专利名称：铜基合金及其制造方法以及铜基合金制气化器等的耐高温性部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及在大气中高温下使用的各种金属部件或制品，例如适合气炉、喷灯头、石油热风风扇加热器的气化器或喷嘴、风扇加热器的固定件等构成材料用的铜基合金及其制造方法以及铜基合金制气化器等的耐高温性部件。
例如，特公昭51-20375号公报中的铜合金是含有Cu63.0～66.0重量％、Sn 1.2～2.0重量％、Ni2.0重量％以下的铜合金，这样通过提高Cu或Sn的含量且加入Ni使α相增多，提高耐腐蚀性或拉伸强度、伸长、耐力与被削性的机械性能。此时，通过再添加Be0.1重量％以下，使合金组织均匀化，或者发挥脱酸剂，防锌发烟剂的作用。
特开平11-241809号公报中的黄铜制气化器，是通过使之含有Sn0.8～4.0重量％，形成有Sn的氧化膜，降低CuO或ZnO对过热到400℃左右的气化器表面的粘附。
另外，特开2000-239763号公报中的黄铜合金是通过使之含有Al0.3～2.0重量％，形成有Al的氧化膜，提高耐高温氧化性或高温变形强度等。
然而，特公昭51-20375号公报，特开平11-241809号公报，对耐高温氧化性及耐高温变形等的高温特性虽然有某种程度的提高，但很难说能充分获得实际使用要求的高温特性。
另外，特开2000-239763号公报在添加Al时，不仅不能满足这些的高温特性，而且存在使热加工性明显变差、且切削性恶化同时热锻造性也降低等的缺点。
此外，上述的公报等，在高温下利用黄铜时，例如，黄铜制的气化器，由于使用封在主体中的加热器，通常成为400～500℃左右的高温状态，其表面附近的金属组织容易产生脱锌现象，该锌与氧结合的氧化锌或氧化铜等的氧化物作为膜粘附在气化器表面。这些氧化膜导致加热器对气化器主体的热传导率的降低，同时由于气化器表面的变色或产生氧化膜的剥离等，外观上也不好看。另外，由于高温，气化器主体的加热器封止部分产生变形，加热器有可能从气化器主体上脱落掉。
为了达到上述目的，有关权利要求1的发明是通过添加Sn和Be，具有耐高温氧化性且提高耐高温变形特性的铜基合金。
有关权利要求2的发明是作为至少含有Cu58.5～62.0重量％、Sn0.5～2.1重量％、Be0.05～0.1重量％及Zn、热锻造性或切削性、尤其是耐高温氧化性、耐高温变形等的高温特性好的黄铜的铜基合金。
有关权利要求3的发明是具有作为耐高温变形特性的、支撑距离120毫米的棒状、负载应力8.3～8.5牛顿/毫米2的状态下，500℃加热20分钟后的最大变形量为1.0毫米以下特性的铜基合金。
有关权利要求4的发明是铜基合金的制造方法，其中，熔炼规定成分的铸块后，在650～720℃加热后，通过热挤出加工成棒材，将该棒材空冷到常温后，再在650～750℃加热，然后，将其热锻造，再通过切削加工细部而制造气化器等部件。
有关权利要求5的发明是铜基合金的制造方法，其中，熔炼规定成分的铸块后，在650～720℃加热，通过热挤出加工成棒材，将该棒材空冷到常温后，按10～20％的断面收缩率拉伸、矫正，再进行切削加工，或者按10～20％的断面收缩率拉伸、矫正后，在250～400℃加热，空冷到常温后，通过切削加工而制造气化器等部件。
有关权利要求6的发明是使用权利要求1～5的任何一项所述的铜基合金制造气化器等部件或制品的铜基合金制气化器等的耐高温性部件。
图2是本发明高温强度试验的简略图。
图3是表示本发明制造工序一个例子的流程图。
图4是表示本发明制造工序另一个例子的流程图。
图5是表示其他发明中使用铜基合金的气化器的正面图。
图6是表示封堵加热器时的图5的沟状部分附近的放大立体图。
图7是表示封堵加热器前的图5的沟状部分附近的放大立体图。
图8是表示实施例高温强度试验结果的照片。
图9是表示比较例高温强度试验结果的照片。
图10是表示实施例中高温氧化试验后的氧化膜厚度状况的照片。
图11是表示比较例中高温氧化试验后的氧化膜厚度状况的照片。
图12是表示实施例中高温氧化试验后的氧化膜剥离状况的照片。
图13是表示比较例中高温氧化试验后的氧化膜剥离状况的照片。
图14是表示实施例的缩锻试验结果后的状态的照片。
图15是表示比较例的缩锻试验结果后的状态的照片。
图16是表示实施例中切削试验时主分力变动状况的曲线图。
图17是表示比较例中切削试验时主分力变动状况的曲线图。
本发明的铜基合金是通过在合金内添加Sn和Be而使之具有耐高温氧化性且提高耐高温变形特性的铜基合金，图1表示该铜基合金中Sn与Be含量的比例关系，用虚线围起的A的范围是本发明中Sn与Be的含量比例，表示耐高温变形量的关系。
在该图中，从①到⑧与后述实施例所示本发明合金的序号相符，55序号表示比较例的合金。此时，在后述的图2中采用高温强度试验的①的高温变形量是0.5毫米，②的高温变形量是0.7毫米，③的高温变形量是0.9毫米，④的高温变形量是1.0毫米，⑤的高温变形量是3.0毫米，⑥的高温变形量是3.7毫米，⑦的高温变形量是9.3毫米，⑧的高温变形量是11.2毫米，比较例合金55的高温变形量是20.0毫米。而且①、②、③与⑥的情况下，后述的耐高温氧化性评价试验后的氧化膜是5微米以下。由该关系结果发现，即使不添加Be，增加Sn的含量，高温强度也提高，但通过添加Be，其效果倍增。即，分别适量含有Be和Sn时，可得到高温强度好的黄铜合金。
另外，作为本发明中铜基合金的一个例子，是作为至少含有Cu58.5～62.0重量％、Sn0.5～2.1重量％、Be0.05～0.1重量％及Zn、热锻造性或切削性好，尤其是上述的耐高温氧化性、耐高温变形等的高温特性好的黄铜的铜基合金。
作为锻造用材料，在使用该铜基合金制造成型部件时，使用Cu-Sn合金及Cu-Be合金熔炼规定成分的铸块(坯段或锭块)后，在650～720℃加热，通过热挤出加工成为棒状，把该棒材空冷到常温，矫正后，将其再在650～750℃加热，然后，将其热锻造，再切削加工细部(参照图3a)，或把热挤出加工成棒状的棒材空冷到常温，按10-20％的断面收缩率拉伸、矫正，将其再在650～750℃加热，然后，将其热锻造，再通过切削加工细部(参照图3b)，制造气化器等的部件。再者，作为一个例子，把表示制造工序的流程图示于图3。采用这种制造方法，用与JIS C3771等一般黄铜材料同等的锻造、切削加工，可制得耐高温氧化性、耐高温变形等的高温特性好的部件。
另外，作为切削用材料，在使用该铜基合金制造成型部件时，使用Cu-Sn合金及Cu-Be合金熔炼规定成分的铸块(坯段或锭料)后，在650～720℃加热，通过热挤出加工成为棒状，把该棒材空冷到常温，按10～20％的断面收缩率拉伸、矫正，再进行切削加工(参照图4a)，或者按照10～20％的断面收缩率拉伸、矫正后，在250～400℃加热，空冷到常温后，通过切削加工(参照图4b)制造气化器等的部件。作为一个例子，把表示制造工序的流程图示于图4。
再者，将上面断面收缩率的计算式示于数1。数1r=A0-AnA0×100(%)]]>r断面收缩率(％)Ao拉拔前材料的截面积An拉拔后材料的截面积然后，说明构成本发明的铜基合金的各成分。
为了提高热加工性及高温时的耐氧化性而添加铜。此时，为了获得良好的热锻造性，优选添加58.5～60.0重量％，而为了获得良好的耐高温氧化性，优选加大添加量。若考虑上述的特性，优选添加58.5～62.0重量％。
为了提高耐脱锌性且使高温下的强度增加，添加Sn。Sn的添加量增加时，硬而脆的第3层r层析出，使锻造性或热加工性、切削性恶化。为了具有良好的热加工性且获得高温下的强度，边抑制Sn的含量边添加适量的Be是有效的。考虑耐脱锌性和提高高温下的强度，将Sn的成分范围规定为0.5～2.1重量％，为了进一步提高热加工性、切削性，优选添加0.5～1.0重量％。
添加Be的目的是防止在暴露于大气中的高温下时，在合金表面形成极薄而致密的氧化膜，防止脱锌等的合金基底材料的氧化。通过与适量的Sn共存，可显著地提高高温下的强度。而Be的添加量增加后，切削性及热加工性恶化，同时材料成本也上升。因此，优选Be的含量为0.05～0.1重量％，另外，为了形成更致密的氧化膜，优选0.08～0.1重量％，可进一步提高高温时的耐脱锌性。
Pb是作为用于提高切削性的有效元素优选添加的，但为了获得规定的热加工性，必须抑制含量。另外，Pb因为在高温下容易被氧化，对高温强度的降低也有影响，故优选Pb的含量为1.0～2.5重量％。
再者，也可添加0.7～2.5重量％的Bi代替Pb，该添加范围的理由是，Bi低于0.7重量％时切削性降低，而超过2.5重量％时拉伸强度、伸长率、热锻造性及热加工性降低。其中在热锻造用黄铜的情况下，Bi低于1.0重量％时，由于不能获得切削加工性，所以优选将下限值规定在1.0重量％。
另外，添加Al的情况下，该Al形成氧化膜，作为提高高温下的耐氧化性的元素有效，但为了预防明显地阻碍热加工性，优选为0.05重量％以下。
具体地表示本发明中铜基合金的耐高温变形特性时，具有如下特性使铜基合金本体为支撑距离120毫米的棒状，在负载应力8.3～8.5牛顿/毫米2的状态下，500℃加热20分钟，通过如图2所示后述的高温强度试验进行评价时，加热后成为最大变形量的中心附近的变形量为1.0毫米以下。
图5是表示使用本发明铜基合金的气化器的正面图，10是气化器本体，11是用于喷出燃料的喷嘴。在该本体10上设有用于容纳加热器(电热丝)14的沟状部分12，在该沟状部分12的开口侧形成作为容纳加热器14的容纳口的开口部位。
安装加热器14时，通过在沟状部分12内容纳加热器14的状态下利用敛缝等的方法使开口部位端部变弯而形成封堵片13，如图6所示利用该封堵片13把加热器14封堵固定在沟状部分12内。
把试验中使用的实施例(本发明合金)No.1～8的合金化学成分值示于表1，把比较例No.51～57的合金化学成分值示于表2。
表1合金化学成分值(实施例)
表2合金化学成分值(比较例)
实施例的合金No.1～8或比较例的合金No.55中的各Sn-Be的含量比例与图1的圆圈数字相对应。
作为实施例与比较例的试验，分别进行有关耐高温变形强度、耐高温氧化性、热锻造性及切削性的试验。表3列出实施例1～8的各试验的评价结果，表4列出比较例51～57的各试验的评价结果。
表3评价结果(实施例)
(1)耐高温变形强度(变形量)以合金No.57为标准，1毫米以下为0，1～15毫米以下为△，15毫米以上为×。(2)耐高温氧化性(膜厚)5微米以下为○，5～8微米以下为△，8微米以上为×。(3)耐高温氧化性(有无膜剥离)无剥离为○，有剥离为×。(4)热锻造性(有无裂缝)无裂缝为0，有裂缝为×。(5)切削性指数90％以上为0，85～90％以下为△，85％以下为×。(6)综合评价各评价项目全是0时为◎，有1项是△时为○。但，耐高温变形强度是△时，综合评价也为△。有1项是×时，综合评价也为×。
表4评价结果(比较例)
(1)耐高温变形强度(变形量)以合金N0.57为标准，1毫米以下为○，1～15毫米以下为△，15毫米以上为×。(2)耐高温氧化性(膜厚)5微米以下为0，5～8微米以下为△，8微米以上为×。(3)耐高温氧化性(有无膜剥离)无剥离为○，有剥离为×。(4)热锻造性(有无裂缝)无裂缝为○，有裂缝为×。(5)切削性指数90％以上为○，85～90％以下为△，85％以下为×。(6)综合评价各评价项目全是0时为◎，有1项是△时为0。但，耐高温变形强度是△时，综合评价为△。另外，有1项是×时，综合评价也为×。以下说明有关各试验的试验方法及评价结果。
图2中示出为比较实施例与比较例的耐高温变形强度使用的高温强度试验的简略图。15是由本试验中的实施例，或比较例构成的试验片，试验片15是把各合金切成长130毫米、外径6毫米的圆棒，将该试验片15在间距B的长度120毫米的中央部分边加重量0.61kg的负荷16、边在500℃用加热炉加热20分钟后进行空冷，空冷后的试验片15的半径方向具有塑性变形量，评价耐高温变形强度。将其试验结果的塑性变形后的实施例(No.3)及比较例(No.51)示于图8及图9，并把本试验的评价结果示于表3及表4。
用黄铜组成的铜基合金成型图5的气化器本体10时，例如，用耐高温变形特性差的黄铜材料时，用于封堵加热器的封堵部位发生变形，有时不能充分维持固定加热器的状态，但实施例的试验结果中，其变形量在1.0毫米以下时，在其使用条件下封堵片13的变形少，可获得能充分耐受实际使用的耐高温变形强度。
因此，表3中合金No.1～4可适合气化器等的使用，但也可根据实施方案使用No.5～No.8。
以下，为了比较实施例与比较例的耐高温氧化性，进行以下的试验。
把各种材料切成外径30毫米、高20毫米的圆柱状或一边23毫米、高20毫米的六角棒，作为试验片，把该试验片用砂纸和磨光机研磨后，在大气环境气氛中的加热炉中500℃下加热500小时后，冷却到常温。冷却后材料表面具有氧化状态(膜的厚度与有无剥离)，评价耐高温氧化性，将其结果示于表3及表4。
图10及图11分别用200倍照相倍率示出在500℃下加热500小时后的实施例，比较例中氧化膜厚度的状况。而图12及图13用等倍照相倍率示出500℃下加热500小时后的实施例、比较例中氧化膜的剥离状态。
图10及图11中，作为评价方法，把各试验片的金属的氧化面固定后，用切断机切断，观察其断面的氧化膜的厚度与组织的状态。在该图中，实施例的有关氧化膜在合金表面的形成问题，得到与含有Al的铜合金(比较例中No.53)相同或更好的抑制。
另外，图12及图13中，目视观察各试验片端面的外观状态时，在含有Al的铜合金(No.53)等的比较例合金中，可看见氧化膜的剥离或变色。而本发明的实施例中则完全见不到这些现象。
以下，为了比较实施例与比较例的热锻造性，做以下的缩锻试验进行评价。
把各材料切成外径15毫米、高15毫米的圆柱状，作为试验片，把该试验片加热到试验温度(710℃、730℃、750℃、770℃)后，用压机压缩到预定的缩锻率(50％、55％、60％、65％)。根据试验片表面有无产生的裂缝评价热锻造性。
把该试验结果分别就实施例(No.3)，比较例(No.53)示于表5、表6及图14、图15。将评价结果示于表3及表4。
表5
表6
比较例中含有Al的合金(No.53)热锻造性差，而本发明的实施例具有与JIS C3771等的一般黄铜材料同等的锻造性，热锻造性方面没有问题。
以下，为了比较本发明与比较材料的切削性，进行如下外径切削的切削试验，利用其结果对被削物产生的切削阻力，评价其切削性。
把各材料切成外径30毫米、长200毫米的圆棒的试验片固定在市售的车床上，在转数1030rpm，送量0.16毫米/转，切入量1.5毫米的条件下，使用市售的超硬刀头(刀尖半径0.2毫米)进行切削加工。用应变仪测量加工时切削刀产生的切削主分力。切削性的评价，把No.52(JISC3604)的切削主分力(6.44kg)为100时的各试验片中的切削主分力的比例作为切削性指数示于表3及表4。另外，把实施例(No.3)，比较例(No.51、No.52、No.53、No.56、No.57)切削时主分力的变动示于图16及图17。
实施例可得到与作为比较例的切削用黄铜的No.52相近的切削性指数及主分力的变动状态，由该主分力的变动状态曲线也可看出，可进行平稳的切削。
由上述可以看出，根据本发明，可以获得高温特性好的材料，其具有与JIS C3771等现有的一般黄铜材料同等的热锻造性或切削性，且在400～550℃这种高温下，通过Be的致密的氧化膜的形成，抑制氧化锌等的氧化膜对合金表面粘附，兼具防止氧化膜的剥离或变色等以及难以产生变形的特性。
在如气化器等具有封堵片等突状部分的部件中使用本发明合金时，即使在高温下该突状部分的变形也少，可确实封堵加热器等的被封堵部件，可充分耐受实际的气化器等的使用，本发明适合用于铜基合金制气化器等的耐高温性部件。
另外，氧化膜不粘附，不发生喷嘴等的堵塞，可确实封堵加热器等的被封堵部件，可获得耐久性好的气化器，可广泛用于铜基合金制气化器、喷嘴等的耐高温性部件。
权利要求
1.铜基合金，其特征在于，通过添加Sn和Be，具有耐高温氧化性，且提高了耐高温变形特性。
2.铜基合金，其特征在于，是至少含有Cu58.5～62.0重量％、Sn0.5～2.1重量％、Be0.05～0.1重量％及Zn、热锻造性或切削性、耐高温氧化性、耐高温变形等的高温特性好的黄铜。
3.权利要求1或2所述的铜基合金，其特征在于，具有作为耐高温变形特性的如下特性在成为支撑距离120毫米的棒状、负载应力8.3～8.5牛顿/毫米2的状态下，500℃加热20分钟后的最大变形量为1.0毫米以下。
4.权利要求1-3的任何一项所述的铜基合金制部件的制造方法，其特征在于，熔炼规定成分的铸块后，在650～720℃加热，通过热挤出加工成为棒材，将该棒材空冷到常温后，再在650～750℃进行加热，然后，将其进行热锻造，再切削加工细部，制造气化器等的部件。
5.权利要求1-3的任何一项所述的铜基合金制部件的制造方法，其特征在于，熔炼规定成分的铸块后，在650～720℃加热，通过热挤出加工成为棒材，将该棒材空冷到常温后，按10～20％的断面收缩率进行拉伸、矫正，再进行切削加工，或者按10～20％的断面收缩率进行拉伸、矫正后，在250～400℃加热，空冷到常温后，通过切削加工，制造气化器等的部件。
6.铜基合金制气化器等的耐高温性部件，其特征在于，使用权利要求1-5的任何一项所述的铜基合金制造气化器等的部件或制品。
全文摘要
本发明提供一种铜基合金，至少含有Cu 58.5～62.0重量％、Sn 0.5～2.1重量％、Be 0.05～0.1重量％和Zn，热锻造性、切削性、耐高温氧化性、耐高温变形等高温特性显著提高，即使在高温下也能以稳定状态使用，适合制气化器等耐高温部件。
文档编号C22F1/08GK1434142SQ0215458
公开日2003年8月6日 申请日期2002年12月10日 优先权日2002年1月25日
发明者萩原光一, 山崎胜 申请人:株式会社基茨