CN1018936B

CN1018936B - 制造拉伸模具的铜基合金材料

Info

Publication number: CN1018936B
Application number: CN 90108101
Authority: CN
Inventors: 高兴华; 梁金生
Original assignee: HEBEI POLYTECHNIC COLLEGE
Current assignee: HEBEI POLYTECHNIC COLLEGE
Priority date: 1990-09-28
Filing date: 1990-09-28
Publication date: 1992-11-04
Also published as: CN1050224A

Abstract

一种制造拉伸模具的铜基合金材料，是由铜、铝、铁、锰、镍、钴、钒、钛及稀土元素组成。该合金经高温熔炼、低温浇铸，毛胚机加工后再进行时效处理即可应用。本发明铜基合金材料硬度高，耐磨性好；熔炼所用的设备简单，操作方便，投资少，成本低；用该合金材料制造的模具适用于拉制不锈钢及低碳钢器皿；拉制的器皿表面光滑、无擦伤划痕，成品率高，模具使用寿命长，而且对润滑剂无特殊要求。

Description

本发明涉及一种制造拉伸模具的铜基合金材料。

在EP0042455专利文件中公开了一种高耐磨性的铜铝钴合金，其组成成分含有铝、铁、锰、钴、铬、锆、铍、余量为铜。熔炼工艺是在配有石墨坩埚的Mf-感应炉中，真空熔炼、真空浇铸，铸件要在900-950℃的温度下正火处理。这种合金的不足之处是：硬度不高;成分中含有贵重金属锆，有毒金属铍;真空熔炼、真空浇铸，设备投资大，成本高，工艺复杂。

本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种制造拉伸模具的铜基合金材料。

本发明的目的是这样来实现的：

制造拉伸模具的铜基合金材料的组成成分是：（重量%）

铝 13.1-16.1%

锰 2.0-2.5%

钴 2.0-2.3%

钛 0.01-0.015%

铁 4.5-5.2%

镍 0.1-0.16%

钒 0.01-0.015%

稀土元素 0.01-0.015%

余量为铜及不可避免的少量杂质。

其熔炼和浇铸的工艺步骤是：

①将坩锅加热到暗红;

②按钴、镍、铜的顺序，将其投入坩埚内加热;

③待铜熔化后，加入钒、钛、铁;

④待铁熔化后，加入铝，搅拌送风，再加入锰，停风搅拌;

⑤当熔体温度为1100-1200℃时，将坩埚出炉，精炼;

⑥用钟罩将精炼剂与稀土元素压入熔体内，充分搅拌;

⑦当坩埚内熔体温度降为970-1050℃时除渣、浇铸;

⑧毛胚进行机械加工后，进行时效工艺处理，其工序是：a：把工件加热至450-500℃，保温3-5小时;b：工件从炉内取出，在空气中自然冷却。

上述所用精炼剂为氯化锰，其加入量为炉料总重量的0.01%，也可以吹氮精炼。

附图说明如下：

图1是快速冷却时，合金中β-相转变过程及最后得到的亚稳态组织相图;

图2是本发明合金铸态金相图;

图3是本发明合金经时效处理后金相图。

下面用实施例对本发明作进一步详述：

实施例1：

生产240mm柿型锅;

模具尺寸：φ外424mm×φ内240mm×40mm

铸造毛胚尺寸：φ外434mm×φ内230mm×50mm

毛胚体积：V＝5316.6cm³

毛胚重量（比重按8.9g/cm³）计算：

G＝47.3kg

考虑浇口帽口用量，实际配料63kg，按合金组成成分配比，计算各成分用量如下：

铜 49.3101kg

铁 2.835kg

镍 0.063kg

钒 0.0063kg

铝 8.253kg

锰 1.26kg

钴 1.26kg

钛 0.0063kg

稀土元素 0.0063kg

熔炼及浇铸工艺如下：

1.将80＃坩埚在地炉内加热到暗红;

2.将1.26kg的钴、0.063kg的镍、49.3101kg的铜，按顺序投入坩埚加热;

3.待铜熔化后，将2.835kg的铁，0.0063kg的钒，0.0063kg的钛投入熔融铜液的坩埚内熔化;

4.待铁熔化后，加入8.253kg的铝，送风半分钟后停风搅拌，当坩埚内熔体呈白色时，加入1.26kg的锰，再送风，待锰熔化后停风，充分搅拌;

5.当熔体温度为1100℃时，把坩埚取出炉外，进行精炼;

6.将0.0063kg的精炼剂氯化锰和0.0063kg的稀土元素用钟罩先后压入熔体中，充分搅拌;

7.当坩埚内熔体温度降至980℃时，即可去渣浇铸;

8.切去毛胚的浇、帽口，进行机加工达到图纸要求的尺寸;

9.将加工好的工件，在45千瓦的箱式电炉中加热至450℃，保温4小时，进行时效处理，而后，从炉内取出工件，置于空气中自然冷却，模具即可应用。

实施例2：

生产3.5升水壶

模具尺寸：φ外338mm×φ内180mm×50mm

铸造毛胚尺寸：φ外348mm×φ内170mm×60mm

毛胚体积：V＝4343cm³

毛胚重量（比重按8.9g/cm³）计算：

G＝37kg

考虑浇、帽口重量，实际配料50kg

按合金组成成分配比，计算各成分用量是：

铜 36.8475kg

铁 2.60kg

镍 0.08kg

钒 0.0075kg

铝 8.05kg

锰 1.25kg

钴 1.15kg

钛 0.0075kg

稀土元素 0.0075kg

熔炼及烧铸工艺是：

1.选60＃坩埚在地炉内加热到暗红;

2.将1.15kg的钴、0.08kg的镍、36.8475kg的铜按顺序放入坩埚内加热熔化;

3.待铜熔化后，将2.615kg的铁的中间合金（钒钛铁）置于坩埚内，熔化;

4.待铁的中间合金熔化后，加入8.05kg的铝，送风半分钟，当熔体呈白色时，加入1.25kg的锰，熔化后停风充分搅拌，使加入的各种成分充分混合均匀;

5.当熔体温度为1100°时，把坩埚从炉内取出进行精炼;

6.将0.005kg的精炼剂氯化锰和0.0075kg的稀土元素用钟罩先后压入熔体中，充分搅拌;

7.当坩埚内熔体温度降至970℃时，即可除渣、浇铸;

8.切去毛胚的浇、帽口进行机加工，达到图纸要求尺寸;

9.将加工好的工件放入45千瓦的箱式电炉中加热至500℃，保温3小时，而后，从炉中取出工件，置于空气中自然冷却。模具即可应用。

本发明合金铸态金相图如图2所示，处理条件是氯化铁加酒精熔液腐蚀，金相图放大350倍。

本发明合金经时效处理后金相图如图3所示，处理条件是氯化铁加酒精熔液腐蚀，金相图放大400倍。

本发明的成分设计是依据铜-铝合金相图，考虑到模具的使用特点在于克服拉制过程中产品表面的擦伤划痕。欲想实现此目的，根据摩擦学理论对模具材料金相组织的要求是：模具材料获得多相组织比单相组织具有更好的抗擦伤划痕的能力，同时，要求模具材料的硬度与不锈钢的硬度匹配合适;还要求所设计的合金成分具有良好的铸造性能。根据以上几点分析。我们设计的合金中，选配铝的含量在13.1-16.1%范围较适宜，比通常变形铝青铜的含量高得多。快速冷却时，铝青铜中的β-相转变过程及最后得到的亚稳定组织如科1所示。铝的成分在13.1-16.1%范围内，β相将发生无扩散相变，形成针状β′相和马氏体。我们设计的合金中，在铝的含量范围内相变是由无序的β相过渡到有序的固溶体β₁，然后按合金中铝含量的不同，再转变成针状的β′马氏体或针状γ′马氏体或（β′+γ′）两相的混合物。β′-相是亚稳定组织在冷却过程中，β′-相又发生共析转变成为其它组织。当β′相中分解出细小的（α+γ₂）共析组织时，其强度、硬度又会升高。铝的含量在13.1-16.1%范围内，合金的铸造性能好，如流动性好，偏析倾向小、铸件组织致密。铝的含量低于13%，合金不能满足拉伸时的硬度要求，当铝的含量高于16.1%时，合金性能急剧降低，性脆无使用价值，并且熔体极易氧化。

考虑到β-相在共析分解时，有所谓“自行退火”现象，导致合金变脆，因此在合金成分中加入铁、锰和微量的镍、钒等元素，使其抑制缓冷脆性。铁能细化组织，提高合金的机械性能（强度、硬度），还能抑制合金的“自行退火”现象，避免合金变脆。铁量过高，组织易形成过多的针状Al₃Fe-相，易使合金性能变坏。合金中加入一定量的锰，一则改变合金的工艺性能，二则锰的加入使Al₃Fe-相变成细小质点，弥散分布的基体相上，增加合金的耐磨性，还可降低共析转变温度。同时锰还可以起造渣脱氧作用，使熔体中的氧尽量减少，提高合金的致密度。镍在合金中与适量的锰配合，可使共析转变产物形成粒状组织，有利于模具的抗擦伤、抗咬合能力，又能提高组织的热稳定性。而镍与铝形成K-相（NiAl）均匀分布的细小粒状质点，提高合金的耐磨性，我们把镍量控制在0.1-0.16%。钴（Co）能提高合金的强度、硬度及耐磨性。钴（Co）还能提高合金的时效硬化倾向。时效处理时，在合金的基体上析出弥散分布的CoAl-相，增加合金的硬度，耐磨性。而Co＜2.0%时，合金的时效硬化作用不明显，当Co＞2.3%时，合金中CoAl含量高，使合金的脆性增加，所以本合金中，把钴含量控制在2.2%左右。再加入微量的钒、钛和稀土元素，在熔体浇铸前起孕育细化组织作用。

经过大量的实验分析，我们认为，在拉制不锈钢器皿过程中，器皿表面出现的擦伤、划痕主要是模具材料本身造成的。铜基合金模具材料与不锈钢器皿材料所组成的摩擦副，在拉制过程中主要应属于表面局部高温引起的微凸体熔焊的粘着磨损过程;同时也可能伴随产生硬度较高的微凸体对软材料表面所引起的二体磨粒磨损，在个别工况下也不排除存在有外界颗粒引起的三体磨粒磨损。基于对磨损类型的分析，显然材质的选配和摩擦副的硬度匹配应是决定该对摩擦副、摩擦磨损特性的主要影响因素。由于铜基合金材料与不锈钢材料相互间的互溶性小，不易在摩擦副表面形成粘着结点和产生材料转移。所以能有效地避免涂抹、擦伤、划痕，甚至于胶合等不同程度的粘着磨损现象的发生与发展。同时多相组织比单相组织具有更好的抗粘着磨损性能。而本发明合金材料的显微组织为块状的α-相和不连续分布的γ₂相，在α和γ₂相的基体上分布有K-相质点，为此，它具有较好的抗粘着磨损性能。

试验条件：室温开始，自然升温;液体石腊润滑。

经大量实验测定，本发明合金铸态时机械性能如下：

硬度HRC＝38-40

抗拉强度σb＝55-60kg/mm²

冲击韧性αk＝0.2-0.3kgM/cm²

抗压强度：120kg/mm²-100kg/mm²

本发明与现有技术相比有如下优点：

1.硬度高，耐磨性好;

2.用本发明合金制备的模具适用于拉制不锈钢及低碳钢器皿，器皿表面光滑，无擦伤划痕;拉制中基本上不修模，模具使用寿命长，生产效率高;而且对润滑剂无特殊要求;

3、生产设备简单，操作方便，投资少，成本低;

4、工件时效处理工艺温度低，节省能源;

5、原材料价廉、易购（无毒）。

本发明合金的抗咬合性试验结果如下表：

试样摩擦系数咬合负荷石腊润滑

（μ）（磅）

Cr₁₂对急剧增大 300 一分钟后

AISIC-1137 测不出咬合

Cr₁₂对 0.158 300 5分钟不

铜基合金咬合

Cr₁₂对Cr₁₂急剧增大 300 一分钟咬

测不出合

- 连续加载咬合

同上至600

Cr₁₂对 - 连续加载咬合

铜基合金至1400

Claims

1、一种制造拉伸模具的铜基合金材料，其特征在于合金的化学成分(重量)是：

铝 13.1-16.1%，

锰 2.0-2.5%，

钴 2.0-2.3%，

钛 0.01-0.015%，

铁 4.5-5.2%，

镍 0.1-0.16%，

钒 0.01-0.015%，

稀土元素 0.01-0.015%，

余量为铜及不可避免的少量杂质。

2、如权利要求1所说的铜基合金材料的制造方法，其特征在于熔炼及浇铸的工艺步骤是：

①将坩埚加热到暗红;

②按钴、镍、铜的顺序，将其投入坩埚内加热;

③待铜熔化后，加入钒、钛、铁;

④待铁烷化后，加入铝，搅拌送风，再加入锰，停风搅拌;

⑤当熔体温度为1100-1200°时，将坩埚出炉精炼;

⑥用钟罩将精炼剂与稀土元素压入熔体内，充分搅拌;

⑦当坩埚内熔体温度降至970-1050°的除渣，浇铸;

⑧毛坯进行机械加工后，进行时效工艺处理;

a：把工件加热至450-500℃，保温3-5小时;

b：工件从炉内取出，在空气中自然冷却。