專利名稱：制造拉伸模具的銅基合金材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造拉伸模具的銅基合金材料。
在EP0042455專利文件中公開了一種高耐磨性的銅鋁鈷合金，其組成成分含有鋁、鐵、錳、鈷、鉻、鋯、鈹、余量為銅。熔煉工藝是在配有石墨坩堝的Mf-感應(yīng)爐中，真空熔煉、真空澆鑄，鑄件要在900-950℃的溫度下正火處理。這種合金的不足之處是硬度不高;成分中含有貴重金屬鋯，有毒金屬鈹;真空熔煉、真空澆鑄，設(shè)備投資大，成本高，工藝復(fù)雜。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處而提供一種制造拉伸模具的銅基合金材料。
本發(fā)明的目的是這樣來實(shí)現(xiàn)的制造拉伸模具的銅基合金材料的組成成分是(重量%)鋁 13.1-16.1% 鐵 4.5-5.2%錳 2.0-2.5% 鎳 0.1-0.16%鈷 2.0-2.3% 釩 0.01-0.015%鈦 0.01-0.015% 稀土元素 0.01-0.015%余量為銅及不可避免的少量雜質(zhì)。
其熔煉和澆鑄的工藝步驟是①將坩堝加熱到暗紅;
②按鈷、鎳、銅的順序，將其投入坩堝內(nèi)加熱;
③待銅熔化后，加入釩、鈦、鐵;
④待鐵熔化后，加入鋁，攪拌送風(fēng)，再加入錳，停風(fēng)攪拌;
⑤當(dāng)熔體溫度為1100-1200℃時(shí)，將坩堝出爐，精煉;
⑥用鐘罩將精煉劑與稀土元素壓入熔體內(nèi)，充分?jǐn)嚢?
⑦當(dāng)坩堝內(nèi)熔體溫度降為970-1050℃時(shí)除渣、澆鑄;
⑧毛胚進(jìn)行機(jī)械加工后，進(jìn)行時(shí)效工藝處理，其工序是a把工件加熱至450-500℃，保溫3-5小時(shí);b工件從爐內(nèi)取出，在空氣中自然冷卻。
上述所用精煉劑為氯化錳，其加入量為爐料總重量的0.01%，也可以吹氮精煉。


如下圖1是快速冷卻時(shí)，合金中β-相轉(zhuǎn)變過程及最后得到的亞穩(wěn)態(tài)組織相圖;
圖2是本發(fā)明合金鑄態(tài)金相圖;
圖3是本發(fā)明合金經(jīng)時(shí)效處理后金相圖。
下面用實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作盡一步詳述實(shí)施例1生產(chǎn)240mm 柿型鍋;
模具尺寸φ外424mm×φ內(nèi)240mm×40mm鑄造毛胚尺寸φ外434mm×φ內(nèi)230mm×50mm
毛胚體積V＝5316.6Cm3毛胚重量(比重按8.9g/Cm3)計(jì)算G＝47.3kg考慮澆口帽口用量，實(shí)際配料63kg，按合金組成成分配比，計(jì)算各成分用量如下銅 49.3101Kg 鋁8.253Kg鐵 2.835Kg 錳 1.26Kg鎳 0.063Kg 鈷 1.26Kg釩 0.0063Kg 鈦 0.0063Kg稀土元素 0.0063Kg熔煉及澆鑄工藝如下1、將80＃坩堝在地爐內(nèi)加熱到暗紅;
2、將1.26Kg的鈷、0.063Kg的鎳、49.3101Kg的銅，按順序投入坩堝加熱;
3、待銅熔化后，將2.835Kg的鐵，0.0063Kg的釩，0.0063Kg的鈦投入熔融銅液的坩堝內(nèi)熔化;
4、待鐵熔化后，加入8.253Kg的鋁，送風(fēng)半分鐘后停風(fēng)攪拌，當(dāng)坩堝內(nèi)熔體呈白色時(shí)，加入1.26Kg的錳，再送風(fēng)，待錳熔化后停風(fēng)，充分?jǐn)嚢?
5、當(dāng)熔體溫度為1100℃時(shí)，把坩堝取出爐外，進(jìn)行精煉;
6、將0.0063Kg的精煉劑氯化錳和0.0063Kg的稀土元素用鐘罩先后壓入熔體中，充分?jǐn)嚢?
7、當(dāng)坩堝內(nèi)熔體溫度降至980℃時(shí)，即可去渣澆鑄;
8、切去毛胚的澆、帽口，進(jìn)行機(jī)加工達(dá)到圖紙要求的尺寸;
9、將加工好的工件，在45千瓦的箱式電爐中加熱至450℃，保溫4小時(shí)，進(jìn)行時(shí)效處理，而后，從爐內(nèi)取出工件，置于空氣中自然冷卻，模具即可應(yīng)用。
實(shí)施例2生產(chǎn)3.5升水壺模具尺寸φ外338mm×φ內(nèi)180mm×50mm鑄造毛胚尺寸φ外348mm×φ內(nèi)170mm×60mm毛胚體積V＝4343Cm3毛胚重量(比重按8.9g/Cm3)計(jì)算G＝37Kg考慮澆、帽口重量實(shí)際配料50Kg按合金組成成分配比，計(jì)算各成分用量是銅 36.8475Kg 鋁 8.05Kg鐵 2.60Kg 錳 1.25Kg鎳 0.08Kg 鈷 1.15Kg釩 0.0075Kg 鈦 0.0075Kg
稀土元素 0.0075Kg熔煉及澆鑄工藝是1、選60＃坩堝在地爐內(nèi)加熱到暗紅;
2、將1.15Kg的鈷、0.08Kg的鎳、36.8475Kg的銅按順序放入坩堝內(nèi)加熱熔化;
3、待銅熔化后，將2.615Kg的鐵的中間合金(釩鈦鐵)置于坩堝內(nèi)，熔化;
4、待鐵的中間合金熔化后，加入8.05Kg的鋁，送風(fēng)半分鐘，當(dāng)熔體呈白色時(shí)，加入1.25Kg的錳，熔化后停風(fēng)充分?jǐn)嚢瑁辜尤氲母鞣N成分充分混合均勻;
5、當(dāng)熔體溫度為1100℃時(shí)，把坩堝從爐內(nèi)取出進(jìn)行精煉;
6、將0.005Kg的精煉劑氯化錳和0.0075Kg的稀土元素用鐘罩先后壓入熔體中，充分?jǐn)嚢?
7、當(dāng)坩堝內(nèi)熔體溫度降至970℃時(shí)，即可除渣、澆鑄;
8、切去毛胚的澆、帽口進(jìn)行機(jī)加工，達(dá)到圖紙要求尺寸;
9、將加工好的工件放入45千瓦的箱式電爐中加熱至500℃，保溫3小時(shí)。而后，從爐中取出工件，置于空氣中自然冷卻。模具即可應(yīng)用。
本發(fā)明合金鑄態(tài)金相圖如圖2所示，處理?xiàng)l件是氯化鐵加酒精熔液腐蝕，金相圖放大350倍。
本發(fā)明合金經(jīng)時(shí)效處理后金相圖如圖3所示，處理?xiàng)l件是氯化鐵加酒精熔液腐蝕，金相圖放大400倍。
本發(fā)明的成分設(shè)計(jì)是依據(jù)銅-鋁合金相圖，考慮到模具的使用特點(diǎn)在于克服拉制過程中產(chǎn)品表面的擦傷劃痕。欲想實(shí)現(xiàn)此目的，根據(jù)摩擦學(xué)理論對(duì)模具材料金相組織的要求是模具材料獲得多相組織比單相組織具有更好的抗擦傷劃痕的能力，同時(shí)，要求模具材料的硬度與不銹鋼的硬度匹配合適;還要求所設(shè)計(jì)的合金成分具有良好的鑄造性能。根據(jù)以上幾點(diǎn)分析。我們?cè)O(shè)計(jì)的合金中，選配鋁的含量在13.1-16.1%范圍較適宜，比通常變形鋁青銅的含量高得多?？焖倮鋮s時(shí)，鋁青銅中的β-相轉(zhuǎn)變過程及最后得到的亞穩(wěn)定組織如圖1所示。鋁的成分在13.1-16.1%范圍內(nèi)，β相將發(fā)生無擴(kuò)散相變，形成針狀β′相和馬氏體。我們?cè)O(shè)計(jì)的合金中，在鋁的含量范圍內(nèi)相變是由無序的β相過渡到有序的固溶體β1，然后按合金中鋁含量的不同，再轉(zhuǎn)變成針狀的β′馬氏體或針狀γ′馬氏體或(β′+γ′)兩相的混合物。β′-相是亞穩(wěn)定組織在冷卻過程中，β′-相又發(fā)生共析轉(zhuǎn)變成為其它組織。當(dāng)β′相中分解出細(xì)小的(α+γ2)共析組織時(shí)，其強(qiáng)度、硬度又會(huì)升高。鋁的含量在13.1-16.1%范圍內(nèi)，合金的鑄造性能好，如流動(dòng)性好，偏析傾向小、鑄件組織致密。鋁的含量低于13%，合金不能滿足拉伸時(shí)的硬度要求，當(dāng)鋁的含量高于16.1%時(shí)，合金性能急劇降低，性脆，無使用價(jià)值，并且熔體極易氧化。
考慮到β-相在共析分解時(shí)，有所謂“自行退火”現(xiàn)象，導(dǎo)致合金變脆，因此在合金成分中加入鐵、錳和微量的鎳、釩等元素，使其抑制緩冷脆性。鐵能細(xì)化組織，提高合金的機(jī)械性能(強(qiáng)度、硬度)，還能抑制合金的“自行退火”現(xiàn)象，避免合金變脆。鐵量過高，組織易形成過多的針狀A(yù)l3Fe-相，易使合金性能變壞。合金中加入一定量的錳，一則改變合金的工藝性能，二則錳的加入使Al3Fe-相變成細(xì)小質(zhì)點(diǎn)，彌散分布在基體相上，增加合金的耐磨性，還可降低共析轉(zhuǎn)變溫度。同時(shí)錳還可以起造渣脫氧作用，使熔體中的氧盡量減少，提高合金的致密度。鎳在合金中與適量的錳配合?？墒构参鲛D(zhuǎn)變產(chǎn)物形成粒狀組織，有利于模具的抗擦傷、抗咬合能力，又能提高組織的熱穩(wěn)定性。而鎳與鋁形成K-相(NiAl)均勻分布的細(xì)小粒狀質(zhì)點(diǎn)，提高合金的耐磨性，我們把鎳量控制在0.1-0.16%。鈷(Co)能提高合金的強(qiáng)度、硬度及耐磨性，鈷(Co)還能提高合金的時(shí)效硬化傾向。時(shí)效處理時(shí)，在合金的基體上析出彌散分布的CoAl-相，增加合金的硬度，耐磨性。而Co＜2.0%時(shí)，合金的時(shí)效硬化作用不明顯，當(dāng)Co＞2.3%時(shí)，合金中CoAl含量高，使合金的脆性增加，所以本合金中，把鈷含量控制在2.2%左右。再加入微量的釩、鈦和稀土元素，在熔體澆鑄前起孕育細(xì)化組織作用。
經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)分析，我們認(rèn)為，在拉制不銹鋼器皿過程中，器皿表面出現(xiàn)的擦傷、劃痕主要是模具材料本身造成的。銅基合金模具材料與不銹鋼器皿材料所組成的摩擦副，在拉制過程中主要應(yīng)屬于表面局部高溫引起的微凸體熔焊的粘著磨損過程;同時(shí)也可能伴隨產(chǎn)生硬度較高的微凸體對(duì)軟材料表面所引起的二體磨粒磨損，在個(gè)別工況下也不排除存在有外界顆粒引起的三體磨粒磨損?；趯?duì)磨損類型的分析，顯然材質(zhì)的選配和摩擦副的硬度匹配應(yīng)是決定該對(duì)摩擦副、摩擦磨損特性的主要影響因素。由于銅基合金材料與不銹鋼材料相互間的互溶性小，不易在摩擦副表面形成粘著結(jié)點(diǎn)和產(chǎn)生材料轉(zhuǎn)移。所以能有效地避免涂抹、擦傷、劃痕，甚至于膠合等不同程度的粘著磨損現(xiàn)象的發(fā)生與發(fā)展。同時(shí)多相組織比單相組織具有更好的抗粘著磨損性能。而本發(fā)明合金材料的顯微組織為塊狀的α-相和不連續(xù)分布的γ2相，在α和γ2相的基體上分布有K-相質(zhì)點(diǎn)，為此，它具有較好的抗粘著磨損性能。
本發(fā)明合金的抗咬合性試驗(yàn)結(jié)果如下表試驗(yàn)條件室溫開始，自然升溫;液體石臘潤(rùn)滑。
經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)定，本發(fā)明合金鑄態(tài)時(shí)機(jī)械性能如下硬度HRC＝38-40抗拉強(qiáng)度6b＝55-60Kg/mm2沖擊韌性αK＝0.2-0.3KgM/cm2抗壓強(qiáng)度120Kg/mm2-100Kg/mm2本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)
1、硬度高，耐磨性好;
2、用本發(fā)明合金制備的模具適用于拉制不銹鋼及低碳鋼器皿，器皿表面光滑，無擦傷劃痕;拉制中基本上不修模，模具使用壽命長(zhǎng)，生產(chǎn)效率高;而且對(duì)潤(rùn)滑劑無特殊要求;
3、生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，投資少，成本低;
4、工件時(shí)效處理工藝溫度低，節(jié)省能源;
5、原材料價(jià)廉、易購(gòu)(無毒)。
權(quán)利要求
1.一種制造拉伸模具的銅基合金材料，其特征在于組成成分(重量%)是鋁 13.1-16.1% 鐵 4.5-5.2%錳 2.0-2.5%鎳 0.1-0.16%鈷 2.0-2.3%釩 0.01-0.015%鈦 0.01-0.015% 稀土元素0.01-0.015%余量為銅及不可避免的少量雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所說的銅基合金材料的制造方法，其特征在于熔煉及澆鑄的工藝步驟是①將坩堝加熱到暗紅;②按鈷、鎳、銅的順序，將其投入坩堝內(nèi)加熱;③待銅熔化后，加入釩、鈦、鐵;④待鐵熔化后，加入鋁，攪拌送風(fēng)，再加入錳，停風(fēng)攪拌;⑤當(dāng)熔體溫度為1100-1200℃時(shí)，將坩堝出爐，精煉;⑥用鐘罩將精煉劑與稀土元素壓入熔體內(nèi)，充分?jǐn)嚢?⑦當(dāng)坩堝內(nèi)熔體溫度降至970-1050℃時(shí)除渣，澆鑄;⑧毛胚進(jìn)行機(jī)械加工后，進(jìn)行時(shí)效工藝處理，a把工件加熱至450-500℃，保溫3-5小時(shí);b工件從爐內(nèi)取出，在空氣中自然冷卻。
3.按照權(quán)利要求1或2所說的銅基合金材料，其特征在于所用的精煉劑為氯化錳，加入量為爐料總重量的0.01%，也可以吹氮精煉。
全文摘要
一種制造拉伸模具的銅基合金材料，是由銅、鋁、鐵、錳、鎳、鈷、釩、鈦及稀土元素組成。該合金經(jīng)高溫熔煉、低溫澆鑄，毛胚機(jī)加工后再進(jìn)行時(shí)效處理即可應(yīng)用。本發(fā)明銅基合金材料硬度高，耐磨性好；熔煉所用設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，投資少，成本低；用該合金材料制造的模具適用于拉制不銹鋼及低碳鋼器皿；拉制的器皿表面光滑、無擦傷劃痕，成品率高，模具使用壽命長(zhǎng)，而且對(duì)潤(rùn)滑劑無特殊要求。
文檔編號(hào)C22C9/01GK1050224SQ9010810
公開日1991年3月27日 申請(qǐng)日期1990年9月28日 優(yōu)先權(quán)日1990年9月28日
發(fā)明者高興華, 梁金生 申請(qǐng)人:河北工學(xué)院