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一种锡磷锌铜合金及其制备方法 0 0

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申请进展

基本信息

申请人信息

代理人信息

摘要

法律状态

权利要求

说明书

专利申请流程有哪些步骤？

申请

申请号：指国家知识产权局受理一件专利申请时给予该专利申请的一个标示号码。唯一性原则。

申请日：提出专利申请之日。

2017-06-07

申请公布

申请公布指发明专利申请经初步审查合格后，自申请日（或优先权日）起18个月期满时的公布或根据申请人的请求提前进行的公布。

申请公布号：专利申请过程中，在尚未取得专利授权之前，国家专利局《专利公报》公开专利时的编号。

申请公布日：申请公开的日期，即在专利公报上予以公开的日期。

2017-11-10

授权

授权指对发明专利申请经实质审查没有发现驳回理由，授予发明专利权；或对实用新型或外观设计专利申请经初步审查没有发现驳回理由，授予实用新型专利权或外观设计专利权。

2018-11-20

预估到期

发明专利权的期限为二十年，实用新型专利权期限为十年，外观设计专利权期限为十五年，均自申请日起计算。专利届满后法律终止保护。

2037-06-07

基本信息

有效性	有效专利	专利类型	发明专利
申请号	CN201710423487.8	申请日	2017-06-07
公开/公告号	CN107245600B	公开/公告日	2018-11-20
授权日	2018-11-20	预估到期日	2037-06-07
申请年	2017年	公开/公告年	2018年
缴费截止日
分类号	C22C9/04 、C22C1/03	主分类号	C22C9/04
是否联合申请	独立申请	文献类型号	B
独权数量	1	从权数量	6
权利要求数量	7	非专利引证数量	0
引用专利数量	8	被引证专利数量	0
非专利引证
引用专利	CN1234837A、CN105886806A、CN101215654A、CN1167162A、CN1237212A、CN101003871A、US4874439A、CN105002394A	被引证专利
专利权维持	5	专利申请国编码	CN
专利事件		事务标签	公开、实质审查、授权

申请人信息

申请人	安徽师范大学	第一申请人	安徽师范大学
专利权人	安徽师范大学	当前专利权人	安徽师范大学
发明人	孙益民、王润霞、王俊	第一发明人	孙益民
地址	安徽省芜湖市弋江区花津南路安徽师范大学	邮编	241000
申请人数量	1	发明人数量	3
申请人所在省	安徽省	申请人所在市	安徽省芜湖市

代理人信息

代理机构

专利代理机构是经省专利管理局审核，国家知识产权局批准设立，可以接受委托人的委托，在委托权限范围内以委托人的名义办理专利申请或其他专利事务的服务机构。

芜湖安汇知识产权代理有限公司

代理人

专利代理师是代理他人进行专利申请和办理其他专利事务，取得一定资格的人。

任晨晨

摘要

本发明公开了一种锡磷锌铜合金及其制备方法，含有以下重量百分比元素：锡0.095～10.000％，锌10～22％，铝1～7％，铍0.05～0.20％，磷0.10～0.40％，镍0.3％，铜余量。与现有技术相比，本发明中增加了金属铍，大大提高了合金强度；并且大幅度增加了金属锌的用量，降低了合金成本，传统的锌用量为0.05‑5％，本发明为锌10～22％；最大成本降低达19.36％；而且，本申请提供的锡磷锌铜合金性能优异，伸强度最高达到775.6MPa，伸长率达36.5％，硬度达到206HV。

摘要附图
说明书附图：图1
说明书附图：图2
说明书附图：图3
说明书附图：图4
说明书附图：图5
说明书附图：图6
说明书附图：图7
说明书附图：图8
说明书附图：图9
说明书附图：图10
说明书附图：图11
说明书附图：图12
说明书附图：图13
说明书附图：图14
说明书附图：图15
说明书附图：图16
说明书附图：图17
说明书附图：图18
说明书附图：图19
说明书附图：图20
说明书附图：图21
说明书附图：图22
说明书附图：图23
说明书附图：图24
说明书附图：图25
说明书附图：图26

法律状态

序号	法律状态公告日	法律状态	法律状态信息
1	2018-11-20	授权
2	2017-11-10	实质审查的生效	IPC(主分类): C22C 9/04 专利申请号: 201710423487.8 申请日: 2017.06.07
3	2017-10-13	公开

权利要求

权利要求书是申请文件最核心的部分，是申请人向国家申请保护他的发明创造及划定保护范围的文件。

1.一种锡磷锌铜合金，其特征在于，所述锡磷锌铜合金含有以下重量百分比元素：锡
0.095 10.000%，锌10 22%，铝1 7%，铍0.05 0.20%，磷0.10 0.40%，镍0.3%，铜余量。
~ ~ ~ ~ ~

2.根据权利要求1所述的锡磷锌铜合金，其特征在于，所述锡磷锌铜合金含有以下重量百分比元素：锡0.133%，锌18.897%，铝2.206%，铍0.057%，磷0.170%，铜79.237%，镍0.3%。

3.根据权利要求1所述的锡磷锌铜合金，其特征在于，所述锡磷锌铜合金含有以下重量百分比元素：锡1.204%，锌21.778%，铝5.547%，铍0.085%，磷0.285%，铜70.801%，镍0.3%。

4.根据权利要求1所述的锡磷锌铜合金，其特征在于，所述锡磷锌铜合金含有以下重量百分比元素：锡2.377%，锌12.165%，铝6.749%，铍0.122%，磷0.163%，铜78.124%，镍0.3%。

5.根据权利要求1所述的锡磷锌铜合金，其特征在于，所述锡磷锌铜合金含有以下重量百分比元素：锡5.448%，锌20.611%，铝6.204%，铍0.087%，磷0.382%，铜66.968%，镍0.3%。

6.根据权利要求1所述的锡磷锌铜合金，其特征在于，所述锡磷锌铜合金含有以下重量百分比元素：锡5.878%，锌15.392%，铝3.866%，铍0.052%，磷0.379%，铜74.133%，镍0.3%。

7.一种权利要求1-6任一项所述的锡磷锌铜合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1）向精密熔炼炉中加入99.9%的电解铜片或铜锭，以10℃/min速率升温，升温至1085～
1380℃，按照配方量再加入磷铜中间合金，加入完毕后，搅拌条件下保温5 15min；
~
2）配方量金属镍加热到1450 1500℃，搅拌条件下保温5 15min，维持熔融态；
~ ~
3）将熔炼炉温度升至1500 1550℃，保温5 15min，将步骤2）制备的熔融态金属镍加入~ ~
到熔炼炉中，搅拌条件下保温5 15min；
~
4）加入配方量金属铍片，体系降温至在1400 1500℃间，搅拌条件下保温5 15min；
~ ~
5）再加入配方量的金属铝，在1400 1500℃间，搅拌条件下保温5 15min；
~ ~
6）加入配方量的锌和锡，在1400 1500℃间，搅拌条件下保温5 15min；
~ ~
7）倒入标样模具中，冷却到室温后，检测其性能。

说明书

技术领域

[0001] 本发明涉及铜合金领域，具体涉及一种锡磷锌铜合金及其制备方法。

背景技术

[0002] 锡磷青铜合金具有强度高、弹性高、耐磨性能好、耐腐蚀性能好等优秀品质，其带材和其他制品、零部件机构具有良好的导电、导热性能以及有意的弹性和抗疲劳性能，其应用范围十分广泛，遍及现代科技宇航、航空、航海、电子、电讯、原子能、仪表、建筑、民用等众多领域，随着人类社会的进步，这些领域的发展对此类材料的需求日趋增加。

[0003] 与不断增加的需求形成明显反差的却是，铜资源的严重匮乏。现实数据显示铜资源开发速度不断加快，铜资源储量加速降低。与此同时，发掘的铜矿品位亦呈降低趋势，平均品位只有0.87。

[0004] 查阅截止2017年2月已发表的文献资料，多项研究停留在2001年制定的国家推荐标准GB/T 5231-2001《加工铜及铜合金化学成分和产品形状》合金配方，少数研究引用其2012年修订版GB/T 5231-2012《加工铜及铜合金牌号和化学成分》扩展补充部分内容，由于广义的锡磷青铜合金材料配方较为复杂，单项研究难以完成大量实验研究，现有文献包括专利存在着以下不足之处：(1)简单配方特点：所研究的成分量的变化呈同时增加或减少，或一个量增加一个量减少，方向单调，不能够较为全面覆盖研究的金属元素范围，偏废较大；(2)采用成分量的变化控制性能的研究不足，即不能在相同工艺下，通过改变成分的量来改变、影响或控制性能。(3)现有锡磷青铜合金的成本比本发明配方计算的成本高。

发明内容

[0005] 为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种锡磷锌铜合金，减少铜元素的用量，降低成本，制备能够替代锡磷青铜合金的新型合金材料，在维持锡磷青铜合金正常物理性能基础上，研究复杂配方，即在研究范围内各种元素独立变化，发现复杂规律，通过调控配方满足用户对性能的不同要求的需求，不一味追求高性能，更现实地注重成本。

[0006] 本发明还提供了一种锡磷锌铜合金的制备方法，根据元素含量比及产品性能设计，制备的产品性能优异、成本低。

[0007] 本发明提供的一种锡磷锌铜合金，含有以下重量百分比元素：锡0.095～10.000％，锌10～22％，铝1～7％，铍0.05～0.20％，磷0.10～0.40％，镍0.3％，铜余量。

[0008] 本发明提供的一种锡磷锌铜合金的制备方法，包括以下步骤：

[0009] 1)向精密熔炼炉中加入99.9％的电解铜片或铜锭，以10℃/min速率升温，升温至1085～1380℃，按照配方量再加入磷铜中间合金，加入完毕后，搅拌条件下保温5～15min；

[0010] 2)配方量金属镍加热到1450～1500℃，搅拌条件下保温5～15min，维持熔融态；

[0011] 3)将熔炼炉温度升至1500～1550℃，保温5～15min，将步骤3)制备的熔融态金属镍加入到熔炼炉中，搅拌条件下保温5～15min；

[0012] 4)加入配方量金属铍片，体系降温至在1400～1500℃间，搅拌条件下保温5～15min；

[0013] 5)再加入配方量的金属铝，在1400～1500℃间，搅拌条件下保温5～15min；

[0014] 6)加入配方量的锌和锡，在1400～1500℃间，搅拌条件下保温5～15min。

[0015] 7)倒入标样模具中，冷却到室温后，检测其性能。

[0016] 本发明中提供的锡磷锌铜合金所含元素：铜、锡、锌、铝、铍、磷和镍。其中铜为合金基材，主要导电导热和结构材料；锡在铜中的溶解度较大，重量可调范围较大，锡的加入提高了合金材料的强度、耐磨性、耐蚀性；锌在铜中的溶解度可高达40％，可以形成连续固溶体，结合强度高，降低了合金成本；铝与铜的互溶性也较大，导电性仅次于铜，可以大幅度降低合金成本；铍对铜的强化最为显著，热处理后的铍铜强度，可达纯铜的4-5倍，并且可以大幅度提高合金的弹性、弹性极限，屈服极限和疲劳极限，同时又可使合金具有高的导电率，导热率，高硬度和耐磨性，高的蠕变抗力及耐蚀性；镍与铜可以无限互溶，与铜形成连续固溶体，具有宽阔的单相区，明显地提高铜的机械性能、耐蚀性能，与其它金属材料相比较，仍具有优良的导电和导热性能，采用铍时需要考虑加入少量的镍0.3％；磷是最有效、成本最低的脱氧剂，微量磷的存在，可以提高熔体的流动性，改善铜及合金的焊接性能、耐蚀性能、提高抗软化程度，低磷铜合金板、带材在电子和化工工业中广泛应用，集成电路引线框架铜带也大量使用低磷铜合金；共晶成份的磷铜合金，是优良的焊接材料，高磷铜合金在高温下具有超塑性，可热挤成焊丝，是焊接铜及铜合金、钢和铜零件的重要材料。

[0017] 与现有技术相比，本发明系统研究了各成分量用量(比例)控制对性能的影响规律：如：①当控制锡的用量为5％、锌的用量为22％、铝的用量为1％、铍的用量为0.09％、磷的用量为0.1％时可得到拉伸强度为470MPa、伸长率为20.2％、硬度为79.7HV性能的合金；②当控制锡的用量为6％、锌的用量为19.6％、铝的用量为1％、铍的用量为0.09％、磷的用量为0.1％时可得到拉伸强度为473MPa、伸长率为19.7％、硬度为83.0HV性能的合金。本发明可以给出在实验数据范围内任意元素比例对拉设强度等三个技术指标的影响规律。原理是采用大数据研究方法，找出了在试验范围内各成分量用量(比例)控制对性能的影响规律；其作用是可以指导此类合金的靶向设计，意义重大，附图中表述的规律正是表明的以有益效果的。举例说明：以图10为例，随着金属铍用量比例的增加合金的拉伸强度是增加的，但是随着其他成分用量的不同这种增强的作用力度是不同的，图10具体研究了给出了在锡用量从0.095％增加到10％过程中铍用量比例增加影响力度，当锡的用量为0.095％～4％时，铍的用量增加对合金拉伸强度值的增大提升速度很快，大于锡的用量为4％～10％时的情况，意味着在锡用量较少时，铍的增加效果更好，提示我们可以少用一些锡。当然作为一个复杂系统这里是在规定了锌的用量为16％、铝的用量为5％、磷的用量为0.25％、铜余量时的研究；如果这些锌铝磷用量有改变，本发明也可以给出铍用量在不同锡用量时对合金拉伸强度提升的结果，但鉴于篇幅，没有一一列出。目前类似研究未见报道。

[0018] 说明书选择的有限附图，每一幅都是对某个规律的描述。

[0019] 整体上说，本发明中增加了金属铍，大大提高了合金强度及其他机械性能；大幅度增加了金属锌的用量，降低了合金成本，传统的锌用量为0.05-5％，本发明为锌10～22％；最大成本降低达19.36％；而且，本申请提供的锡磷锌铜合金性能优异，伸强度最高达到
775.6MPa，伸长率达36.5％，硬度达到206HV。

实施方案

[0046] 实施例1

[0047] 一种锡磷锌铜合金，其各元素的重量百分比如下表1所示；

[0048] 一种锡磷锌铜合金的制备方法，包括以下步骤：

[0049] 1)配置1500g样品为例计算：向精密熔炼炉中应加入99.9％的电解铜片比例79.630％，即1500g×79.630％＝1194.45g，因需要扣除加入磷铜中间合金中的铜量，实际加入为：1194.45g-43.875g＝1150.575g电解铜片，以10℃/min速率升温，升温至1280～
1380℃，加入0.325％磷，即加入含10％磷的磷铜中间合金，即1500×0.325％/0.1＝48.75g磷铜中间合金(其中含铜量为48.75-4.875＝43.875g)，在达到1280～1380℃温度后，搅拌，维系10min。

[0050] 2)按比例称取金属镍0.300％，即4.5g，在马弗炉中加热到1500℃，搅拌，维系10min；

[0051] 3)将熔有电解铜精密熔炼炉温度升至1500℃，维系5min，将熔融态金属镍加入到此液态电解铜中，搅拌，维系5min；

[0052] 4)按比例0.150％加入金属铍片，即2.25g，体系降温至在1300～1400℃间，搅拌，维系5min；

[0053] 5)再按比例加入金属铝4.500％，即67.5g，在1300～1400℃间，搅拌，维系5min；

[0054] 6)按比例加入锌15.000％即225g、锡0.095％即1.424g，在1300～1400℃间，搅拌，维系5min。

[0055] 7)倒入标样模具中，充分冷却到室温后，测量其拉伸强度、延伸率和维氏硬度分别为：520MPa、10％、和148HV。

[0056] 实施例2-112

[0057] 一种锡磷锌铜合金，其各元素的重量百分比如下表1所示；

[0058] 一种锡磷锌铜合金的制备方法，除原料用量外，其他制备工艺参数控制同实施例1。

[0059] 表1实施例1-112的锡磷锌铜合金元素含量重量百分比

[0060] 表1

[0061]

[0062]

[0063]

[0064] 实施例1-112制备的产品的拉伸强度、延伸率、维氏硬度以及成本如下表2所示：

[0065] 表2实施例1-112的产品性能及成本

[0066] (与常用的性能优异的QSn6.5-0.1锡磷青铜的性能及成本比较计算)

[0067]

[0068]

[0069]

[0070]

[0071] 本发明配方增加了金属铍，大大提高了合金强度；从全系上大幅度增加了金属锌的用量，降低了合金成本，传统的锌用量为0.05-5％，本发明为锌10～22％；而且，本发明根据配方设计112个实施例，体现在配方范围内的多种金属元素的复杂量的搭配：在多因素多水平实验设计的基础上，再采用随机抽样方法在实验材料范围区间内，克服了成分量的变化方向单调的缺陷，安排多达112组实验，做到实验配方各成分尽量不偏废。图1-4可以表明，本发明试验条件较均匀。

[0072] 实施例1-13是根据多因素多水平试验设计的13个实施例，再根据配方随机发生112组不同水平的试验，共同用来建立正向投影模型，计算预报插值实验，再进行实验验证，多于10组实验证明采用成分量可以在一定范围内控制合金的性能，这是传统合金设计难以解决的。如图5-26表明了本申请配方调控性能的规律。

[0073] 本发明涉及的配方技术指标可控范围大：拉伸强度345.5～775.6MPa，可控幅度达430.1MPa；伸长率0.19～36.5％，可控幅度达36.31％；硬度2.25～206HV，可控幅度达
203.75HV。

[0074] 实施例45成本降低最大，降低了19.36％，其拉伸强度为461.9MPa、伸长率为17.4％、硬度为105.7HV，是性能很好的合金；实施例54成本降低了19.35％，其拉伸强度为
417.9MPa、伸长率为30.6％、硬度为109.7HV，也是性能很好的合金。实施例49成本降低了
8.96％，其拉伸强度为760.0MPa、伸长率为2.43％、硬度为95.7HV；实施例73：成本降低了
12.28％，其拉伸强度为431.8MPa、伸长率为36.5％、硬度为63.6HV；实施例93成本降低了
8.7％，其拉伸强度为463.4MPa、伸长率为16.6％、硬度为205.7HV。

附图说明

[0020] 图1为本发明实施例锡-锌含量分布均匀性；

[0021] 图2为本发明实施例铝-铍含量分布均匀性；

[0022] 图3为本发明实施例铜-磷含量分布均匀性；

[0023] 图4为本发明实施例锡-铜含量分布均匀性；

[0024] 图5为本发明实施例得到的锡用量对合金拉伸强度的影响；其中铝＝1％,铍＝0.05％,磷＝0.1％；锌分别＝10,12.4,14.8,17.2,19.6,22％；

[0025] 图6为本发明实施例得到的锡用量对合金拉伸强度的影响；其中铝＝1％,铍＝0.09％,磷＝0.1％；锌分别＝10,12.4,14.8,17.2,19.6,22％；

[0026] 图7为本发明实施例得到的锡用量对合金拉伸强度的影响；其中铝＝1％,铍＝0.125％,磷＝0.1％；锌分别＝10,12.4,14.8,17.2,19.6,22％)

[0027] 图8为本发明实施例得到的锡用量对合金拉伸强度的影响，其中铝＝5％,铍＝0.2％,磷＝0.25％；锌分别＝10,12.4,14.8,17.2,19.6,22％；

[0028] 图9为本发明实施例得到的锡用量对合金拉伸强度的影响；其中铝＝7％,铍＝0.2％,磷＝0.4％；锌分别＝10,12.4,14.8,17.2,19.6,22％；

[0029] 图10为本发明实施例得到的铍用量对合金拉伸强度的影响；其中锌＝16％,铝＝5％,磷＝0.25％；锡分别＝0.095,2,4,6,8,10％；

[0030] 图11为本发明实施例得到的铝用量对合金拉伸强度的影响；其中锌＝16％,铍＝0.125％,磷＝0.25％；锡分别＝0.095,2,4,6,8,10％；

[0031] 图12为本发明实施例得到的锡用量对合金伸长率的影响；其中铝＝1％,铍＝0.05％,磷＝0.1％；锌分别＝10,12.4,14.8,17.2,19.6,22％；

[0032] 图13为本发明实施例得到的锡用量对合金伸长率的影响；其中铝＝1％,铍＝0.09％,磷＝0.1％；锌分别＝10,12.4,14.8,17.2,19.6,22％；

[0033] 图14为本发明实施例得到的锡用量对合金伸长率的影响；其中铝＝1％,铍＝0.125％,磷＝0.1％；锌分别＝10,12.4,14.8,17.2,19.6,22％；

[0034] 图15为本发明实施例得到的锡用量对合金伸长率的影响；其中铝＝5％,铍＝0.2％,磷＝0.25％；锌分别＝10,12.4,14.8,17.2,19.6,22％；

[0035] 图16为本发明实施例得到的锡用量对合金伸长率的影响；其中铝＝7％,铍＝0.2％,磷＝0.4％；锌分别＝10,12.4,14.8,17.2,19.6,22％；

[0036] 图17为本发明实施例得到的铍用量对合金伸长率的影响；其中锌＝16％,铝＝5％,磷＝0.25％；锡分别＝0.095,2,4,6,8,10％；

[0037] 图18为本发明实施例得到的铝用量对合金伸长率的影响；其中锌＝16％,铍＝0.125％,磷＝0.25％；锡分别＝0.095,2,4,6,8,10％；

[0038] 图19为本发明实施例得到的锡用量对合金硬度的影响；其中铝＝1％,铍＝0.05％,磷＝0.1％；锌分别＝10,12.4,14.8,17.2,19.6,22％；

[0039] 图20为本发明实施例得到的锡用量对合金硬度的影响；其中铝＝1％,铍＝0.09％,磷＝0.1％；锌分别＝10,12.4,14.8,17.2,19.6,22％；

[0040] 图21为本发明实施例得到的锡用量对合金硬度的影响，其中铝＝1％,铍＝0.125％,磷＝0.1％；锌分别＝10,12.4,14.8,17.2,19.6,22％；

[0041] 图22为本发明实施例得到的锡用量对合金硬度的的影响，其中铝＝5％,铍＝0.2％,磷＝0.25％；锌分别＝10,12.4,14.8,17.2,19.6,22％；

[0042] 图23为本发明实施例得到的锡用量对合金硬度的影响，其中铝＝7％,铍＝0.2％,磷＝0.4％；锌分别＝10,12.4,14.8,17.2,19.6,22％；

[0043] 图24为锡＝5％,锌＝22％,铝＝1％,铍＝0.09％,磷＝0.1％和锡＝6％,锌＝22％,铝＝1％,铍＝0.09％,磷＝0.1％时合金拉伸强度数值；拉伸强度分别为470MPa和
473MPa；

[0044] 图25为锡＝5％,锌＝22％,铝＝1％,铍＝0.09％,磷＝0.1％和锡＝6％,锌＝22％,铝＝1％,铍＝0.09％,磷＝0.1％时合金伸长率数值；伸长率分别为20.2％和19.7％；

[0045] 图26为锡＝5％,锌＝22％,铝＝1％,铍＝0.09％,磷＝0.1％和锡＝6％,锌＝22％,铝＝1％,铍＝0.09％,磷＝0.1％合金硬度数值；硬度分别为79.7HV和83.0HV。