yàn)誤差的數(shù)值。

本文公開的數(shù)值范圍包括所述端點(diǎn)并且可獨(dú)立組合(例如，“2克至10克”的范圍包括端點(diǎn)2克和10克，以及所有中間值)。本文公開的數(shù)值范圍的端點(diǎn)和任何值不限于精確的范圍或值；這些范圍和值基本上并不精確，可包括與這些范圍和/或值近似的值。

由諸如“約”和“基本上”等術(shù)語修飾的值可不限于指定的精確值。表示近似情況的語言可以對應(yīng)于用于測量該值的儀器的精度。修飾語“約”也應(yīng)被視為公開由兩個端點(diǎn)的絕對值定義的范圍。例如，“約2至約4”的表述也公開了“從2到4”的范圍。

在本文中，術(shù)語“旋節(jié)狀合金”是指其化學(xué)組成使得其能夠經(jīng)歷旋節(jié)分解的合金。術(shù)語“旋節(jié)狀合金”是指合金化學(xué)，而不是物理狀態(tài)。因此，“旋節(jié)狀合金”可能已經(jīng)經(jīng)歷或可能沒有經(jīng)歷旋節(jié)狀分解，并且可能處于或不處于旋節(jié)分解的過程中。

圖1示出了用于制造制品的示例性方法100。所述方法100包括：使銅-鎳-錫合金熔化110；基于制品120的總重量，向所述銅-鎳-錫合金中添加0.2-20wt％的錳；鑄造合金125；可選地，固溶退火130；可選地，對制品進(jìn)行冷加工140；以及可選地，熱處理制品150。

所述銅-鎳-錫合金可以是旋節(jié)狀合金。

制備一批適當(dāng)比例的銅、鎳和錫之后，熔化110其組合。所述熔化110可以在與期望的固化產(chǎn)物構(gòu)型尺寸匹配的氣燃、電感應(yīng)或電弧爐中進(jìn)行。通常，熔化溫度為至少約2057°f，過熱取決于鑄造工藝，并且在150至400°f的范圍內(nèi)。

錳的添加120可以通過在至少約2100°f，優(yōu)選在約2200至約2350°f的溫度范圍內(nèi)，將錳熔化到熔體中。

接下來，所述合金被鑄造125。合金的鑄造可以在熔融溫度穩(wěn)定之后進(jìn)行，同時通過適當(dāng)過熱，加工成連續(xù)的鑄造坯料或形狀。此外，鑄造還可以用來制備錠、半成品、近凈部件、噴丸、預(yù)合金粉末或其它離散形式。

在一些實(shí)施例中，在所述熔化110、添加120和/或固溶退火130期間加入一些鎂，以降低合金的氧含量。形成的氧化鎂可以從合金塊中除去。

還可以通過加工硬化(例如，冷加工140)和/或旋節(jié)時效處理來改善強(qiáng)度。這些特征提高了整體的強(qiáng)度-延展性，同時改進(jìn)了其它性能，如強(qiáng)度-沖擊韌性、耐腐蝕性和軸承質(zhì)量。

冷加工是通過塑性變形來強(qiáng)化金屬。通常在低于其再結(jié)晶溫度的溫度下擠壓、彎曲、拉伸或剪切所述金屬可實(shí)現(xiàn)所述效果。例如，所述合金可被錘擊、拉伸和以其他方式形成。這一冷加工過程可增加由所述合金形成的所述制品的硬度、屈服強(qiáng)度和/或拉伸強(qiáng)度。

旋節(jié)時效/分解的機(jī)理是多個組分分離成具有不同化學(xué)組成和物理性質(zhì)的不同區(qū)域或微結(jié)構(gòu)。特別是在相圖的中心區(qū)域具有體相組成的晶體經(jīng)歷的出溶過程。在本發(fā)明的所述合金的表面處的旋節(jié)線分解導(dǎo)致表面硬化。

熱處理的旋節(jié)線結(jié)構(gòu)保持原始幾何形狀，并且由于原子尺寸相似，所述制品在熱處理期間不變形。

所述銅-鎳-錫合金可以是旋節(jié)狀合金。在大多數(shù)情況下，旋節(jié)狀合金在它們的相圖中表現(xiàn)出異常，稱為混溶性間隙。在所述混溶性間隙的相對較窄的溫度范圍內(nèi)，原子排列發(fā)生在現(xiàn)有的晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)。所得到的兩相結(jié)構(gòu)在明顯低于所述間隙的溫度下是穩(wěn)定的。

銅-鎳-錫旋節(jié)狀合金在海水和酸性環(huán)境中表現(xiàn)出諸如高強(qiáng)度、優(yōu)異的摩擦學(xué)特性以及高耐腐蝕性等有益特性。母材金屬的屈服強(qiáng)度的增加可能由所述銅-鎳-錫合金中的旋節(jié)線分解引起。

與常規(guī)的高性能亞鐵、鎳和鈦合金相比，銅合金具有非常高的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性。傳統(tǒng)的銅合金很少用于對硬度要求較高的應(yīng)用中。然而，銅-鎳-錫旋節(jié)狀合金在硬化鑄造和鍛造條件下均具有高硬度和高導(dǎo)電性。

可以使用惰性氣體(例如，包括氬和/或二氧化碳/一氧化碳)和/或使用保護(hù)性蓋(例如蛭石、氧化鋁和/或石墨)來保持中性或還原條件以保護(hù)可氧化的元素。

可以在初始熔化之后加入活性金屬，如鎂、鈣、鈹和/或鎢，以確保低濃度的溶解氧。

通過適當(dāng)?shù)倪^熱而熔融溫度穩(wěn)定化之后，通過鑄造而形成連續(xù)鑄造的坯料、零件或噴丸。

可選地，在約1350至約1625°f的溫度下，進(jìn)行約1至約12小時的固溶退火130。

冷加工140是指低于再結(jié)晶溫度下使金屬機(jī)械變形。當(dāng)變形量增加時，所述金屬變得更難變形。換句話說，材料是加工硬化的或應(yīng)變硬化的。此步驟是可選的。

任選地，可以通過熱處理150進(jìn)一步強(qiáng)化所述金屬。在一些實(shí)施例中，所述熱處理包括在約600至約950°f的溫度范圍內(nèi)再加熱約1至約8小時以進(jìn)行硬化。

所述鎳的量可為約5wt％至約25wt％，包括約10wt％至約20wt％和約15wt％。在更具體的實(shí)施例中，所述鎳的量可為約8wt％至約16wt％，約14wt％至約16wt％，約8wt％至約10wt％，或約10wt％至約12wt％。

所述錫的量可為約5wt至約10wt％，包括約6wt％至約9wt％和約7wt％至約8wt％。在更具體的實(shí)施例中，所述錫的量可為約5wt％至約9wt％，或約7wt％至約9wt％，或約5wt％至約7wt％。

所述錳的量可以至少為約0.2wt％，包括至少約0.5wt％，至少約1wt％和至少約1.5wt％。在更具體的實(shí)施例中，所述錳的量可為至少4wt％，至少5wt％，約4wt％至約12wt％，約5wt％至約21wt％，約16wt％至約21wt％，或約19wt％至約21wt％。在一些實(shí)施例中，所述錳的量至多10wt％，包括至多5wt％，至多3wt％，至多2wt％，至多1.9wt％，至多1.8wt％，至多1.7wt％，至多1.6wt％，以及至多1.5wt％。

在一些具體實(shí)施例中，所述銅-鎳-錫-錳合金含有約7wt％至約9wt％的鎳和約5wt％至約7wt％的錫。這些實(shí)施例還將含有約0.2wt％至約21wt％的錳，余量為銅?？商貏e預(yù)期的是這些實(shí)施例可以含有約5wt％至約21wt％，約16wt％至約21wt％，或約19wt％至約21wt％的錳，余量為銅。

在其它具體實(shí)施例中，所述銅-鎳-錫-錳合金含有約14wt％至約16wt％的鎳和約7wt％至約9wt％的錫。這些實(shí)施例還將含有約0.21wt％至約21wt％的錳，余量為銅?？商貏e預(yù)期的是這些實(shí)施例可以含有約5wt％至約21wt％，約16wt％至約21wt％，或約19wt％至約21wt％的錳，余量為銅。

所述合金還可以包括一種或多種其它金屬，例如鈹、鉻、硅、鉬、鐵和鋅。

在一些實(shí)施例中，所述銅合金含有約1wt％至約5wt％的鈹。

所述銅合金可以含有約0.7wt％至約6wt％的鈷。

在具體實(shí)施例中，所述合金包括約2wt％的鈹和約0.3wt％的鈷。

在其它實(shí)施例中，所述合金可含有約5wt％至約7wt％的鈹。

所述鉻在所述合金中的量為小于約5wt％，包括約0.5wt％至約2.0wt％和約0.6wt％至約1.2wt％。

所述制品可以是條狀、棒狀、帶狀、管狀或板狀。

在一些實(shí)施例中，所述制品是襯套、儀器殼體、連接器、扶正器、緊固件、鉆鋌、用于塑料成形的模具、焊接臂、電極、鑄造部件(castcomponent)或經(jīng)認(rèn)證的錠。所述制品可以是飛機(jī)著陸系統(tǒng)或其部件。

應(yīng)當(dāng)理解的是，上述公開內(nèi)容和其它特征以及功能的變體或其替代方案可以組合到許多其它不同的系統(tǒng)或應(yīng)用中。本領(lǐng)域技術(shù)人員后面可以進(jìn)行各種目前無法預(yù)測的或意料之外的替代方案、修改、變化或改進(jìn)，這些方案仍由所附權(quán)利要求涵蓋。