CN1165868A - 用于铸造铝或铝合金的铜合金铸模 - Google Patents

用于铸造铝或铝合金的铜合金铸模 Download PDF

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Abstract

一种用于铸造铝或铝合金的铸模，它是由热导率不低于0.20卡/秒·厘米·℃的铜合金组成。模腔表面部分地或全部被涂层覆盖。所述涂层可以是(i)一种包括至少一种选自由Co、Cu、Cr和Ni组成的组中元素的金属陶瓷层，或(ii)一种Co-，Ni-，Cr-或Mo-基硬质合金层。该铜合金铸模具有优良的热导率及耐熔体损坏性。

Description

用于铸造铝或铝合金的铜合金铸模
本发明涉及一种适合用于铸造铝或铝合金的铜合金铸模。
通常，铝或铝合金(此后统称为“铝合金”)是在铸模中进行铸造的，该模可以是高压型、低压型或重力型的。这种铸模一般由硬质钢构成，如“SKD61”，主要因为该钢在铸造温度下具有高的耐铝腐蚀性，高的耐热冲击裂纹或热裂纹，以及高的耐接触磨损性，这种磨损在将铸造合金从模腔中取出时发生。但是，用钢作为铸造铝合金的铸模会产生这样的问题，就是由于钢的热导率低导致每一铸造周期需要较长时间，而且由于铸模的冷却速率低，使得铸造的铝合金的晶粒变粗，从而导致铸造合金的强度和延展性变差。
作为解决这些问题的一种方法，最近已提出使用具有优良热导率的铜合金模。但是，与钢相比，铜合金在铝合金中有较高溶解度，因而容易被铝合金腐蚀。另外，铜合金比钢软，因而不易进行机加工，此外，它还有较差的可焊性，而这是修理铸模所需的一种特性。
本发明的第一个目的是提供一种用于铸造铝合金的铜合金铸模，它避免了现有技术的上述问题。
本发明的一个具体目的是提供一种具有优良热导率和改进的耐熔体损害的铜合金模，这种熔体损害可以是由于铝合金腐蚀而产生。
本发明是基于本发明人在广泛研究中获得的一种新认识而实现的。
为了改进铜合金铸模的耐熔体损害性，人们可能会考虑在铸模表面涂覆一层具有增强硬度和低的铝合金亲合性的材料。
因此，本发明人进行了广泛研究以确定各种陶瓷、金属陶瓷和有增强硬度的有色合金(此后称“硬质合金”)作为铜合金铸模涂层材料的适宜性。
结果，发现包括至少一种选自由Co、Cu、Cr和Ni组成的组中的元素的金属陶瓷，以及Co-、Ni-、Cr-或Mo-基硬质合金特别适合用作铜合金铸模的涂层材料。
基于这种认识，本发明提供了一种用于铸造铝或铝合金的铜合金铸模，其中该铸模的热导率不低于0.20卡/秒·厘米·℃，并且包括一个至少部分涂覆有金属陶瓷层或Co-、Ni-、Cr-或Mo-基硬质合金层的模腔表面，该金属陶瓷层包括至少一种选自由Co、Cu、Cr和Ni组成的组中的元素。
优选地，所述的金属陶瓷层包括(i)至少一种选自由碳化物，氮化物，硅化物，硼化物和氧化物组成的组中的陶瓷，和(ii)至少一种选自由Co、Cu、Cr和Ni组成的组中的元素。
在这种情况下，金属陶瓷层优选地包括WC-Co金属陶瓷、MoB2-Ni金属陶瓷和Cr3C2-Ni金属陶瓷中的一种。
Mo-基合金层优选地包括Co-Mo-Cr合金。
涂层优选地具有算术平均粗糙度Ra为0.1-200μm的范围。
优选地，根据本发明的铜合金有以下基本组成：
-Ni：1.0-6.0重量％，
-Co：0.1-0.6重量％，
-Be：0.15-0.8重量％
-Mg：0.2-0.7重量％和/或Al：0.7-2.0重量％，以及
-Cu：余量。
正如从下面叙述将明显看到的那样，根据本发明的用于铸造铝合金的铜合金铸模有高的冷却速率。因此可以缩减铸造周期时间，从而生产具有细晶粒、改进的强度和延展性的铸造铝合金产品。
下面，将参照具体实施方案来解释本发明。
首先，说明作为铸造铝合金用铸模的基体材料的铜合金，要求这种铜合金具有不低于0.20卡/秒·厘米·℃的热导率。换句话说，当铜合金的热导率低于0.20卡/秒·厘米·℃时，不能达到铸模所要求的热传导，从而导致上述问题的产生。
但是，另一方面，过分高的铜合金的热导率导致铸模可焊性下降，而可焊性是修理铸模所要求的一个特性。因此，优选地使铜合金的热导率落在0.20-0.60卡/秒·厘米·℃的范围。满足这种热导率的铜合金公开在例如JIS C19500(Cu-1.5Fe-0.8Co-0.6Sn-0.1P)，JIS C19400(Cu-2.4Fe-0.12Zn-0.04P)，JIS C2300(Cu-15Zn)，C507(Cu-2Sn-0.15P)等上。
另外，除了热导率之外，从可机加工性和可焊性考虑，铸模最好还有足够的硬度。具有如下基本组成的铜合金满足了这一要求：
-Ni：1.0-6.0重量％，
-Co：0.1-0.6重量％，
-Be：0.15-0.8重量％，
-Mg：0.2-0.7重量％和/或Al：0.7-2.0重量％，和
-Cu：余量。
具有这种组成的铜合金的热导率为0.25-0.55卡/秒·厘米·℃，布氏硬度(HB)为180-300。因此，这种铜合金兼有好的热导率和硬度，因而很合适用作铸造铝合金的铸模。
确定铜合金的各种元素在上述优选范围之内的理由如下：
·Ni：1.0-6.0重量％
加入Ni由于形成了NiBe化合物而提高合金强度。当Ni重量低于1.0重量％时，不能获得满意的提高值。另一方面，当Ni含量超过6.0重量％时，提高强度的效果达到饱和，除了合金的熔化温度增加从而使得难以对它进行焊接以外，合金的热导率也下降。
·Co：0.1-0.6重量％
加入Co由于形成了CoBe化合物而提高了合金强度。当Co含量低于0.1重量％时，不能达到预期的提高值。另一方面，当Co含量超过0.6重量％时，合金变脆从而有损于合金的热加工性。
·Be：0.15-0.8重量％
Be与Ni或Co结合形成NiBe化合物或CoBe化合物，从而实现合金强度的增加。当Be含量小于0.15重量％时，不能达到期望的提高。另一方面，当Be含量超过0.8重量％时，合金的强度变得过分高而且合金成本增加。
·Mg：0.2-0.7重量％和/或Al：0.7-2.0重量％，
加入Mg为了提高合金高温下的延展性，当Mg含量低于0.2重量％时，不能获得期望的延展性。另一方面，当Mg含量超过0.7重量％时，除了不能达到满意的热导率之外，提高延展性的效果也变差。
加入Al由于形成Ni3Al化合物而提高合金强度，并有促于热导率的调节。当铝含量低于0.7重量％时，热导率变得过高。另一方面，当Al含量超过2.0重量％时，热导率变得过低。
根据本发明，通过添加上述范围的Mg和Al的任一种或两种，就可容易地获得0.25-0.55卡/秒·厘米·℃的所需的热导率。
上述的铜合金是一种沉淀硬化合金，因此需要进行两步热处理，即在850-1000℃的优选温度范围进行固溶处理，并在400-500℃的优选温度范围进行时效处理。
除了上述的两步热处理之外，用于本发明的铸模的铜合金也可以与常规铜合金基本相同方式制造。因此，很容易制成具有0.25-0.55卡/秒·厘米·℃的热导率和180-300的布氏硬度的铜合金铸模。
下面，将解释在由上述铜合金构成的铸模的表面上涂覆的材料。
如上所述，铸模表面上的涂层优选地包括I)一种包括至少一种选自由Co、Cu、Cr和Ni组成的组中的元素的金属陶瓷层，或ii)一种Co-、Ni-、Cr-或Mo-基硬质合金层。根据本发明，通过在铸模表面上涂覆一薄层这种金属陶瓷层或硬质合金层，就可以在不降低铜合金热导率的同时，提高铸模的耐熔体损坏性。
要求涂层材料中有Co、Cr和Ni组分是因为它们与铝合金有较低的反应活性，并且通过与铜合金合金化起到粘结剂的作用，从而有效地提高铸模的铜合金与其上涂层的粘合。
金属陶瓷层优选地包括WC-Co金属陶瓷、MoB2-Ni金属陶瓷或Cr3C2-Ni金属陶瓷。在这些金属陶瓷中，金属含量优选地在1-49重量％范围。
另外，在铸模表面的硬质合金层优选地包括基本组成为Co：50-65重量％，Mo：25-30重量％和Cr：5-25重量％的Co-Mo-Cr合金。
优选地，上述的涂层具有0.1-3000μm的厚度，更优选5-100μm。当其厚度小于0.1μm时，不能获得满意的耐熔体损坏性。另一方面，当厚度超过3000μm时，不仅涂层与铸模的粘合，而且铸模的热导率都要下降。
另外还优选地要求涂层的算术平均粗糙度Ra在0.1-200μm范围，更优选5-20μm。小于0.1μm的粗糙度Ra基本上与铸模表面的粗糙度相同，因此就难以获得涂层和铸模之间的改进粘合。另一方面，当粗糙度Ra大于200μm时，铸模的表面会局部地暴露，因而也不能进一步增强第一层的粘合性。
形成涂层的方法并不局限于特定的方法，任何常规方法均可使用，例如火焰喷涂法，电镀法，焊接包覆法等。但是，特别合适的方法是在JP-A-6-269936和JP-A-6-269936中全部公开的电火花沉积法，该文献引入本文作为参考。
电火花沉积法对铸模尺寸没有限制，可以进行铸模的局部涂覆，并且没有喷涂法等那样的“死点”(dead point)，这样的点被遮盖，不能涂覆。因为电火花沉积法在常温条件下用很少热输入就可进行，从而可以抑制铜合金的软化，当铜合金在高温下长时间暴露时会产生软化。此外，电火花沉积法使得可以容易地改变和调节涂层的厚度和/或表面粗糙度。因此，通过调节涂层的表面粗糙度，可以使第一层有效地穿透进入不平的表面，因而得到稳定而满意的粘合。
实施例
将铜合金棒的试料加工成直径20mm和长度150mm，它们有表1所示的不同组成。通过上述的电火花沉积法在每一试料的表面形成有表1所列组成的涂层。将这些试料浸在温度约690℃的铝浴中，并在搅拌下保持7分钟。然后从铝浴中取出试料，以研究它与铝的反应活性，由此判断它的耐熔体损坏性。至于冷却特性，带有表1所示涂层的铸模件插入设计成可以同时制造四件铸造铝合金产品的铸模中，并评价铸造产品的显微结构(DAS：枝晶的枝臂间距)。同时测量铸造周期时间。所得结果也列于表1。
                                                                                         表1
  序号    铜合金组成(重量％)   热导率(cal/s·cm·℃)    硬度(HB)   涂层组成(重量％)    涂层硬度(MHv)   厚度(μm) 表面粗糙度(μm) 耐熔体损坏性 DAS(μm)  周期时间(min.)   备注
  1   Cu-4.5Ni-0.4Co-0.5Be-1.5Al     0.29     240  WC-10Co     2000     50     14     ○     32     3   本发明试样
  2   Cu-4.5Ni-0.4Co-0.5Be-1.5Al     0.29  WC-10Co     2000     0.05     1     ×       未测量  对比试样
  3   Cu-4.5Ni-0.4Co-0.5Be-1.5Al     0.29  WC-10Co     2000     4000     230     ○     78     4  对比试样
  4   Cu-1.5Ni-0.5Co-0.2Be-0.5Mg     0.52     202  Mo-29Co-18Cr     1200     30     20     ○     35     3   本发明试样
  5   Cu-1.5Ni-0.5Co-0.2Be-0.5Mg     0.52   MoB2-12Ni     2200     1400     140     ○     33     3   本发明试样
  6   Cu-4.5Ni-0.4Co-0.5Be-1.5Al     0.29     240   Cr3C2-12Ni     1800     40     7     ○     35     3   本发明试样
  7   Cu-7Ni-0.4Co-0.6Be-3.0Al     0.15     260   WC-10Co     2000     50     17     ○     68     4  对比试样
  8   Cu-0.9Ni-0.3Co-0.1Be-0.1Mg     0.68     170   WC-10Co     2000                 未评价/不能涂覆  对比试样
  9   Cu-4.5Ni-0.4Co-0.5Be-1.5Al     0.29     240   硬质电镀Cr     130     200     5     ×       未评价  现有技术
  10   Cu-1.5Ni-0.5Co-0.2Be-0.5Mg     0.52     202   非电解质镀Ni     120     200     5     ×       未评价  现有技术
  11   Cu-1.5Ni-0.5Co-0.2Be-0.5Mg     0.52     202   TiN(CVD)     1800     15     2     ×       未评价  现有技术
  12     SKD 61     0.09     370     -     -     -     -     △     74     4.5  现有技术
抗熔体损坏性
○：没有尺寸变化
△：尺寸减少小于5％
×：尺寸减少不低于5％
DAS：用显微镜观察测得的枝晶枝臂间距(μm)
周期时间：从将铝合金水倒入铸模到凝固结束之间的实际时间
从表1可以显见，根据本发明的包括涂层的铸模表现出优良的抗熔体损害性和冷却特性，从而明显缩减了铸造周期的时间。
从上面的说明书可以看出，本发明提供了一种用于铸造铝合金的改进的铜合金铸模，它有高的冷却速率从而可以缩减铸造周期时间，并且制造具有细晶粒，改进的强度和延展性的铸造铝合金产品。还可以容易地控制铸模选择部分的温度，从而避免或减少铸造缺陷的发生。此外，根据本发明的铜合金铸模不容易被熔融铝合金腐蚀，因而有高的耐熔体损害性。
尽管以上通过参照特殊实施方案描述了本发明，但是显然在不背离所附权利要求书所限定的本发明范围的条件下可以作出各种改进和/或变化。

Claims (6)

1.一种用于铸造铝或铝合金的铜合金铸模，所说的铸模具有不低于0.20卡/秒·厘米·℃的热导率，并包括一个至少部分涂覆有金属陶瓷层或Co-，Ni-，Cr-或Mo-基硬质合金层的模腔表面，其中的金属陶瓷层包括至少一种选自由Co，Cu，Cr和Ni组成的组中的元素。
2.根据权利要求1的铸模，其中所说的金属陶瓷层包括(i)至少一种选自由碳化物，氮化物，硅化物，硼化物和氧化物组成的组中的陶瓷，和(ii)至少一种选自由Co，Cu，Cr和Ni组成的组中的元素。
3.根据权利要求2的铸模，其中所说的金属陶瓷层包括WC-Co金属陶瓷，MoB2-Ni金属陶瓷和Cr3C2-Ni金属陶瓷中的一种。
4.根据权利要求1的铸模，其中所说的Mo-基合金层包括Co-Mo-Cr合金。
5.根据权利要求1的铸模，其中所说的涂层的算术平均粗糙度Ra在0.1-200μm范围内。
6.根据权利要求1的铸模，其中所说的铜合金的基本组成为：
-Ni：1.0-6.0重量％，
-Co：0.1-0.6重量％，
-Be：0.15-0.8重量％，
-Mg：0.2-0.7重量％和Al：0.7-2.0重量％中的至少一种，
-Cu：余量。
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