|
高强度和高导电率的合金具有极广的工业用途。纯铜具有很高的导电率，但强度不够，无法适应很多工业应用领域。例如无法作为注塑模的型芯和型腔材料。添加铝元素和锡元素后的铜合金可以提高其材料的强度，然而会使其导电率严重下降。20世纪开发的一种铜合金——铜-镍-硅合金，具有很好的强度和导电率。
1928年，Michael Corson.1申请了铜-硅化物合金的专利。此后，这种合金被称作Corson青铜合金。这种合金中的硅化物能够以镍、铬或钴为基础。在纯铜之中按照1:2的比例添加少量的硅镍或钴，这就会形成一个X2Si硅化物合金，它对铜的强度有很大的影响。同时又可以接近纯铜原有的导热水平和导电能力。同样，添加铬以后可以制成Cr2Si3合金。然而只能达到75HRB，而且这种简单的硅化物合金用途非常有限。
含有镍和铬硅化物的铜合金2在塑料模具工业中得到了广泛的应用。在经过两个阶段的时效工艺处理以后，这种合金的硬度可以达到92HRB，其导电率超过200W/(m·K)。这种合金被UNS命名为C18000，如按重量计算，其含镍量约为2.5%，含硅量0.75%，含铬量0.4%，其余全部为铜。
如按重量增加7%的镍和2%的硅就可将C18000合金改变成具有较高强度的Corson青铜合金（在本文中被命名为CNS-V铜-镍-硅化物合金5。）该合金的硬度为29HRC，在锻造截面大于25mm的情况下，其导电率为140W/（m·K），可应用该合金替代P20工具钢和C17200铜-铍类的模具合金。由于这是一种比较新型的合金体系，审核其物理性能和机械性能将有助于模具制造商更好地了解其应用范围、优点和局限性。在模具制造中，将这些特性与其他通用模具材料的特性进行比较，将对设计人员有很大的好处。
导热率背景
CNS-V合金之所以能够引起模具工业的注意，主要是因为其具有很高的导热率（其高强度可以通过工具钢达到）。由于其导热率超过普通工具钢的5倍，因此这种合金适合于制造注塑模的型芯和型腔，有利于去除热点，降低翘曲度和减少加工时间4~5min，达到提高生产率的效果。
为了演示高导电率模具材料的冷却效率，我们专门进行了一项研究，在这项案例研究中，人们分别采用24W/(m·K)（14 Btu/hr/ft/ F）的420不锈钢插件和130W/(m·K)（75 Btu/hr/ft/ F）的C17200铜合金插件，将聚碳酸酯镜片模压成型。聚碳酸酯镜片的厚度为2mm，在310 C的条件下，采用眼镜级聚碳酸酯材料注塑模压而成。循环冷却水的温度为55 C。脱模以后的镜片热图像如图1所示。从这个图像中可以看到，即使冷却周期缩短60%，其所提供的高导热率模具冷却效果也要比不锈钢模具优秀得多。 （图片）
图1 聚碳酸酯镜片在15Btu和60Btu铜制模具中冷却后的热图像 评价模具合金材料
在一个或多个CNS-V合金试样上，根据它们各自ASTM测试方法获得的测试特性如表1所示。只有旋转式疲劳试验缺乏公认的测试程序。这个测试是这样进行的：首先让中间截面缩小的棒料产生旋转运动，同时在轴上施加一个固定的扭力（见图2）。这样就会导致在试棒的中心产生一个完全相反的负荷（R=-1）。根据制造厂所使用的这类测试装置，该试验被称为RR Moore型试验。（图片） （图片）
图2 RR Moore型旋转式疲劳试验示意图 金相显微结构
图3所示为CNS-V合金试样抛光以后的SEM金相显微图（反向散射电子图像）。10μm的区域所示为Ni2Si颗粒，而较小的暗淡区域所示为Cr2Si3颗粒。该材料在260倍显微镜下的光学金相显微图如图4所示。图5所示为50倍显微镜下的另一光学金相显微图，从图中可以看到在试板滚动的方向延伸形成了更大（100μm）的Ni2Si颗粒。在大截面情况下，这种合金所能达到的最好金相显微结构应该是均衡的，如图4所示。在大多数情况下，材料中将会含有大量的沉积物，它会给疲劳强度、韧性和表面质量带来相反的影响。
（图片）
图3 在500倍显微镜下看到的CNS-V合金反向散射电子图像 （图片）
图4 在260倍显微镜下看到的CNS-V合金光学金相显微图像 导电率测试的结果
导电率取决于材料的热处理情况。在固溶退火以后，经过热加工的最初热处理，合金就可以达到其最低的导电率和强度。在中等温度条件下进行时效处理，可以使合金的导电率接近18.0MS/m（31% IACS）并使合金达到最高强度。图6所示为导电率与抗拉强度的关系图。此时，经过一次加热的材料已经受到了超越峰值强度的多次的不同的超时热处理。
（图片）
图5 在50倍显微镜下看到的带有大颗粒硅化合物的CNS-V合金光学金相显微图像 （图片）
图6 材料在一次加热后的最终抗拉强度与导电率关系图 然后，对三种试样进行导热率的测量。其中两个试样选自于同一试板的不同方向：一个是普通试样，另一个与表面垂直。在室温下，该试板的导电率为18MS/m（31% IACS），硬度为28HRC。另一个试样的室温导电率为19.7MS/m（34% IACS），硬度为26HRC。
18MS/m试板的导热率在两个方向上的差距约为2%。在室温条件下，导热率的计算值为140W/（m·K）（81Btu/hr/ft/ F）。这可导致产生Lorenz 6号数据，即2.65×（10~8）W-Ω/K2。19.7MS/m的试样在室温条件下的导热率为162 W/（m·K）（94Btu/hr/ft/ F）。这可导致产生2.78×（10~8）W-Ω/K2的Lorenz数据。这组Lorenz数字与其他铜合金的数字是一致的，它可以允许测量导电率，提供一个很好的导热率近似值。
像大部分的铜合金那样，在接近室温条件下，导热率随着温度提高而增长。在150 C时，18.0MS/m试样的导热率将达到174W/（m·K）（100Btu/hr/ft/ F），而19.7MS/m试样的导热率将达到198W/（m·K）（114Btu/hr/ft/ F）。18MS/m试样的温度与导热率关系如图7所示。
（图片）
图7 一个18MS/m（31%IACS）CNS-V合金试样的导电率与温度关系图 机械试验的结果
在一个CNS-V合金商用试样上测量所得的最高机械强度分别为：最终抗拉强度883MPa（128ksi）；在0.2%偏置的情况下，屈服强度为800MPa（116ksi），硬度为29HRC。这个试样所测得的延伸率为7.5%，导电率为18MS/m（31%IACS）。
图8所示为50mm试板在经过各种热处理以后所获得的硬度与最终屈服抗拉强度特性关系图。这些数据与该合金所获得的数据是一致的，在抗拉强度为883MPa、屈服强度为800MPa的情况下，这种合金所获得的硬度为29HRC。
（图片）
图8 材料抗拉特性与硬度之间的关系图。线条与数据的线性最小乘方拟合 图9所示为其他两个供货商提供的合金试样洛氏硬度C柱状图。没有一个试样的硬度超过29HRC。经试验，即使是最硬的商用材料，其平均硬度也只有27.9HRC。如采用布氏硬度测试，这种试板的平均硬度为281.4HBW。按照ASTM E 140标准换算成HRC，其硬度为29.4HRC，如表1所示。洛氏硬度的平均测量值一般较低，而且变化较大。原因可能在于布氏硬度试验机的压头比洛氏硬度试验机压头C大，因此其接触较硬硅化物的面积也比较大。（图片）
图9 取自两种商用CNS-V合金试板的洛氏硬度C数据柱状图 图10所示为CNS-V合金和C17200铜-铍合金的“SN”（应力和周期数）疲劳强度数据。从这张图表中可以看出CNS-V合金的疲劳强度略低于铜-铍合金的疲劳强度。对于CNS-V合金而言，我们根据其应力水平测试了两个试样，图中显示的为最高周期数。铜-铍合金的数据是比较典型的数值，是通过大量的平均数值计算而获得的。（图片）
图10 采用 RR Moore型旋转式疲劳试验机测试几种铜基合金所获得的疲劳强度数据 与其他模具合金的比较
表2所示为几种常用模具合金的物理特性及相互比较。C17200 LH合金是超时处理的C17200铜-铍合金。而C969707合金是采用旋节线方式淬硬的UNS C96970 Cu-Ni-Sn合金。AISI P-20是一种Cr-Ni-Mo合金工具钢。所有这些合金的硬度范围均在26~32HRC。它们的硬度和导热率如图11所示。（图片） （图片）
图11 几种常用模具合金的硬度和导热率 P-20合金的数据来自于公开出版的数据表。CNS-V合金的数据是通过一些商用材料（大约为50mm厚的试板）和一些新开发材料的测量值获得的。除了某些所使用的范围外，这些数据代表了“最优秀”试样的特性。C96970合金的抗拉强度和CVN合金数据来自于大量生产试样的平均值。铜-铍合金的抗拉强度数据也来自于大量生产试样的平均值。所有铜合金的压缩强度和导热率数据来自于少量的试样（1~3个试样）。
应用范围
CNS-V合金材料具有很高的强度和导热率，因此其在模具工业中的应用范围极广。在吹塑模工艺中，它可用作夹紧套、颈环和把手插件。在注塑模工艺中，它常常被应用于型芯、插件和导向件。此外，还包括注口衬套和脱模插销。由于其具有较高的上部工作温度（425 °C），因此也可以应用于热流道喷嘴，尽管它属于一种高铜合金，但在温度不断上升的情况下，易受到氧化腐蚀。
（图片）
图12 CNS-V合金在钢铁模具中一般作为插件应用 CNS-V是一种合金体系，其最高硬度可达29HRC，导热率超过138W/（m·K）。与铜-铍合金比较可以看出，它适用于对强度和硬度要求并不太高的应用领域。然而，铜-铍合金的强度略高于CNS-V合金，导热率基本相同。其硬度可达到40HRC，而CNS-V合金的硬度一般不会超过28HRC。CNS-V合金的优点是：其上部工作温度可达到425°C，而C17200铜-铍合金只局限于315 F以下。
本文没有谈及供货商提供大截面合金的能力。目前，还没有一家供货商可以提供截面厚度超过4in（1in=25.4mm）的合金。实践证明，要生产大截面合金（最小截面超过6in），其一致性很难保证，因为在热处理过程中，很难使这样大的截面均匀加热和冷却。
1/6/2009
| 
