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Corson青銅合金CNS-V模具制造的銅-鎳-硅-鉻合金
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時(shí)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(qiáng)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(dǎo)電率為140W/（m·K），可應(yīng)用該合金替代P20工具鋼和C17200銅-鈹類(lèi)的模具合金。
高強(qiáng)度和高導(dǎo)電率的合金具有極廣的工業(yè)用途。純銅具有很高的導(dǎo)電率，但強(qiáng)度不夠，無(wú)法適應(yīng)很多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。例如無(wú)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(qiáng)度，然而會(huì)使其導(dǎo)電率嚴(yán)重下降。20世紀(jì)開(kāi)發(fā)的一種銅合金——銅-鎳-硅合金，具有很好的強(qiáng)度和導(dǎo)電率。
1928年，Michael Corson.1申請(qǐng)了銅-硅化物合金的專(zhuān)利。此后，這種合金被稱(chēng)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(chǔ)。在純銅之中按照1:2的比例添加少量的硅鎳或鈷，這就會(huì)形成一個(gè)X2Si硅化物合金，它對(duì)銅的強(qiáng)度有很大的影響。同時(shí)又可以接近純銅原有的導(dǎo)熱水平和導(dǎo)電能力。同樣，添加鉻以后可以制成Cr2Si3合金。然而只能達(dá)到75HRB，而且這種簡(jiǎn)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(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。在經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段的時(shí)效工藝處理以后，這種合金的硬度可以達(dá)到92HRB，其導(dǎo)電率超過(guò)200W/(m·K)。這種合金被UNS命名為C18000，如按重量計(jì)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(qiáng)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(dǎo)電率為140W/（m·K），可應(yīng)用該合金替代P20工具鋼和C17200銅-鈹類(lèi)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(jī)械性能將有助于模具制造商更好地了解其應(yīng)用范圍、優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行比較，將對(duì)設(shè)計(jì)人員有很大的好處。
導(dǎo)熱率背景
CNS-V合金之所以能夠引起模具工業(yè)的注意，主要是因?yàn)槠渚哂泻芨叩膶?dǎo)熱率（其高強(qiáng)度可以通過(guò)工具鋼達(dá)到）。由于其導(dǎo)熱率超過(guò)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(diǎn)，降低翹曲度和減少加工時(shí)間4~5min，達(dá)到提高生產(chǎn)率的效果。
為了演示高導(dǎo)電率模具材料的冷卻效率，我們專(zhuān)門(mén)進(jìn)行了一項(xiàng)研究，在這項(xiàng)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(jí)聚碳酸酯材料注塑模壓而成。循環(huán)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(gè)圖像中可以看到，即使冷卻周期縮短60%，其所提供的高導(dǎo)熱率模具冷卻效果也要比不銹鋼模具優(yōu)秀得多。
在一個(gè)或多個(gè)CNS-V合金試樣上，根據(jù)它們各自ASTM測(cè)試方法獲得的測(cè)試特性如表1所示。只有旋轉(zhuǎn)式疲勞試驗(yàn)缺乏公認(rèn)的測(cè)試程序。這個(gè)測(cè)試是這樣進(jìn)行的：首先讓中間截面縮小的棒料產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在軸上施加一個(gè)固定的扭力（見(jiàn)圖2）。這樣就會(huì)導(dǎo)致在試棒的中心產(chǎn)生一個(gè)完全相反的負(fù)荷（R=-1）。根據(jù)制造廠所使用的這類(lèi)測(cè)試裝置，該試驗(yàn)被稱(chēng)為RR Moore型試驗(yàn)。
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(qū)域所示為Ni2Si顆粒，而較小的暗淡區(qū)域所示為Cr2Si3顆粒。該材料在260倍顯微鏡下的光學(xué)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(xué)金相顯微圖，從圖中可以看到在試板滾動(dòng)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(dá)到的最好金相顯微結(jié)構(gòu)應(yīng)該是均衡的，如圖4所示。在大多數(shù)情況下，材料中將會(huì)含有大量的沉積物，它會(huì)給疲勞強(qiáng)度、韌性和表面質(zhì)量帶來(lái)相反的影響。
導(dǎo)電率取決于材料的熱處理情況。在固溶退火以后，經(jīng)過(guò)熱加工的最初熱處理，合金就可以達(dá)到其最低的導(dǎo)電率和強(qiáng)度。在中等溫度條件下進(jìn)行時(shí)效處理，可以使合金的導(dǎo)電率接近18.0MS/m（31% IACS）并使合金達(dá)到最高強(qiáng)度。圖6所示為導(dǎo)電率與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系圖。此時(shí)，經(jīng)過(guò)一次加熱的材料已經(jīng)受到了超越峰值強(qiáng)度的多次的不同的超時(shí)熱處理。
18MS/m試板的導(dǎo)熱率在兩個(gè)方向上的差距約為2%。在室溫條件下，導(dǎo)熱率的計(jì)算值為140W/（m·K）（81Btu/hr/ft/ F）。這可導(dǎo)致產(chǎn)生Lorenz 6號(hào)數(shù)據(jù)，即2.65×（10~8）W-Ω/K2。19.7MS/m的試樣在室溫條件下的導(dǎo)熱率為162 W/（m·K）（94Btu/hr/ft/ F）。這可導(dǎo)致產(chǎn)生2.78×（10~8）W-Ω/K2的Lorenz數(shù)據(jù)。這組Lorenz數(shù)字與其他銅合金的數(shù)字是一致的，它可以允許測(cè)量導(dǎo)電率，提供一個(gè)很好的導(dǎo)熱率近似值。
像大部分的銅合金那樣，在接近室溫條件下，導(dǎo)熱率隨著溫度提高而增長(zhǎng)。在150 C時(shí)，18.0MS/m試樣的導(dǎo)熱率將達(dá)到174W/（m·K）（100Btu/hr/ft/ F），而19.7MS/m試樣的導(dǎo)熱率將達(dá)到198W/（m·K）（114Btu/hr/ft/ F）。18MS/m試樣的溫度與導(dǎo)熱率關(guān)系如圖7所示。
在一個(gè)CNS-V合金商用試樣上測(cè)量所得的最高機(jī)械強(qiáng)度分別為：最終抗拉強(qiáng)度883MPa（128ksi）；在0.2%偏置的情況下，屈服強(qiáng)度為800MPa（116ksi），硬度為29HRC。這個(gè)試樣所測(cè)得的延伸率為7.5%，導(dǎo)電率為18MS/m（31%IACS）。
圖8所示為50mm試板在經(jīng)過(guò)各種熱處理以后所獲得的硬度與最終屈服抗拉強(qiáng)度特性關(guān)系圖。這些數(shù)據(jù)與該合金所獲得的數(shù)據(jù)是一致的，在抗拉強(qiáng)度為883MPa、屈服強(qiáng)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(shí)處理的C17200銅-鈹合金。而C969707合金是采用旋節(jié)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(dǎo)熱率如圖11所示。
應(yīng)用范圍
CNS-V合金材料具有很高的強(qiáng)度和導(dǎo)熱率，因此其在模具工業(yè)中的應(yīng)用范圍極廣。在吹塑模工藝中，它可用作夾緊套、頸環(huán)和把手插件。在注塑模工藝中，它常常被應(yīng)用于型芯、插件和導(dǎo)向件。此外，還包括注口襯套和脫模插銷(xiāo)。由于其具有較高的上部工作溫度（425 °C），因此也可以應(yīng)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(qǐng)了銅-硅化物合金的專(zhuān)利。此后，這種合金被稱(chēng)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(chǔ)。在純銅之中按照1:2的比例添加少量的硅鎳或鈷，這就會(huì)形成一個(gè)X2Si硅化物合金，它對(duì)銅的強(qiáng)度有很大的影響。同時(shí)又可以接近純銅原有的導(dǎo)熱水平和導(dǎo)電能力。同樣，添加鉻以后可以制成Cr2Si3合金。然而只能達(dá)到75HRB，而且這種簡(jiǎn)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(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。在經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段的時(shí)效工藝處理以后，這種合金的硬度可以達(dá)到92HRB，其導(dǎo)電率超過(guò)200W/(m·K)。這種合金被UNS命名為C18000，如按重量計(jì)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(qiáng)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(dǎo)電率為140W/（m·K），可應(yīng)用該合金替代P20工具鋼和C17200銅-鈹類(lèi)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(jī)械性能將有助于模具制造商更好地了解其應(yīng)用范圍、優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行比較，將對(duì)設(shè)計(jì)人員有很大的好處。
導(dǎo)熱率背景
CNS-V合金之所以能夠引起模具工業(yè)的注意，主要是因?yàn)槠渚哂泻芨叩膶?dǎo)熱率（其高強(qiáng)度可以通過(guò)工具鋼達(dá)到）。由于其導(dǎo)熱率超過(guò)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(diǎn)，降低翹曲度和減少加工時(shí)間4~5min，達(dá)到提高生產(chǎn)率的效果。
為了演示高導(dǎo)電率模具材料的冷卻效率，我們專(zhuān)門(mén)進(jìn)行了一項(xiàng)研究，在這項(xiàng)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(jí)聚碳酸酯材料注塑模壓而成。循環(huán)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(gè)圖像中可以看到，即使冷卻周期縮短60%，其所提供的高導(dǎo)熱率模具冷卻效果也要比不銹鋼模具優(yōu)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(gè)或多個(gè)CNS-V合金試樣上，根據(jù)它們各自ASTM測(cè)試方法獲得的測(cè)試特性如表1所示。只有旋轉(zhuǎn)式疲勞試驗(yàn)缺乏公認(rèn)的測(cè)試程序。這個(gè)測(cè)試是這樣進(jìn)行的：首先讓中間截面縮小的棒料產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在軸上施加一個(gè)固定的扭力（見(jiàn)圖2）。這樣就會(huì)導(dǎo)致在試棒的中心產(chǎn)生一個(gè)完全相反的負(fù)荷（R=-1）。根據(jù)制造廠所使用的這類(lèi)測(cè)試裝置，該試驗(yàn)被稱(chēng)為RR Moore型試驗(yàn)。
圖2 RR Moore型旋轉(zhuǎn)式疲勞試驗(yàn)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(qū)域所示為Ni2Si顆粒，而較小的暗淡區(qū)域所示為Cr2Si3顆粒。該材料在260倍顯微鏡下的光學(xué)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(xué)金相顯微圖，從圖中可以看到在試板滾動(dòng)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(dá)到的最好金相顯微結(jié)構(gòu)應(yīng)該是均衡的，如圖4所示。在大多數(shù)情況下，材料中將會(huì)含有大量的沉積物，它會(huì)給疲勞強(qiáng)度、韌性和表面質(zhì)量帶來(lái)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(xué)金相顯微圖像
導(dǎo)電率取決于材料的熱處理情況。在固溶退火以后，經(jīng)過(guò)熱加工的最初熱處理，合金就可以達(dá)到其最低的導(dǎo)電率和強(qiáng)度。在中等溫度條件下進(jìn)行時(shí)效處理，可以使合金的導(dǎo)電率接近18.0MS/m（31% IACS）并使合金達(dá)到最高強(qiáng)度。圖6所示為導(dǎo)電率與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系圖。此時(shí)，經(jīng)過(guò)一次加熱的材料已經(jīng)受到了超越峰值強(qiáng)度的多次的不同的超時(shí)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(xué)金相顯微圖像
圖6 材料在一次加熱后的最終抗拉強(qiáng)度與導(dǎo)電率關(guān)系圖
18MS/m試板的導(dǎo)熱率在兩個(gè)方向上的差距約為2%。在室溫條件下，導(dǎo)熱率的計(jì)算值為140W/（m·K）（81Btu/hr/ft/ F）。這可導(dǎo)致產(chǎn)生Lorenz 6號(hào)數(shù)據(jù)，即2.65×（10~8）W-Ω/K2。19.7MS/m的試樣在室溫條件下的導(dǎo)熱率為162 W/（m·K）（94Btu/hr/ft/ F）。這可導(dǎo)致產(chǎn)生2.78×（10~8）W-Ω/K2的Lorenz數(shù)據(jù)。這組Lorenz數(shù)字與其他銅合金的數(shù)字是一致的，它可以允許測(cè)量導(dǎo)電率，提供一個(gè)很好的導(dǎo)熱率近似值。
像大部分的銅合金那樣，在接近室溫條件下，導(dǎo)熱率隨著溫度提高而增長(zhǎng)。在150 C時(shí)，18.0MS/m試樣的導(dǎo)熱率將達(dá)到174W/（m·K）（100Btu/hr/ft/ F），而19.7MS/m試樣的導(dǎo)熱率將達(dá)到198W/（m·K）（114Btu/hr/ft/ F）。18MS/m試樣的溫度與導(dǎo)熱率關(guān)系如圖7所示。
圖7 一個(gè)18MS/m（31%IACS）CNS-V合金試樣的導(dǎo)電率與溫度關(guān)系圖
在一個(gè)CNS-V合金商用試樣上測(cè)量所得的最高機(jī)械強(qiáng)度分別為：最終抗拉強(qiáng)度883MPa（128ksi）；在0.2%偏置的情況下，屈服強(qiáng)度為800MPa（116ksi），硬度為29HRC。這個(gè)試樣所測(cè)得的延伸率為7.5%，導(dǎo)電率為18MS/m（31%IACS）。
圖8所示為50mm試板在經(jīng)過(guò)各種熱處理以后所獲得的硬度與最終屈服抗拉強(qiáng)度特性關(guān)系圖。這些數(shù)據(jù)與該合金所獲得的數(shù)據(jù)是一致的，在抗拉強(qiáng)度為883MPa、屈服強(qiáng)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(guān)系圖。線條與數(shù)據(jù)的線性最小乘方擬合
圖9 取自?xún)煞N商用CNS-V合金試板的洛氏硬度C數(shù)據(jù)柱狀圖
圖10 采用 RR Moore型旋轉(zhuǎn)式疲勞試驗(yàn)機(jī)測(cè)試幾種銅基合金所獲得的疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)
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(shí)處理的C17200銅-鈹合金。而C969707合金是采用旋節(jié)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(dǎo)熱率如圖11所示。
圖11 幾種常用模具合金的硬度和導(dǎo)熱率
應(yīng)用范圍
CNS-V合金材料具有很高的強(qiáng)度和導(dǎo)熱率，因此其在模具工業(yè)中的應(yīng)用范圍極廣。在吹塑模工藝中，它可用作夾緊套、頸環(huán)和把手插件。在注塑模工藝中，它常常被應(yīng)用于型芯、插件和導(dǎo)向件。此外，還包括注口襯套和脫模插銷(xiāo)。由于其具有較高的上部工作溫度（425 °C），因此也可以應(yīng)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(yīng)用
CNS-V是一種合金體系，其最高硬度可達(dá)29HRC，導(dǎo)熱率超過(guò)138W/（m·K）。與銅-鈹合金比較可以看出，它適用于對(duì)強(qiáng)度和硬度要求并不太高的應(yīng)用領(lǐng)域。然而，銅-鈹合金的強(qiáng)度略高于CNS-V合金，導(dǎo)熱率基本相同。其硬度可達(dá)到40HRC，而CNS-V合金的硬度一般不會(huì)超過(guò)28HRC。CNS-V合金的優(yōu)點(diǎn)是：其上部工作溫度可達(dá)到425°C，而C17200銅-鈹合金只局限于315 F以下。
本文沒(méi)有談及供貨商提供大截面合金的能力。目前，還沒(méi)有一家供貨商可以提供截面厚度超過(guò)4in（1in=25.4mm）的合金。實(shí)踐證明，要生產(chǎn)大截面合金（最小截面超過(guò)6in），其一致性很難保證，因?yàn)樵跓崽幚磉^(guò)程中，很難使這樣大的截面均勻加熱和冷卻。
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