專利名稱：用于鑄造鋁或鋁合金的銅合金鑄模的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適合用于鑄造鋁或鋁合金的銅合金鑄模。
通常，鋁或鋁合金(此后統(tǒng)稱為“鋁合金”)是在鑄模中進行鑄造的，該?？梢允歉邏盒汀⒌蛪盒突蛑亓π偷?。這種鑄模一般由硬質(zhì)鋼構(gòu)成，如“SKD61”，主要因為該鋼在鑄造溫度下具有高的耐鋁腐蝕性，高的耐熱沖擊裂紋或熱裂紋，以及高的耐接觸磨損性，這種磨損在將鑄造合金從模腔中取出時發(fā)生。但是，用鋼作為鑄造鋁合金的鑄模會產(chǎn)生這樣的問題，就是由于鋼的熱導率低導致每一鑄造周期需要較長時間，而且由于鑄模的冷卻速率低，使得鑄造的鋁合金的晶粒變粗，從而導致鑄造合金的強度和延展性變差。
作為解決這些問題的一種方法，最近已提出使用具有優(yōu)良熱導率的銅合金模。但是，與鋼相比，銅合金在鋁合金中有較高溶解度，因而容易被鋁合金腐蝕。另外，銅合金比鋼軟，因而不易進行機加工，此外，它還有較差的可焊性，而這是修理鑄模所需的一種特性。
本發(fā)明的第一個目的是提供一種用于鑄造鋁合金的銅合金鑄模，它避免了現(xiàn)有技術(shù)的上述問題。
本發(fā)明的一個具體目的是提供一種具有優(yōu)良熱導率和改進的耐熔體損害的銅合金模，這種熔體損害可以是由于鋁合金腐蝕而產(chǎn)生。
本發(fā)明是基于本發(fā)明人在廣泛研究中獲得的一種新認識而實現(xiàn)的。
為了改進銅合金鑄模的耐熔體損害性，人們可能會考慮在鑄模表面涂覆一層具有增強硬度和低的鋁合金親合性的材料。
因此，本發(fā)明人進行了廣泛研究以確定各種陶瓷、金屬陶瓷和有增強硬度的有色合金(此后稱“硬質(zhì)合金”)作為銅合金鑄模涂層材料的適宜性。
結(jié)果，發(fā)現(xiàn)包括至少一種選自由Co、Cu、Cr和Ni組成的組中的元素的金屬陶瓷，以及Co-、Ni-、Cr-或Mo-基硬質(zhì)合金特別適合用作銅合金鑄模的涂層材料。
基于這種認識，本發(fā)明提供了一種用于鑄造鋁或鋁合金的銅合金鑄模，其中該鑄模的熱導率不低于0.20卡/秒·厘米·℃，并且包括一個至少部分涂覆有金屬陶瓷層或Co-、Ni-、Cr-或Mo-基硬質(zhì)合金層的模腔表面，該金屬陶瓷層包括至少一種選自由Co、Cu、Cr和Ni組成的組中的元素。
優(yōu)選地，所述的金屬陶瓷層包括(i)至少一種選自由碳化物，氮化物，硅化物，硼化物和氧化物組成的組中的陶瓷，和(ii)至少一種選自由Co、Cu、Cr和Ni組成的組中的元素。
在這種情況下，金屬陶瓷層優(yōu)選地包括WC-Co金屬陶瓷、MoB2-Ni金屬陶瓷和Cr3C2-Ni金屬陶瓷中的一種。
Mo-基合金層優(yōu)選地包括Co-Mo-Cr合金。
涂層優(yōu)選地具有算術(shù)平均粗糙度Ra為0.1-200μm的范圍。
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的銅合金有以下基本組成-Ni1.0-6.0重量％，-Co0.1-0.6重量％，-Be0.15-0.8重量％-Mg0.2-0.7重量％和/或Al0.7-2.0重量％，以及-Cu余量。
正如從下面敘述將明顯看到的那樣，根據(jù)本發(fā)明的用于鑄造鋁合金的銅合金鑄模有高的冷卻速率。因此可以縮減鑄造周期時間，從而生產(chǎn)具有細晶粒、改進的強度和延展性的鑄造鋁合金產(chǎn)品。
下面，將參照具體實施方案來解釋本發(fā)明。
首先，說明作為鑄造鋁合金用鑄模的基體材料的銅合金，要求這種銅合金具有不低于0.20卡/秒·厘米·℃的熱導率。換句話說，當銅合金的熱導率低于0.20卡/秒·厘米·℃時，不能達到鑄模所要求的熱傳導，從而導致上述問題的產(chǎn)生。
但是，另一方面，過分高的銅合金的熱導率導致鑄模可焊性下降，而可焊性是修理鑄模所要求的一個特性。因此，優(yōu)選地使銅合金的熱導率落在0.20-0.60卡/秒·厘米·℃的范圍。滿足這種熱導率的銅合金公開在例如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，除了熱導率之外，從可機加工性和可焊性考慮，鑄模最好還有足夠的硬度。具有如下基本組成的銅合金滿足了這一要求-Ni1.0-6.0重量％，-Co0.1-0.6重量％，-Be0.15-0.8重量％，-Mg0.2-0.7重量％和/或Al0.7-2.0重量％，和-Cu余量。
具有這種組成的銅合金的熱導率為0.25-0.55卡/秒·厘米·℃，布氏硬度(HB)為180-300。因此，這種銅合金兼有好的熱導率和硬度，因而很合適用作鑄造鋁合金的鑄模。
確定銅合金的各種元素在上述優(yōu)選范圍之內(nèi)的理由如下·Ni1.0-6.0重量％加入Ni由于形成了NiBe化合物而提高合金強度。當Ni重量低于1.0重量％時，不能獲得滿意的提高值。另一方面，當Ni含量超過6.0重量％時，提高強度的效果達到飽和，除了合金的熔化溫度增加從而使得難以對它進行焊接以外，合金的熱導率也下降。
·Co0.1-0.6重量％加入Co由于形成了CoBe化合物而提高了合金強度。當Co含量低于0.1重量％時，不能達到預期的提高值。另一方面，當Co含量超過0.6重量％時，合金變脆從而有損于合金的熱加工性。
·Be0.15-0.8重量％Be與Ni或Co結(jié)合形成NiBe化合物或CoBe化合物，從而實現(xiàn)合金強度的增加。當Be含量小于0.15重量％時，不能達到期望的提高。另一方面，當Be含量超過0.8重量％時，合金的強度變得過分高而且合金成本增加。
·Mg0.2-0.7重量％和/或Al0.7-2.0重量％，加入Mg為了提高合金高溫下的延展性，當Mg含量低于0.2重量％時，不能獲得期望的延展性。另一方面，當Mg含量超過0.7重量％時，除了不能達到滿意的熱導率之外，提高延展性的效果也變差。
加入Al由于形成Ni3Al化合物而提高合金強度，并有促于熱導率的調(diào)節(jié)。當鋁含量低于0.7重量％時，熱導率變得過高。另一方面，當Al含量超過2.0重量％時，熱導率變得過低。
根據(jù)本發(fā)明，通過添加上述范圍的Mg和Al的任一種或兩種，就可容易地獲得0.25-0.55卡/秒·厘米·℃的所需的熱導率。
上述的銅合金是一種沉淀硬化合金，因此需要進行兩步熱處理，即在850-1000℃的優(yōu)選溫度范圍進行固溶處理，并在400-500℃的優(yōu)選溫度范圍進行時效處理。
除了上述的兩步熱處理之外，用于本發(fā)明的鑄模的銅合金也可以與常規(guī)銅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·℃的熱導率和180-300的布氏硬度的銅合金鑄模。
下面，將解釋在由上述銅合金構(gòu)成的鑄模的表面上涂覆的材料。
如上所述，鑄模表面上的涂層優(yōu)選地包括I)一種包括至少一種選自由Co、Cu、Cr和Ni組成的組中的元素的金屬陶瓷層，或ii)一種Co-、Ni-、Cr-或Mo-基硬質(zhì)合金層。根據(jù)本發(fā)明，通過在鑄模表面上涂覆一薄層這種金屬陶瓷層或硬質(zhì)合金層，就可以在不降低銅合金熱導率的同時，提高鑄模的耐熔體損壞性。
要求涂層材料中有Co、Cr和Ni組分是因為它們與鋁合金有較低的反應活性，并且通過與銅合金合金化起到粘結(jié)劑的作用，從而有效地提高鑄模的銅合金與其上涂層的粘合。
金屬陶瓷層優(yōu)選地包括WC-Co金屬陶瓷、MoB2-Ni金屬陶瓷或Cr3C2-Ni金屬陶瓷。在這些金屬陶瓷中，金屬含量優(yōu)選地在1-49重量％范圍。
另外，在鑄模表面的硬質(zhì)合金層優(yōu)選地包括基本組成為Co50-65重量％，Mo25-30重量％和Cr5-25重量％的Co-Mo-Cr合金。
優(yōu)選地，上述的涂層具有0.1-3000μm的厚度，更優(yōu)選5-100μm。當其厚度小于0.1μm時，不能獲得滿意的耐熔體損壞性。另一方面，當厚度超過3000μm時，不僅涂層與鑄模的粘合，而且鑄模的熱導率都要下降。
另外還優(yōu)選地要求涂層的算術(shù)平均粗糙度Ra在0.1-200μm范圍，更優(yōu)選5-20μm。小于0.1μm的粗糙度Ra基本上與鑄模表面的粗糙度相同，因此就難以獲得涂層和鑄模之間的改進粘合。另一方面，當粗糙度Ra大于200μm時，鑄模的表面會局部地暴露，因而也不能進一步增強第一層的粘合性。
形成涂層的方法并不局限于特定的方法，任何常規(guī)方法均可使用，例如火焰噴涂法，電鍍法，焊接包覆法等。但是，特別合適的方法是在JP-A-6-269936和JP-A-6-269936中全部公開的電火花沉積法，該文獻引入本文作為參考。
電火花沉積法對鑄模尺寸沒有限制，可以進行鑄模的局部涂覆，并且沒有噴涂法等那樣的“死點”(dead point)，這樣的點被遮蓋，不能涂覆。因為電火花沉積法在常溫條件下用很少熱輸入就可進行，從而可以抑制銅合金的軟化，當銅合金在高溫下長時間暴露時會產(chǎn)生軟化。此外，電火花沉積法使得可以容易地改變和調(diào)節(jié)涂層的厚度和/或表面粗糙度。因此，通過調(diào)節(jié)涂層的表面粗糙度，可以使第一層有效地穿透進入不平的表面，因而得到穩(wěn)定而滿意的粘合。
實施例將銅合金棒的試料加工成直徑20mm和長度150mm，它們有表1所示的不同組成。通過上述的電火花沉積法在每一試料的表面形成有表1所列組成的涂層。將這些試料浸在溫度約690℃的鋁浴中，并在攪拌下保持7分鐘。然后從鋁浴中取出試料，以研究它與鋁的反應活性，由此判斷它的耐熔體損壞性。至于冷卻特性，帶有表1所示涂層的鑄模件插入設(shè)計成可以同時制造四件鑄造鋁合金產(chǎn)品的鑄模中，并評價鑄造產(chǎn)品的顯微結(jié)構(gòu)(DAS枝晶的枝臂間距)。同時測量鑄造周期時間。所得結(jié)果也列于表1。
抗熔體損壞性○沒有尺寸變化△尺寸減少小于5％×尺寸減少不低于5％DAS用顯微鏡觀察測得的枝晶枝臂間距(μm)周期時間從將鋁合金水倒入鑄模到凝固結(jié)束之間的實際時間從表1可以顯見，根據(jù)本發(fā)明的包括涂層的鑄模表現(xiàn)出優(yōu)良的抗熔體損害性和冷卻特性，從而明顯縮減了鑄造周期的時間。
從上面的說明書可以看出，本發(fā)明提供了一種用于鑄造鋁合金的改進的銅合金鑄模，它有高的冷卻速率從而可以縮減鑄造周期時間，并且制造具有細晶粒，改進的強度和延展性的鑄造鋁合金產(chǎn)品。還可以容易地控制鑄模選擇部分的溫度，從而避免或減少鑄造缺陷的發(fā)生。此外，根據(jù)本發(fā)明的銅合金鑄模不容易被熔融鋁合金腐蝕，因而有高的耐熔體損害性。
盡管以上通過參照特殊實施方案描述了本發(fā)明，但是顯然在不背離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明范圍的條件下可以作出各種改進和/或變化。
權(quán)利要求
1.一種用于鑄造鋁或鋁合金的銅合金鑄模，所說的鑄模具有不低于0.20卡/秒·厘米·℃的熱導率，并包括一個至少部分涂覆有金屬陶瓷層或Co-，Ni-，Cr-或Mo-基硬質(zhì)合金層的模腔表面，其中的金屬陶瓷層包括至少一種選自由Co，Cu，Cr和Ni組成的組中的元素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鑄模，其中所說的金屬陶瓷層包括(i)至少一種選自由碳化物，氮化物，硅化物，硼化物和氧化物組成的組中的陶瓷，和(ii)至少一種選自由Co，Cu，Cr和Ni組成的組中的元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的鑄模，其中所說的金屬陶瓷層包括WC-Co金屬陶瓷，MoB2-Ni金屬陶瓷和Cr3C2-Ni金屬陶瓷中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的鑄模，其中所說的Mo-基合金層包括Co-Mo-Cr合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的鑄模，其中所說的涂層的算術(shù)平均粗糙度Ra在0.1-200μm范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的鑄模，其中所說的銅合金的基本組成為-Ni1.0-6.0重量％，-Co0.1-0.6重量％，-Be0.15-0.8重量％，-Mg0.2-0.7重量％和Al0.7-2.0重量％中的至少一種，-Cu余量。
全文摘要
一種用于鑄造鋁或鋁合金的鑄模，它是由熱導率不低于0.20卡/秒·厘米·℃的銅合金組成。模腔表面部分地或全部被涂層覆蓋。所述涂層可以是(i)一種包括至少一種選自由Co、Cu、Cr和Ni組成的組中元素的金屬陶瓷層，或(ii)一種Co-，Ni-，Cr-或Mo-基硬質(zhì)合金層。該銅合金鑄模具有優(yōu)良的熱導率及耐熔體損壞性。
文檔編號B22D17/22GK1165868SQ9611449
公開日1997年11月26日 申請日期1996年11月15日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月17日
發(fā)明者青松壽, 村松尚國 申請人:日本礙子株式會社, 泰克諾·科特株式會社