CN104745861B - 一种铝镍青铜塑料模具材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝镍青铜塑料模具材料，按质量百分比由组分：Al 10％～12％、Ni3％～5％、Fe 3％～5％、Mn 1％～2％、Ti 0.2％～0.3％、B 0.2％～0.3％、Zn 0.05％～0.1％，其余为Cu组成。本发明的材料具有更高的压缩强度和良好的导热、散热性，耐热疲劳性，耐磨性及耐蚀性，模具使用寿命比传统的铁合金钢塑料模具材料要高出3～6倍；材料的冷、热加工成型性好，模具加工表面光洁，用作高分子塑料成型，塑料制品尺寸精度高，纹饰清晰，表面美观，性价比远高于铁合金模具材料。本发明还公开了一种铝镍青铜塑料模具材料的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及铜合金塑料模具材料领域，特别是涉及一种承受压应力、压延用新型铝镍青铜塑料制品成型模具材料及其制备方法。
背景技术
随着现代工业的发展和科技的进步，高分子塑料在现代工业和人们日常生活中用途与用量迅猛增长，高分子塑料制品品种日益增多，人们对塑料制品的内在质量、尺寸精度和外观要求也日益提高，用传统的铁合金模具材料制作塑料制品成型模具其导热、散热性，使用寿命，精密塑料模具加工性,几何尺寸的加工精度和表面光洁度，以及用铁合金模具材料制作塑料制品精度、表面光洁美观、饰纹清晰程度远不及铜合金模具材料。中国发明专利200710035227X所述“一种重力低压铸造用低铍铜合金模具材料”，其成分百分比：Be 0.5％～0.8％，Ni 0.9％～1.2％，Co 0.9％～1.2％，Ti 0.01％～0.05％，其余为Cu。该合金不含铝,具有较高的强度、硬度和塑性，其硬度HV30≥200，导电率IACS≥50％，抗拉强度≥700MPa，屈服强度≥500MPa，伸长率≥10％，适用于制造重力低压铸造模具。该合金不含铝元素,其强度、硬度、压缩强度、耐热疲劳性、耐磨性和耐蚀性远不及本发明的铝镍青铜合金，而且有含量高、有毒性和污染环境的Be元素及价格昂贵的、稀缺Co元素，制作成本高。兰州理工大学开发研制了一种高铝不含镍的铜合金模具材料Cu-14Al-X铝青铜合金，以取代35CrMo等合金模具钢来制作压延模具，该合金成分：Al 12％～16％，Fe 2.8％～8.6％，Zn0.4％～1.0％，Re 0.3％，剩余为Cu及其它微量元素。该合金含铝过高、不含有利于改善韧牲及耐蚀性的Ni元素，固溶时效处理后的抗拉强度700MPa，硬度42HRC，其冲击功仅为7J，其韧牲很低。适用于制作拉伸、挤压不锈钢板式换热器的模具。本发明研制铝青铜合金塑料模具材料具有良好的铸造性，高强度、高硬度，优异的导热性、耐热疲劳性及良好的耐磨、耐蚀等特点。我国模具行业的快速发展，对模具材料依靠进口，这就导致企业生产成本很高。针对国内设备、工艺水平的实际情况，实现该种铜合金塑料模具材料的国产化也就迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是为了解决和克服现有技术存在的问题和缺陷，根据合金少量多元交互作用强化的原理，设计并提供一种拉伸及高抗压强度、适用主要承受应力、压延用的新型铝镍青铜塑料模具材料及其制备方法。本发明的材料具有高强度、高硬度、良好的耐磨性，优异的导热性和耐热疲劳性。
为达到上述目的，本发明解决上述技术问题所采用的一个技术方案是：
一种铝镍青铜塑料模具材料，按质量百分比由组分：Al 10％～12％、Ni 3％～5％、Fe 3％～5％、Mn 1％～2％、Ti 0.2％～0.3％、B 0.2％～0.3％、Zn 0.05％～0.1％，其余为Cu组成，质量总百分比为100％。
上述所述的Al、Fe、Ti、B分别为工业纯铝、工业纯铁、工业纯钛、工业纯硼。
上述所述的Ni、Mn、Zn、Cu分别为电解镍、电解锰、电解锌、电解铜。
为达到上述目的，本发明解决上述技术问题所采用的另一个技术方案是：
一种铝镍青铜模具材料的制备方法，包括如下步骤：
1、组分成分分析和配比
对电解铜、电解镍、电解锰、电解锌、工业纯铁、工业纯钛、工业纯铝和工业纯硼进行化学分析和配比；
2、中间合金的制备
将电解铜和工业纯铝、电解铜和工业纯硼、电解铜和工业纯钛分别按照质量比：电解铜:工业纯铝＝1:1、电解铜:工业纯硼＝50:1、电解铜:工业纯钛＝25:3，在真空中频感应炉中熔炼，制备获得铜铝中间合金、铜硼中间合金及铜钛中间合金；
3、塑料模具材料的制备
(1)将配方中的电解铜、电解镍、电解锰、电解锌、工业纯铁、铜钛中间合金、铜铝中间合金和铜硼中间合金放在温度为300～350℃的预热坩埚中烘干；
(2)将剪切成宽40mm×长300mm的电解铜、宽15mm×长120mm的电解镍和直径6mm×长120mm的工业纯铁，分别加入到高频感应炉中熔化，熔化温度为1190～1230℃；
(3)待步骤(2)炉料充分搅拌熔化后，按熔点高低依次分别加入铜钛中间合金和铜硼中间合金，并加入炉料总量的1.0％～1.2％的覆盖剂，升温至1230～1250℃；
(4)待步骤(3)炉料充分搅拌熔化后，加入宽20mm×长120mm的电解锰、宽10mm×长30mm的电解锌、铜铝中间合金，并加入炉料总量1.0％～1.2％的覆盖剂，升温至1250～1270℃，待炉料熔化后搅拌扒渣得到塑料模具材料的合金铜液；
(5)将步骤(4)的合金铜液出炉，撒入炉料总量1.0％～1.2％的干草木灰集渣，静置1min后扒渣、挡渣，浇注入铁模，并在浇注补缩冒口上方撒入炉料总量0.8％～1.0％的保温剂，获得成分均匀、无夹渣、无气孔的塑料模具材料的合金铸锭；
(6)将步骤(5)获得的合金铸锭，清砂处理，切除浇注系统，车削剥皮去除表面铸造缺陷；
(7)根据模具尺寸热锻成模具毛坯，然后加热至940℃保温2h水冷固溶，最后将固溶处理的模具毛坯加热至490℃保温4h空冷时效。
其中，步骤(2)和步骤(3)所述的覆盖剂为70％的玻璃+30％硼砂的混合物。
步骤(5)所述的保温剂为30％C+20％Al2O3+15％硼砂+35％(CaO+MgO)的混合物。
步骤(5)所述的浇注的出炉温度为1220～1250℃，浇注温度为1150～1170℃。
本发明的特点和有益效果是：
1、本发明的材料的组织主要由α相(α-Cu)、β′相(AlCu3)、γ2相(Al4Cu9)和κ相(FeAl)所组成，其中γ2相和κ相是过饱和固溶体β′脱溶析出的产物，弥散分布于基体和晶界上。经固溶时效处理后的抗拉强度840～880MPa，硬度35～45HRC，压缩强度1040～1175MPa，热扩散系数为16.6～24.2mm2/s，磨损率为(1.1～1.8)×10-5mg/cm。
2、本发明的材料具有更高的压缩强度和良好的导热、散热性，耐热疲劳性，耐磨性及耐蚀性，模具使用寿命长，经久耐用，使用寿命比传统的铁合金钢塑料模具材料要高出3～6倍；该合金冷、热加工成型性好，模具加工表面光洁，用作高分子塑料成型，塑料制品尺寸精度高，纹饰清晰，表面美观，性价比远高于铁合金模具材料。
具体实施方式
为更加清楚地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一、组分成分分析和配比
1、对电解铜、电解镍、电解锰、电解锌、工业纯铁、工业纯钛、工业纯铝和工业纯硼进行化学分析，
2、按质量百分比含量配比：Al 11％、Ni 4％、Fe 4％、Mn 1.5％、Ti 0.25％、B0.25％、Zn 0.07％，其余为Cu，质量总百分比为100％。
二、中间合金的制备
将电解铜和工业纯铝、电解铜和工业纯硼、电解铜和工业纯钛分别按照质量比：电解铜:工业纯铝＝1:1、电解铜:工业纯硼＝50:1、电解铜:工业纯钛＝25:3，在真空中频感应炉中熔炼，制备获得铜铝中间合金、铜硼中间合金及铜钛中间合金；
三、塑料模具材料的制备
(1)将配方中的电解铜、电解镍、电解锰、电解锌、工业纯铁、铜钛中间合金、铜铝中间合金和铜硼中间合金放在温度为300～350℃的预热坩埚中烘干；
(2)将剪切成宽40mm×长300mm的电解铜、宽15mm×长120mm的电解镍和直径6mm×长120mm的工业纯铁，分别加入到高频感应炉中熔化，熔化温度为1190～1230℃；
(3)待步骤(2)炉料充分搅拌熔化后，按熔点高低依次分别加入铜钛中间合金和铜硼中间合金，并加入炉料总量的1.0％～1.2％的覆盖剂(70％的玻璃+30％硼砂的混合物)，升温至1230～1250℃；
(4)待步骤(3)炉料充分搅拌熔化后，加入宽20mm×长120mm的电解锰、宽10mm×长30mm的电解锌、铜铝中间合金，并加入炉料总量1.0％～1.2％的覆盖剂(70％的玻璃+30％硼砂的混合物)，升温至1250～1270℃，待炉料熔化后搅拌扒渣得到塑料模具材料的合金铜液；
(5)将步骤(4)的合金铜液出炉(出炉温度为1220～1250℃)，撒入炉料总量1.0％～1.2％的干草木灰集渣，静置1min后扒渣、挡渣，浇注入铁模(浇注温度为1150～1170℃)，并在浇注补缩冒口上方撒入炉料总量0.8％～1.0％的保温剂(30％C+20％Al2O3+15％硼砂+35％(CaO+MgO)的混合物)，获得成分均匀、无夹渣、无气孔的塑料模具材料的合金铸锭；
(6)将步骤(5)获得的合金铸锭，清砂处理，切除浇注系统，车削剥皮去除表面铸造缺陷；
(7)根据模具尺寸热锻成模具毛坯，然后加热至940℃保温2h水冷固溶，最后将固溶处理的模具毛坯加热至490℃保温4h空冷时效。
实施例2
1、按照下列质量百分比称取所述炉料：Al 10％、Ni 3％、Fe 3％、Mn 1％、Ti0.3％、B 0.3％、Zn 0.1％，其余为Cu，质量总百分比为100％。
2、制备方法与实施例1相同，严格控制熔炼温度1290℃、出炉温度1230℃及浇注温度1160℃。
实施例3
1、按照下列质量百分比称取所述炉料：Al 12％、Ni 5％、Fe 5％、Mn 2％、Ti0.2％、B 0.2％、Zn 0.05％，其余为Cu，质量总百分比为100％。
2、制备方法与实施例1相同，严格控制熔炼温度1280℃、出炉温度1240℃及浇注温度1155℃。
实施例4
1、按照下列质量百分比称取所述炉料：Al 10.5％、Ni 3.5％、Fe 3％、Mn 1％、Ti0.2％、B 0.2％、Zn 0.05％，其余为Cu，质量总百分比为100％。
2、制备方法与实施例1相同，严格控制熔炼温度1270℃、出炉温度1220℃及浇注温度1150℃。
实施例5
1、按照下列质量百分比称取所述炉料：Al 12％、Ni 5％、Fe 5％、Mn 2％、Ti0.3％、B 0.3％、Zn 0.1％，其余为Cu，质量总百分比为100％。
2、制备方法与实施例1相同，严格控制熔炼温度1300℃、出炉温度1250℃及浇注温度1170℃。
实施例6
1、按照下列质量百分比称取所述炉料：Al 11％、Ni 3％、Fe 4％、Mn 1％、Ti0.2％、B 0.3％、Zn 0.05％，其余为Cu，质量总百分比为100％。
2、制备方法与实施例1相同，严格控制熔炼温度1280℃、出炉温度1230℃及浇注温度1150℃。
上述6个实施例所获得的铝镍青铜塑料模具材料的各项性能指标如下表所示：
Claims (1)
1.一种铝镍青铜塑料模具材料的制备方法，所述材料按质量百分比由组分：Al 12％、Ni 5％、Fe 5％、Mn 2％、Ti 0.2％～0.3％、B 0.2％～0.3％、Zn 0.05％～0.1％，其余为Cu组成，质量总百分比为100％；其中所述的Al、Fe、Ti、B分别为工业纯铝、工业纯铁、工业纯钛、工业纯硼；所述的Ni、Mn、Zn、Cu分别为电解镍、电解锰、电解锌、电解铜；其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1、组分成分分析和配比，
对电解铜、电解镍、电解锰、电解锌、工业纯铁、工业纯钛、工业纯铝和工业纯硼进行化学分析和配比；
步骤2、中间合金的制备，
将电解铜和工业纯铝、电解铜和工业纯硼、电解铜和工业纯钛分别按照质量比：电解铜:工业纯铝＝1:1、电解铜:工业纯硼＝50:1、电解铜:工业纯钛＝25:3，在真空中频感应炉中熔炼，制备获得铜铝中间合金、铜硼中间合金及铜钛中间合金；
步骤3、塑料模具材料的制备，
(1)将配方中的电解铜、电解镍、电解锰、电解锌、工业纯铁、铜钛中间合金、铜铝中间合金和铜硼中间合金放在温度为300～350℃的预热坩埚中烘干；
(2)将剪切成宽40mm×长300mm的电解铜、宽15mm×长120mm的电解镍和直径6mm×长120mm的工业纯铁，分别加入到高频感应炉中熔化，熔化温度为1190～1230℃；
(3)待步骤(2)炉料充分搅拌熔化后，按熔点高低依次分别加入铜钛中间合金和铜硼中间合金，并加入炉料总量的1.0％～1.2％的覆盖剂，升温至1230～1250℃；
(4)待步骤(3)炉料充分搅拌熔化后，加入宽20mm×长120mm的电解锰、宽10mm×长30mm的电解锌、铜铝中间合金，并加入炉料总量1.0％～1.2％的覆盖剂，升温至1250～1270℃，待炉料熔化后搅拌扒渣得到塑料模具材料的合金铜液；
(5)将步骤(4)的合金铜液出炉，撒入炉料总量1.0％～1.2％的干草木灰集渣，静置1min后扒渣、挡渣，浇注入铁模，并在浇注补缩冒口上方撒入炉料总量0.8％～1.0％的保温剂，获得成分均匀、无夹渣、无气孔的塑料模具材料的合金铸锭；
(6)将步骤(5)获得的合金铸锭，清砂处理，切除浇注系统，车削剥皮去除表面铸造缺陷；
(7)根据模具尺寸热锻成模具毛坯，然后加热至940℃保温2h水冷固溶，最后将固溶处理的模具毛坯加热至490℃保温4h空冷时效；
其中，步骤3中(3)和(4)所述的覆盖剂为70％的玻璃+30％硼砂的混合物；(5)所述的浇注的出炉温度为1220～1250℃，浇注温度为1150～1170℃，所述的保温剂为30％C+20％Al2O3+15％硼砂+35％(CaO+MgO)的混合物。
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