新型模具铝青铜合金材料的研制

来源：欧得旅游网

《热加工工艺》　2002年第3期

材　料　　　　

新型模具铝青铜合金材料的研制

路阳,李文生,王智平,苏义祥,寇生中,任虎平,徐建林

(甘肃工业大学材料科学与工程学院,甘肃兰州730050)

摘　要:进行了新型模具铝青铜合金材料的试制研究。结果表明,高铝(13%～15%Al)青铜合金中加入Fe、Mn、～880℃油淬固溶+580～600℃空冷时效处理,可以获得高强韧性Β相中弥散分布有(Α+Ni、Co等多元合金,通过850。其性能优于国家最高牌号QA1102321.5,是替代铁基合金材料制作拉伸、挤压模具的理想材料。Χ2)沉淀相+ϑ相的组织

关键词:铝青铜合金;模具;组织;性能;热处理

中图分类号:TG146　　　文献标识码:A　　　文章编号:100123814(2002)0320045202

NewDevelopdAluminiumBronzeAlloyForDie

LUYang,LIWen2sheng,WANGZhi2ping,SUYi2xiang,KOUSheng2zhong,RENHu2ping,XUJian2lin

(CollegeofMaterialsScience&Engineering,GansuUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China)Abstract:Theexperimentalstudyofanewtypeofaluminiumbronzealloyfordiewascarriedout.Theresultsshowninthehigh2Aluminiumcontent(13%～15%Al)copperalloydopedwithFe、Mn、Ni、Coetal,(Α+Χ2)+ϑprecipitationsdispersedinhigh2strengthΒcouldbeacquiredthroughoil2quenchingat8502880℃incompanywithagingheat2treatmentat5802600℃.Theprorertiesofthisnewkindofcopperalloyarebetterthanthatofstandardcopperalloy.QAl102321.5,andcanreplaceiron2basedmaterialstoproducethestretchingandsqueezingmolds

Keyword:aluminiumbronzealloy;mold;microstructure;property;heat2treatment

　普通铝青铜由于硬度、耐磨性、屈强比等性能无法在具有较高的强韧性的同时还要有很高的硬度、耐磨性和减摩性能。要求其组织特点是合金中有高强度和

塑性良好的Β相与少数弥散分布的(Α+Χ2)硬脆相,及在此两相中均匀弥散分布有高强度和高硬度的ϑ相。该新型材料的具体性能要求见表1。

表1　新型模具铝青铜合金的性能要求

高温性能(325℃)

Ρb󰃗MPa氧化速度󰃗g・m200

<0.2

-2

满足制作模具的需要,在模具应用方面受到了很大的[1,2]。近年来我国板式换热器行业从国外进口了大量的Cu214%Al2FeMn合金材料制作的挤压模具,取代了35CrMo等合金钢。该种模具铜合金材料具有硬度高、减磨性能好、耐磨性高、静载压力大、强度高、刚性稳定、不易变形、导热系数高等优良的性能。用该合金制作的模具在拉伸、压延不锈钢坯料时不易发生粘模、划伤工件等现象,不仅可以提高产品的质量而且可以减少修模次数及模具损耗。其热膨胀系数只为热作模具钢的1󰃗3,导热性却是热作模具钢的5倍而显优越,可缩短塑料挤压生产周期约20%。是替代Cr12、Cr12MoV、T10A、Cr15、Cr2Ni合金等铁基合金材料制

低温性能

生长Ρb󰃗硬度󰃗MPaHRC<1%600～880>40

%∆󰃗

≥1.2

1.2　成分设计

新合金的特点是在高铝青铜基体中加入能细化晶粒、抑制缓冷脆性、形成弥散强化相的Fe、Mn、Ni等多元合金,其成分设计如表2所示。

表2　新型模具铝青铜合金的设计成分(质量分数,%)

Cu75～80

Al14～16

Fe2～4

Mn0.8～1.0

作在5000210000t静态压力工况下工作的拉伸、挤

压模具的理想材料[3,4]。我国对新型模具铜合金材料的研究由于受到设备、工艺、资金等方面的,目前还没有生产方面的报导。为迎合国家资源,开发高技术、高附加值的新型材料取代进口材料,实现模具铜合金的国产化,本文利用非真空熔炼、常压浇注的工艺方法,从成分、性能设计等各方面对新型模具铜合金进行了研究试制。

其他合金元素0.8～2.6

　　(1)Al是铜合金中最主要的强化元素,不仅提高

强度、硬度、耐蚀性及流动性,同时提高高温塑性。由

[5,6]

,随着含Al量的增多,合金硬度呈Cu2Al二元相图直线上升,当Al>7.5%时合金中有硬而脆的共析体

生成,使合金具有很高的耐磨性能。当Al≥10%时,合金强度最高,适用于作耐磨件[5,7]。

(2)Mn为抑制青铜合金缓冷脆性最有效的元素,缩小Α单相区,显著降低共析转变温度,稳定Β相,一

收稿日期:2001209227

作者简介:路阳(19572),女,辽宁海城人,副教授。

1　模具铝青铜合金材料的设计

1.1　组织与性能要求

挤压模具一般在5000210000t静态压力工况下工作,而且还要承受很大冲击和粘着磨损,故要求材料

MATERIALHotWorkingTechnology　2002No.3

般铝青铜在Mn>12%时也不会出现新相;Mn还能溶于Α固溶体,有一定的固溶强化作用;随Mn量的上升铝青铜的抗拉强度几乎直线上升,屈服强度也越高,塑性降低不多。同时锰也是铝青铜合金有效的净化剂;MnO渣比Al2O3渣大,可以浮起造渣,从而净化金属液。加Mn还能进一步提高铝青铜的耐腐蚀性能[5,7]。

(3)Fe、Ni有改善合金力学性能和耐蚀性能的作用。铁在铝青铜中的固溶度很低(0.4%～0.8%),当超过固溶度限时,富铁的ϑ相(FeAl)首先以初晶析出来成为晶核,从而起到细化合金组织的作用。所以铁在铝青铜中能起到细化晶粒、提高强度和塑性等力学性能和耐磨性、减轻缓冷脆性的功能,但当Fe>5%时会使合金脆化、耐蚀性显著恶化。镍是Cu2Al合金的软化元素,扩大Α相区,抑制缓冷脆性、易生成ϑ相(NiAl),细化晶粒,塑性降低,同时改善合金的耐热性能和抗腐蚀性能,特别是与铁共存时显著提高合金的高温强度和耐蚀性能。

当Al>13%时,Fe、Ni都主要生成金属间化合物CuFeAl、NiAl,它们是新的ϑ相强化合金

×3h固溶油淬和580～600℃×5h时效空冷表现出

最高的时效硬化效果,硬度达到48.2HRC。

图1　880℃×3h油淬处理后的SEM照片

。故在铝

青铜中Fe、Ni应按比例加入,并考虑Mn的含量,分别控制Fe在2%～4%、Ni在0.4%～0.8%的范围,对改善合金性能有利。

(4)Co是有效促成金属间化合物,形成硬质点(ϑ相)弥散分布于基体中,不仅增加强度和硬度,而且不会破坏合金的韧性。添加微量的Co、Zn和稀土可以较明显地细化合金的Β相晶粒,净化金属。

[5,7]

图2　X衍射分析

3.1　力学性能

将试制的模具铝青铜合金材料与国家最高牌号的QAl102321.5的实际力学性能进行对比,如表3所示。

可以看出,新型模具铝青铜合金确有一般铝青铜合金无法比拟的综合力学性能,能够满足制作高性能模具的要求。

表3　力学性能对比表

新型模具铝青铜合金

QAl102321.5

Ρb󰃗MPa

637450

2　试验方法

依成分设计配料和控制成分,用50kg中频感应

炉常压、无保护气氛二次熔炼法熔炼,1200～1240℃出炉,1150～1200℃常压浇注,用砂型铸成<30mm的试棒,加工成<20×20(mm)的试块,经850～880℃油淬固溶+580～600℃空冷时效处理后磨制试样,用2号莱氏试剂浸蚀[5]后观察显微组织。X射线衍射及SEM观察分别在RigakuD󰃗max22400和HITACHIS2502上进行。

硬度

48.2HRC110HB%∆󰃗1.910

　　通过几套小型PVC模具的生产试用,证实了新型模具铝青铜合金是一种优良的替代铁基合金制作模具

的优良材料,特别是在减摩、导热等方面的优良性能更是铁基合金材料所无法比拟的,使用寿命与原用35CrMo钢相比,相对提高2～3倍。在材料的全寿命费用方面有相当竞争力。

3　试验结果与分析

试样经850～880℃×3h油淬处理后确实有单一的马氏体型Β相组织出现(如图1a示),再经600℃×4

+少量Χ+Χh时效处理后,合金基体由Β2(Α2)沉淀相

组成。由X衍射分析(如图2所示)有[AlFe]、[AlNi]2c等弥散ϑ相析出,对合金有显著的强硬化作用。且随时效时间的延长,ϑ相逐渐由星花状向球状过渡(如图1b示),脱离Χ2硬脆相的包围镶嵌在强度和硬度较高的Β基体中,合金时效硬化效果显著。试样经850～880℃

[8]

4　结论

(1)研制的新型模具铝青铜合金材料的设计成分

是正确可行的,经850～880℃油淬固溶处理和580～

600℃空冷时效处理后,其性能可满足模具的使用要求。

(2)最有效的金相组织是在基体Β+少量Χ+2+(Α

。Χ2)沉淀相组织中包含有弥散分布坚硬质点ϑ相参考文献:

[1]　程培源.模具寿命与材料[M].北京:机械工业出版社,1999.

《热加工工艺》　2002年第3期

材　料　　　　

TiB2含量对TiB2󰃗Cu复合材料性能的影响

董仕节1,史耀武2,雷永平2,NormanZhou3

(1.湖北汽车工业学院材料系,湖北十堰442002;2.北京工业大学材料学院新型功能材料教育部重点试验室,北京100022;

3.加拿大滑铁卢大学机械工程系)

摘　要:研究了Ti强度随B2含量对原位生成TiB2󰃗Cu复合材料性能的影响。结果表明:TiB2󰃗Cu复合材料的硬度、

TiB2含量的增加有所提高,但强度在TiB2的含量超过2.0%后有所下降,导电率随TiB2含量的增加有所下降,软化温度

基本保持在900℃左右。

关键词:复合材料;铜合金;TiB2

中图分类号:HB331　　　文献标识码:A　　　文章编号:100123814(2002)0320047203

EffectsofTiB2ContentonPropertiesofTiB2󰃗CuComposite

1223

DONGShi2jie,SHIYao2wu,LEIYong2ping,NormanZhou

(1.Depa.ofMaterialsEng.,HubeiAutomobileIndustrialInstitute,Shiyan442002,China;

2.TheKeyLaboratoryofAdvancedFunctionalMaterialsMinistryofEducation,Beijing100022,China;

3.Dept.ofMechanicalEngineering,UniversityofWaterloo)

Abstract:TheeffectsofTiB2contentonpropertiesofTiB2󰃗Cucompositearestudied.TheresultsindicatethatthehardnessandstrengthofTiB2󰃗CucompositeisincreasedwhiletheconductivityisreducedwiththeincreaseofTiB2content,butthestrengthofTiB2󰃗CucompositeisdecreasedafterTiB2contentis2.0%,andthesofteningtemperatureiskeptat900℃.

Keywords:composite;copperalloy;TiB2

1　引言

铜及其铜合金被广泛应用在要求具有高导电和高

导热的工作环境中,但当工作温度超过铜合金的软化温度时,铜合金将由于软化而导致强度和蠕变抗力下降而失效[1]。常用的析出强化型铜合金(如铜铬合金和铜锆合金)其软化温度也只有500℃左右,其工作温度不能高于其软化温度,因而需要研究一种导电率高于70%IACS和软化温度在500℃以上的铜合金,满足这种要求的铜合金主要是颗粒增强铜基复合材料MMCs

[2]　李名洲,杨海云.重有色金属材料加工手册(第一分册)[M].北京:

(Metal-MatrixComposites)。由于TiB2是具有高导

电率和高熔点的金属间化合物,使得TiB2󰃗Cu复合材

料具有较高的电导率和高的软化温度(900℃左右),因而有关TiB2󰃗Cu复合材料的研究是铜基复合材料研究领域的一个热点[2～4]。由于Ti和B的亲和力很大,采用一般的铸造和粉末冶金技术制造的此类复合材料中,TiB2偏析较大而且呈树枝状晶分布,使TiB2󰃗Cu复合材料达不到预期的性能。为了减少TiB2偏析和细化TiB2的颗粒,采用原位生成是较理想的方法。

本文利用机械合金化后的Cu(Ti、B)过饱和固溶体在自制的真空加压烧结炉中进行加压烧结,制备原位生成TiB2󰃗Cu复合材料,探讨TiB2的含量对TiB2󰃗Cu复合材料性能的影响。

冶金工业出版社,1980.

[3]　印飞,王永新,洪慎章,等.挤压铸造应用模具材料[J].机械工程材

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1978.

[6]　陆文华,李隆盛,黄良合.铸造合金及其熔炼[M].北京:机械工业

2　试验方法

将Cu粉(<150Λm),B粉(<50Λm)和Ti粉(<150Λm)按Cu合金中含一定量(质量分数,%)的TiB2进行(Ti和B的原子比为1∶2)配料,其中(Ti+2B)的含量分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5。将混合的粉末分

[5]

别球磨27h,得到过饱和固溶体Cu(Ti、B)粉末,球磨试验的方法是:将混合好的合金粉末放入球磨机的

收稿日期:2001209224

作者简介:董仕节(19652),男,湖北人,副教授,博士。

出版社,1997.

[7]　纪胜和,陈菁,陈慧敏.高锰铝青铜合金强韧性的研究[J].特种铸

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[9]　曹盛明.廿一国铜材牌号、成分和性能汇编[M].中国有色金属加

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