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Corson青銅合金CNS-V模具制造的銅-鎳-硅-鉻合金
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-03-27
如按重量增加7%的鎳和2%的硅就可將C18000合金改變成具有較高強度的Corson青銅合金（在本文中被命名為CNS-V銅-鎳-硅化物合金5。）該合金的硬度為29HRC，在鍛造截面大于25mm的情況下，其導電率為140W/（m·K），可應用該合金替代P20工具鋼和C17200銅-鈹類的模具合金。
高強度和高導電率的合金具有極廣的工業用途。純銅具有很高的導電率，但強度不夠，無法適應很多工業應用領域。例如無法作為注塑模的型芯和型腔材料。添加鋁元素和錫元素后的銅合金可以提高其材料的強度，然而會使其導電率嚴重下降。20世紀開發的一種銅合金——銅-鎳-硅合金，具有很好的強度和導電率。
1928年，Michael Corson.1申請了銅-硅化物合金的專利。此后，這種合金被稱作Corson青銅合金。這種合金中的硅化物能夠以鎳、鉻或鈷為基礎。在純銅之中按照1:2的比例添加少量的硅鎳或鈷，這就會形成一個X2Si硅化物合金，它對銅的強度有很大的影響。同時又可以接近純銅原有的導熱水平和導電能力。同樣，添加鉻以后可以制成Cr2Si3合金。然而只能達到75HRB，而且這種簡單的硅化物合金用途非常有限。
含有鎳和鉻硅化物的銅合金2在塑料模具工業中得到了廣泛的應用。在經過兩個階段的時效工藝處理以后，這種合金的硬度可以達到92HRB，其導電率超過200W/(m·K)。這種合金被UNS命名為C18000，如按重量計算，其含鎳量約為2.5%，含硅量0.75%，含鉻量0.4%，其余全部為銅。
如按重量增加7%的鎳和2%的硅就可將C18000合金改變成具有較高強度的Corson青銅合金（在本文中被命名為CNS-V銅-鎳-硅化物合金5。）該合金的硬度為29HRC，在鍛造截面大于25mm的情況下，其導電率為140W/（m·K），可應用該合金替代P20工具鋼和C17200銅-鈹類的模具合金。由于這是一種比較新型的合金體系，審核其物理性能和機械性能將有助于模具制造商更好地了解其應用范圍、優點和局限性。在模具制造中，將這些特性與其他通用模具材料的特性進行比較，將對設計人員有很大的好處。
導熱率背景
CNS-V合金之所以能夠引起模具工業的注意，主要是因為其具有很高的導熱率（其高強度可以通過工具鋼達到）。由于其導熱率超過普通工具鋼的5倍，因此這種合金適合于制造注塑模的型芯和型腔，有利于去除熱點，降低翹曲度和減少加工時間4~5min，達到提高生產率的效果。
為了演示高導電率模具材料的冷卻效率，我們專門進行了一項研究，在這項案例研究中，人們分別采用24W/(m·K)（14 Btu/hr/ft/ F）的420不銹鋼插件和130W/(m·K)（75 Btu/hr/ft/ F）的C17200銅合金插件，將聚碳酸酯鏡片模壓成型。聚碳酸酯鏡片的厚度為2mm，在310 C的條件下，采用眼鏡級聚碳酸酯材料注塑模壓而成。循環冷卻水的溫度為55 C。脫模以后的鏡片熱圖像如圖1所示。從這個圖像中可以看到，即使冷卻周期縮短60%，其所提供的高導熱率模具冷卻效果也要比不銹鋼模具優秀得多。
在一個或多個CNS-V合金試樣上，根據它們各自ASTM測試方法獲得的測試特性如表1所示。只有旋轉式疲勞試驗缺乏公認的測試程序。這個測試是這樣進行的：首先讓中間截面縮小的棒料產生旋轉運動，同時在軸上施加一個固定的扭力（見圖2）。這樣就會導致在試棒的中心產生一個完全相反的負荷（R=-1）。根據制造廠所使用的這類測試裝置，該試驗被稱為RR Moore型試驗。
圖3所示為CNS-V合金試樣拋光以后的SEM金相顯微圖（反向散射電子圖像）。10μm的區域所示為Ni2Si顆粒，而較小的暗淡區域所示為Cr2Si3顆粒。該材料在260倍顯微鏡下的光學金相顯微圖如圖4所示。圖5所示為50倍顯微鏡下的另一光學金相顯微圖，從圖中可以看到在試板滾動的方向延伸形成了更大（100μm）的Ni2Si顆粒。在大截面情況下，這種合金所能達到的最好金相顯微結構應該是均衡的，如圖4所示。在大多數情況下，材料中將會含有大量的沉積物，它會給疲勞強度、韌性和表面質量帶來相反的影響。
導電率取決于材料的熱處理情況。在固溶退火以后，經過熱加工的最初熱處理，合金就可以達到其最低的導電率和強度。在中等溫度條件下進行時效處理，可以使合金的導電率接近18.0MS/m（31% IACS）并使合金達到最高強度。圖6所示為導電率與抗拉強度的關系圖。此時，經過一次加熱的材料已經受到了超越峰值強度的多次的不同的超時熱處理。
18MS/m試板的導熱率在兩個方向上的差距約為2%。在室溫條件下，導熱率的計算值為140W/（m·K）（81Btu/hr/ft/ F）。這可導致產生Lorenz 6號數據，即2.65×（10~8）W-Ω/K2。19.7MS/m的試樣在室溫條件下的導熱率為162 W/（m·K）（94Btu/hr/ft/ F）。這可導致產生2.78×（10~8）W-Ω/K2的Lorenz數據。這組Lorenz數字與其他銅合金的數字是一致的，它可以允許測量導電率，提供一個很好的導熱率近似值。
像大部分的銅合金那樣，在接近室溫條件下，導熱率隨著溫度提高而增長。在150 C時，18.0MS/m試樣的導熱率將達到174W/（m·K）（100Btu/hr/ft/ F），而19.7MS/m試樣的導熱率將達到198W/（m·K）（114Btu/hr/ft/ F）。18MS/m試樣的溫度與導熱率關系如圖7所示。
在一個CNS-V合金商用試樣上測量所得的最高機械強度分別為：最終抗拉強度883MPa（128ksi）；在0.2%偏置的情況下，屈服強度為800MPa（116ksi），硬度為29HRC。這個試樣所測得的延伸率為7.5%，導電率為18MS/m（31%IACS）。
圖8所示為50mm試板在經過各種熱處理以后所獲得的硬度與最終屈服抗拉強度特性關系圖。這些數據與該合金所獲得的數據是一致的，在抗拉強度為883MPa、屈服強度為800MPa的情況下，這種合金所獲得的硬度為29HRC。
表2所示為幾種常用模具合金的物理特性及相互比較。C17200 LH合金是超時處理的C17200銅-鈹合金。而C969707合金是采用旋節線方式淬硬的UNS C96970 Cu-Ni-Sn合金。AISI P-20是一種Cr-Ni-Mo合金工具鋼。所有這些合金的硬度范圍均在26~32HRC。它們的硬度和導熱率如圖11所示。
應用范圍
CNS-V合金材料具有很高的強度和導熱率，因此其在模具工業中的應用范圍極廣。在吹塑模工藝中，它可用作夾緊套、頸環和把手插件。在注塑模工藝中，它常常被應用于型芯、插件和導向件。此外，還包括注口襯套和脫模插銷。由于其具有較高的上部工作溫度（425 °C），因此也可以應用于熱流道噴嘴，盡管它屬于一種高銅合金，但在溫度不斷上升的情況下，易受到氧化腐蝕。
1928年，Michael Corson.1申請了銅-硅化物合金的專利。此后，這種合金被稱作Corson青銅合金。這種合金中的硅化物能夠以鎳、鉻或鈷為基礎。在純銅之中按照1:2的比例添加少量的硅鎳或鈷，這就會形成一個X2Si硅化物合金，它對銅的強度有很大的影響。同時又可以接近純銅原有的導熱水平和導電能力。同樣，添加鉻以后可以制成Cr2Si3合金。然而只能達到75HRB，而且這種簡單的硅化物合金用途非常有限。
含有鎳和鉻硅化物的銅合金2在塑料模具工業中得到了廣泛的應用。在經過兩個階段的時效工藝處理以后，這種合金的硬度可以達到92HRB，其導電率超過200W/(m·K)。這種合金被UNS命名為C18000，如按重量計算，其含鎳量約為2.5%，含硅量0.75%，含鉻量0.4%，其余全部為銅。
如按重量增加7%的鎳和2%的硅就可將C18000合金改變成具有較高強度的Corson青銅合金（在本文中被命名為CNS-V銅-鎳-硅化物合金5。）該合金的硬度為29HRC，在鍛造截面大于25mm的情況下，其導電率為140W/（m·K），可應用該合金替代P20工具鋼和C17200銅-鈹類的模具合金。由于這是一種比較新型的合金體系，審核其物理性能和機械性能將有助于模具制造商更好地了解其應用范圍、優點和局限性。在模具制造中，將這些特性與其他通用模具材料的特性進行比較，將對設計人員有很大的好處。
導熱率背景
CNS-V合金之所以能夠引起模具工業的注意，主要是因為其具有很高的導熱率（其高強度可以通過工具鋼達到）。由于其導熱率超過普通工具鋼的5倍，因此這種合金適合于制造注塑模的型芯和型腔，有利于去除熱點，降低翹曲度和減少加工時間4~5min，達到提高生產率的效果。
為了演示高導電率模具材料的冷卻效率，我們專門進行了一項研究，在這項案例研究中，人們分別采用24W/(m·K)（14 Btu/hr/ft/ F）的420不銹鋼插件和130W/(m·K)（75 Btu/hr/ft/ F）的C17200銅合金插件，將聚碳酸酯鏡片模壓成型。聚碳酸酯鏡片的厚度為2mm，在310 C的條件下，采用眼鏡級聚碳酸酯材料注塑模壓而成。循環冷卻水的溫度為55 C。脫模以后的鏡片熱圖像如圖1所示。從這個圖像中可以看到，即使冷卻周期縮短60%，其所提供的高導熱率模具冷卻效果也要比不銹鋼模具優秀得多。
圖1 聚碳酸酯鏡片在15Btu和60Btu銅制模具中冷卻后的熱圖像
在一個或多個CNS-V合金試樣上，根據它們各自ASTM測試方法獲得的測試特性如表1所示。只有旋轉式疲勞試驗缺乏公認的測試程序。這個測試是這樣進行的：首先讓中間截面縮小的棒料產生旋轉運動，同時在軸上施加一個固定的扭力（見圖2）。這樣就會導致在試棒的中心產生一個完全相反的負荷（R=-1）。根據制造廠所使用的這類測試裝置，該試驗被稱為RR Moore型試驗。
圖2 RR Moore型旋轉式疲勞試驗示意圖
圖3所示為CNS-V合金試樣拋光以后的SEM金相顯微圖（反向散射電子圖像）。10μm的區域所示為Ni2Si顆粒，而較小的暗淡區域所示為Cr2Si3顆粒。該材料在260倍顯微鏡下的光學金相顯微圖如圖4所示。圖5所示為50倍顯微鏡下的另一光學金相顯微圖，從圖中可以看到在試板滾動的方向延伸形成了更大（100μm）的Ni2Si顆粒。在大截面情況下，這種合金所能達到的最好金相顯微結構應該是均衡的，如圖4所示。在大多數情況下，材料中將會含有大量的沉積物，它會給疲勞強度、韌性和表面質量帶來相反的影響。
圖3 在500倍顯微鏡下看到的CNS-V合金反向散射電子圖像
圖4 在260倍顯微鏡下看到的CNS-V合金光學金相顯微圖像
導電率取決于材料的熱處理情況。在固溶退火以后，經過熱加工的最初熱處理，合金就可以達到其最低的導電率和強度。在中等溫度條件下進行時效處理，可以使合金的導電率接近18.0MS/m（31% IACS）并使合金達到最高強度。圖6所示為導電率與抗拉強度的關系圖。此時，經過一次加熱的材料已經受到了超越峰值強度的多次的不同的超時熱處理。
圖5 在50倍顯微鏡下看到的帶有大顆粒硅化合物的CNS-V合金光學金相顯微圖像
圖6 材料在一次加熱后的最終抗拉強度與導電率關系圖
18MS/m試板的導熱率在兩個方向上的差距約為2%。在室溫條件下，導熱率的計算值為140W/（m·K）（81Btu/hr/ft/ F）。這可導致產生Lorenz 6號數據，即2.65×（10~8）W-Ω/K2。19.7MS/m的試樣在室溫條件下的導熱率為162 W/（m·K）（94Btu/hr/ft/ F）。這可導致產生2.78×（10~8）W-Ω/K2的Lorenz數據。這組Lorenz數字與其他銅合金的數字是一致的，它可以允許測量導電率，提供一個很好的導熱率近似值。
像大部分的銅合金那樣，在接近室溫條件下，導熱率隨著溫度提高而增長。在150 C時，18.0MS/m試樣的導熱率將達到174W/（m·K）（100Btu/hr/ft/ F），而19.7MS/m試樣的導熱率將達到198W/（m·K）（114Btu/hr/ft/ F）。18MS/m試樣的溫度與導熱率關系如圖7所示。
圖7 一個18MS/m（31%IACS）CNS-V合金試樣的導電率與溫度關系圖
在一個CNS-V合金商用試樣上測量所得的最高機械強度分別為：最終抗拉強度883MPa（128ksi）；在0.2%偏置的情況下，屈服強度為800MPa（116ksi），硬度為29HRC。這個試樣所測得的延伸率為7.5%，導電率為18MS/m（31%IACS）。
圖8所示為50mm試板在經過各種熱處理以后所獲得的硬度與最終屈服抗拉強度特性關系圖。這些數據與該合金所獲得的數據是一致的，在抗拉強度為883MPa、屈服強度為800MPa的情況下，這種合金所獲得的硬度為29HRC。
圖8 材料抗拉特性與硬度之間的關系圖。線條與數據的線性最小乘方擬合
圖9 取自兩種商用CNS-V合金試板的洛氏硬度C數據柱狀圖
圖10 采用 RR Moore型旋轉式疲勞試驗機測試幾種銅基合金所獲得的疲勞強度數據
表2所示為幾種常用模具合金的物理特性及相互比較。C17200 LH合金是超時處理的C17200銅-鈹合金。而C969707合金是采用旋節線方式淬硬的UNS C96970 Cu-Ni-Sn合金。AISI P-20是一種Cr-Ni-Mo合金工具鋼。所有這些合金的硬度范圍均在26~32HRC。它們的硬度和導熱率如圖11所示。
圖11 幾種常用模具合金的硬度和導熱率
應用范圍
CNS-V合金材料具有很高的強度和導熱率，因此其在模具工業中的應用范圍極廣。在吹塑模工藝中，它可用作夾緊套、頸環和把手插件。在注塑模工藝中，它常常被應用于型芯、插件和導向件。此外，還包括注口襯套和脫模插銷。由于其具有較高的上部工作溫度（425 °C），因此也可以應用于熱流道噴嘴，盡管它屬于一種高銅合金，但在溫度不斷上升的情況下，易受到氧化腐蝕。
圖12 CNS-V合金在鋼鐵模具中一般作為插件應用
CNS-V是一種合金體系，其最高硬度可達29HRC，導熱率超過138W/（m·K）。與銅-鈹合金比較可以看出，它適用于對強度和硬度要求并不太高的應用領域。然而，銅-鈹合金的強度略高于CNS-V合金，導熱率基本相同。其硬度可達到40HRC，而CNS-V合金的硬度一般不會超過28HRC。CNS-V合金的優點是：其上部工作溫度可達到425°C，而C17200銅-鈹合金只局限于315 F以下。
本文沒有談及供貨商提供大截面合金的能力。目前，還沒有一家供貨商可以提供截面厚度超過4in（1in=25.4mm）的合金。實踐證明，要生產大截面合金（最小截面超過6in），其一致性很難保證，因為在熱處理過程中，很難使這樣大的截面均勻加熱和冷卻。
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