新型合金模具材料渐受青睐

由铜、镍、硅和铬组成的CNS-V合金，目前正逐渐受到各模具厂家的青睐。本文通过多张表格，直观地显示了其良好的微观结构、电导率、导热系数、硬度、强度、抗冲击性能和耐热性能。比之其它用于制造模具的金属或合金材料，CNS-V无疑具有明显优势。这些优异的性能，为该产品在注塑、吹塑、热流道喷嘴的应用方面，提供了广泛的空间。

具有高强度和极限拉伸强度的合金，被用于多种工业用途。纯铜材料虽然具有较好的传导性能，但由于强度不够，因此无法用于注塑模具的模芯和型腔等的生产。如果将铜与铝和锌等元素制成合金，则其强度虽然提高，但传导性能却降低。而20世纪所开发的铜镍硅体系，则是一种强度高且极限拉伸强的铜合金体系。

1928年，麦科尔·卡森将这种由金属和硅化物构成的铜合金体系申请成为专利，这便是被人们熟知的科尔逊铜合金。这种合金，采用硅化物与镍、铬或钴的基料混合而成。如果在铜材料中，加入化学计量比为1：2的少量硅和镍或钴的混合物，就会形成X2Si硅化物，从而使铜的强度显著提高，同时其传热性能和电导率接近纯铜材料。而加入铬以后，也会形成Cr­2Si3 硅化物。然而由于单纯的硅化物体系的布氏硬度仅为135 (75 HRB)，因此其应用受到限制。

图1:聚碳酸酯镜片分别在导热系数为15Btu的钢制模具和60Btu的铜制模具中冷却时绘制的热成像图。该图由Brush Wellman提供。

当推出含有镍、铬的硅化物的2号铜合金后，合金体系才广泛用于塑料模具行业。采用分为两阶段的过时效工艺后，合金硬度超过92 HRB，导热系数也高于200 W/m/K，并符合UNS designation C18000标准。该合金含镍2.5%(重量百分比)、硅0.75%和铬0.4%，而铜则起到平衡作用。

对C18000进行改性时，若将镍和硅的含量分别增至7%5 2%(重量百分比)，会提高科尔逊铜合金的强度(本文将铜和镍的硅化物称为CNS-V，第5版)

由于经过加工后的硬度可达到29 HRC，导热系数为140 W/m/K，因此该合金可取代P-20工具钢和C17200 铜铍合金。由于该合金体系刚刚被推出，因此本文将对其物理和机械性能进行评价，从而帮助模具生产商更好地了解其用途、优点和局限性。通过与其它普通模具材料进行比较，也有助于设计者将该合金用于制造模具。

导热系数

CNS-V之所以受到模具行业青睐的最主要原因，就是其导热系数高(工具钢很容易具有高强度)。由于该合金的传导性能超过普通工具钢的5倍，因此可用于注塑模具的模芯和型腔，从而消除热点、减少翘曲，并缩短工艺周期，从而在整体上提高生产率。

图2： RR Moore旋转弯曲疲劳试验示意图

为了证实这种传导性能良好的模具材料具有的冷却效率，在一次实施的案例研究中，分别采用导热系数为24 W/m/K (14 Btu/hr/ft/°F)的420不锈钢嵌件，以及130 W/m/K的 (75 Btu/hr/ft/°F) C17200铜合金嵌件，对聚碳酸酯眼镜片进行成型。该聚碳酸酯镜片厚度为2 mm，由用于眼科的聚碳酸酯原料在310℃注塑而成，且冷却温度为55℃。图1所示为由模具成型的镜片的热成像图。该图表明，即使冷却时间缩短60%(从25秒缩短至10秒)，传导性能良好的模具的冷却效率仍好于不锈钢模具。

评价合金模具材料的测试过程

表1为对1份或多份CNS-V样品的性能进行测试的结果，以及相应的ASTM 测试方法。这其中，只有旋转弯曲疲劳试验的测试过程未得到认证。该实验采用一根中间有破损部分的长杆，在轴向施加恒定弯矩(如图2)，并在测试杆中心施加完全反向的负荷(R= -1)，从而测得结果。该试验仪器以其生产商的名称而被命名为RR Moore试验。

表2

 

微观结构

图3为表面光滑的CNS-V样品在电子显微镜(SEM)下的显微图像(即利用反向散射得到的电子图像)。10微米的区域为Ni2Si晶粒，而较小较暗的区域则表示Cr2Si3晶粒。图4为材料在260X的光学显微镜下获得的图像，图5则是在50X光学显微镜下获得的图像。这些图像表明，Ni2Si大晶粒(100微米)可在轧制方向上被拉长。图4表明，该合金具有人们所期望的最佳微观结构。很多情况下，该材料所包含的大晶粒会对疲劳强度、韧性和表面加工性产生相反的影响。

传导性能的测试结果

材料的电导率取决于热处理。经过固溶退火和热作结束后进行的热处理，合金的传导性能(及强度)将降至最低点。而在适中的温度下经历了过时效的材料，电导率可达18.0 MS/m (31% IACS)，强度也达到最大值。图6表示了在低于峰值强度的情况下，只对已经历了数次不同的过时效热处理的材料进行简单加热后，材料的电导率和拉伸强度之间的关系。

对三种样品的导热系数进行了测量，其中两种样品位于同一块轧制板的不同取向上：一种为普通，另一种则位于与板表面垂直的取向上。在室温下，该板的电导率为18.0 MS/m (31% IACS) 、名义硬度为28 HRC;而其它样品的电导率为19.7 MS/m (34% IACS)、硬度为26 HRC.

结果表明，电导率为18.0 MS/m的合金板，其两个方向的导热系数存在2%的差异率。由此计算出室温下的导热系数为140 W/m/K (81 Btu/hr/ft/°F)，洛伦兹数为2.65 x 10-8 W-ohm/K2。而在室温下导热系数为162 W/m/K (94 Btu/hr/ft/°F)的样品，洛伦兹数为2.78 x 10-8 W-ohm/K2。此种测得的洛伦兹数与其它铜合金一致，而且通过测量电导率，可以测得导热系数的近似值。

和大多数铜合金一样，该合金在室温下的导热系数也会随温度升高而增加。150℃时，电导率为18.0 MS/m样品的导热系数为174 W/m/K (100 Btu/hr/ft/°F)，而19.7 MS/m的样品导热系数则达到198 W/m/K (114 Btu/hr/ft/°F)。图7表示了电导率为18.0 MS/m样品的导热系数与温度的关系。

图9：表示两种商业级CNS-V合金板洛氏硬度的柱状图

机械性能测试结果

通过对商业牌号的CNS-V样品进行测试，其最佳机械性能包括：最终拉伸强度883 MPa (128 ksi)、屈服强度为800 MPa (116 ksi)(偏差为0.2%)、硬度为29.0 HRC。经测定，该样品伸长率为7.5%、电导率为18 MS/m (31% IACS)。

图8表示了通过对50 mm合金板采取不同方式的热处理，其硬度与最终的屈服和拉伸性能之间所具有的关系。这些数据，符合硬度为29.0 HRC、拉伸强度为883 MPa和屈服强度为800 MPa的合金所具有的性质。

图9是对来自两个厂家的CNS-V样品的洛氏硬度绘制的柱状图。图中的读数表明，样品的洛氏硬度均在29HRC以下。硬度最高的商业级样品所测得的平均洛氏硬度为27.9 HRC，而此合金板测得的布氏硬度平均值为281.4 HBW。根据表1中的ASTM E 140法，HRC的换算系数为29.4。洛氏硬度的测量值通常低于平均值，且变化较大。这可能是由于布氏硬度机尺寸较大，比洛氏硬度机更多接触坚硬的硅化物所致。

图10 为CNS-V 和C17200 铜铍合金的SN(应力-循环次数)疲劳强度曲线。该曲线表明，CNS-V的疲劳强度略低于铜铍合金。根据应力水平，对两种CNS-V样品进行了测量，表明其循环次数最多。而铜铍合金的数据，则是通过更多测量值的平均数而获得的典型值。

图10：采用RR Moore 型旋转弯曲疲劳试验机，对几种铜合金模具材料进行测试，得到的疲劳强度数据

与其它模具合金材料的性能比较

表2中CNS-V与几种普通的合金模具材料进行了比较。C17200 LH是采用过时效处理过的C17200 铜铍合金，C969707则是经过 硬化的UNS C96970铜-镍-锡合金，AISI P-20为铬-镍-钼合金工具钢。所有这些合金的硬度均在26-32 HRC之间。图11列出了这几种合金的硬度和导热系数。

图11： 几种普通的合金模具材料的硬度和传导性能

P-20的数据来自已公布的数据表，CNS-V的数据，则是对少量商业级材料(约50 mm厚的合金板)以及一些正在开发的材料的样品进行测量而得到的。不考虑其应用范围，上述数据都体现了这些“最优质”样品的特性。C96970的拉伸性能和CVN数据、铜铍合金的拉伸性能数据，均为对大宗产品抽取的样品测定而得的平均值。而所有铜合金的压缩性能和导热系数方面的数据，均是对少量样品(1~3种)进行测量而得到的。

应用

高强度和良好的传导性能，使CNS-V可用于模具行业的多种产品。在吹塑用途中，该合金可用于截坯口、neck ring和手持式嵌件;在注塑中，通常可用于模芯、嵌件和滑块。其它用途还包括注道衬套和顶出梢。由于其最高工作温度可达425℃，因此还可成功地作为热流道喷嘴的材料。然而，这种高性能铜合金，在高温下却有可能受到氧化腐蚀。

钢制模具嵌件是CNS的典型用途，照片由Brush Wellman提供。

结论

与铜铍合金相比，CNS-V合金体系在导热系数超过138 W/m/K，其最大硬度可达29 HRC，从而可成为强度和硬度要求不高的用途中的替代品。然后，在传导性能相同的情况下，铜铍合金的强度则稍高。铜铍合金的硬度可达40HRC，而CNS-V的硬度则无法一直保持在28 HRC以上。然而，CNS-V的优势在于其加工温度最高可达425°C，而C17200 铜铍合金却低于315°F。

本文并未涉及供应商提供大截面合金材料的能力。目前，尚未有厂家可提供截面厚度在4英寸以上的材料。经验表明，大截面材料(截面的厚度不得小于6英寸)之所以难以生产，是由于在热处理中很难使其均匀受热或冷却。