相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年3月18日提交的美国临时专利申请第62/134,731号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
背景技术：
本发明涉及铜-镍-锡-锰合金。
用于石油勘探和生产的铜合金必须表现出高冲击韧性(例如至少20ft-lbs)。在冶金学中，术语“韧性”是指合金吸收能量并且在没有断裂的情况下塑性变形的能力。因此，韧性需要强度和延展性的平衡。合金也可能暴露于腐蚀性材料如硫化氢(h2s)和有害环境，如高轴承磨损和摩擦。硫化氢是一种无色气体，具有类似腐烂的鸡蛋的臭味。除了具有高腐蚀性之外，硫化氢比空气重，有剧毒，易燃，易爆。此外，飞机着陆系统需要在起飞和着陆期间对低速度、高负载滑动轴承力具有高抵抗力。
需要开发具有高冲击韧性、耐腐蚀性和耐轴承磨损和摩擦的新合金。
技术实现要素：
本发明涉及铜-镍-锡-锰合金。该合金表现出高冲击韧性和良好的耐腐蚀、耐磨和耐摩擦性，特别的是，这些特性能通过制造变形(冷加工)得到增强。
在实施例中公开了一种包含铜、镍、锡和约1.9wt％至约20wt％的锰的合金。
在一些实施例中，镍的量为约5wt％至约25wt％，和/或锡的量为约5wt％至约10wt％。
锰的量可为约1.9wt％至约10wt％，包括约1.9wt％至约5wt％、约1.9wt％至约2wt％、和约2.0wt％至约10wt％。
其它实施例公开的是包含铜-镍-锡-锰合金的制品。所述锰在所述合金中的量为约1.9wt％至约20wt％。
所述制品可以选自衬套、仪器壳体、连接器、扶正器、紧固件、钻铤、用于塑料成形的模具、焊接臂、电极和经认证的锭(certifiedingot)。
在一些实施例中，所述制品是带状、棒状、条状、管状或板状。
所述合金可以包括约5wt％至约25wt％的镍和约5wt％至约10wt％的锡。
可选地，所述制品具有超过约5英寸的至少一个尺寸。
所述制品可以是飞机着陆系统或其部件。
另外的实施例公开了制备制品的方法。所述方法包括提供一种铜-镍-锡合金；并且基于所述制品的总重量，向铜-镍-锡合金中添加0.2-20wt％的锰。
可选地，所述方法还包括对所述制品进行冷加工。
在一些实施例中，所述制品中所述镍的量为约5wt％至约25wt％，和/或所述制品中所述锡的量所述制品的量为约5wt％至约10wt％。
所述锰的量为约0.2wt％至约10wt％，包括约0.2wt％至约5wt％，约0.2wt％至约2wt％，以及约0.2wt％至约1.9wt％。
下文将详述本发明的这些和其他非限制性特征。
附图说明
以下为附图的简要说明，其目的是举例说明在本文中公开的实施例，而不是用于限制其范围。
图1为表示本公开的示例性方法的流程图。
具体实施方式
参考附图可对本文公开的部件、过程和装置有更全面的理解。这些附图仅仅是示意性的表面，是为了使得本公开的呈现更方便和简单，因此并未刻意表明其中设备或部件的相对大小和尺寸，和/或不限定或限制示例性实施例的范围。
为了清楚起见，以下描述中使用了具体术语，但是这些术语仅用于指代图中示例性实施例的特定结构，并不限定或限制发明内容。在附图和下面的描述中，可以理解的是，相似的数字标号指代功能相似的部件。
单数形式“一”和“所述”包括复数指示物，除非上下文另有明确规定。
本申请的说明书和权利要求书中的数值应当理解为包括：当减少到相同位数的有效数字时成为相同数值的数值，以及虽然不同于上述记载的数值但是小于本申请所述用于测定数值的常规测量技术的实验误差的数值。
本文公开的数值范围包括所述端点并且可独立组合(例如，“2克至10克”的范围包括端点2克和10克，以及所有中间值)。本文公开的数值范围的端点和任何值不限于精确的范围或值；这些范围和值基本上并不精确，可包括与这些范围和/或值近似的值。
由诸如“约”和“基本上”等术语修饰的值可不限于指定的精确值。表示近似情况的语言可以对应于用于测量该值的仪器的精度。修饰语“约”也应被视为公开由两个端点的绝对值定义的范围。例如，“约2至约4”的表述也公开了“从2到4”的范围。
在本文中，术语“旋节状合金”是指其化学组成使得其能够经历旋节分解的合金。术语“旋节状合金”是指合金化学，而不是物理状态。因此，“旋节状合金”可能已经经历或可能没有经历旋节状分解，并且可能处于或不处于旋节分解的过程中。
图1示出了用于制造制品的示例性方法100。所述方法100包括：使铜-镍-锡合金熔化110；基于制品120的总重量，向所述铜-镍-锡合金中添加0.2-20wt％的锰；铸造合金125；可选地，固溶退火130；可选地，对制品进行冷加工140；以及可选地，热处理制品150。
所述铜-镍-锡合金可以是旋节状合金。
制备一批适当比例的铜、镍和锡之后，熔化110其组合。所述熔化110可以在与期望的固化产物构型尺寸匹配的气燃、电感应或电弧炉中进行。通常，熔化温度为至少约2057°f，过热取决于铸造工艺，并且在150至400°f的范围内。
锰的添加120可以通过在至少约2100°f，优选在约2200至约2350°f的温度范围内，将锰熔化到熔体中。
接下来，所述合金被铸造125。合金的铸造可以在熔融温度稳定之后进行，同时通过适当过热，加工成连续的铸造坯料或形状。此外，铸造还可以用来制备锭、半成品、近净部件、喷丸、预合金粉末或其它离散形式。
在一些实施例中，在所述熔化110、添加120和/或固溶退火130期间加入一些镁，以降低合金的氧含量。形成的氧化镁可以从合金块中除去。
还可以通过加工硬化(例如，冷加工140)和/或旋节时效处理来改善强度。这些特征提高了整体的强度-延展性，同时改进了其它性能，如强度-冲击韧性、耐腐蚀性和轴承质量。
冷加工是通过塑性变形来强化金属。通常在低于其再结晶温度的温度下挤压、弯曲、拉伸或剪切所述金属可实现所述效果。例如，所述合金可被锤击、拉伸和以其他方式形成。这一冷加工过程可增加由所述合金形成的所述制品的硬度、屈服强度和/或拉伸强度。
旋节时效/分解的机理是多个组分分离成具有不同化学组成和物理性质的不同区域或微结构。特别是在相图的中心区域具有体相组成的晶体经历的出溶过程。在本发明的所述合金的表面处的旋节线分解导致表面硬化。
热处理的旋节线结构保持原始几何形状，并且由于原子尺寸相似，所述制品在热处理期间不变形。
所述铜-镍-锡合金可以是旋节状合金。在大多数情况下，旋节状合金在它们的相图中表现出异常，称为混溶性间隙。在所述混溶性间隙的相对较窄的温度范围内，原子排列发生在现有的晶格结构内。所得到的两相结构在明显低于所述间隙的温度下是稳定的。
铜-镍-锡旋节状合金在海水和酸性环境中表现出诸如高强度、优异的摩擦学特性以及高耐腐蚀性等有益特性。母材金属的屈服强度的增加可能由所述铜-镍-锡合金中的旋节线分解引起。
与常规的高性能亚铁、镍和钛合金相比，铜合金具有非常高的导电和导热性。传统的铜合金很少用于对硬度要求较高的应用中。然而，铜-镍-锡旋节状合金在硬化铸造和锻造条件下均具有高硬度和高导电性。
可以使用惰性气体(例如，包括氩和/或二氧化碳/一氧化碳)和/或使用保护性盖(例如蛭石、氧化铝和/或石墨)来保持中性或还原条件以保护可氧化的元素。
可以在初始熔化之后加入活性金属，如镁、钙、铍和/或钨，以确保低浓度的溶解氧。
通过适当的过热而熔融温度稳定化之后，通过铸造而形成连续铸造的坯料、零件或喷丸。
可选地，在约1350至约1625°f的温度下，进行约1至约12小时的固溶退火130。
冷加工140是指低于再结晶温度下使金属机械变形。当变形量增加时，所述金属变得更难变形。换句话说，材料是加工硬化的或应变硬化的。此步骤是可选的。
任选地，可以通过热处理150进一步强化所述金属。在一些实施例中，所述热处理包括在约600至约950°f的温度范围内再加热约1至约8小时以进行硬化。
所述镍的量可为约5wt％至约25wt％，包括约10wt％至约20wt％和约15wt％。在更具体的实施例中，所述镍的量可为约8wt％至约16wt％，约14wt％至约16wt％，约8wt％至约10wt％，或约10wt％至约12wt％。
所述锡的量可为约5wt至约10wt％，包括约6wt％至约9wt％和约7wt％至约8wt％。在更具体的实施例中，所述锡的量可为约5wt％至约9wt％，或约7wt％至约9wt％，或约5wt％至约7wt％。
所述锰的量可以至少为约0.2wt％，包括至少约0.5wt％，至少约1wt％和至少约1.5wt％。在更具体的实施例中，所述锰的量可为至少4wt％，至少5wt％，约4wt％至约12wt％，约5wt％至约21wt％，约16wt％至约21wt％，或约19wt％至约21wt％。在一些实施例中，所述锰的量至多10wt％，包括至多5wt％，至多3wt％，至多2wt％，至多1.9wt％，至多1.8wt％，至多1.7wt％，至多1.6wt％，以及至多1.5wt％。
在一些具体实施例中，所述铜-镍-锡-锰合金含有约7wt％至约9wt％的镍和约5wt％至约7wt％的锡。这些实施例还将含有约0.2wt％至约21wt％的锰，余量为铜。可特别预期的是这些实施例可以含有约5wt％至约21wt％，约16wt％至约21wt％，或约19wt％至约21wt％的锰，余量为铜。
在其它具体实施例中，所述铜-镍-锡-锰合金含有约14wt％至约16wt％的镍和约7wt％至约9wt％的锡。这些实施例还将含有约0.21wt％至约21wt％的锰，余量为铜。可特别预期的是这些实施例可以含有约5wt％至约21wt％，约16wt％至约21wt％，或约19wt％至约21wt％的锰，余量为铜。
所述合金还可以包括一种或多种其它金属，例如铍、铬、硅、钼、铁和锌。
在一些实施例中，所述铜合金含有约1wt％至约5wt％的铍。
所述铜合金可以含有约0.7wt％至约6wt％的钴。
在具体实施例中，所述合金包括约2wt％的铍和约0.3wt％的钴。
在其它实施例中，所述合金可含有约5wt％至约7wt％的铍。
所述铬在所述合金中的量为小于约5wt％，包括约0.5wt％至约2.0wt％和约0.6wt％至约1.2wt％。
所述制品可以是条状、棒状、带状、管状或板状。
在一些实施例中，所述制品是衬套、仪器壳体、连接器、扶正器、紧固件、钻铤、用于塑料成形的模具、焊接臂、电极、铸造部件(castcomponent)或经认证的锭。所述制品可以是飞机着陆系统或其部件。
应当理解的是，上述公开内容和其它特征以及功能的变体或其替代方案可以组合到许多其它不同的系统或应用中。本领域技术人员后面可以进行各种目前无法预测的或意料之外的替代方案、修改、变化或改进，这些方案仍由所附权利要求涵盖。