专利名称：一种新型的铜合金及铜合金管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铜基合金，特别涉及一种高强度的铜合金及由所述铜合金制备的 铜合金管。
背景技术：
通常，制冷空调用热交换器(蒸发器、冷凝器)、连接管(室内外连机用)以及各种 铜合金管多采用磷脱氧铜(TP2)，是由于磷脱氧铜具有良好的热传导性能，且塑性好、易加 工和易焊接。目前，在空调用制冷剂市场，发展中国家大都采用HCFC (氢氯氟烃)系氟利昂，以 该系列的R22为例，管道工作压力最大为1. 5MPa, R22对地球大气臭氧层的破坏系数较大。 而欧美、日本等一些发达国家已开始全面使用对地球臭氧层破坏系数较小的HFC系氟利 昂，如R410A，管道工作压力最大2. 25MPa。此外在一些热泵热水器、大型超市的冷柜机以及 一些汽车空调领域已开始应用纯天然的更加环保的(X)2做制冷剂，管道工作压力最大达到 9 12MPa。也就是说，未来做为制冷空调用的铜合金管包括热交换器用管、连接管以及各 种铜合金管必须具有耐高压的能力，现有的磷脱氧铜合金管通过增加壁厚或许可以满足要 求，但外径不变的情况下，壁厚增加将会使铜合金管的流通面积减小，制冷剂的单位流量也 就减少，从而影响热交换能力。如果使铜合金管壁厚增加，势必使铜合金管的单重增加，若 每台空调所用的铜合金管长度不变，将会使空调的制造成本增加。因此这要求制冷用铜合 金管具有较高的强度和耐高压的性能。另外，在制作空调热交换器的过程中，制冷用铜合金管还要进行弯管、胀管和扩口 三道加工过程，而且制冷用铜合金管制作的发卡管经过扩口后要与小U型弯头焊接，焊接 温度750 850°C，加热后，局部晶粒长大，强度降低，客观上增加了从焊接处开裂的几率。 因此这些又要求制冷用铜合金管具有较好的加工性能和耐热性能。综上所述，现实中迫切需要一种铜合金，可以制备具有更薄的壁厚、更高的强度、 更良好的耐热性能和加工性能的铜合金管。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种铜合金及其制备的铜合金管，所述铜 合金管在退火状态下抗拉强度明显提高，在增加铜合金管耐压能力的同时，不因屈服(极 限)强度σ ^ 2的提高而影响铜合金管的弯管、胀管、扩口以及焊接等性能，另外该铜合金管 还具有优良的耐热性能及耐腐蚀性能。本发明主要是利用固溶强化原理，以铜为基体，选择添加适当的微量金属元素，达 到改善制冷用铜管性能的目的，以期满足空调与制冷行业对制冷用铜管的新要求。本发明的一种新型铜合金及铜合金管，其主要成分有如下组成Sn :0. 15 0. 95 质量％，P :0. 01 0. 060质量％，B :0. 001 0. 01质量％，余量有铜和其它杂质组成，杂质 含量小于0.06质量％。经过退火处理的铜合金管，其纵向抗拉强度ob> 250N/mm2，径向平均晶粒≤0.035mm，设纵向拉伸试验的屈服(极限)强度0(1.2，屈强比σ Q.2/σ b彡0. 27。 相对于磷脱氧铜制做的铜合金管，抗拉强度提高，晶粒细化，屈服(极限)强度无明显变化， 耐蚀性及耐热性良好。本发明的一种新型铜合金及铜合金管中，还可以含有综合稀土元素，0.001 0. 05质量％。此外还可以因为一些不可避免的原因而含有狗、Co、Ni、Mn、Mg、&、Cr等元素，且 总计含量< 0. 06质量％。本发明的一种新型铜合金管供货状态可以是1/2H (半硬态)，也可以是软态M或 轻软态M2，1/2H(半硬态)状态下铜合金管的纵向抗拉强度> ^ON/mm2，软态M或轻软态礼 状态下纵向抗拉强度250 ^ON/mm2之间，且不论何种状态(H、1/2H、M、M2)下，铜合金管 径向平均晶粒0. 010 0. 030mm。在750 850°C的焊接温度下，加热时间不超过1分钟后 冷却至常温，径向平均晶粒彡0. 12mm。本发明的一种新型铜合金及铜合金管相对于磷脱氧铜管，不因成分的变化降低耐 腐蚀性能，尤其耐点蚀性能。本发明的一种新型铜合金管可以是光面铜管、内螺纹铜管，还可以是制做中央空 调的外翅片管。由上可以看出，发明人通过铜合金管成分的配比调整以及耐蚀性、热传导、耐热等各种试验，并且 对铜合金管的加工性能也进行了验证后，认为在纯铜溶液里添加Sn、P、B元素，并将质量％ 控制在一定的范围之内，同时严格控制其它杂质元素的含量，可以提高铜合金管退火状态 下纵向抗拉强度到250N/mm2以上，细化铜合金管的晶粒组织，提高其耐热能力，并且不对铜 合金管的耐蚀性能造成影响。前面所述磷脱氧铜合金管优点众多，成为制冷空调用铜管的最佳选择。但随着国 际上对环保的要求越来越高以及新型制冷剂对铜合金管高耐压能力的需求，具有高抗拉强 度的铜合金管的优越性就得以体现。现有的磷脱氧铜合金管退火状态下的屈服(极限) 强度0。2与纵向抗拉强度Ob的比值(屈强比0q.2/Ob)在一个范围内，即0.27彡O0 2/ ob^0. 30, Sn以及B元素的添加将会使退火状态下铜合金管的纵向抗拉强度提高，通过调 整退火工艺，屈服(极限)强度无明显变化，屈强比OciV0b <0.27，铜合金管的加工性能 更加优良。
具体实施例方式Sn 0. 15 0. 95质量％。Sn元素的添加，不只使铜合金管的成分发生了改变，更 主要的是引起了铜合金管组织局部晶体点阵的畸变。当基体原子Cu原子与溶质原子Sn尺 寸存在差别时，局部晶体点阵畸变而引起的应变场将产生与位错交互作用的变化，最终起 到增加晶体变形抗力，产生固溶强化的效果。Sn元素是铜合金管纵向抗拉强度提高的关键 因素，同时σα2变化不大。相对于磷脱氧铜合金管，在退火状态下，相同外径相同壁厚的铜 合金管耐压能力明显提升；如果保证耐压能力相同的情况下，Sn元素的添加可以铜合金管 的壁厚减薄，达到节约材料的目的，并且不对铜合金管的其它性能产生影响。另外Sn元素 的添加可以提高铜合金的再结晶温度，抑制高温焊接时晶粒的过度增大，提高铜合金管的耐热性。若Sn含量小于0. 15质量％，退火态铜合金管的纵向抗拉强度提高有限，不能应对 新型冷媒耐高压的需求，节材效果也不明显。如果Sn含量大于质量0.95%，退火态铜合金 管的纵向抗拉强度提高明显，但屈服(极限)强度提高幅度更大，。a2/ob>0.30，铜合金 管材质明显偏硬，易造成弯管时外侧开裂和扁管，扩口时阔口裂现象较多。Sn含量优选范围 0. 30 0. 70 质量 ％。P :0.01 0.06质量％。P元素在铜合金中属于一种脱氧剂，以P-Cu的形式加入， 能防止氧化物的产生，减少铸件内地气孔现象产生。另外，P还能提高熔体的流动性，对铜的 力学性能尤其是焊接性能有良好的影响。若P含量小于0.01质量％，脱氧不足，导致铸件 内缺陷增多，铜合金管拉伸过程废料增多。如果P含量大于0. 060质量％，导热性和导电性 明显下降，且易产生应力腐蚀引起的开裂现象。P含量的优选范围0. 014 0. 045质量％。B 0. 001 0. 01质量％。B元素是一种非常好的晶粒细化剂，辅助铜合金管抗拉 强度的提高，延长铸造过程中石墨模具的使用寿命，同时可以阻止焊接过程中晶粒增长过 大，抑制焊接部位强度降低，减少从焊接处开裂现象。以B-Cu合金的形式加入，由于高温 铸造过程中烧损严重，不宜加入过早。B含量小于0.001质量％，达不到细化晶粒的效果。 B含量大于0. 01质量％，细晶效果与0. 01质量％类似，铜管成本增加。B含量的优选范围 0. 003 0. 01 质量 ％。稀土元素0. 001 0. 05质量％。稀土元素在冶金工业中被称作金属材料的“维生 素”，在铜合金中不仅能通过净化基体组织而起到强化作用，而且能降低合金的屈服强度， 使合金的屈强比减少，并且综合稀土的添加不降低合金耐蚀性，从而起到了提高合金综合 性能的目的。若混合稀土元素含量小于0. 001质量％，净化作用不明显，如果大于0. 05质 量％，净化作用效果趋于相同，稀土元素不能起到细化晶粒的效果反而能恶化组织，并且稀 土金属元素成为了合金元素，以第二相形式存在与基体中，同时此时的铜合金耐腐蚀性能 和热传导率下降。而且由于稀土元素价高，铜管成本也会相应的增加。杂质元素彡0.06质量％。Fe、Co、Ni、Mn、Mg、&、Cr等元素主要由于一些不可避 免的原因带入铜合金中，合计含量小于0. 06质量％，不会对合金性能产生影响，大于0. 06 质量％，合金表面易产生氧化，缺陷增多，容易使铜合金管产生开裂，降低成品率。纵向抗拉强度提高至250N/mm2以上。本发明中，Sn元素是纵向抗拉强度提升的主 要元素。退火状态下，磷脱氧铜合金管的纵向抗拉强度205 250N/mm2，本发明的铜合金纵 向抗拉强度大于250N/mm2。既能适应新型高压冷媒的需求，又能在使用现有冷媒的情况下， 减小壁厚，节约材料。径向平均晶粒0. 010 0. 030mm。Sn元素的添加也能起到细化晶粒，但真正起细 晶作用的是B元素。磷脱氧铜退火状态下铜合金管的径向平均晶粒0. 015 0. 040mm,而本 发明的铜合金管径向平均晶粒为0. 010 0. 030mm，细晶作用既辅助强度提高，又能抑制高 温焊接时晶粒过度长大。Sn、B元素在优选的范围内，合金的径向平均晶粒彡0.020mm。屈服(极限)强度σ Q2与纵向抗拉强度σ b的比值σ α2/ ob^0. 27。现有的磷 脱氧铜合金管退火状态下的屈服(极限)强度σ ^ 2与纵向抗拉强度Ob的比值在一个范围 内，即0. 27 < σ 02/ ob^0. 30，比较适宜于加工，如果大于0. 30，加工性能就会明显下降。 本发明的铜合金管经过大量的试验验证以及在客户端的批量应用，证明。C12/ ο b彡0. 27同 样加工性能优良，甚至优于磷脱氧铜合金管。但并非ob越小越好，值越小说明铜合金管状态偏软，弯管时易出现内测起皱现象，优选范围0. M < σ 0.2/ Ob^O. 27，事实上也不 可能出现σ α2/ob太小的情况。1/2Η(半硬态)状态下铜合金管的纵向抗拉强度彡^ON/mm2。本发明的铜合金管 在接近成品管尺寸的情况下，经退火工艺进行热处理，最后再进行一道次小变形量的拉伸 加工，状态即为1/2H(半硬态)状态。750 850°C的焊接温度下，加热时间不超过1分钟后冷却至常温，径向平均晶粒 (0. 09mm。现有的磷脱氧铜合金管高温焊接部位的径向平均晶粒> 0. 12mm，甚至更大，造 成焊接部位的强度明显降低。本发明的铜合金高温焊接部位的径向平均晶粒< 0.09mm，在 合金成分优选范围内，小于0. 08mm，提高了焊接部位的强度。铜合金管可以是光面铜管、内螺纹铜管，还可以是制做中央空调的外翅片管。现有 的磷脱氧铜合金管，光面铜管主要应用于制冷空调的连接管，内螺纹管则主要应用于热交 换器，外翅片管主要指一些特殊的横截面适宜于做大型中央空调的直管。本发明的铜合金 管由于其强度的提高，晶粒细化，综合机械性能明显改善，适宜于做成包含光面铜管、内螺 纹铜管和外翅片管各种铜合金管。不因成分的变化降低耐腐蚀性能，尤其耐点蚀性能。现有的磷脱氧铜在室温大气、 淡水和海水中具有耐蚀性，是用于海洋环境中的最佳材料之一。一般情况下，在纯铜里添加 合金元素会造成合金组织结构产生变化，可能引起合金局部耐蚀性能的降低，本发明的铜 合金材料Sn、B含量低，常温下类似于磷脱氧铜的组织结构，不对耐蚀性产生影响，尤其耐 点蚀性能。下面结合具体实施方式
对本发明做进一步详细的说明。本发明利用微合金化设计 的原理和方法，以铜为基体，在基体中添加适当的微量金属元素形成固溶体，到达固溶强化 的效果，从而提高合金的强度，且合金的屈强比。ο.2/ σ b彡0. 27，加工性能和耐热性能更加 优良，耐蚀性能良好。实施例1光面铜合金管本发明实施例中使用的铜合金管制备原料为电解铜板、纯Sn、磷铜CuP14及B，采 用制备工艺为本领域中常用的电磁搅拌水平连铸、三辊行星旋轧、联合拉拔、圆盘拉伸、退 火等工艺。铜合金管的金属组成为表1所示，含有Sn :0. 15 0. 95质量％，P :0. 01 0. 06 质量％，B :0. 001 0. 01质量％，余量为铜及不可避免的杂质，杂质含量小于0. 06质量％， 并且径向晶粒度为0.01 0.03mm。铜合金还可以含有混合稀土金属0. 001 0. 05质量％。具体操作如下将石墨片放入有芯感应电炉炉底，然后加入电解铜板，采用低功 率加热升温，待铜熔化后再加入烘干后的石墨片，以不见红为准；待熔体温度达到1100 1150°C后，并迅速加入纯Sn、磷铜CuP14及B，然后继续升温，在1150 1200°C下保温 30min-lh左右；待合金充分熔化后，倾倒熔化炉使熔融的铜合金液经过密闭流槽流入到 保温炉内，密闭流槽内要在倾注前3-^iin连续冲入氮气保护，倾炉完以后关闭；待倾炉 完毕，保温炉熔体达到设定的起牵温度1150 1180°C后，保温l_2h，然后由电磁搅拌水 平连铸系统牵出规格为外径为0 83mm、内径为0 40mm、长为13m的空心铸坯，正常牵引保 温温度为1150°C。其次将铜合金空心管铸坯进行三辊或四辊行星旋轧，再经联合拉拔和圆盘拉拔制成规格为0 6X0. 5mm的光面铜管。在辊底式光亮退火炉纯N2气氛下进行 (550-6500C ) X (30-120min)退火，消除内应力，使之通过冷却带而冷至室温，成为供试铜 合金管。铜合金管的力学性能检测在CMT4504型电子万能材料拉伸试验机上进行，其拉 伸试样按照国标GB228-2002《金属材料室温试验方法》的规定加工成拉伸试验试样。利 用Axioert200MAT倒置金相显微镜观察成品管的微观组织并检测其晶粒度，根据GB/T 17791-1999评价其机械性能及工艺性能。铜合金管性能评定结果如表2所示。铜合金化学组成成分如表1所示，发明例1 10铜合金化学组分范围为下表1所 述，对比例11 16和现有例TP2含量为下表1所述的铜合金表1铜合金化学成分
权利要求
1.一种铜合金，其特征在于，所述铜合金含有Sn 0. 15 0. 95质量％，P :0. 01 0. 060 质量％，B 0. 001 0. 01质量％，余量为铜及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的铜合金，其特征在于，所述杂质为元素 ^、&)、Ν 、Μη、Μβ、&、 Cr的一种或两种以上，所述元素的总含量小于0. 06质量％。
3.根据权利要求1所述的铜合金，其特征在于，所述铜合金还含有混合稀土0. 001 0. 05质量％。
4.一种抗拉强度优异的铜合金管，其特征在于，含有Sn 0. 15 0. 95质量％，P 0.01 0. 060质量％，B 0. 001 0.01质量％，余量为铜及不可避免的杂质，并且，所述 铜合金管在退火状态下，纵向抗拉强度彡250N/mm2，径向平均晶粒< 0.035mm，屈强比 0CiV0bi^O- 27。
5.根据权利要求4所述的铜合金管，其特征在于，所述杂质为元素Fe、Co、Ni、Mn、Mg、 Zr、Cr的一种或两种以上，所述元素的总含量小于0. 06质量％。
6.根据权利要求5所述的铜合金管，其特征在于，所述铜合金还含有混合稀土 0. 001 0. 05 质量 ％。
7.根据权利要求4-6中任意一项所述的铜合金管，其特征在于，所述铜合金在750 850°C的温度下，加热时间不超过1分钟后冷却至常温，径向平均晶粒彡0. 12mm。
全文摘要
本发明提供了一种抗拉强度优异的铜合金和由所述铜合金制备而成的铜合金管，其主要成分有如下组成Sn0.15～0.95质量％，P0.01～0.060质量％，B0.001～0.01质量％，余量有铜和其它杂质组成，杂质含量小于0.06质量％。经过退火处理的铜合金管，其纵向抗拉强度σb≥250N/mm2，径向平均晶粒≤0.035mm，设纵向拉伸试验的屈服(极限)强度σ0.2，屈强比σ0.2/σb≤0.27。相对于磷脱氧铜制做的铜合金管，抗拉强度提高，晶粒细化，屈服强度无明显变化，耐蚀性及耐热性良好。
文档编号F16L9/02GK102071335SQ20111003469
公开日2011年5月25日 申请日期2011年1月31日 优先权日2011年1月31日
发明者冯振国, 唐永立, 李新奎, 熊双奎, 赵金浩, 鲁长健 申请人:金龙精密铜管集团股份有限公司