ЛЕГКООБРАБАТЫВАЕМЫЙ РЕЗАНИЕМ МЕДНЫЙ СПЛАВ, СОДЕРЖАЩИЙ ОЧЕНЬ МАЛО СВИНЦА
EASY-TO-CUT COPPER ALLOY WITH EXCEEDINGLY LOW CONTENTS OF LEAD

Перекрестная ссылка на родственные заявки
[0001] Это описание относится к заявке на патент США с порядковым №09/983029, поданной 27 октября 1999 г., полное описание которой включено сюда посредством ссылки, которая, в свою очередь, является частичным продолжением заявки на патент США с порядковым №09/403834, поданной 27 октября 1999 г., полное описание которой включено сюда посредством ссылки, причем эта заявка испрашивает приоритет по японской заявке №10-287921, поданной 9 октября 1998 г., полное описание которой включено сюда посредством ссылки. Эта заявка дополнительно является родственной заявке на патент США с порядковым №09/987173, поданной 13 ноября 2001 г., в настоящее время патент США 6413330, полное описание которого включено посредством ссылки, причем эта заявка является частичным продолжением заявки на патент США с порядковым №09/555881, поданной 8 июня 2000 г., полное описание которой включено сюда посредством ссылки, причем эта заявка испрашивает приоритет по японской заявке №10-288590, поданной 12 октября 1998 г., полное описание которой включено сюда посредством ссылки.
Уровень техники
1. Область техники, к которой относится изобретение
[0002] Настоящее изобретение относится к легкообрабатываемым резанием («автоматным») медным сплавам, таким как используемые во всех отраслях промышленности, но особенно к сплавам, используемым в области снабжения питьевой водой для потребления человеком.
2. Предшествующий уровень техники
[0003] К числу медных сплавов с хорошей обрабатываемостью относятся бронзы, такие как имеющие обозначение JIS H5111 BC6, и латуни, такие как имеющие обозначения JIS H3250-C3604 и C3771. Обрабатываемость этих сплавов повышена посредством добавления от 1,0 до 6,0 процента по массе свинца, так что они дают промышленно удовлетворительные результаты в качестве легкообрабатываемых медных сплавов. В связи с их превосходной обрабатываемостью, эти свинецсодержащие медные сплавы стали важными основными материалами для разнообразных изделий, таких как водопроводные краны, металлическая арматура для подачи/слива воды и вентили.
[0004] В этих традиционных легкообрабатываемых резанием медных сплавах, свинец не образует твердый раствор в матрице, а диспергируется в зернистой форме, тем самым улучшая обрабатываемость этих сплавов. Чтобы получить желаемые результаты, свинец до настоящего времени должен был добавляться в количестве 2,0 или более процента по массе. Если добавление свинца в таких сплавах составляет менее 1,0 процента по массе, стружки будут иметь спиральную форму, такую как показанная на фиг.1G. Спиральные стружки вызывают различные затруднения, такие как, например, запутывание в режущем инструменте. Если, с другой стороны, содержание свинца составляет 1,0 или более процента по массе и не более 2,0 процентов по массе, поверхность резания будет шероховатой, хотя это даст некоторые результаты, такие как уменьшение сопротивления резанию. Поэтому обычно свинец добавляется до уровня не менее 2,0 процента по массе. Некоторые раскатанные медные сплавы, в которых требуется высокая степень способности к резанию, смешиваются с приблизительно 3,0 или более процентами по массе свинца. Далее, некоторые бронзовые отливки имеют такое содержание свинца, как приблизительно 5,0 процентов по массе. Сплав, имеющий обозначение JIS H 5111 BC6, например, содержит приблизительно 5,0 процентов по массе свинца.
[0005] В сплавах, содержащих несколько процентов свинца, тонкодисперсные частицы свинца диспергированы в структуре металла. Во время процесса резания напряжение может концентрироваться на этих тонкодисперсных, мягких частицах свинца. Следовательно, стружки, произведенные при резании, являются меньшими, и более низкой является сила резания. Частицы свинца действуют в этих обстоятельствах как стружколом.
[0006] Между тем, когда к сплавам Cu-Zn добавляется от 2,0 до 4,5% Si при данном диапазоне состава и режиме производства, в структуре металла появляется одна или более богатых Si κ-, γ-, µ- или β-фаз помимо альфа-фазы. Из этих фаз, κ, γ и µ являются твердыми и имеют свойства, полностью отличные от Pb. Однако при резании напряжение концентрируется в области, где присутствуют эти три фазы, так что эти фазы также действуют как стружколомы, тем самым понижая требуемую силу резания. Это означает, что, хотя Pb и κ-, γ- и µ-фазы, образующиеся в сплаве Cu-Zn-Si, имеют немного общего или вообще не имеют ничего общего в их свойствах и/или характеристиках, все они ломают стружки и в результате понижают требуемую силу резания.
[0007] И все-таки улучшенная обрабатываемость сплавов Cu-Zn-Si, имеющих κ-, γ- и µ-фазы, недостаточно удовлетворительна в некоторых отношениях по сравнению с C83600 (свинцовая латунь с низким содержанием цинка), C36000 (автоматная латунь) и C37700 (ковочная латунь), которые содержат соответственно 5%, 3% и 2% свинца по массе.
[0008] Применение смешанных со свинцом сплавов было в последние годы сильно ограничено, потому что содержащийся в них свинец вреден для людей как загрязнитель окружающей среды. То есть, свинецсодержащие сплавы ставят под угрозу здоровье человека и гигиену окружающей среды, поскольку свинец переходит в металлический пар, который образуется на стадиях обработки таких сплавов при высоких температурах, таких как плавление и литье. Имеется также опасность, что свинец, содержащийся в металлической арматуре водопровода, вентилях и так далее, изготовленных из таких сплавов, будет растворяться в питьевой воде.
[0009] По этим причинам Соединенные Штаты и другие развитые страны двигались в последние годы в направлении ужесточения стандартов по свинецсодержащим медным сплавам, резко ограничив допустимый уровень свинца в медных сплавах. В Японии также использование свинецсодержащих сплавов все более и более ограничивалось, и имелась все возрастающая потребность в развитии легкообрабатываемых резанием медных сплавов с низким содержанием свинца. Не приходится говорить, что желательно понизить содержание свинца настолько, насколько это возможно.
[0010] Недавние разработки понизили содержание свинца в легкообрабатываемых резанием медных сплавах до столь низкого уровня, как 0,02%, например, как описано в US 2002-0159912 A1 (публикация заявки на патент США №10/287921). Однако, ввиду сильного беспокойства общества относительно содержания свинца, желательно уменьшить содержание свинца еще больше. Хотя бессвинцовые сплавы известны в данной области техники, например, как описано в патенте США №6413330, автор настоящего изобретения обнаружил, что при наличии небольших количеств свинца в сплаве имеют место определенные преимущества.
Сущность изобретения
[0011] Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать легкообрабатываемый резанием медный сплав, который содержит чрезвычайно небольшое количество (т.е. от 0,005 процента и вплоть до, но менее чем 0,02 процента по массе) свинца в качестве улучшающего обрабатываемость элемента. Цель состоит также в том, чтобы создать сплав, который является превосходным по обрабатываемости, но все же может быть использован в качестве безопасного заменителя традиционных легкорежущихся медных сплавов, которые имеют относительно большое содержание свинца. Цель состоит также в том, чтобы создать сплав, который не представляет никаких гигиенических проблем для окружающей среды, в то же время позволяя рециркулировать стружку, таким образом обеспечивая своевременный ответ на возрастающую потребность в ограничении свинецсодержащих продуктов. Настоящее изобретение достигает этих результатов в определенных предпочтительных вариантах воплощения посредством выявления и использования преимуществ синергетического действия объединения κ-, γ- и µ-фаз с небольшими количествами Pb на обрабатываемость сплава.
[0012] Другая цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать легкообрабатываемый резанием медный сплав, который имеет высокую коррозионную стойкость в сочетании с превосходной обрабатываемостью и подходит в качестве основного материала для обрабатываемых резанием деталей, поковок, отливок и прочего, таким образом имея очень высокую практическую значимость. Обрабатываемые резанием детали, поковки, отливки и так далее, в которых может быть использован предложенный сплав, включают в себя водопроводные краны, металлическую арматуру для подачи/слива воды, водомеры, разбрызгиватели, соединения, запорные вентили для воды, вентили, стержни, трубопроводную арматуру для горячего водоснабжения, детали для центровой обработки и детали теплообменника.
[0013] Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать легкообрабатываемый резанием медный сплав с высокой прочностью и износостойкостью в сочетании со свойством высокой способности к резанию, который подходит в качестве основного материала для производства обрабатываемых резанием деталей, поковок, отливок и других применений, требующих высокой прочности и износостойкости, таких как, например, подшипники, болты, гайки, вкладыши, шестерни, детали швейных машин, цилиндрические детали, седла клапанов, кольца синхронизатора, скользящие детали и части гидравлических систем, и который поэтому имеет большую практическую ценность.
[0014] Дальнейшая цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать легкообрабатываемый резанием медный сплав с превосходным сопротивлением окислению при высоких температурах в сочетании со свойством высокой способности к резанию, который является подходящим в качестве основного материала для производства обрабатываемых резанием деталей, поковок, отливок и других применений, где является существенным сопротивление высокотемпературному окислению, например, форсунки для керосина и газовые нагреватели, головки горелок и газовые сопла для распределителей горячей воды, и который поэтому имеет большую практическую ценность.
[0015] Дальнейшая цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать легкообрабатываемый резанием медный сплав с превосходной обрабатываемостью и высокой ударопрочностью, который является подходящим в качестве основного материала для производства изделий, которые должны быть изготовлены из ударопрочного материала, потому что они подвергаются процессу уплотнения соединения после процесса резания, такие как соединители труб, называемые «ниппелями», соединители кабелей, арматура (фитинги), зажимы, металлические шарниры для фурнитуры, части автомобильных датчиков и т.п.
[0016] Одна или более из вышеупомянутых целей настоящих изобретений достигается посредством предложения следующих медных сплавов.
ПЕРВЫЙ СПЛАВ ПО ИЗОБРЕТЕНИЮ
[0017] Легкообрабатываемый резанием медный сплав с характеристикой превосходной способности к резанию, который состоит из от 71,5 до 78,5 процентов по массе меди, от 2,0 до 4,5 процентов по массе кремния, от 0,005 процента вплоть до, но менее чем 0,02 процента по массе свинца, и остального процентного содержания по массе цинка, причем проценты по массе меди и кремния в этом медном сплаве удовлетворяют соотношению 61-50Pb≤X-4Y≤66+50Pb, в котором Pb представляет собой процент по массе свинца, X представляет собой процент по массе меди, и Y представляет собой процент по массе кремния. С целью упрощения этот медный сплав будет в дальнейшем называться «первым сплавом по изобретению».
[0018] Свинец не образует твердого раствора в матрице, но вместо этого диспергируется в зернистой форме, в виде частиц свинца, улучшая обрабатываемость. Даже небольшие количества частиц свинца в медном сплаве улучшают обрабатываемость. С другой стороны, кремний улучшает свойство высокой способности к резанию, образуя гамма-фазу и/или каппа-фазу (в некоторых случаях мю-фазу) в структуре металла. Кремний и свинец являются одинаковыми в том, что они эффективны в улучшении обрабатываемости, хотя они совершенно различны по их вкладу в другие свойства сплава. На основе выявления этого факта, кремний добавляется к первому сплаву по изобретению так, чтобы придать высокий уровень обрабатываемости, соответствующий требованиям промышленности, в то же время делая возможным значительное понижение содержания свинца в сплаве, тем самым устраняя опасность токсичности свинца для людей. То есть обрабатываемость первого сплава по изобретению улучшается посредством образования гамма-фазы и каппа-фазы при добавлении кремния. Таким образом, первый сплав по изобретению имеет промышленно удовлетворительную обрабатываемость, что означает, что сплав по изобретению при резании с высокой скоростью в сухом состоянии имеет обрабатываемость, эквивалентную обрабатываемости традиционных легкообрабатываемых резанием медных сплавов. Другими словами, первый сплав по изобретению имеет улучшенную обрабатываемость за счет образования гамма-, каппа- и мю-фаз из-за добавления кремния, а также улучшенную обрабатываемость из-за добавления очень малых количеств свинца (то есть содержание свинца от примерно 0,005 процента по массе вплоть до, но менее чем 0,02 процента по массе).
[0019] При добавлении менее чем 2,0 процента по массе кремния металлический сплав не может образовать гамма-фазу или каппа-фазу в достаточном количестве для того, чтобы гарантировать промышленно удовлетворительную обрабатываемость. С увеличением добавления кремния обрабатываемость улучшается. Но при добавлении более 4,5 процентов по массе кремния обрабатываемость не будет повышаться пропорционально. Проблема, однако, заключается в том, что кремний имеет высокую точку плавления и низкий удельный вес, а также склонен к окислению. Если несмешанный кремний подается в печь на стадии плавления, кремний будет плавать поверх расплавленного металла и окисляться до оксидов кремния (то есть диоксида кремния), тем самым затрудняя производство кремнийсодержащего медного сплава. Поэтому при производстве слитка кремнийсодержащего медного сплава кремний обычно добавляют в форме сплава Cu-Si, что повышает себестоимость производства. По мере того, как количество кремния становится чрезмерным, доля образовавшихся гамма/каппа-фаз в общей площади структуры металла становится слишком большой. Наличие этих фаз в чрезмерном количестве препятствует их работе в качестве областей концентрации напряжений и делает сплав более твердым, чем необходимо. Поэтому нежелательно добавлять кремний в количестве, превышающем точку насыщения или плато улучшения обрабатываемости, то есть 4,5 процента по массе. Эксперимент показал, что, когда кремний добавляется в количестве от 2,0 до 4,5 процентов по массе, желательно поддерживать содержание меди на уровне примерно от 71,5 до 78,5 процентов по массе с учетом его отношения к содержанию цинка для того, чтобы сохранить присущие ему свойства сплава Cu-Zn. По этой причине первый сплав по изобретению составлен из от 71,5 до 78,5 процентов по массе меди и от 2,0 до 4,5 процентов по массе кремния соответственно. Добавление кремния улучшает не только обрабатываемость, но также и характеристики течения расплавленного металла в отношении (a) литья, (b) прочности, (c) износостойкости, (d) сопротивления коррозионному растрескиванию под напряжением и (e) сопротивления высокотемпературному окислению при высоких температурах. Однако эти характеристики не проявляются, если процент по массе меди и кремния в первом сплаве по изобретению не удовлетворяет соотношению 61-50Pb≤X-4Y≤66+50Pb, в котором X представляет собой процент по массе меди, а Y представляет собой процент по массе кремния, и Pb представляет собой процент по массе свинца. Также будут в некоторой степени улучшены пластичность и стойкость к коррозии обесцинкованием.
[0020] Добавление свинца в первый сплав по изобретению устанавливается по этой причине на уровне от 0,005 процента вплоть до, но менее чем 0,02 процента по массе. В первом сплаве по изобретению достаточный уровень обрабатываемости получается посредством добавления кремния, которое имеет вышеупомянутое действие по «наводке» гамма-фазы и/или каппа-фазы, даже если добавление свинца понижено. Все же, свинец должен быть добавлен к сплаву Cu-Zn в количестве не менее чем 0,005 процента по массе, если этот сплав должен превосходить традиционный легкообрабатываемый резанием медный сплав по обрабатываемости. С другой стороны, добавление относительно больших количеств свинца оказывало бы неблагоприятное воздействие на свойства сплава, приводя в результате к состоянию шероховатой поверхности, плохой способности подвергаться обработке давлением в горячем состоянии, такой как плохое поведение при ковке, и низкой пластичности в холодном состоянии. При этом ожидается, что столь небольшое содержание свинца в менее чем 0,02 процента по массе сможет соответствовать постановлениям правительства в отношении свинца, однако именно они должны быть предусмотрены в будущем в развитых странах, включая Японию. По этой причине диапазон добавляемого к сплаву свинца установлен на уровне от 0,005 процента вплоть до, но менее чем 0,02 процента по массе в первом, а также втором и третьем сплавах по изобретению, которые будут описаны позже. Все модификации первого, второго и третьего сплавов по изобретению включают этот низкий диапазон содержания свинца в соответствии с настоящим изобретением.
ВТОРОЙ СПЛАВ ПО ИЗОБРЕТЕНИЮ
[0021] Другим вариантом воплощения настоящего изобретения является легкообрабатываемый резанием медный сплав, также с характеристикой превосходной способности к резанию, который состоит из от 71,5 до 78,5 процентов по массе меди; от 2,0 до 4,5 процента по массе кремния; от 0,005 процента вплоть до, но менее чем 0,02 процента по массе свинца; по меньшей мере одного элемента, выбранного из от 0,01 до 0,2 процента по массе фосфора, от 0,02 до 0,2 процента по массе сурьмы, от 0,02 до 0,2 процента по массе мышьяка, от 0,1 до 1,2 процента по массе олова и от 0,1 до 2,0 процента по массе алюминия; и остального процентного содержания по массе цинка, при этом проценты по массе меди, кремния и другого(их) выбранного(ых) элемента(ов), (то есть фосфора, сурьмы, мышьяка, олова, алюминия) в медном сплаве удовлетворяют соотношению 61-50Pb≤X-4Y+aZ≤66+50Pb, в котором Pb представляет собой процент по массе свинца, X представляет собой процент по массе меди, Y представляет собой процент по массе кремния, и Z представляет собой процент по массе выбранного элемента из фосфора, сурьмы, мышьяка, олова и алюминия, и а представляет собой коэффициент выбранного элемента, причем а равно -3, когда выбранный элемент представляет собой фосфор, а равно 0, когда выбранный элемент представляет собой сурьму, а равно 0, когда выбранный элемент представляет собой мышьяк, а равно -1, когда выбранный элемент представляет собой олово, и а равно -2, когда выбранный элемент представляет собой алюминий. Этот второй медный сплав будет в дальнейшем называться «вторым сплавом по изобретению». Второй сплав по изобретению представляет собой легкообрабатываемый резанием сплав, имеющий превосходную стойкость к коррозии обесцинкованием, эрозии и так далее, а также имеющий дополнительно улучшенную обрабатываемость.
[0022] Алюминий является эффективным при облегчении образования гамма-фазы и действует подобно кремнию. То есть, если алюминий добавлен, гамма-фаза будет образована, и эта гамма-фаза улучшает обрабатываемость сплава Cu-Si-Zn. Алюминий также является эффективным в улучшении прочности, износостойкости и сопротивления окислению при высоких температурах, а также обрабатываемости сплава Cu-Si-Zn. Алюминий также помогает поддерживать низким удельный вес. Если обрабатываемость вообще должна быть улучшена посредством этого элемента, алюминий должен быть добавлен в количестве по меньшей мере 0,1 процента по массе. Но добавление более 2,0 процентов по массе не дает пропорциональных результатов. Вместо этого, добавление большего количества алюминия свыше 2,0 процентов по массе понижает пластичность металлического сплава, поскольку при таком добавлении гамма-фаза будет образована в избыточном количестве, не внося дополнительного вклада в обрабатываемость.
[0023] Что касается фосфора, то он не имеет свойства образовывать гамма-фазу, как алюминий. Но фосфор служит равномерному диспергированию и распределению гамма-фазы, образованной в результате добавления кремния, либо в отдельности, либо в сочетании с алюминием. Таким образом, улучшение обрабатываемости, достигаемое посредством образования гамма-фазы, дополнительно повышается посредством способности фосфора равномерно диспергировать и распределять гамма-фазу в металлическом сплаве. В дополнение к диспергированию гамма-фазы, фосфор помогает измельчить кристаллические зерна в альфа-фазе матрицы, тем самым улучшая способность подвергаться обработке давлением в горячем состоянии, а также прочность и сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением. Кроме того, фосфор существенно увеличивает течение расплавленного металла при литье, так же как и сопротивление обесцинкованию. Чтобы получить такие результаты, фосфор должен добавляться в количестве не менее 0,01 процента по массе. Но если добавление фосфора превышает 0,20 процентов по массе, никакое пропорциональное воздействие не будет получено. Вместо этого, произойдет понижение свойств горячей ковки и экструдируемости медного металлического сплава.
[0024] Второй сплав по изобретению имеет, в дополнение к первому сплаву по изобретению, по меньшей мере один элемент, выбранный из от 0,01 до 0,2 процента по массе фосфора, от 0,02 до 0,2 процента по массе сурьмы, от 0,02 до 0,2 процента по массе мышьяка, от 0,1 до 1,2 процента по массе олова и от 0,1 до 2,0 процента по массе алюминия. Как описано выше, фосфор диспергирует гамма-фазу равномерно, и в то же самое время измельчает кристаллические зерна в альфа-фазе матрицы, тем самым улучшая обрабатываемость, а также свойства коррозионной стойкости (то есть стойкости к коррозии обесцинкованием), ковкость, сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением и свойства механической прочности сплава. Второй сплав по изобретению, таким образом, является улучшенным по коррозионной стойкости и другим свойствам за счет действия фосфора, а по обрабатываемости - главным образом за счет добавления кремния. Добавление фосфора в очень небольшом количестве, то есть 0,01 или более процента по массе, могло бы дать выгодные результаты. Но добавление более 0,20 процента по массе не столь эффективно, как можно было надеяться по количеству добавленного фосфора. Напротив, добавление более 0,20 процента по массе фосфора уменьшило бы ковкость в горячем состоянии и экструдируемость. Между тем, мышьяк или сурьма улучшают стойкость к обесцинкованию даже при небольшом добавлении в 0,02 или более процента по массе, что может давать выгодные результаты.
[0025] Олово ускоряет образование гамма-фазы и, в то же самое время, служит диспергированию и более равномерному распределению гамма- и/или каппа-фаз, образованных в альфа-матрице. Таким образом, олово дополнительно улучшает обрабатываемость металлических сплавов Cu-Zn-Si. Олово также улучшает коррозионную стойкость, особенно против эрозионной коррозии и коррозии обесцинкованием. Для того чтобы достичь таких позитивных воздействий против коррозии, должно быть добавлено более 0,1% по массе олова. С другой стороны, если добавление олова превышает 1,2% по массе, то избыточное олово понижает пластичность и величину ударной вязкости сплава по изобретению, так что при литье легко возникают трещины. Таким образом, для того чтобы гарантировать положительные воздействия добавленного олова, при этом избегая снижения пластичности и величины ударной вязкости, добавление олова в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно составляет от 0,2 до 0,8% по массе.
[0026] Эти наблюдения показывают, что второй сплав по изобретению является улучшенным по обрабатываемости, а также коррозионной стойкости и другим свойствам за счет добавления по меньшей мере одного элемента, выбранного из фосфора, сурьмы, мышьяка (которые улучшают коррозионную стойкость), олова и алюминия в количествах, находящихся в вышеупомянутых пределах, в дополнение к тем же самым количествам меди и кремния, как и в первом медном сплаве по изобретению. Во втором сплаве по изобретению добавление меди и кремния устанавливается на уровне от 71,5 до 78,5 процентов по массе и от 2,0 до 4,5 процентов по массе соответственно, - на том же самом уровне, что и в первом сплаве по изобретению, в который не вводится никакая другая улучшающая обрабатываемость добавка, помимо кремния и небольшого количества свинца, потому что фосфор действует, главным образом, как улучшающая коррозионную стойкость добавка, подобно сурьме и мышьяку.
ТРЕТИЙ СПЛАВ ПО ИЗОБРЕТЕНИЮ
[0027] Легкообрабатываемый резанием медный сплав также с характеристикой превосходной способности к резанию и с характеристикой превосходной прочности и высокой коррозионной стойкостью, который состоит из от 71,5 до 78,5 процентов по массе меди; от 2,0 до 4,5 процентов по массе кремния; от 0,005 процента вплоть до, но менее чем 0,02 процента по массе свинца; по меньшей мере одного элемента, выбранного из от 0,01 до 0,2 процента по массе фосфора, от 0,02 до 0,2 процента по массе сурьмы, от 0,02 до 0,15 процента по массе мышьяка, от 0,1 до 1,2 процента по массе олова и от 0,1 до 2,0 процентов по массе алюминия; и по меньшей мере одного элемента, выбранного из от 0,3 до 4 процентов по массе марганца и от 0,2 до 3,0 процентов по массе никеля, так что суммарный процент по массе марганца и никеля находится между 0,3 и 4,0 процента по массе; и остального процентного содержания по массе цинка, при этом проценты по массе меди, кремния и выбранного(ых) элемента(ов) (т.е. фосфора, сурьмы, мышьяка, олова, алюминия, марганца и никеля) в медном сплаве удовлетворяют соотношению 61-50Pb≤X-4Y+aZ≤66+50Pb, в котором Pb представляет собой процент по массе свинца, в котором X представляет собой процент по массе меди, Y представляет собой процент по массе кремния, и Z представляет собой количество в процентах по массе упомянутого по меньшей мере одного элемента, выбранного из фосфора, сурьмы, мышьяка, олова, алюминия, марганца и никеля, в котором а представляет собой коэффициент выбранного элемента, причем а равно -3, когда выбранный элемент представляет собой фосфор, а равно 0, когда выбранный элемент представляет собой сурьму, а равно 0, когда выбранный элемент представляет собой мышьяк, а равно -1, когда выбранный элемент представляет собой олово, а равно -2, когда выбранный элемент представляет собой алюминий, а равно 2,5, когда выбранный элемент представляет собой марганец, и а равно 2,5, когда выбранный элемент представляет собой никель. Третий медный сплав будет в дальнейшем называться «третьим сплавом по изобретению». Третий сплав по изобретению представляет собой легкообрабатываемый резанием медный сплав, имеющий высокую прочность, превосходную износостойкость и коррозионную стойкость, а также улучшенные характеристики обрабатываемости.
x
y
x
y
[0028] Марганец и никель объединяются с кремнием с образованием интерметаллических соединений, представленных как MnSi или NiSi, которые равномерно выделяются в матрице, тем самым повышая износостойкость и прочность. Поэтому, добавление марганца и никеля, или любого из этих двух, будет улучшать характеристику высокой прочности и износостойкости третьего сплава по изобретению. Такие воздействия будут проявляться, если марганец и никель добавляются в количестве не менее 0,2 процента по массе соответственно. Но состояние насыщения достигается при 3,0 процентах по массе в случае никеля и при 4,0 процентах по массе в случае марганца, поэтому, если даже добавление марганца и/или никеля увеличивается за рамки этого, никакие пропорционально улучшенные результаты получены не будут. Добавление кремния устанавливается на уровне от 2,0 до 4,5 процентов по массе, чтобы соответствовать добавлению марганца и/или никеля, учитывая расходование кремния на образование интерметаллических соединений с этими элементами, марганцем и никелем.
[0029] Также отмечено, что алюминий и фосфор помогают усиливать альфа-фазу матрицы, тем самым улучшая обрабатываемость. Фосфор диспергирует альфа- и гамма-фазы, посредством которых улучшаются прочность, износостойкость и также обрабатываемость. Алюминий также вносит вклад в улучшение износостойкости и проявляет свое воздействие по усилению матрицы при добавлении в количестве примерно 0,1 процента или более по массе. Но если добавление алюминия превышает 2,0 процента по массе, будет иметь место понижение пластичности в связи с чрезмерным количеством образованных гамма-фазы или бета-фазы, что происходит довольно легко. Поэтому добавление алюминия устанавливается на уровне от 0,1 до 2,0 с учетом желательного улучшения обрабатываемости. Также, добавление фосфора диспергирует гамма-фазу и, в то же самое время, измельчает кристаллические зерна в альфа-фазе матрицы, тем самым улучшая способность подвергаться обработке давлением в горячем состоянии, а также прочность и износостойкость медного сплава. Кроме того, фосфор очень эффективен в улучшении течения расплавленного металла при литье. Такие результаты будут получены в том случае, когда фосфор добавляется в количестве от 0,01 до 0,2 процента по массе. Содержание меди устанавливается на уровне от 71,5 до 78,5 процентов по массе в свете добавления кремния и свойства марганца и никеля объединяться с кремнием.
[0030] Алюминий представляет собой элемент, который улучшает прочность, обрабатываемость, износостойкость, а также стойкость к окислению при высоких температурах. Кремний также имеет свойство увеличения обрабатываемости, прочности, износостойкости, сопротивления коррозионному растрескиванию под напряжением, а также сопротивления окислению при высоких температурах. Алюминий служит повышению сопротивления окислению при высоких температурах, когда он используется вместе с кремнием в количествах не менее 0,1 процента по массе. Но даже если добавление алюминия увеличивается выше 2,0 процентов по массе, никаких пропорциональных результатов ожидать нельзя. По этой причине добавление алюминия устанавливается на уровне от 0,1 до 2,0 процентов по массе.
[0031] Фосфор добавляется для того, чтобы улучшить течение расплавленного металла при литье. Фосфор также служит улучшению вышеупомянутых обрабатываемости, стойкости к коррозии обесцинкованием, а также сопротивления окислению при высоких температурах, в дополнение к улучшению течения расплавленного металла. Эти воздействия проявляются, когда фосфор добавляется в количествах не менее 0,01 процента по массе. Но даже если фосфор используется в количествах более 0,20 процента по массе, это не будет приводить в результате к пропорциональному увеличению воздействия; скорее, это вызовет ослабление сплава. На основе этого соображения, фосфор добавляется в пределах диапазона от 0,01 до 0,2 процента по массе.
[0032] В то время как кремний добавляется для того, чтобы улучшить обрабатываемость, как упомянуто выше, он также способен улучшать течение расплавленного металла, подобно тому, как действует фосфор. Воздействие кремния по улучшению течения расплавленного металла проявляется, когда он добавляется в количестве не менее 2,0 процента по массе. Диапазон добавления для улучшения течения перекрывает диапазон добавления для улучшения обрабатываемости. С учетом этого, добавление кремния устанавливается на уровне от 2,0 до 4,5 процентов по массе.
ЧЕТВЕРТЫЙ СПЛАВ ПО ИЗОБРЕТЕНИЮ
[0033] Другой вариант воплощения настоящего изобретения представляет собой легкообрабатываемый резанием медный сплав также с характеристикой превосходной способности к резанию, который состоит из от 71,5 до 78,5 процентов по массе меди; от 2,0 до 4,5 процентов по массе кремния; от 0,005 процента вплоть до, но менее чем 0,02 процента по массе свинца; одного дополнительного элемента, выбранного из от 0,01 до 0,2 процента по массе висмута, от 0,03 до 0,2 процента по массе теллура и от 0,03 до 0,2 процента по массе селена; и остального процентного содержания по массе цинка, при этом проценты по массе меди и кремния в медном сплаве удовлетворяют соотношению 61-50Pb≤X-4Y≤66+50Pb, в котором Pb представляет собой процент по массе свинца, в котором X представляет собой процент по массе меди, а Y представляет собой процент по массе кремния. Этот четвертый медный сплав будет далее называться «четвертым сплавом по изобретению».
[0034] То есть, четвертый сплав по изобретению составлен из первого сплава по изобретению и, кроме того, одного элемента, выбранного из от 0,01 до 0,2 процента по массе висмута, от 0,03 до 0,2 процента по массе теллура и от 0,03 до 0,2 процента по массе селена.
[0035] Висмут, теллур и селен, как и свинец, не образуют твердый раствор с матрицей, но диспергируются в зернистой форме, улучшая обрабатываемость. Добавление висмута, теллура и селена может возмещать уменьшение содержания свинца в легкообрабатываемом резанием медном сплаве, когда оно сводится к улучшенной обрабатываемости. Добавление любого из этих элементов, вместе с кремнием и свинцом, может дополнительно улучшить обрабатываемость выше уровня, полученного в результате добавления отдельно кремния и свинца. С учетом этого открытия был разработан четвертый сплав по изобретению, в который примешивается один элемент, выбранный из висмута, теллура и селена. Добавление висмута, теллура или селена, а также кремния и свинца, может сделать медный сплав настолько обрабатываемым, что сложные формы могут быть свободно вырезаны на высокой скорости. Однако никакое улучшение обрабатываемости не может быть реализовано в результате добавления висмута, теллура или селена в количестве менее 0,01 процента по массе. Другими словами, должно быть добавлено по меньшей мере 0,01 процента по массе висмута или же должно быть добавлено по меньшей мере 0,03 процента по массе либо теллура, либо селена, до того, как добавление этих элементов будет иметь существенное воздействие на обрабатываемость. Однако эти три элемента являются дорогими по сравнению со стоимостью меди, поэтому является важным тщательно смешивать элементы для того, чтобы образовать жизнеспособный с коммерческой точки зрения сплав. Поэтому, даже если добавление висмута, теллура или селена превышает 0,2 процента по массе, пропорциональное улучшение обрабатываемости так невелико, что добавление выше этого уровня не оправдывается экономически. Кроме того, если добавление этих элементов составляет более 0,4 процента по массе, сплав будет ухудшаться по характеристикам способности подвергаться обработке давлением в горячем состоянии, таким как ковкость, и характеристикам способности подвергаться обработке давлением в холодном состоянии, таким как пластичность. И хотя может иметь место беспокойство, что тяжелые металлы, подобные висмуту, вызовут проблему, подобную проблеме со свинцом, очень небольшое добавление в менее чем 0,2 процента по массе является пренебрежимо малым и не представит никаких особых проблем со здоровьем. Исходя из этих соображений, четвертый сплав по изобретению приготовляется с добавлением висмута, поддерживаемым на уровне от 0,01 до 0,2 процента по массе, и добавлением теллура или селена, поддерживаемым на уровне от 0,03 до 0,2 процента по массе. В этом отношении желательно поддерживать суммарное содержание свинца и висмута, теллура или селена не выше чем 0,4 процента по массе. Это ограничение имеет место потому, что, если суммарное содержание этих четырех элементов превышает 0,4 процента от массы сплава, если даже незначительно, то тогда начнется ухудшение характеристик способности сплава подвергаться обработке давлением в горячем состоянии и пластичности в холодном состоянии, а также имеется опасение, что форма стружек будет изменяться с той, которая иллюстрирована на фиг.1B, к той, которая иллюстрирована на фиг.1A. Но добавление висмута, теллура или селена, которое улучшает обрабатываемость медного сплава по механизму, отличному от механизма действия кремния, как упомянуто выше, не будет влиять на надлежащие содержания (то есть процентные содержания по массе) меди и кремния в сплаве. По этой причине содержания меди и кремния в четвертом сплаве по изобретению устанавливаются на том же самом уровне, что и содержания в первом сплаве по изобретению.
[0036] С учетом этих наблюдений, обрабатываемость четвертого сплава по изобретению улучшена за счет добавления к первому сплаву Cu-Si-Pb-Zn по изобретению по меньшей мере одного дополнительного элемента, выбранного из от 0,01 до 0,2 процента по массе висмута, от 0,03 до 0,2 процента по массе теллура и от 0,03 до 0,2 процента по массе селена.
ПЯТЫЙ СПЛАВ ПО ИЗОБРЕТЕНИЮ
[0037] Легкообрабатываемый резанием медный сплав также с характеристикой превосходной способности к резанию, который состоит из от 71,5 до 78,5 процентов по массе меди; от 2,0 до 4,5 процентов по массе кремния; от 0,005 процента вплоть до, но менее чем 0,02 процента по массе свинца; по меньшей мере одного элемента, выбранного из от 0,01 до 0,2 процента по массе фосфора, от 0,02 до 0,2 процента по массе сурьмы, от 0,02 до 0,2 процента по массе мышьяка, от 0,1 до 1,2 процента по массе олова и от 0,1 до 2,0 процентов по массе алюминия; по меньшей мере одного элемента, выбранного из от 0,01 до 0,2 процента по массе висмута, от 0,03 до 0,2 процента по массе теллура и от 0,03 до 0,2 процента по массе селена, и остального процентного содержания по массе цинка, при этом проценты по массе меди, кремния и другого(их) выбранного(ых) элемента(ов) (т.е. фосфора, сурьмы, мышьяка, олова и алюминия) в медном сплаве удовлетворяют соотношению 61-50Pb≤X-4Y+aZ≤66+50Pb, в котором Pb представляет собой процент по массе свинца, X представляет собой процент по массе меди, Y представляет собой процент по массе кремния, Z представляет собой процент по массе выбранного элемента из фосфора, сурьмы, мышьяка, олова и алюминия, и а представляет собой коэффициент выбранного элемента, причем а равно -3, когда выбранный элемент представляет собой фосфор, а равно 0, когда выбранный элемент представляет собой сурьму, а равно 0, когда выбранный элемент представляет собой мышьяк, а равно -1, когда выбранный элемент представляет собой олово, и а равно -2, когда выбранный элемент представляет собой алюминий. Этот легкообрабатываемый резанием медный сплав представляет собой упомянутый выше пятый медный сплав и будет в дальнейшем называться «пятым сплавом по изобретению».
[0038] Пятый сплав по изобретению имеет любую добавку, выбранную из от 0,01 до 0,2 процента по массе висмута, от 0,03 до 0,2 процента по массе теллура и от 0,03 до 0,2 процента по массе селена в дополнение к компонентам второго сплава по изобретению. Основания для примешивания этих дополнительных элементов и установления тех количеств, которые должны быть добавлены, являются теми же самыми, которые приведены для четвертого сплава по изобретению.
ШЕСТОЙ СПЛАВ ПО ИЗОБРЕТЕНИЮ
[0039] Легкообрабатываемый резанием медный сплав также с характеристикой превосходной способности к резанию в сочетании с хорошей стойкостью к окислению при высоких температурах, который состоит из от 71,5 до 78,5 процентов по массе меди; от 2,0 до 4,5 процентов по массе кремния; от 0,005 процента вплоть до, но менее чем 0,02 процента по массе свинца; по меньшей мере одного элемента, выбранного из от 0,01 до 0,2 процента по массе фосфора, от 0,02 до 0,2 процента по массе сурьмы, от 0,02 до 0,15 процента по массе мышьяка, от 0,1 до 1,2 процента по массе олова и от 0,1 до 0,2 процента по массе алюминия; по меньшей мере одного элемента, выбранного из от 0,01 до 0,2 процента по массе висмута, от 0,03 до 0,2 процента по массе теллура и от 0,03 до 0,2 процента по массе селена; и по меньшей мере одного элемента, выбранного из от 0,3 до 4 процентов по массе марганца и от 0,2 до 3,0 процентов по массе никеля, так что суммарный процент по массе марганца и никеля находится между от 0,3 до 4,0 процентов по массе; и остального процентного содержания по массе цинка, при этом проценты по массе меди, кремния и выбранного(ых) элемента(ов) из фосфора, сурьмы, мышьяка, олова, алюминия, марганца и никеля в медном сплаве удовлетворяют соотношению 61-50Pb≤X-4Y+aZ≤66+50Pb, в котором Pb представляет собой процент по массе свинца, X представляет собой процент по массе меди, Y представляет собой процент по массе кремния, и Z представляет собой количество в процентах по массе упомянутого по меньшей мере одного элемента, выбранного из фосфора, сурьмы, мышьяка, олова, алюминия, марганца и никеля, в котором а представляет собой коэффициент выбранного элемента, причем а равно -3, когда выбранный элемент представляет собой фосфор, а равно 0, когда выбранный элемент представляет собой сурьму, а равно 0, когда выбранный элемент представляет собой мышьяк, а равно -1, когда выбранный элемент представляет собой олово, а равно -2, когда выбранный элемент представляет собой алюминий, а равно 2,5, когда выбранный элемент представляет собой марганец, и а равно 2,5, когда выбранный элемент представляет собой никель. Шестой медный сплав будет в дальнейшем называться «шестым сплавом по изобретению».
[0040] Шестой сплав по изобретению содержит один элемент, выбранный из от 0,01 процента вплоть до, но менее чем 0,2 процента по массе висмута, от 0,03 до 0,2 процента по массе теллура и от 0,03 до 0,2 процента по массе селена, в дополнение к компонентам третьего сплава по изобретению. В то время как гарантируется столь же хорошее сопротивление окислению при высоких температурах, как и в третьем сплаве по изобретению, обрабатываемость дополнительно улучшается посредством добавления одного элемента, выбранного из висмута и других элементов, которые являются такими же эффективными, как свинец, в повышении обрабатываемости.
СЕДЬМОЙ СПЛАВ ПО ИЗОБРЕТЕНИЮ
[0041] Легкообрабатываемый резанием медный сплав, имеющий характеристику превосходной способности к резанию и другие желательные характеристики сплавов по изобретению с первого по шестой, получают путем дальнейшего ограничения состава сплавов по изобретению с первого по шестой таким образом, что сплав содержит не более 0,5 процента по массе железа. При изготовлении медных сплавов железо представляет собой неизбежную примесь. Однако, посредством ограничения диапазона содержания этой примеси до не более чем 0,5 процента по массе, достигаются дополнительные выгоды. Конкретнее, железо ухудшает обрабатываемость сплавов по изобретению с первого по шестой, а также ухудшает характеристики полировки и металлизации. Таким образом, седьмой сплав в соответствии с настоящим изобретением представляет собой любой из сплавов по изобретению с первого по шестой, имеющий, в дополнение к компонентам этих сплавов, дополнительное ограничение в том, чтобы в состав сплава входило не более 0,5 процента по массе железа. Седьмой сплав по изобретению будет в дальнейшем называться «седьмым сплавом по изобретению».
ВОСЬМОЙ СПЛАВ ПО ИЗОБРЕТЕНИЮ
[0042] Легкообрабатываемый резанием медный сплав с дополнительно улучшенными свойствами способности к резанию получают, подвергая любой из предшествующих соответствующих сплавов по изобретению термической обработке в течение от 30 минут до 5 часов при температуре от 400°C до 600°C. Восьмой медный сплав будет в дальнейшем называться «восьмым сплавом по изобретению».
ДЕВЯТЫЙ И ДЕСЯТЫЙ СПЛАВЫ ПО ИЗОБРЕТЕНИЮ
[0043] Легкообрабатываемый резанием медный сплав с дополнительно улучшенными свойствами способности к резанию получают посредством выполнения любого из предшествующих соответствующих сплавов по изобретению, включающим в себя (а) матрицу, содержащую альфа-фазу, и (b) одну или более фаз, выбранных из группы, состоящей из гамма-фазы и каппа-фазы. Девятый медный сплав будет в дальнейшем называться «девятым сплавом по изобретению». Кроме того, в соответствии с «десятым сплавом по изобретению», девятый сплав по изобретению может быть дополнительно модифицирован так, что упомянутая одна или более фаз, выбранных из группы, состоящий из гамма- и каппа-фаз, равномерно диспергирована в альфа-матрице.
ОДИННАДЦАТЫЙ СПЛАВ ПО ИЗОБРЕТЕНИЮ
[0044] Легкообрабатываемый резанием медный сплав с дополнительно улучшенными свойствами способности к резанию получают посредством выполнения любого из предшествующих соответствующих сплавов по изобретению с дополнительным ограничением в том, что строение металла сплава удовлетворяет следующим дополнительным соотношениям: (i) 0%≤β-фаза≤5% от общей фазовой поверхности сплава; (ii) 0%≤µ-фаза≤20% от общей фазовой поверхности сплава; и (iii) 18-500(Pb)%≤κ-фаза+γ-фаза+0,3(µ-фаза)-β-фаза≤56+500(Pb)% от общей фазовой поверхности сплава. Одиннадцатый медный сплав будет в дальнейшем называться «одиннадцатым сплавом по изобретению».
ДВЕНАДЦАТЫЙ И ТРИНАДЦАТЫЙ СПЛАВЫ ПО ИЗОБРЕТЕНИЮ
[0045] Легкообрабатываемый резанием медный сплав, действительно показывающий улучшенные свойства способности к резанию в соответствии с настоящим изобретением, получают посредством выполнения любого из предшествующих сплавов по изобретению с первого по одиннадцатый, при этом круглый образец для испытания, образованный из экструдированного стержня или в виде отливки из этого сплава, при резании по окружной периферийной поверхности резцом из карбида вольфрама, без стружколома, при угле наклона -6 градусов и при радиусе выступа 0,4 мм, при скорости резания от 60 до 200 м/мин, глубине резания 1,0 мм и скорости подачи 0,11 мм/оборот, дает стружки, имеющие одну или более форм, выбранных из группы, состоящей из дуговой формы, игольчатой формы и пластинчатой формы. Двенадцатый медный сплав будет в дальнейшем называться «двенадцатым сплавом по изобретению». Подобным образом, другой легкообрабатываемый резанием медный сплав, действительно показывающий улучшенные свойства способности к резанию в соответствии с настоящим изобретением, получают посредством выполнения любого из предшествующих сплавов по изобретению с первого по одиннадцатый, при этом круглый образец для испытания, образованный из экструдированного стержня или в виде отливки из этого сплава, при сверлении по окружной периферийной поверхности сверлом из качественной стали, имеющим диаметр сверла 10 мм и длину сверла 53 мм, при спиральном угле 32 градуса и угле при вершине 118 градусов, при скорости сверления 80 м/мин, глубине сверления 40 мм и скорости подачи 0,20 мм/оборот, дает стружки, имеющие одну или более форм, выбранных из группы, состоящей из дуговой формы и игольчатой формы. Тринадцатый медный сплав будет в дальнейшем называться «тринадцатым сплавом по изобретению».
[0046] Сплавы по изобретению с первого по тринадцатый содержат улучшающие обрабатываемость элементы, такие как кремний, и имеют превосходную обрабатываемость в связи с добавлением таких элементов. Воздействие этих улучшающих обрабатываемость элементов может быть дополнительно повышено посредством термической обработки. Например, те сплавы по изобретению с первого по тринадцатый, которые имеют высокое содержание меди с гамма-фазой в небольших количествах и каппа-фазой в больших количествах, могут претерпевать фазовое превращение из каппа-фазы в гамма-фазу при термической обработке. В результате гамма-фаза тонко диспергируется и выделяется, и обрабатываемость улучшается. На практике, в процессе изготовления отливок, раскатанных металлов и горячих поковок материалы часто охлаждаются посредством принудительного воздушного охлаждения или водяного охлаждения в зависимости от режима ковки, производительности после горячей обработки (горячей экструзии, горячей ковки и т.д.), рабочей среды и других факторов. В таких случаях сплавов по изобретению с первого по тринадцатый, эти сплавы с относительно низким содержанием меди, в частности, имеют довольно низкое содержание гамма-фазы и/или каппа-фазы и содержат бета-фазу. Посредством регулируемой термической обработки бета-фаза превращается в гамма-фазу и/или каппа-фазу, и эта гамма-фаза и/или каппа-фаза тонко диспергируется и выделяется, посредством чего обрабатываемость улучшается.
[0047] Однако температура термической обработки менее 400°C не является экономичной и практичной в любом случае, потому что вышеупомянутое фазовое превращение будет происходить медленно и потребует много времени. При температурах выше 600°C, с другой стороны, будет расти каппа-фаза, или же будет появляться бета-фаза, таким образом не привнося никакого улучшения обрабатываемости. Поэтому с практической точки зрения желательно производить термическую обработку в течение от 30 минут до 5 часов при температуре от 400°C до 600°C, когда термическая обработка используется для того, чтобы изменить обрабатываемость сплава посредством изменения фаз в структуре металла.
Краткое описание чертежей
[0048] Фиг.1A-1G показывают виды в перспективе различных типов стружек, образованных при резании круглого прутка из медного сплава на токарном станке.
[0049] Фиг.2 представляет собой полученное фотографией увеличенное изображение структуры металла первого сплава по настоящему изобретению.
[0050] Фиг.3A и 3B показывают зависимость между силой резания и формулой Cu-4Si+X+50Pb(%) для сплава по настоящему изобретению, при этом скорость резания v=120 м/мин.
[0051] Фиг.4A и 4B показывают зависимость между силой резания и формулой Cu-4Si+X+50Pb(%) для сплава по настоящему изобретению, при этом скорость резания v=200 м/мин.
[0052] Фиг.5A и 5B показывают зависимость между силой резания и формулой κ+γ+0,3µ-β+500Pb для сплава по настоящему изобретению, при этом скорость резания v=120 м/мин.
[0053] Фиг.6A и 6B показывают зависимость между силой резания и формулой κ+γ+0,3µ-β+500Pb для сплава по настоящему изобретению, при этом скорость резания v=200 м/мин.
[0054] Фиг.7 показывает зависимость между силой резания и количеством свинца в массовых процентах в сплаве по формуле 76(Cu)-3,1(Si)-Pb(%).
Подробное описание изобретения
[0055] Каждый из сплавов по изобретению включает в себя медь, кремний, цинк и свинец. Определенные сплавы по изобретению дополнительно включают в себя другие элементы-компоненты, такие как фосфор, олово, сурьма, мышьяк, алюминий, висмут, теллур, селен, марганец и никель. Каждый из этих элементов дает определенные преимущества сплавам по изобретению. Например, медь является основным составляющим элементом сплавов по изобретению. На основе исследований, проведенных авторами настоящего изобретения, было определено, что желательное содержание меди находится между приблизительно от 71,5 до 78,5 процентов по массе для того, чтобы поддержать определенные свойства, присущие сплаву Cu-Zn, такие как определенные механические свойства, свойство коррозионной стойкости и текучести. Дополнительно, этот диапазон меди обеспечивает возможность эффективного образования гамма- и/или каппа-фаз (а в некоторых случаях и мю-фазы) в структуре металла, когда добавлен кремний, результатом чего является промышленно удовлетворительная обрабатываемость. Однако верхний пороговый предел для меди устанавливается потому, что, когда содержание меди превышает 78,5% по массе, промышленно удовлетворительная обрабатываемость недостижима независимо от степени образования гамма- и/или каппа-фазы. Кроме того, литейные качества сплава ухудшаются, когда содержание меди превышает 78,5 процентов по массе. С другой стороны, когда содержание меди падает ниже 71,5 процента по массе, бета-фаза имеет тенденцию легко образовываться в структуре металла. Образование бета-фазы имеет тенденцию уменьшать обрабатываемость даже в присутствии гамма- и/или каппа-фаз в структуре металла. Образование бета-фазы приводит в результате к другим неблагоприятным эффектам, таким как уменьшенная стойкость к коррозии обесцинкованием, увеличенное коррозионное растрескивание под напряжением и уменьшенное относительное удлинение.
[0056] Кремний является другим основным составляющим элементом для сплавов по изобретению. В частности, кремний выполняет функцию улучшения обрабатываемости медных сплавов. Кремний используется для образования гамма-, каппа- и/или мю-фаз в матрице, содержащей альфа-фазу, с эффектом улучшения обрабатываемости. Добавление менее чем 2 процентов по массе кремния в медный сплав не приводит в результате к достаточному образованию гамма-, каппа- и/или мю-фаз для достижения промышленно удовлетворительной обрабатываемости. Хотя обрабатываемость будет улучшаться с увеличением количества добавляемого к сплаву кремния, когда количество добавляемого кремния превышает примерно 4,5 процента по массе, обрабатываемость не будет улучшаться пропорционально. Фактически, обрабатываемость начинает ухудшаться в сплаве при содержании кремния, превышающем примерно 4,5 процента по массе, потому что доля гамма- и/или каппа-фаз в структуре металла становится слишком большой. Кроме того, теплопроводность сплава уменьшается при содержании кремния, превышающем примерно 4,5 процента по массе. Поэтому необходимо добавлять кремний в надлежащем количестве для того, чтобы улучшить обрабатываемость, а также улучшить другие характеристики сплава, такие как текучесть, прочность, износостойкость, сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением, сопротивление окислению при высоких температурах и стойкость к обесцинкованию.
[0057] Цинк также является основным составляющим элементом сплавов по изобретению. Цинк, будучи добавленным к меди и кремнию, влияет на образование гамма-, каппа- и, в некоторых случаях, мю-фаз. Цинк также служит улучшению механической прочности, обрабатываемости и текучести сплавов по изобретению. В соответствии с настоящим изобретением, диапазон содержания цинка определяется косвенным образом, потому что цинк составляет остающуюся часть сплавов по изобретению помимо двух других основных составляющих (то есть меди и кремния) и очень низких количеств свинца и других элементов-компонентов.
[0058] Свинец также присутствует в сплавах по изобретению, потому что свинец не образует твердого раствора, но вместо этого диспергируется в виде частиц свинца в матрице структуры металла, тем самым улучшая обрабатываемость. Хотя при добавлении кремния достигается определенная степень обрабатываемости посредством образования гамма- и/или каппа-фаз в структуре металла, также добавляют более 0,005% по массе свинца для того, чтобы дополнительно улучшить обрабатываемость сплавов по изобретению. Фактически, обрабатываемость сплавов по изобретению по меньшей мере эквивалентна, а часто даже лучше, обрабатываемости традиционных легкообрабатываемых резанием медных сплавов при высоких скоростях резания в сухом состоянии (то есть без смазки), которым в настоящее время промышленность отдает сильное предпочтение. Для сплавов Cu-Zn-Si, имеющих диапазон состава, попадающий в объем настоящего изобретения, наибольшее содержание свинца в состоянии твердого раствора составляет 0,003%, и любое избыточное количество свинца присутствует в структуре сплава в виде частиц свинца. Когда в структуре металла присутствует надлежащее количество гамма- и/или каппа-фаз, свинец начинает улучшать обрабатываемость сплава при примерно 0,005 процента по массе, что лишь слегка выше, чем верхний предел содержания свинца в твердом растворе. Следовательно, нет сколько-нибудь существенного количества свинца, доступного для выщелачивания из такого сплава, например, в питьевую воду. Кроме того, когда количество свинца увеличивается до более чем 0,005 процента по массе, обрабатываемость медного сплава значительно улучшается в связи с неожиданным синергетическим эффектом от (a) частиц свинца, выделившихся и тонко диспергированных в матрице, и (b) твердых гамма- и каппа-фаз, которые выполняют функцию улучшения обрабатываемости по различному механизму. Однако, когда содержание свинца в металлическом сплаве превышает 0,02%, свинец, содержащийся в литых изделиях, особенно в больших литых изделиях, начинает выщелачиваться из металлического сплава в окружающую среду (то есть в питьевую воду), тем самым приводя в результате к возможной токсичности свинца для людей. По этим причинам содержание свинца в сплавах по настоящему изобретению устанавливается на уровне от 0,005 до 0,02 процента по массе.
[0059] Фосфор служит равномерному диспергированию и распределению гамма- и/или каппа-фаз, образованных в альфа-матрице структуры металла. Поэтому добавление фосфора в определенных вариантах воплощения в соответствии с настоящим изобретением дополнительно улучшает и стабилизирует обрабатываемость медных сплавов по изобретению. Дополнительно, фосфор улучшает коррозионную стойкость, особенно стойкость к коррозии обесцинкованием, и текучесть. Чтобы достичь этих преимуществ, в сплав по изобретению должно быть добавлено более 0,01% по массе фосфора. Однако, когда добавление фосфора превышает 0,2% по массе, дальнейшие положительные воздействия не достигаются, но при этом также ухудшается пластичность. Ввиду этих воздействий добавленного фосфора, добавление фосфора в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно составляет от 0,02 до 0,12% по массе.
[0060] Как было упомянуто ранее, олово ускоряет образование гамма-фазы и, в то же самое время, служит более равномерному диспергированию и распределению гамма- и/или каппа-фаз, образованных в альфа-матрице, поэтому олово дополнительно улучшает обрабатываемость Cu-Zn-Si металлических сплавов. Олово также улучшает коррозионную стойкость, особенно против эрозионной коррозии и коррозии обесцинкованием. Для достижения таких положительных воздействий против коррозии должно быть добавлено более 0,1% по массе олова. С другой стороны, когда добавление олова превышает 1,2% по массе, избыток олова понижает пластичность и величину ударной вязкости сплава по изобретению, в связи с образованием избыточной гамма-фазы и появлением бета-фазы, поэтому при литье легко возникают трещины. Таким образом, для того, чтобы гарантировать положительные воздействия от добавления олова, в то же время избегая ухудшения пластичности и величины ударной вязкости, добавление олова в соответствии с настоящим изобретением составляет предпочтительно от 0,2 до 0,8% по массе.
[0061] Сурьма и мышьяк представляют собой элементы, добавляемые для улучшения стойкости к коррозии обесцинкованием металлических сплавов в соответствии с настоящим изобретением. Для этой цели к сплаву по изобретению должно быть добавлено более 0,02% по массе сурьмы и/или мышьяка. Когда добавление этих элементов превышает 0,2% по массе, дальнейших позитивных воздействий не получают, а пластичность ухудшается. Ввиду этих воздействий добавления этих элементов, добавление сурьмы и/или мышьяка в соответствии с настоящим изобретением составляет предпочтительно от 0,03 до 0,1% по массе.
[0062] Алюминий содействует образованию гамма-фазы и в то же самое время служит более равномерному диспергированию и распределению гамма- и/или каппа-фаз, образованных в альфа-матрице. Таким образом, алюминий дополнительно улучшает обрабатываемость сплавов системы Cu-Zn-Si. Дополнительно, алюминий улучшает механическую прочность, износостойкость, сопротивление окислению при высоких температурах и стойкость к эрозионной коррозии. Для того чтобы получить эти позитивные воздействия, к сплаву по изобретению должно быть добавлено более 0,1% по массе алюминия. Однако, когда добавление алюминия превышает 2%, избыточный алюминий понижает пластичность, и имеют тенденцию легко образоваться трещины при литье в связи с образованием избыточной гамма-фазы и появлением бета-фазы. Поэтому добавление алюминия в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно составляет от 0,1 до 2,0% по массе.
[0063] Подобно свинцу, добавленные висмут, теллур и селен диспергируются в альфа-матрице и значительно улучшают обрабатываемость посредством синергетического действия с твердыми фазами, такими как гамма-, каппа- и мю-фазы. Такие синергетические действия имеют место, когда добавление висмута, теллура и селена составляет более 0,01%, более 0,03% и более 0,03% по массе, соответственно. Однако не было подтверждено ни то, что эти элементы являются безопасными для окружающей среды, ни то, что они являются доступными в изобилии. Поэтому, в соответствии с настоящим изобретением, верхний предел для каждого из этих элементов установлен на 0,2% по массе. Более предпочтительно, в соответствии с настоящим изобретением диапазоны содержания висмута, теллура и селена установлены на уровне от 0,01 до 0,05%, от 0,03 до 0,10% и от 0,03 до 0,1% по массе, соответственно.
[0064] Марганец и никель улучшают износостойкость и прочность сплавов Cu-Si-Zn по настоящему изобретению посредством объединения с кремнием с образованием интерметаллических соединений. Для того чтобы эти улучшения имели место, требуемое добавление марганца составляет более 0,3% по массе, а никеля - более 0,2% по массе. Когда добавление марганца и никеля превышает 4% и 3% по массе, соответственно, дальнейшего улучшения износостойкости не получается, но пластичность и текучесть ухудшаются. Поэтому суммарное количество добавленных марганца и никеля в соответствии с настоящим изобретением должно быть более 0,3% по массе, но все же не должно превысить 4% по массе, поскольку при более высоких количествах этих элементов износостойкость далее не улучшается, а при более высоких уровнях это негативно сказывается на обрабатываемости и текучести. Когда марганец и/или никель добавляются к сплаву по изобретению, расходование кремния обязательно усиливается, потому что эти элементы объединяются с кремнием с образованием интерметаллических соединений, тем самым оставляя меньше кремния, доступного для образования гамма- и/или каппа-фаз и улучшения обрабатываемости. Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением, для того, чтобы достичь промышленно удовлетворительной обрабатываемости сплава Cu-Si-Zn, содержащего также марганец и/или никель, должно быть удовлетворено следующее соотношение:
2+0,6(U+V)≤Y≤4+0,6(U+V),
где Y представляет собой процент по массе кремния; U представляет собой процент по массе марганца; и V представляет собой процент по массе никеля. Таким образом, кремний присутствует в сплаве в достаточных количествах для того, чтобы как образовать интерметаллические соединения, так и образовать гамма-, каппа- и/или мю-фазы.
[0065] Железо объединяется с кремнием, содержащимся в сплавах Cu-Si-Zn по настоящему изобретению, с образованием интерметаллических соединений. Такие железосодержащие интерметаллические соединения, однако, ухудшают обрабатываемость сплава по изобретению и негативно влияют на процессы полировки и металлизации, выполняемые во время производства водопроводных кранов и вентилей для воды, которые традиционно производятся посредством литья и без механической обработки. Когда содержание железа в сплаве превышает 0,5% по массе, вышеупомянутые негативные воздействия наблюдаются четко, хотя они являются также все еще распознаваемыми при содержании железа 0,3% по массе. В то время как железо является неизбежной примесью в сплавах Cu-Si-Zn, в соответствии с настоящим изобретением содержание железа не превышает 0,5% по массе, а предпочтительно не превышает 0,25% по массе.
[0066] В Таблице 1 показаны несколько сплавов, изготовленных в соответствии с первым сплавом по изобретению, а также сплавы, изготовленные в соответствии со сплавами по изобретению четвертым и с седьмого по одиннадцатый. Таблица 1 также включает несколько сплавов сравнения, которые не попадают в объем настоящего изобретения. В Таблице 2 показаны несколько сплавов, изготовленных в соответствии со вторым и третьим сплавами по изобретению, а также сплавы, изготовленные в соответствии со сплавами по изобретению с пятого по одиннадцатый. Таблица 2 также включает несколько сплавов сравнения, которые не попадают в объем настоящего изобретения. Результаты, собранные в Таблицах 1 и 2, будут объяснены после настоящего описания различных испытаний, используемых для сравнения характеристик сплавов по настоящему изобретению с подобными сплавами, которые не попадают в объем настоящего изобретения.
Примерные образцы
[0067] В качестве примеров сплавов по настоящему изобретению и сплавов сравнения цилиндрические слитки с составами, показанными в Таблицах 1 и 2, каждый с наружным диаметром 100 мм и длиной 150 мм, были в горячем состоянии экструдированы в круглый пруток с наружным диаметром 20 мм в большинстве случаев при 750°C с получением образцов для испытания, хотя некоторые образцы были экструдированы в горячем состоянии при 650°C или при 800°C. Для каждого экструдируемого слитка из сплава описаны элементный и фазовый составы, вместе с элементными и фазовыми составами, выраженными в терминах формул, используемых в настоящим изобретении. Также приведены результаты испытаний, которые описаны ниже. Как можно видеть из данных в Таблицах, для сплавов с данным элементным составом температура экструзии имеет значительное влияние на фазовый состав и свойства материала, как будет объяснено ниже. Дополнительно, расплавленный металл, имеющий те же самые элементные составы, что и цилиндрические слитки, был залит в многократную литейную форму диаметром 30 мм и глубиной 200 мм с образованием литых образцов для испытания. Такие литые образцы для испытания были затем подвергнуты резанию на токарном станке до круглого прутка с наружным диаметром 20 мм, так что литые образцы имели тот же самый размер, что и экструдированные образцы. Отлитые сплавы, вместо экструдированных в горячем состоянии, собранные в Таблицах 1 и 2, показывают, как условия изготовления воздействуют на структуру металла и другие характеристики сплава, как будет объяснено ниже.
Испытания резанием
[0068] Чтобы изучить обрабатываемость различных сплавов, были произведены испытания резанием на токарном станке и испытания резанием сверлом, чтобы определить, имеет ли сплав промышленно удовлетворительную обрабатываемость. Для того чтобы выполнить это определение, обрабатываемость сплава должна быть оценена при режимах резания, которые обычно применяются в промышленности. Например, скорость резания для медных сплавов в промышленности составляет обычно от 60 до 200 м/мин, когда используется резание на токарном станке или резание сверлом. Поэтому, для примеров, предусмотренных в Таблицах, испытания резанием на токарном станке были проведены на скоростях 60, 120 и 200 м/мин. Испытания резанием сверлом проводились на скорости 80 м/мин. В использованных испытаниях оценки производились на основе силы резания и состояния стружек. Поскольку смазка при резании оказывает возможное негативное воздействие на окружающую среду, желательно проводить резание без смазки, так что отходы смазки после резания не должны выбрасываться. Поэтому, испытания резанием в соответствии с настоящим изобретением проводились в сухом состоянии (то есть без смазки), даже хотя это не является благоприятным режимом резания с точки зрения облегчения процесса резания.
[0069] Испытания резанием на токарном станке были проведены следующим образом: экструдированные образцы для испытания или отлитые образцы, полученные описанным выше образом с 20 мм в диаметре, подвергали резанию в сухом состоянии по окружной периферийной поверхности на токарном станке, снабженном прямым остроконечным резцом, в частности, резцом из карбида вольфрама без стружколома, при угле наклона -6 градусов с радиусом выступа 0,4 мм, при скорости резания 60, 120 и 200 метров/минуту (м/мин), глубине резания 1,0 мм и скорости подачи 0,11 мм/оборот. Сигналы от трехкомпонентного динамометра, смонтированного на резце, преобразовывались в электрические сигналы напряжения и регистрировались на записывающем устройстве. Эти сигналы были затем преобразованы в сопротивление резанию. Таким образом, обрабатываемость сплавов была оценена посредством определения сопротивления резанию, в особенности основной силы резания, которая показывает самую высокую величину при резании. Дополнительно, стружки металлического сплава, выходящие во время резания на токарном станке, были исследованы и классифицированы в качестве части оценки обрабатываемости обработанного на токарном станке материала. Необходимо отметить, что, несмотря на то, что, чтобы быть абсолютно точным, о величине сопротивления резанию нужно судить по трем компонентам силы, то есть силе резания, силе подачи и силе нажима, было решено оценить сопротивление резанию на основе только силы резания (Н). Результаты испытаний резанием на токарном станке приведены в Таблицах 1 и 2. Из данных в Таблицах 1 и 2 можно видеть, что сплавы по настоящему изобретению не требуют чрезмерной силы резания.
[0070] Испытания резанием сверлом были проведены следующим способом: Экструдированные образцы для испытания или литые образцы, полученные описанным выше образом с 20 мм в диаметре, были просверлены в сухом режиме с использованием сверла из стали марки M7, имеющего диаметр сверла 10 мм и длину сверла 95 мм, при спиральном угле 32 градуса и угле при вершине 118 градусов, при скорости сверления 80 м/мин, глубине сверления 40 мм и скорости подачи 0,20 мм/оборот. Стружки металлического сплава, выходящие во время резания сверлом, были исследованы и классифицированы в качестве части оценки обрабатываемости просверленного материала.
[0071] Стружки, выходящие во время резания, были исследованы и классифицированы на семь категорий от (A) до (G) на основе геометрической формы стружек, как показано на фиг.1A-1G и как описано в последующем. Фиг.1A иллюстрирует «игольчатые стружки», которые являются мелко сегментированными, игловидными стружками и которые представлены в Таблицах символом «•». Игольчатые стружки представляют собой промышленно удовлетворительные стружечные продукты, произведенные при резании металлических сплавов, имеющих промышленно удовлетворительную обрабатываемость. Фиг.1B иллюстрирует «дуговые стружки», которые представляют собой дугообразные или круглые дугообразные стружки с менее чем одним витком и которые представлены в Таблицах символом «◎». Дуговые стружки представляют собой промышленно удовлетворительные стружечные продукты, произведенные при резании материалов, имеющих наиболее желательные характеристики обрабатываемости. Фиг.1C иллюстрирует «короткие прямоугольные стружки», которые представляют собой прямоугольные стружки, которые имеют длину менее 25 мм и которые представлены в Таблицах символом «○». Короткие прямоугольные стружки представляют собой промышленно удовлетворительные стружечные продукты, произведенные при резании металлических сплавов, имеющих промышленно удовлетворительную обрабатываемость, которые лучше, чем сплавы, дающие игольчатые стружки, но не столь хороши, как сплавы, дающие во время резания дуговые стружки. Короткие прямоугольные стружки также упоминаются как «пластинчатые». Фиг.1D иллюстрирует «прямоугольные стружки средней длины», которые представляют собой прямоугольные стружки, которые имеют длину от 25 мм до 75 мм и которые представлены в Таблицах символом «». Фиг.1E иллюстрирует «длинные стружки», которые представляют собой прямоугольные стружки, которые имеют длину более 75 мм и которые представлены в Таблицах символом «×». Фиг.1F иллюстрирует «короткие спиралеобразные стружки», которые представляют собой спиралеобразные стружки с витками от одного до трех и которые представлены в Таблицах символом «∆». Короткие спиралеобразные стружки также представляют собой промышленно удовлетворительные стружечные продукты, произведенные при резании металлических сплавов, имеющих промышленно удовлетворительную обрабатываемость. Наконец, фиг.1G иллюстрирует «длинные спиралеобразные стружки», которые представляют собой спиралеобразные стружки с больше чем тремя витками и которые представлены в Таблицах символом «××». Результаты по стружкам, выходящим во время испытаний резанием, приведены в Таблицах 1 и 2.
[0072] Производство стружки во время резания обеспечивает показатели, относящиеся к качеству материала сплава. Металлические сплавы, производящие длинные стружки (×) или длинные спиралеобразные стружки (××), не дают промышленно удовлетворительной стружки. С другой стороны, металлические сплавы, производящие дугообразные стружки (◎), дают наиболее желательные стружки, металлические сплавы, производящие короткие прямоугольные стружки (○), дают вторые наиболее желательные стружки, а металлические сплавы, производящие игольчатые стружки (•), дают третьи наиболее желательные стружки. Металлические сплавы, производящие короткие спиралеобразные стружки (∆), также дают промышленно желательные стружки. В этом отношении, стружки в форме спирали с тремя или более витками, как показано на фиг.1G, являются трудными для переработки (то есть утилизации или рециркуляции (возвращения в технологический цикл)) и могут вызывать трудности при обработке резанием, как, например, запутываясь с резцом и повреждая металлическую поверхность резания. Стружки в форме спиральной дуги от стружки с половиной витка до стружки с двумя или тремя витками, как показано в фиг.1F, не вызывают таких серьезных трудностей, как стружки в форме спирали с более чем тремя витками, и все же короткие спиралеобразные стружки нелегко удалить, и они могут запутаться с резцом или повредить металлическую поверхность резания.
[0073] Напротив, стружки в форме мелких игольчатых стружек, показанных на фиг.1A, или в форме дуговых стружек, показанных на фиг.1B, не представляют таких проблем, как упомянутые выше, и не являются такими объемистыми, как стружки, показанные на фиг.1F и 1G, и легко перерабатываются для утилизации или рециркуляции. Однако мелкие игольчатые стружки, которые показаны на фиг.1A, все еще могут сдвигаться по направляющему столику станка, такого как токарный станок, и вызывать механические неисправности, или могут быть опасными, поскольку они могут вонзиться в палец, глаз или другую часть тела рабочего. Когда эти факторы принимаются во внимание при оценке обрабатываемости и промышленного производства в общем, сплавы по изобретению, дающие стружки, показанные на фиг.1B, являются наилучшими по соответствию промышленным требованиям, в то время как металлические сплавы, дающие стружки, показанные на фиг.1C, являются вторыми из наилучших, а металлические сплавы, дающие стружки, показанные на фиг.1A, являются третьими из наилучших по соответствию промышленным требованиям. Как упомянуто выше, металлические сплавы, которые дают те стружки, которые показаны на фиг.1E и 1G, не являются хорошими с точки зрения промышленности, потому что эти стружки являются трудными для утилизации или рециркуляции, и эти сорта стружек могут повреждать режущий инструмент или обрабатываемую резанием деталь. В Таблицах 1 и 2 стружки, показанные на фиг.1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F и 1G, произведены разнообразными сплавами и обозначены символами «•», «◎», «○», «», «×», «∆» и «××», соответственно. Можно видеть, что сплавы по настоящему изобретению обычно производят наилучшие формы стружек.
[0074] Для того чтобы суммировать качественную классификацию стружек (в порядке убывания) по отношению к желательной промышленной обрабатываемости, дугообразные стружки (◎), короткие прямоугольные стружки (○) и мелкие игольчатые стружки (•) оценивают как имеющие от превосходной обрабатываемости (то есть дугообразные стружки) до хорошей обрабатываемости (то есть короткие прямоугольные стружки), до удовлетворительной обрабатываемости (то есть мелкие игольчатые стружки). Будучи промышленно приемлемыми, средние прямоугольные стружки () и короткие спиральные стружки (∆) могут спутываться с инструментами во время резания. Поэтому эти стружки не столь желательны, как стружки, произведенные сплавами, оцениваемыми как имеющие от удовлетворительной до превосходной обрабатываемости.
[0075] В современной промышленности производство подразумевает автоматизацию (то есть особенно во время ночных работ), поэтому один рабочий обычно контролирует работу нескольких режущих станков одновременно. Во время резания, когда объем произведенных стружек становится слишком большим для того, чтобы с ним мог справиться один рабочий, при операции резания могут возникнуть проблемы, такие как запутывание стружек с режущим инструментом (резцом) или даже останов режущего станка. Как известно из практики, стружки типа длинных прямоугольных стружек (×) и длинных спиральных стружек (××) представляют собой большие стружки, имеющие значительно больший объем, чем дугообразные стружки, короткие прямоугольные стружки и мелкие игольчатые стружки. Следовательно, во время резания объем длинных прямоугольных стружек и длинных спиральных стружек накапливается со скоростями, в сотни раз большими, чем объем более мелких стружек (то есть дугообразных стружек, коротких прямоугольных стружек и мелких игольчатых стружек). Поэтому, ночные работы по механической обработке являются менее практичными или требуют большего числа персонала с тем, чтобы контролировать режущие станки, когда обрабатывают сплавы, которые образуют объемистые длинные прямоугольные стружки или длинные спиральные стружки. По сравнению с этим, прямоугольные стружки средней длины () и короткие спиральные стружки (∆) являются намного менее объемистыми, чем длинные прямоугольные стружки или длинные спиральные стружки, и всего лишь в несколько раз более объемистыми, чем дугообразные стружки, короткие прямоугольные стружки и мелкие игольчатые стружки.
[0076] Как оказалось, сплавы, производящие прямоугольные стружки средней длины и короткие спиральные стружки во время резания, все еще являются «промышленно приемлемыми», потому что объем произведенных стружек не накапливается с недопустимо высокой скоростью, как это происходит при длинных прямоугольных стружках или длинных спиральных стружках. С другой стороны, поскольку прямоугольные стружки средней длины и короткие спиральные стружки могут запутывать режущий инструмент, сплавы, производящие эти стружки, должны тщательно контролироваться во время резания. Таким образом, обрабатываемость таких сплавов является менее желательной, чем сплавов, производящих дугообразные стружки, короткие прямоугольные стружки или мелкие игольчатые стружки, которые представляют собой компактные стружки с низким объемом и не имеют тенденции запутывать режущий инструмент. По отношению к прямоугольным стружкам средней длины и коротким спиральным стружкам, сплавы, производящие прямоугольные стружки средней длины во время резания, считаются имеющими несколько лучшую обрабатываемость, чем сплавы, производящие короткие спиральные стружки, потому что, хотя оба типа стружек могут запутывать режущий инструмент, прямоугольные стружки средней длины легче удалять сразу, как только они запутались с режущим инструментом. Дополнительно, прямоугольные стружки средней длины имеют меньший объем, чем короткие спиральные стружки, так что они будут накапливаться во время резания с более медленной скоростью, чем короткие спиралеобразные стружки.
ИСПЫТАНИЯ НА КОРРОЗИЮ ОБЕСЦИНКОВАНИЕМ
2
2
[0077] Кроме того, различные сплавы были испытаны на коррозию обесцинкованием в соответствии с методом испытания, указанным в «ISO 6509», чтобы исследовать их коррозионную стойкость. В испытании на коррозию обесцинкованием по методу «ISO 6509» образец для испытания, взятый из каждого экструдированного испытуемого образца для испытания, был уложен и заделан в материал из фенольной смолы таким образом, что оставшаяся незащищенной поверхность образца для испытания является перпендикулярной направлению экструзии экструдированного образца для испытания. Поверхность образца для испытания была отполирована наждачной бумагой №1200, а затем промыта с ультразвуком в чистой воде и высушена. Образец для испытания, приготовленный таким образом, опускали в имевший концентрацию 12,7 г/л водный раствор дигидрата хлорида меди (CuCl·2HO) 1,0% и оставляли выдерживаться на 24 часа при 75°C. Каждый образец для испытания был затем вынут из этого водного медного раствора, и максимальная глубина коррозии обесцинкованием была определена следующим образом. Образец для испытания был снова уложен и заделан в материал из фенольной смолы таким образом, что оставшаяся незащищенной поверхность образца для испытания поддерживалась перпендикулярной направлению экструзии. Затем образец для испытания был разрезан так, чтобы могла быть получена самая длинная отрезанная часть. Образец для испытания был впоследствии отполирован, и глубина коррозии наблюдалась для 10 полей зрения микроскопа, используя металлургический микроскоп с увеличением от 100х до 500х. Самая глубокая точка коррозии была зарегистрирована в качестве измеренного максимума глубины коррозии обесцинкованием. Результаты измерения максимума глубины коррозии обесцинкованием приведены в Таблицах 1 и 2.
[0078] Как ясно из результатов испытаний на коррозию обесцинкованием, показанных в Таблицах 1 и 2, сплавы по изобретению с первого по третий являются превосходными по коррозионной стойкости. И при этом было подтверждено, что в особенности сплавы по изобретению с четвертого по одиннадцатый имеют очень высокую коррозионную стойкость, как видно в Таблицах 1 и 2.
ИСПЫТАНИЯ НА ЭРОЗИОННУЮ КОРРОЗИЮ
2
2
[0079] Образцы для испытания, вырезанные из экструдированного испытуемого материала, были также использованы для того, чтобы оценить стойкость к эрозионной коррозии сплавов по изобретению. Масса каждого образца для испытания была измерена с использованием электронных весов перед тем, как подвергать его воздействию раствора рассола в течение 96 часов. 3%-ный раствор рассола при 30°C с 0,01% дигидрата хлорида меди (CuCl·2HO) непрерывно продувался с использованием распылительного сопла калибром 2 мм на образцы для испытания при скорости потока 11 м/с в течение 96 часов. После 96 часов воздействия раствора рассола потеря массы была оценена следующим образом. Каждый образец для испытания был высушен продувкой и вновь взвешен на электронных весах. Разница в массе образца для испытания перед воздействием рассола и после воздействия рассола была зарегистрирована в качестве измеренной потери массы, которая отражает степень эрозионной коррозии сплава под действием раствора рассола.
[0080] Для определенных продуктов важно, чтобы они были изготовлены с использованием металлических сплавов, которые имеют хорошую стойкость к эрозионной коррозии. Например, водопроводные краны и вентили должны быть стойкими к эрозионной коррозии, так же как и стойкими к общей коррозии, потому что эти устройства подвергаются воздействию перекрестного потока или внезапных изменений скорости воды, вызываемых открытием и закрытием потока жидкости, протекающего через эти устройства. Сравнительный Сплав №28 (C83600), показанный в Таблице 2, например, содержит 5% по массе олова и 5% по массе свинца и демонстрирует превосходную стойкость к эрозионной коррозии даже при быстром потоке. Как показано в Таблице 2, Сравнительный Сплав №28 (здесь и далее СС №28) имеет одну из самых низких потерь массы вследствие эрозионной коррозии. Стойкость к эрозионной коррозии СС №28 обусловлена образованием богатой оловом пленки, которая защищает сплав от коррозии под действием быстрых потоков. К сожалению, СС №28 имеет неприемлемо высокое содержание свинца и не подходит для использования в системах, снабжающих пригодной для питья питьевой водой.
[0081] По сравнению с этим, первый сплав по изобретению также имеет хорошую стойкость к эрозионной коррозии, как продемонстрировано Первым Сплавом По Изобретению №2 в Таблице 1. Однако добавление 0,3% по массе олова, как показывает Второй Сплав По Изобретению №11, улучшает стойкость к эрозионной коррозии. Фактически, в то время как здесь речь идет об образовании аналогичной богатой оловом пленки на основе олова-кремния, добавление 0,3% по массе олова к Первым Сплавам По Изобретению обеспечивает Вторые Сплавы По Изобретению, имеющие улучшенную стойкость к эрозионной коррозии, но лишь при некоторой доле того количества олова, которое используется в СС №28. Другими словами, сплавы по настоящему изобретению и содержащие, например, только примерно 0,3% по массе олова, достигают той же степени стойкости к эрозионной коррозии, как и СС №28, в который входит гораздо более высокое процентное содержание (то есть 5% по массе) олова.
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ НА ВЫЩЕЛАЧИВАЕМОСТЬ СВИНЦА
[0082] Испытания для оценки выщелачиваемости свинца были проведены согласно Японскому промышленному стандарту «JIS S 3200-7:2004» в соответствии с методом «оборудование для водоснабжения - эксплуатационные испытания на выщелачиваемость». В соответствии с JIS S 3200-7:2004, используемый для испытания выщелачивающий раствор был приготовлен посредством добавления (а) 1 мл раствора гипохлорита натрия с допустимой концентрацией хлора 0,3 мг/мл, (b) 22,5 мл раствора гидрокарбоната натрия с концентрацией 0,04 моль/л, и (c) 11,3 мл раствора хлорида кальция в воде с концентрацией 0,04 моль/л таким образом, чтобы общее количество раствора для испытания составляло один литр. Этот раствор был затем отрегулирован посредством добавления 1,0%-ной и 0,1%-ной соляной кислоты и 0,1 моль/л или 0,01 моль/л гидроксида натрия так, чтобы используемый для испытания раствор соответствовал следующим параметрам: pH 7,0±0,1, жесткость 45 мг/л±5 мг/л, щелочность 35 мг/л±5 мг/л и остаточный хлор 0,3 мг/л±0,1 мг/л. Образец слитка, полученного посредством литья, был высверлен с образованием отверстия, в результате чего могли быть получены чашеобразные образцы для испытания с внутренним диаметром 25 мм и глубиной 180 мм. Такие чашеобразные образцы для испытания были промыты и приведены в надлежащее состояние, а затем заполнены выщелачивающим раствором при температуре 23°C. Образцы для испытания затем герметизировали и хранили в месте, поддерживаемом при температуре 23°C. Выщелачивающий раствор был собран после хранения в течение 16 часов и испытан для анализа продукта выщелачивания на свинец. Не было сделано никакой коррекции результатов анализа продукта выщелачивания на свинец по объему, площади поверхности или форме образцов для испытания.
ФОРМУЛА, ограничивающая СОСТАВ СПЛАВА
[0083] Другой признак медных сплавов по настоящему изобретению состоит в том, что состав каждого медного сплава ограничен соотношением общей формулы
0
0
в котором Pb представляет собой процент по массе свинца, где X представляет собой процент по массе меди; Y представляет собой процент по массе кремния; и aZ представляет собой вклад в это соотношение элементов, отличных от меди, кремния и цинка. Другими словами, соотношение, описанное ограничивающей состав сплава формулой (1), требуется для того, чтобы придать составам медного сплава описанные выше преимущества. Если формула (1) не удовлетворяется, то посредством эксперимента было обнаружено, что полученный в результате медный сплав не обеспечивает степень обрабатываемости и другие свойства, показанные в Таблицах 1 и 2. Однако простое ограничение диапазона содержания меди, цинка и кремния, предусмотренное формулой (1), само по себе не определяет количество каппа-, гамма- и мю-фаз, образованных в структуре металлического сплава. Как обсуждено выше, фазовая структура и количество каппа-, гамма- и мю-фаз служат улучшению обрабатываемости. Кроме того, соотношение элементов, предусмотренное формулой (1), не может само по себе определить количество образованной бета-фазы, которая содействует ухудшению обрабатываемости. Таким образом, формула (1) предусматривает показатель, полученный посредством эксперимента, для того, чтобы определить составы сплавов, которые могут достигать соответствующего количества каждой фазы-компонента (то есть оптимизируя сочетания каппа-, гамма- и мю-фаз для улучшения обрабатываемости, в то же время сводя к минимуму образование бета-фазы, которая ухудшает обрабатываемость).
[0084] Мы описываем вклад в соотношение ограничивающей формулы (1) элементов, отличных от меди, кремния и цинка, в формуле (2) следующим образом:
1
2
3
1
2
3
где a, a, a и т.д. представляют собой экспериментально определенные коэффициенты, и Z, Z, Z и т.д. представляют собой проценты по массе входящих в составе элементов, отличных от меди, кремния и цинка. Другими словами, что касается формулы (1), Z представляет собой количество выбранного элемента, и а представляет собой коэффициент выбранного элемента.
[0085] Конкретнее, было определено, что для того, чтобы реализовать на практике медные сплавы по настоящему изобретению, коэффициенты «а» являются следующими: для свинца, висмута, теллура, селена, сурьмы и мышьяка коэффициент а равен нулю; для алюминия коэффициент а равен -2; для фосфора коэффициент а равен -3; и для марганца и никеля коэффициент а равен +2,5. Специалист в данной области техники поймет, что формула (1) непосредственно не ограничивает количеств свинца, висмута, теллура, селена, сурьмы и мышьяка в медных сплавах по настоящему изобретению, поскольку коэффициент а равен нулю для этих элементов; однако эти элементы косвенно ограничены тем фактом, что процент по массе меди, кремния и тех элементов в медном сплаве, которые имеют отличные от нуля коэффициенты а, должны удовлетворять ограничивающей формуле (1).
[0086] Кроме того, свинец, даже в небольшом количестве, играет важную роль в сплавах по изобретению в качестве компонента для улучшения обрабатываемости. Поэтому влияние свинца было принято во внимание при выводе формулы (1). В том случае, когда значение X-4Y+aZ становится меньшим, чем 61-50Pb, фазовый состав, необходимый для достижения промышленно удовлетворительной обрабатываемости, в целом не может быть получен, даже при воздействии свинца. С другой стороны, когда значение X-4Y+aZ становится большим, чем 66+50Pb, несмотря на положительное воздействие свинца на обрабатываемость, избыточное количество образованных гамма-, каппа- и/или мю-фаз делает такой сплав неспособным достичь промышленно удовлетворительной обрабатываемости. Также является более предпочтительным, когда удовлетворяется соотношение 62-50Pb≤X-4Y+aZ≤65+50Pb.
[0087] Говоря еще более конкретно, для первого и четвертого сплавов по изобретению ограничивающая формула (1) может быть записана как:
,
в которой Pb представляет собой процент по массе свинца, где X представляет собой процент по массе меди, и Y представляет собой процент по массе кремния в сплаве. Легкообрабатываемые резанием медные сплавы согласно первому и четвертому сплавам по изобретению имеют высокую прочность, а также промышленно удовлетворительную обрабатываемость. Поэтому эти сплавы имеют большую практическую ценность и могут использоваться для изготовления механически обработанных, кованых и литых изделий, которые в настоящее время изготовляются из традиционных легкообрабатываемых резанием медных сплавов. Например, первый и четвертый сплавы по изобретению являются подходящими для изготовления болтов, гаек, резьбовых соединительных деталей, шпинделей, стержней, колец седел клапанов, вентилей, металлической арматуры для подачи/слива воды, шестерен, основных деталей машин, фланцев, деталей измерительных приборов, деталей зданий и зажимов.
[0088] Для второго и пятого сплавов по изобретению ограничивающая формула (1) может быть записана как:
,
в которой Pb представляет собой процент по массе свинца, где X представляет собой процент по массе меди; Y представляет собой процент по массе кремния; Z представляет собой процент по массе одного или более элементов, выбранных из фосфора, сурьмы, мышьяка, олова и алюминия, при этом а равно -3 для фосфора, а равно 0 для сурьмы и мышьяка, а равно -1 для олова, и а равно -2 для алюминия. Легкообрабатываемые резанием медные сплавы согласно второму и пятому сплавам по изобретению имеют высокую коррозионную стойкость, а также промышленно удовлетворительную обрабатываемость. Поэтому эти сплавы имеют большую практическую ценность и могут быть использованы для изготовления механически обработанных, кованых и литых изделий, которые должны быть стойкими к коррозии. Например, второй и пятый сплавы по изобретению являются подходящими для изготовления водопроводных кранов, трубопроводной арматуры для снабжения горячей водой, валов, соединительной арматуры, деталей теплообменника, разбрызгивателей, поворотных кранов, седел клапанов, водомеров, деталей для датчиков, сосудов под давлением, вентилей промышленного назначения, колпачковых гаек, трубопроводной арматуры, конструкционных металлов морского назначения, соединений, запорных вентилей для воды, вентилей, соединителей труб, соединителей кабелей и фитингов.
[0089] Для третьего и шестого сплавов по изобретению ограничивающая формула (1) может быть записана как:
,
1
1
1
1
1
2
2
в которой Pb представляет собой процент по массе свинца, где X представляет собой процент по массе меди; Y представляет собой процент по массе кремния; и Z представляет собой процент по массе по меньшей мере одного элемента, выбранного из фосфора, сурьмы, мышьяка, олова и алюминия, в этом сплаве, причем а равно -3 для фосфора, а равно 0 для сурьмы и мышьяка, а равно -1 для олова, и а равно -2 для алюминия; Z представляет собой процент по массе по меньшей мере одного элемента, выбранного из марганца и никеля, причем а равно 2,5 для марганца и для никеля. Легкообрабатываемые резанием медные сплавы согласно третьему и шестому сплавам по изобретению имеют высокую износостойкость и высокую прочность, а также промышленно удовлетворительную обрабатываемость. Поэтому эти сплавы имеют большую практическую ценность и могут быть использованы для изготовления механически обработанных, кованых и литых изделий, которые требуют высокой износостойкости и высокой прочности. Например, третий и шестой сплавы по изобретению являются подходящими для изготовления подшипников, втулок, шестерен, деталей швейных машин, деталей гидравлических систем, сопел для керосиновых и газовых нагревателей, лимбов, муфт, рыболовных катушек, арматуры для самолета, скользящих деталей, цилиндрических деталей, седел клапанов, колец синхронизатора и вентилей высокого давления.
[0091] Для тех сплавов по изобретению, в которых марганец и/или никель объединены с кремнием с образованием интерметаллических соединений, состав сплава дополнительно ограничивается соотношением, показанным в Формуле (6), которая является следующей:
,
в которой Y представляет собой процент по массе кремния, U представляет собой процент по массе марганца, и V представляет собой процент по массе никеля.
[0092] Подводя итоги, все сплавы по настоящему изобретению с первого по тринадцатый должны удовлетворять ограничивающей состав сплава Формуле 1, и все иллюстративные примеры, предусмотренные в соответствии с настоящим изобретением в Таблицах 1 и 2, соответствуют этому ограничению состава. С другой стороны, третий и шестой сплавы по изобретению дополнительно ограничиваются вторичным ограничением состава сплава по Формуле 8. Другие медные сплавы, которые содержат те же самые элементы, что и медные сплавы по настоящему изобретению, но которые не имеют состава, удовлетворяющего требованиям Формулы 1 и, когда это применимо, также и Формулы 8, не будут иметь характеристик медных сплавов по настоящему изобретению, которые показаны в Таблицах 1 и 2 и которые пояснены ниже.
[0093] Фиг.3A, 3B, 4A и 4B иллюстрируют общее влияние ограничивающей состав Формулы 5 на обрабатываемость сплава Cu-Si-Zn. Фиг.3A и 3B показывают, как сила резания, необходимая для обработки сплава на станке, повышается по мере того, как ограничивающая формула X-4Y+aZ+50Pb(%) приближается либо к нижнему пределу в 61, либо эта ограничивающая формула X-4Y+aZ-50Pb(%) приближается к верхнему пределу в 66, соответственно. При этом, как только нижний и верхний пределы ограничивающей формулы превышаются, выходящие стружки изменяются по характеру с желательных дуговых стружек и коротких прямоугольных стружек (т.е. ◎ и ○, соответственно) на нежелательные прямоугольные стружки средней длины (т.е. ) при скорости резания 120 м/мин. Аналогично, фиг.4A и 4B показывают, как сила резания, необходимая для обработки сплава на станке, повышается по мере того, как ограничивающая формула X-4Y+aZ+50Pb(%) приближается либо к нижнему пределу в 61, либо эта ограничивающая формула X-4Y+aZ-50Pb(%) приближается к верхнему пределу в 66 соответственно. Однако это повышение силы резания является более впечатляющим при более высокой скорости резания 200 м/мин. При этом, как только нижний и верхний пределы ограничивающей формулы превышаются, выходящие стружки изменяются по характеру с желательных дуговых стружек и коротких прямоугольных стружек (т.е. ◎ и ○, соответственно) на нежелательные прямоугольные стружки средней длины и длинные стружки (т.е.  и ×, соответственно) при скорости резания 200 м/мин. Так что увеличенная скорость резания также влияет на характер стружек, выходящих во время резания.
СТРУКТУРА МЕТАЛЛА
[0094] Другим важным признаком медных сплавов по настоящему изобретению является структура металла, которая представляет собой матрицу металла, образованную посредством объединения множества фазовых состояний компонентов-металлов, которое дает составную фазу медного сплава. Конкретнее, как будет понятно специалисту в этой области техники, данный металлический сплав может иметь различные характеристики в зависимости от среды, в которой он был произведен. Например, хорошо известно применение тепла для отпуска стали. Тот факт, что данный металлический сплав может вести себя по разному в зависимости от тех условий, в которых его ковали, обусловлен объединением и преобразованием компонентов металла в различные фазовые состояния. Как показано в Таблицах 1 и 2, все медные сплавы по настоящему изобретению включают α-фазу, которая составляет примерно 30 процентов или более от общей фазовой поверхности при практической реализации изобретения. Это происходит потому, что α-фаза представляет собой единственную фазу, которая придает металлическим сплавам некоторый уровень способности подвергаться обработке давлением в холодном состоянии. Чтобы проиллюстрировать фазовые отношения в структуре металла в соответствии с настоящим изобретением, на фиг.2 показаны микрофотографии, сделанные при увеличении х186 и х364. Металлический сплав, сфотографированный в этом примере, представляет собой первый сплав по изобретению, №2 в Таблице 1. Как можно видеть на этих микрофотографиях, структура металла включает α-фазную матрицу, в которой диспергированы одна или более из γ-фазы и/или κ-фазы. Хотя это не показано на микрофотографиях, структура металла может включать также другие фазы, такие как µ-фаза. Как было бы понятно специалисту в этой области техники, если медный сплав имеет менее примерно 30% α-фазы в составе общей фазовой поверхности металла, тогда медный сплав является не поддающимся обработке давлением (недеформирующимся) в холодном состоянии и не может быть далее обработан посредством резания любым практическим способом. Поэтому все медные сплавы по настоящему изобретению имеют структуру металла, которая представляет собой составную фазу, которая является α-фазной матрицей, в которой предусматриваются другие фазы.
[0095] Как отмечено выше, присутствие кремния в медных сплавах по настоящему изобретению должно улучшить обрабатываемость медного сплава, и это происходит частично потому, что кремний вызывает образование γ-фазы. Концентрации кремния в любой из γ-, κ- и µ-фаз медного сплава составляют в 1,5-3,5 раза больше, чем в α-фазе. Концентрации кремния в различных фазах, от высокой до низкой, находятся в следующем порядке: µ≥γ≥κ≥β≥α. Упомянутые γ-, κ- и µ-фазы также имеют такую совместную характеристику в том, что они являются более твердыми и более хрупкими, чем α-фаза, и придают соответствующую твердость сплаву с тем, чтобы сплав был механически обрабатываемым и чтобы стружки, образованные при механической обработке, имели меньшую вероятность повреждать режущие инструменты, как описано относительно фиг.1. Поэтому, чтобы реализовать изобретение на практике, каждый медный сплав должен иметь по меньшей мере одну из γ-фазы, κ-фазы и µ-фазы или любое сочетание этих фаз в α-фазе для того, чтобы обеспечить соответствующую степень твердости медного сплава.
[0096] Упомянутая β-фаза обычно улучшает обрабатываемость известных из уровня техники сплавов Cu-Zn и входит в состав сплавов C36000 и C37700 согласно уровню техники на уровне 5-20%. При сравнении C2700 (65% Cu и 35% Zn), не содержащего β-фазы, и C28000 (60% Cu и 40% Zn), содержащего 10% β-фазы, C28000 имеет лучшую обрабатываемость, чем C2700 (смотри Metals Handbook Volume 2, 10th Edition, ASM P217, 218). С другой стороны, эксперименты на сплавах по настоящему изобретению показывают, что β-фаза не способствует обрабатываемости, а на самом деле уменьшает обрабатываемость иным неожиданным образом. Как оказалось, β-фаза компенсирует эффективность κ- и γ-фаз по улучшению обрабатываемости на основе примерно 1:1. Поэтому, для сплавов по настоящему изобретению β-фаза в структуре металла является нежелательной, потому что она ухудшает обрабатываемость. Более того, β-фаза является еще более нежелательной потому, что она уменьшает коррозионную стойкость сплавов.
[0097] Таким образом, другая задача в случае медных сплавов по настоящему изобретению состоит в том, чтобы ограничить количество β-фазы в α-матрице структуры металла. Желательно ограничить β-фазу до 5% или менее от общей фазовой поверхности, потому что β-фаза не способствует ни обрабатываемости, ни способности медного сплава поддаваться обработке давлением в холодном состоянии. Предпочтительно, содержание β-фазы равно нулю в структуре металла по настоящему изобретению, но приемлемо, чтобы β-фаза составляла вплоть до 5% от общей фазовой поверхности.
[0098] Влияние µ-фазы на улучшение обрабатываемости незначительно и составляет всего лишь 30% от этого влияния κ- и γ-фаз. Поэтому желательно ограничить µ-фазу до уровня не более 20% или предпочтительно не более 10%.
[0099] Обрабатываемость также улучшается с увеличением содержания Pb, как показано на фиг.7, которая иллюстрирует выход дуговых стружек (◎), коротких прямоугольных стружек (○) и коротких спиралеобразных стружек (∆). Настоящее изобретение проявляет быстрое улучшение обрабатываемости по мере того, как увеличивается содержание Pb, вследствие синергетических эффектов от мягких и тонко диспергированных частиц Pb вместе с твердыми фазами, такими как κ, γ и µ. Когда вышеупомянутые ограничения фаз соблюдены, содержание Pb может быть столь низким, как 0,005%, при промышленно удовлетворительной обрабатываемости, как показано на фиг.7. Однако эффекты, показанные на фиг.7, происходят из-за синергетического действия со структурой металла, которая, для сплава 76(Cu)-3,1(Si)-Pb(%), обеспечивает промышленно удовлетворительную обрабатываемость в том случае, когда ограничивается в соответствии с соотношением, показанным в описанной ниже Формуле 7. Фиг.7 показывает, что, когда количество свинца по массе падает ниже 0,005%, величина требуемой обычно силы резания значительно увеличивается, особенно для более высоких скоростей резания v=120 м/мин и v=200 м/мин. Кроме того, характер стружек также, вероятно, изменится.
[0100] Те медные сплавы в соответствии с одиннадцатым сплавом по настоящему изобретению, что иллюстрированы в Таблицах 1 и 2, дополнительно ограничены по структуре металла следующим образом: (1) α-фазная матрица составляет примерно 30% или более; (2) β-фаза составляет 5% или менее; (3) µ-фаза составляет 20% или менее, и, следовательно, также (4) соотношение, показанное в формуле (7):
.
В Формуле 7 Pb представляет собой процент по массе свинца, и κ, γ, β и µ каждая представляют собой процент гамма-, каппа-, бета- и мю-фаз, соответственно, от общей фазовой поверхности в структуре металла. Формула 7 применяется только тогда, когда 0,005%≤Pb≤0,02% по массе. При этом ограничении, в соответствии с этим сплавом по настоящему изобретению, гамма- и каппа-фазы играют наиболее важную роль в содействии улучшению обрабатываемости. Однако простое присутствие гамма- и/или каппа-фаз недостаточно для того, чтобы получить промышленно удовлетворительную обрабатываемость. Для того чтобы достичь такой обрабатываемости, необходимо определить общую долю гамма- и каппа-фаз в структуре. Кроме того, также должно быть принято во внимание влияние других фаз в структуре металла, таких как мю- и бета-фазы. Опытным путем авторы настоящего изобретения обнаружили, что мю-фаза также эффективна в улучшении обрабатываемости, но ее воздействие является относительно незначительным по сравнению с воздействиями гамма- и каппа-фаз. Более конкретно, вклад в улучшение обрабатываемости мю-фазы составляет лишь примерно 30% от вклада в улучшение обрабатываемости, обеспечиваемого гамма- и каппа-фазами. Что касается воздействия бета-фазы на обрабатываемость, авторы настоящего изобретения обнаружили опытным путем, что негативное воздействие бета-фазы компенсирует позитивные воздействия гамма- и/или каппа-фаз на основании 1:1. Другими словами, суммарное количество гамма- и каппа-фаз, требуемое для получения определенного уровня улучшенной обрабатываемости, является тем же самым, что и количество бета-фазы, которое требуется для того, чтобы сводить на нет это улучшение.
[0101] Однако чрезвычайно небольшое добавление свинца, который выполняет функцию улучшения обрабатываемости по другому механизму, отличному от гамма- и каппа-фаз, к сплавам по настоящему изобретению должно рассматриваться по его вкладу в обрабатываемость. Когда свинец учитывается при воздействиях на обрабатываемость, диапазон приемлемых сочетаний фаз, рассчитанный как κ+γ+0, 3µ-β, может быть расширен. Опытным путем авторы настоящего изобретения обнаружили, что добавление 0,01 процента по массе свинца к сплаву имеет эквивалентное воздействие на улучшение обрабатываемости, как и 5% гамма- или каппа-фаз, но только тогда, когда свинец находится в диапазоне 0,005%≤Pb≤0,02% по массе. Поэтому, диапазон приемлемых сочетаний фаз, полученных путем расчета κ+γ+0, 3µ-β, должен быть расширен на основе такой пропорции. Соответственно, количество каждой фазы, а именно гамма- и каппа-фаз для улучшения, мю-фазы для улучшения, но менее эффективного, чем у гамма- и каппа-фаз, и бета-фазы для ухудшения обрабатываемости может изменяться в пределах границ ограничивающей формулы (7) посредством прибавления или удаления фаз. Другими словами, формула (7) должна рассматриваться как важный показатель для определения обрабатываемости. Если значение κ+γ+0, 3µ-β меньше, чем 18-500Pb, то промышленно удовлетворительная обрабатываемость не может быть получена. Является также более предпочтительным, когда удовлетворяется соотношение 22-500Pb≤κ+γ+0, 3µ-β≤50+500Pb.
[0102] Фиг.5A, 5B, 6A и 6B иллюстрируют общее влияние ограничивающей Формулы 7 фазы на обрабатываемость сплава Cu-Si-Zn. Фиг.5A и 5B демонстрируют, как сила резания, необходимая для обработки сплава на станке, повышается по мере того, как ограничивающая формула κ+γ+0, 3µ-β+500Pb(%) приближается либо к нижнему пределу в 18, либо эта ограничивающая формула κ+γ+0, 3µ-β-500Pb(%) приближается к верхнему пределу в 56, соответственно. При этом, как только нижний и верхний пределы ограничивающей формулы превышаются, вышедшие стружки изменяются по характеру с желательных дуговых стружек, коротких прямоугольных стружек и коротких спиралеобразных стружек (т.е. ◎, ○ и ∆, соответственно) на нежелательные прямоугольные стружки средней длины (т.е. ) при скорости резания 120 м/мин. Аналогично, фиг.6A и 6B демонстрируют, как сила резания, необходимая для обработки сплава на станке, повышается по мере того, как ограничивающая формула κ+γ+0, 3µ-β+500Pb(%) приближается либо к нижнему пределу в 18, либо эта ограничивающая формула κ+γ+0, 3µ-β-500Pb(%) приближается к верхнему пределу в 56, соответственно. Однако это повышение силы резания является более впечатляющим при более высокой скорости резания 200 м/мин. При этом, как только нижний и верхний пределы ограничивающей формулы превышены, вышедшие стружки изменяются по характеру с преобладающим образом желательных дуговых стружек и коротких прямоугольных стружек (т.е. ◎ и ○, соответственно) на преобладающим образом нежелательные прямоугольные стружки средней длины и длинные стружки (т.е.  и ×, соответственно) при скорости резания 200 м/мин. Так что увеличенная скорость резания также влияет на характер стружек, вышедших во время резания.
[0103] Указывается, что хотя являются возможными и другие структуры металла, где γ-, κ- и µ-фазы составляют в общем более 70% от общей фазовой поверхности, результатом является медный сплав, который не имеет проблем с обрабатываемостью, но в результате имеет α-фазную матрицу в количестве менее 30%, результатом чего является столь плохой уровень способности подвергаться обработке давлением в холодном состоянии, который придает сплаву пониженную практическую ценность. Процент свинца и β-фазы может быть включен вместе с γ-, κ- и µ-фазами в эту максимальную величину 70%. Альтернативно, можно гарантировать, что α-фаза составляет по меньшей мере 30% от общей фазовой поверхности. С другой стороны, если медь имеет менее 5% от общей фазовой поверхности, состоящей из γ-, κ- и µ-фаз, то обрабатываемость медного сплава делается неудовлетворительной. β-фазу минимизируют до менее 5% от общей фазовой поверхности, потому что β-фаза не содействует ни обрабатываемости, ни способности медного сплава подвергаться обработке давлением в холодном состоянии. Дополнительно, поскольку α-фаза представляет собой мягкую фазу для структуры металла и поэтому имеет пластичность, обрабатываемость медного сплава значительно улучшается посредством добавления даже чрезвычайно малого количества свинца. Результатом является то, что в структуре металла по настоящему изобретению используется α-фаза в качестве матрицы, в которой диспергированы γ-, κ- и µ-фазы.
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
[0104] Специалисты в этой области техники поймут, что структура металла не может быть определена только посредством состава составляющих элементов сплава. Вместо этого, структура металла также зависит от различных условий, таких как температура и давление, используемых для формирования сплава. Например, структура металла сплава, полученная посредством закалки после литья, экструзии и отпуска, значительно отличается от структуры металла сплава, полученной посредством медленного охлаждения, и, в большинстве случаев, будет содержать большое количество бета-фазы. Поэтому, в соответствии с восьмыми сплавами по настоящему изобретению, термическая обработка должна проводиться в течение от 20 минут до 6 часов при температуре от 460°C до 600°C для того, чтобы превратить бета-фазу в гамма- и/или каппа-фазы или чтобы улучшить диспергирование гамма- и/или каппа-фаз в случаях, когда изготовление сплава требует закалки, и когда произведенный сплав имеет гамма- и/или каппа-фазы, которые не являются желательным образом диспергированными в структуре металла. Посредством использования упомянутой выше термической обработки могут быть получены сплавы с лучшей промышленно удовлетворительной обрабатываемостью за счет уменьшения количества бета-фазы и диспергирования гаммы- и/или каппа-фаз.
СРАВНЕНИЕ СПЛАВОВ ПО ИЗОБРЕТЕНИЮ СО СПЛАВАМИ НЕ ПО ИЗОБРЕТЕНИЮ
[0105] Сначала будут описаны результаты, приведенные в Таблице 1. Все сплавы, приведенные в Таблице 1, попадают в объем первого сплава по изобретению, за исключением сплавов сравнения №№1, 4, 5, 6, 9, 13, 14, 18, 19, 20, 21, 22 и 23. Сплавы №№1A, 1B, 2, 3, 11, 24, 25 и 26 все попадают в объем первых сплавов по изобретению и в пределы одного или более дополнительно ограниченных сплавов по изобретению с четвертого по одиннадцатый. Остальные сплавы, приведенные в Таблице 1, предусмотрены для того, чтобы показать различные результаты в том случае, когда фазовые отношения по формуле (7) не удовлетворяются, или если не удовлетворяются некоторые другие ограничения сплавов по изобретению с четвертого по одиннадцатый. В целях интерпретации результатов по обрабатываемости, в соответствии с настоящим изобретением превосходная обрабатываемость достигается тогда, когда стружки, вышедшие во всех четырех испытаниях резанием (то есть резание на токарном станке при 60, 120 и 200 м/мин и резание сверлом при 80 м/мин), имеют либо игольчатую форму, как на фиг.1A, либо дуговую форму, как на фиг.1B, либо короткую прямоугольную форму (то есть длиной <25 мм), как показано на фиг.1C. Вместе с тем, промышленно удовлетворительная обрабатываемость достигается тогда, когда стружки, вышедшие во всех четырех испытаниях резанием (то есть резание на токарном станке при 60, 120 и 200 м/мин и резание сверлом при 80 м/мин), имеют либо игольчатую форму, как на фиг.1A, либо дуговую форму, как на фиг.1B, либо короткую прямоугольную форму (то есть длиной <25 мм), как показано на фиг.1C, или представляют собой короткие спирали с витками от 1 до 3, как показано на фиг.1F. С другой стороны, обрабатываемость не является промышленно удовлетворительной в том случае, когда для любого из четырех испытаний резанием (то есть резание на токарном станке при 60, 120 и 200 м/мин и резание сверлом при 80 м/мин) вышедшие стружки имеют либо промежуточную прямоугольную форму (то есть длиной от 25 мм до 75 мм), как показано на фиг.1D, либо представляют собой длинные стружки (то есть длиной >75 мм), как показано на фиг.1E, либо длинные спирали с >3 витками, как показано на фиг.1G.
2
[0106] Например, Первые Сплавы по Изобретению («ПСПИ») №№1A и 1B имеют тот же самый состав, имеют структуру металла с α-фазной матрицей и как γ-, так и κ-фазой, но без β-фазы. Разница между этими сплавами заключается в том, что ПСПИ 1A был экструдирован, а ПСПИ 1B был отлит. ПСПИ №№1A и 1B, соответственно, показывают хороший предел прочности на растяжение 517 и 416 Н/мм и превосходную обрабатываемость, продемонстрированную выходом желательных дуговых стружек или коротких прямоугольных стружек во время резания на токарном станке и резания сверлом. Кроме того, сила резания, требуемая для обработки ПСПИ 1A и ПСПИ 1B, является умеренной (то есть примерно от 105 до 119 Н). С другой стороны, Сплав Сравнения («СС») №1 слегка отличен по составу от ПСПИ 1A и ПСПИ 1B, имея 0,002 процента свинца по массе, что приводит в результате к изменению природы стружек, вышедших при более высоких скоростях резания (то есть 80, 120 и 200 м/мин), на короткие спиралеобразные стружки. Таким образом, при небольшом уменьшении содержания свинца от содержания в ПСПИ №1А до содержания в СС №1, обрабатываемость сплава может ухудшаться от превосходной до просто промышленно удовлетворительной.
[0107] ПСПИ №№2 и 3 были изготовлены в экструдированной и литой формах. Эти две формы проявляют подобные характеристики, за исключением того, что предел прочности на растяжение существенно выше в экструдированных образцах. Как ПСПИ №2, так и ПСПИ №3 дают либо дуговые стружки, либо короткие прямоугольные стружки во время режимов промышленной обработки на токарном станке и резания сверлом при применении умеренной силы резания. Поэтому ПСПИ №№2 и 3 проявляют превосходные характеристики обрабатываемости. ПСПИ №№1A, 1B, 2 и 3 также показали хорошую коррозионную стойкость (то есть максимальная глубина коррозии была 140-160 мкм). Только ПСПИ №2 был испытан на стойкость к эрозионной коррозии, которая была хорошей при потере массы в 60 мг. Выщелачиваемость свинца была также желательно низкой для ПСПИ №№1A, 2 и 3, причем свинцовые продукты выщелачивания варьировались в диапазоне от 0,001 до 0,006 г, мг/л, свинца, соответственно. ПСПИ №11 представляет собой другой первый сплав по изобретению с превосходной обрабатываемостью (то есть производит стружки либо дугообразные, либо игольчатой формы, либо пластинчатой формы).
[0108] СС №№4 и 5 демонстрируют влияние увеличения свинца на выщелачиваемость свинца из литейного сплава. СС №№4 и 5 включали 0,28 и 0,55 процента по массе свинца, соответственно, и свинцовые продукты выщелачивания этих сплавов содержали от 0,015 и 0,026 г, мг/л, свинца, соответственно, что было примерно от 2,5 до 26 раз выше, чем для низкосвинцовистых сплавов, произведенных в соответствии с первым сплавом по изобретению. С другой стороны, СС №6, экструдированный при 750°C, демонстрируют влияние на обрабатываемость уменьшения процента свинца по массе в сплавах Cu-Si-Zn. При содержании свинца менее 0,005 процента по массе часто требуются увеличенные силы резания, и вышедшие стружки становятся нежелательно длинными прямоугольными стружками длиной между 25-75 мм или спиральными стружками с более чем тремя витками. Другими словами, обрабатываемость СС №6 не является промышленно удовлетворительной.
[0109] ПСПИ №7 показывает, что не все первые сплавы по изобретению будут иметь промышленно удовлетворительную обрабатываемость. Как объяснено выше, обрабатываемость зависит от содержания элементов в сплаве и фазовой структуры металла. Поэтому, в соответствии с одиннадцатым сплавом по изобретению, дальнейшее ограничивающее соотношение 18-500Pb≤κ+γ+0, 3µ-β≤56+500Pb используется для избирательной идентификации дополнительных сплавов с промышленно удовлетворительной обрабатываемостью. Как очевидно из Таблицы 1, ПСПИ №7 не попадает в объем одиннадцатого сплава по изобретению.
[0110] ПСПИ №8 демонстрируют влияния, которые используемые способы изготовления могут оказывать на характеристики обрабатываемости металлического сплава по настоящему изобретению. Конкретнее, ПСПИ №8 предусмотрен в экструдированной и литой формах, включая форму, экструдированную при 750°C, форму, экструдированную при 650°C, литую форму и литую форму, впоследствии подвергнутую термической обработке при 550°C в течение 50 минут. Как можно видеть из этих четырех форм ПСПИ №8, увеличивающееся присутствие β-фазы оказывает вредное воздействие на обрабатываемость. В частности, литая форма имеет наименее желательную обрабатываемость и 4% β-фазы, тогда как экструдированные формы имеют самое низкое количество β-фазы и превосходную обрабатываемость. В соответствии с восьмым сплавом по изобретению, когда литая форма ПСПИ №8 подвергается термической обработке (например, при 550°C в течение 50 минут в этом примере), β-фаза преобразуется, так что процентное содержание γ+κ-фаз увеличивается. При этом возрастание процентного содержания γ+κ-фаз приводит к улучшенной обрабатываемости (то есть требуемая сила резания уменьшается, а стружки, вышедшие при резании, изменяются с прямоугольных стружек средней длины и длинных на дуговые стружки или короткие прямоугольные стружки, как показано в Таблице 1). Таким образом, термически обработанная литая форма ПСПИ №8 имеет превосходную обрабатываемость.
[0111] CA №9 и ПСПИ №10 демонстрируют влияние свинца в экструдированном сплаве, имеющем α-фазную матрицу и γ-, κ- и µ-фазы. В частности, ПСПИ №10 предусмотрен в четырех формах: форме, экструдированной при 750°C, форме, экструдированной при 750°C, которая впоследствии подверглась термической обработке при 490°C в течение 100 минут, форме, экструдированной при 650°C, и литой форме. Как видно из Таблицы 1, СС №9 и форма ПСПИ №10, экструдированные при 750°C, имеют подобные характеристики резания. С другой стороны, формы ПСПИ №10, либо экструдированные при 650°C, либо литые, имеют промышленно удовлетворительную обрабатываемость, выдавая либо дуговые стружки, либо короткие прямоугольные стружки по всему диапазону испытаний резанием. Также показано, что, подвергая форму ПСПИ №10, экструдированную при 750°C, термической обработке в соответствии с настоящим изобретением, в результате получается восьмой сплав по изобретению, имеющий промышленно удовлетворительную обрабатываемость.
[0112] СС №№13 и 14 показывают важность соотношения 61-50Pb≤X-4Y≤66+50Pb между процентными содержаниями свинца, меди и кремния для первых сплавов по изобретению. СС №№13 и 14 не соответствуют этому ограничению и не являются сплавами, попадающими в объем настоящего изобретения. Обрабатываемость СС №№13 и 14 не является промышленно удовлетворительной.
[0113] ПСПИ №15, будучи отлитым, представляет собой сплав в соответствии с настоящим изобретением с превосходной обрабатываемостью. Однако этот вариант воплощения показывает, что экструдированные формы этого сплава, будучи образованными посредством экструзии при 750°C и 650°C, проявляют существенно различные характеристики обрабатываемости при более высоких скоростях резания (то есть 80, 120 и 200 м/мин). Как показано в Таблице 1, экструдированные формы этого сплава имеют структуру металла, которая не удовлетворяет соотношению 18-500Pb≤κ+γ+0, 3µ-β≤56+500Pb. Следовательно, в то время как все три формы ПСПИ №15 представляют собой первые сплавы по изобретению, только литая форма имеет промышленно удовлетворительную обрабатываемость. Литая форма ПСПИ №15 также представляет собой одиннадцатый сплав по изобретению.
[0114] ПСПИ №№16 и 17 представляют собой экструдированные первые сплавы по изобретению, имеющие превосходную обрабатываемость. ПСПИ №17A имеет тот же самый элементный состав, что и ПСПИ №17, но был экструдирован при более низкой температуре. В варианте ПСПИ №17A имеется чрезмерное количество µ-фазы (то есть µ>20%), что не является промышленно удовлетворительным. Таким образом, ПСПИ №№17 и 17A повторно подчеркивают, что сплавы, имеющие тот же самый элементный состав, могут иметь существенно различную структуру металла и существенно различные характеристики обрабатываемости.
[0115] СС №№ от 18 до 23 все представляют собой сплавы, экструдированные при 750°C и имеющие исключительно плохие характеристики обрабатываемости, и требуют относительно высоких сил резания (то есть 130-195 Н) для того, чтобы быть обработанными резанием. СС №18 представляет собой сплав, который не удовлетворяет соотношению 61-50Pb≤X-4Y≤66+50Pb, и он также имеет структуру металла из чистой α-фазы. СС №№19 и 21 также имеют однофазные структуры металла, состоящие из α-фазы, хотя СС №19 имеет слишком мало кремния, а СС №21 имеет слишком много меди по сравнению с элементным составом первых сплавов по изобретению. Как уже обсуждено, сплавы, имеющие структуру металла из одной α-фазы, как ожидается, будут иметь промышленно неприемлемую обрабатываемость. СС №№20 и 23 демонстрируют относительно много β-фазы (то есть β>5%), что ухудшает обрабатываемость. СС №22 имеет чрезмерное количество меди, и его α-фаза составляет только 20% в структуре металла, что является возможной причиной промышленно неудовлетворительной обрабатываемости этого сплава.
[0116] Каждый из ПСПИ №№ от 24 до 26 имеет превосходную обрабатываемость в соответствии с первыми сплавами по настоящему изобретению. ПСПИ №27 предусмотрен для того, чтобы показать, что приемлемый в ином отношении элементный состав может иметь промышленно неудовлетворительную обрабатываемость, когда количество присутствующего в металлическом сплаве загрязнения железом более 0,5% по массе.
РЕЗУЛЬТАТЫ В ТАБЛИЦЕ 2
[0117] Таблица 2 представляет собой компиляцию вторых и третьих сплавов по изобретению и родственных сплавов сравнения. Более конкретно, Сплавы №№2, 3, 7, 8, 10, 11, 14 и 14B все попадают в пределы объема второго сплава по изобретению. Сплавы №№15, 16, 17, 18, 19, 21, 22, 23 и 24 все попадают в пределы объема третьего сплава по изобретению. Сплавы №№1, 4, 5, 6, 9, 12, 13, 20, 25, 26, 27, 28, 29 и 30 представляют собой больше сплавы сравнения и не попадают в пределы объема настоящего изобретения. Из непопадающих, Сплав №25 соответствует известному из уровня техники сплаву по JIS: C3604, CDA: C36000; Сплав №26 соответствует известному из уровня техники сплаву по JIS: C3771, CDA: C37700; Сплав №27 соответствует известному из уровня техники сплаву по JIS: CAC802, CDA: C87500; Сплав №28 соответствует известному из уровня техники сплаву по JIS: CAC203, CDA: C85700; Сплав №29 соответствует известному из уровня техники сплаву по JIS: CAC406, CDA: C83600; и Сплав №30 соответствует известному из уровня техники сплаву по JIS: C2800, CDA: C2800.
2
2
[0118] Как показано в Таблице 2, Вторые Сплавы по Изобретению («ВСПИ») №№2 и 3 содержат фосфор и предусмотрены в экструдированной и литой формах. ВСПИ №3 дополнительно включает сурьму. ВСПИ №№2 и 3 имеют структуру металла с α-фазной матрицей и как γ-, так и κ-фазой, но без β-фазы. ВСПИ №№2 и 3, соответственно, показывают хороший предел прочности на растяжение около 525 Н/мм для экструдированной формы и около 426 Н/мм для литой формы и превосходную обрабатываемость, продемонстрированную выходом желательных дуговых стружек или коротких прямоугольных стружек во время резания на токарном станке и резания сверлом. Кроме того, сила резания, требуемая для обработки ВСПИ №№2 и 3, является умеренной (то есть примерно от 98 до 112 Н). С другой стороны, Сплав Сравнения («СС») №1 слегка отличен по составу от ВСПИ №2, имея 0,002 процента по массе свинца, что приводит в результате к изменению природы стружек, вышедших при более высоких скоростях резания на токарном станке (то есть 120 и 200 м/мин), на короткие спиралеобразные стружки. Таким образом, при некотором уменьшении содержания свинца от содержания в ВСПИ №2 до содержания в СС №1, обрабатываемость сплава может ухудшиться от превосходной до просто промышленно удовлетворительной.
[0119] ВСПИ №№2 и 3 были изготовлены в экструдированной и литой формах. Эти две формы проявляют подобные характеристики, за исключением того, что предел прочности при растяжении существенно выше в экструдированных образцах. Как ВСПИ №2, так и ВСПИ №3 производят либо дуговые стружки, либо короткие прямоугольные стружки во время режимов промышленной обработки на токарном станке и резания сверлом при применении умеренной силы резания. Поэтому ВСПИ №№2 и 3 проявляют превосходные характеристики обрабатываемости. ВСПИ №№2 и 3 также показывают хорошую коррозионную стойкость (то есть максимальная глубина коррозии была <10 мкм) в результате добавления фосфора. Только ВСПИ №2 был испытан на стойкость к эрозионной коррозии, которая была хорошей при потере массы от 50 до 55 мг. Выщелачиваемость свинца была также желательно низкой для ВСПИ №№2 и 3, причем свинцовые продукты выщелачивания варьировались в диапазоне от <0,001 до 0,005 г, мг/л, свинца, соответственно. ВСПИ №№11, 14 и 14B представляют собой другие вторые сплавы по изобретению, содержащие фосфор и показывающие превосходную обрабатываемость (то есть производят стружки либо дугообразной формы, либо игольчатой формы, либо пластинчатой формы), хороший предел прочности при растяжении и хорошую коррозионную стойкость.
[0120] СС №№4 и 5 демонстрируют влияние увеличения свинца на выщелачиваемость свинца в литом сплаве. СС №№4 и 5 включали 0,29 и 0,048 процента свинца по массе, соответственно, и свинцовые продукты выщелачивания этих сплавов содержали 0,015 и 0,023 г, мг/л, свинца, соответственно, что было существенно выше, чем для низкосвинцовистых сплавов, произведенных в соответствии со вторым сплавом по изобретению. Отмечено, что СС №28, соответствующий JIS: CAC203, CDA: C85700, представляет собой известный из уровня техники литейный сплав, содержащий фосфор и свинец и имеющий превосходную обрабатываемость и хорошую коррозионную стойкость. Однако, как показано в Таблице 2, предел прочности на растяжение этого сплава составляет примерно половину от предела прочности на растяжение вторых сплавов по настоящему изобретению, и в свинцовом продукте выщелачивания этого известного из уровня техники сплава содержится примерно в 78 раз больше свинца, чем в продукте выщелачивания второго сплава по настоящему изобретению. С другой стороны, СС №6, экструдированный при 750°C, показывает влияние на обрабатываемость уменьшения процента свинца по массе в сплавах Cu-Si-Zn. При содержании свинца менее 0,005 процента по массе часто требуются увеличенные силы резания, и вышедшие стружки становятся нежелательными длинными прямоугольными стружками длиной между 25-75 мм или спиральными стружками с более чем тремя витками. Другими словами, обрабатываемость СС №6 не является промышленно удовлетворительной.
[0121] ВСПИ №7 показывает, что не все вторые сплавы по изобретению будут иметь промышленно удовлетворительную обрабатываемость. Как объяснено выше, обрабатываемость зависит от содержания элементов в сплаве и от фазовой структуры металла. Поэтому, в соответствии с одиннадцатым сплавом по изобретению используется дополнительно ограничивающее соотношение 18-500Pb≤κ+γ+0, 3µ-β≤56+500Pb для того, чтобы избирательно идентифицировать дополнительные сплавы с промышленно удовлетворительной обрабатываемостью. Как очевидно из Таблицы 2, ВСПИ №7 не попадает в объем одиннадцатого сплава по изобретению.
[0122] ВСПИ №8 демонстрирует влияния, которые используемые способы изготовления могут оказывать на характеристики обрабатываемости металлического сплава по настоящему изобретению. Конкретнее, ВСПИ №8 предусматривается в экструдированной и литой формах, включая форму, экструдированную при 750°C, форму, экструдированную при 650°C, и литую форму. Как можно видеть из этих трех форм ВСПИ №8, увеличивающееся присутствие β-фазы оказывает вредное воздействие на обрабатываемость. В частности, литая форма имеет наименее желательную обрабатываемость и 5% β-фазы, тогда как экструдированные формы имеют самое низкое количество β-фазы и превосходную обрабатываемость. Таким образом, то, является ли сплав литым или экструдированным, может влиять на то, будет ли сплав иметь превосходную обрабатываемость или не соответствовать требованиям промышленно удовлетворительной обрабатываемости.
[0123] СС №9 и ВСПИ №10 показывают влияние свинца в экструдированном сплаве, имеющем α-фазную матрицу и γ-, κ- и µ-фазы. В частности, ВСПИ №10 предусматривается в четырех формах: форме, экструдированной при 750°C, форме, экструдированной при 750°C, которая впоследствии подверглась термической обработке при 580°C в течение 20 минут, форме, экструдированной при 650°C, и литой форме. Как видно из Таблицы 2, СС №9 и форма ВСПИ №10, экструдированная при 750°C, имеют подобные характеристики резания. С другой стороны, форма ВСПИ №10, либо экструдированная при 650°C, либо литая, имеет промышленно удовлетворительную обрабатываемость, производя либо дуговые стружки, либо короткие прямоугольные стружки по всему диапазону испытаний резанием. Также показано, что, подвергая форму ВСПИ №10, экструдированную при 750°C, термической обработке в соответствии с настоящим изобретением, в результате получают восьмой сплав по изобретению, имеющий промышленно удовлетворительную обрабатываемость.
[0124] СС №№12 и 13 показывают важность соотношения 61-50Pb≤X-4Y+aZ≤66+50Pb между процентными содержаниями свинца, меди, кремния и других элементов, выбранных для вторых сплавов по изобретению. СС №№13 и 14 не соответствуют этому ограничению и не представляют собой сплавы, попадающие в объем настоящего изобретения. Обрабатываемость СС №№13 и 14 не является промышленно удовлетворительной.
[0125] Как показано в Таблице 2, Третьи Сплавы по Изобретению («ТСПИ») №№15, 16, 17, 18 и 19 содержат марганец или никель и предусмотрены в экструдированной форме. Эти иллюстративные варианты воплощения в соответствии с третьим сплавом по изобретению имеют структуру металла с α-фазной матрицей и как γ-, так и κ-фазами, но без β-фазы. Эти сплавы имеют тенденцию к наличию увеличенного предела прочности на растяжение по сравнению со вторыми сплавами по изобретению. ТСПИ №№15, 16, 17, 18 и 19 также показывают превосходную обрабатываемость, что продемонстрировано выходом желательных дуговых стружек или коротких прямоугольных стружек во время резания на токарном станке и резания сверлом. Кроме того, сила резания, требуемая для обработки ТСПИ №№15, 16, 17, 18 и 19, является умеренной (то есть примерно от 112 до 129 Н). С другой стороны, СС №20 представляет собой сплав, который не удовлетворяет соотношению формулы (1). Следовательно, обрабатываемость этого сплава не является промышленно удовлетворительной, и сплав выдает нежелательные спиральные стружки, имеющие 3 или более витков.
[0126] ТСПИ №№21, 22, 23 и 24 показывают, что не все третьи сплавы по изобретению имеют промышленно удовлетворительную обрабатываемость. Например, ТСПИ №№21 и 23 имеют чрезмерное количество β-фазы (то есть β-фаза составляет 10%, что>5% β-фазы). Во время резания ТСПИ №21 выдает нежелательные спиральные стружки с более чем 3 витками. ТСПИ №23 выдает нежелательные спиральные стружки с более чем 3 витками во время резания сверлом и нежелательные длинные стружки во время резания на токарном станке при более высоких скоростях. Вместе с тем, ТСПИ №24 соответствует термически обработанной форме ТСПИ №23. ТСПИ №24 имеет только 3% β-фазы вследствие преобразования β-фазы в γ- и/или κ-фазы во время термической обработки. ТСПИ №24 имеет превосходную промышленно удовлетворительную обрабатываемость. ТСПИ №22 включает небольшое количество железа (Fe=0,35 процента по массе) и выдает желательные пластинчатые стружки во время резания на токарном станке, но нежелательные прямоугольные стружки средней длины во время резания сверлом. Поэтому ТСПИ №22 проявляет обрабатываемость, которая не является промышленно удовлетворительной.
[0127] CA №№от 25 до 30 показывают различные недостатки сплавов Cu-Zn согласно уровню техники. СС №№25, 26 и 28 не имеют ни кремния, ни γ- и/или κ-фаз и имеют относительно высокое количество свинца. В то время как эти металлические сплавы имеют промышленно удовлетворительную обрабатываемость, это достигается посредством относительно высокого количества свинца. Как результат, выщелачиваемость свинца является высокой при содержаниях свинца в продуктах выщелачивания 0,35, 0,29 и 0,39 мг/л, соответственно, что является неприемлемо высоким для промышленного применения, например, в системах для снабжения питьевой водой. СС №27, с другой стороны, имеет чрезмерное количество меди и структуру металла, содержащую 85% κ-фазы. Это означает, что имеется только примерно 15% альфа-фазы, поэтому СС №27 не имеет альфа-фазной матрицы. Как можно видеть из Таблицы 2, СС №27 не имеет промышленно удовлетворительной обрабатываемости. СС №29 представляет собой сплав с низкими количествами меди, высокими количествами цинка и свинца. При этом СС №29 показывает пониженные характеристики обрабатываемости, когда скорость резания на токарном станке возрастает (то есть от 60 до 120 до 200 м/мин, выданные стружки изменяются от дуговых до пластинчатых до промежуточных прямоугольных стружек). Помимо того, что СС №29 не имеет промышленно удовлетворительной обрабатываемости, он также имеет высокую выщелачиваемость свинца с содержанием свинца в продукте выщелачивания 0,21 мг/л. Наконец, СС №30 представляет собой сплав Cu-Zn, не имеющий кремния и имеющий лишь низкие количества свинца (то есть свинец составляет 0,01 процента по массе). Этот сплав, однако, имеет альфа-фазную матрицу с 10% диспергированной в ней β-фазы. Здесь нет γ- и/или κ-фаз. Поскольку СС №30 не имеет ни высоких количеств свинца, ни γ- и/или κ-фаз, он представляет собой сплав с чрезвычайно плохой промышленной обрабатываемостью.
[0128] CA №№от 25 до 30 показывают сложные, многофакторные воздействия элементного состава, содержания свинца и структуры металла на обрабатываемость сплавов Cu-Zn. В то время как высокие количества свинца могут улучшить обрабатываемость, это достигается за счет высокой выщелачиваемости свинца. С другой стороны, сплавы Cu-Zn с низким содержанием свинца имеют тенденцию иметь структуры металла, которые не обеспечивают промышленно удовлетворительную обрабатываемость. С другой стороны, первые сплавы по изобретению, вторые сплавы по изобретению и третьи сплавы по настоящему изобретению пользуются преимуществом синергетического действия между относительно небольшим количеством свинца (то есть от 0,005 вплоть до, но менее чем 0,02 процента по массе свинца) и присутствием улучшающих обрабатываемость γ- и/или κ-фаз в альфа-фазной матрице, с получением промышленно удовлетворительных металлических сплавов Cu-Zn, которые являются безопасными для окружающей среды, поскольку из них не выщелачиваются заметные количества свинца.
[0129] Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на определенные предпочтительные варианты воплощения, специалист в данной области техники обнаружит, что могут быть сделаны добавления, исключения, замены, модификации и усовершенствования, в то же время оставаясь в пределах сущности и объема настоящего изобретения, как они определены прилагаемой формулой изобретения.