一种高性能钇基重稀土铜合金模具材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种高性能铜合金模具材料制备方法，具体为一种高性能钇基重稀土铜合金模具材料制备方法。本发明是在传统的NBC合金的基础上添加微量的钇基重稀土，并通过热锻、固溶处理、冷锻、时效处理等工艺，使铜合金模具材料的综合性能达到了平衡，其电导率、耐磨性与传统的NBC合金相比，有明显提高；其制备方法简单，原料成本低，使用寿命高，从而可实现其在电子封焊模具、压铸模头、注塑模具热节点等领域的广泛应用。

说明书

所属技术领域

本发明涉及模具材料，尤其是一种高性能钇基重稀土铜合金及其制备方法。

背景技术

目前，国内很多企业仍采用钨铜做封焊材料，而大部分外资和合资企业则依赖于从国外进口高性能铜合金用于封焊模具。另一方面，应用于压铸模头，目前国内压铸模头普遍采用铸铁，其压射寿命不超过3000次。而国外均采用含铍的高性能铜合金，其寿命超过15000次，大大提高了使用寿命，减少更换模头时造成压铸件报废，且因含铍模头表面形成一层致密的润滑层，避免了昂贵压射室的磨损，大大减少了其返修次数，其综合效益也非常显著。在国外，对于高性能铜合金应用于压铸模头有专门的研制、生产企业，如美国SEMCO公司。在国内，90年代才刚起步，其产品使用效果和国外差距还很大，处于低层次，低水平状态。第三方面，国外在精密注塑模中，将高性能铜合金应用于模具材料热节点，因其具有优良特性，增加了模具热节点处的散热速度，保证模具整体冷却均匀，提高了模具的使用效率和寿命，注塑速度提高了2倍，且注塑件表面质量也有所提高。虽然国内在这方面也有所研究和实践，但因材质选择余地少且材质性能上也有些问题，使用效果不太理想。目前国内主要是以一般铍青铜系列作为替代品，但国内铍青铜的品种只有2-3种，实际应用中寿命短，导致设备生产效率低，跟进口同类产品差距很大；国外达20余品种。国外主要生产厂家美国Brushwallman，南韩咏日，日本江户川特殊金属株式会社等，他们专业分工都很细。国内主要生产厂家为水口山矿物局第6冶炼厂，东方钽业有限公司，但他们生产的品种重复，且对那些专业性很强的品种难以组织生产。因此，开发高性能铜合金模具材料以适应市场的需要是有色金属行业发展的方向。

目前高性能铜合金模具材料的制备方法主要有合金化法、复合材料法和快速凝固法。人工复合材料法制备的高性能铜合金，可以使铜的强度获得大大的提高，但是往往由于材料内部缺陷严重，导致导电性能恶化，再加上制备工艺限制，该方法只适用于高强高导铜小型件的制造。内部自生法虽然较好地解决了增强相与基体不润湿的问题，但需要解决增强相的均匀化和粗化问题。快速凝固法工艺复杂，生产成本高。常规合金化法生产的高性能铜合金模具材料，能够直接与常规铸造特别是连续铸造技术相结合，可大幅度地降低铜合金的生产成本，适合规模化生产，其产品不但可以作为功能材料，而且可以作为结构材料，从而仍显示出强大的生命力。目前开发的大多数铜合金模具材料，如强度高则导电导热性欠佳，如导电导热性好则强度不够理想，这是因为材料的强度和导电性是一对矛盾，这就使得制备高强高导性材料的技术难度很大。在冶金工业中，稀土常被称作是金属材料的“维生素”。稀土在铜合金中的作用主要有：脱氧、脱硫、脱氢及脱除铅等有害元素，净化铜合金的成分；消除枝状晶，细化晶粒，提高塑性和强度，减少表面裂纹和缺陷；改善和提高铜及其合金的热加工性能；提高铜及其合金的导电性、热强性、抗氧化性和焊接性能。稀土对铜合金性能的改善已被大量实验所证实，如：在普通电解铜中加入一定量的稀土可生产出高导电率的铜排，其导电率、抗拉强度、延伸率、高温软化温度等指标均优于普通的紫铜排；在铜合金中加入一定量的铈，可明显提高合金的耐腐性和抗局部腐蚀能力；在Cu-Cr合金中加入不超过0.5％的铱、镧等稀土元素可使合金抗拉强度达570Mpa，电导率达90％IACS；在纯铜中加入0.05％左右的稀土可使其导电率达到1031ACS。

ZL02148648.4公布了一种用于引线框架、电极合金及微电子封装材料等高强度高导电用铜合金及其制造技术。该项发明是在传统的CuCrZr合金的基础上添加微量合金元素La、Zn以及Fe(或Co)和Ti。ZL200510096378.7公开了一种铜基高强高导性材料及其制备工艺，它是以铜为基体，添加铁、磷、硼元素和稀土或稀土混合物，从而制得铜基高强高导性材料。ZL96120446.X公开了一种铜基合金，其化学成中含有RE(La+Ce)0.05-0.25％。虽然有关稀土在铜合金中的应用国内外均有报道，但是关于稀土在高性能铜合金模具材料中的应用，特别是钇基重稀土在高性能铜合金模具材料的应用却未见文献和专利报道。

发明内容

本发明的目的是提出一种具有高性能铜合金模具材料及其制备方法，在传统的NBC(含镍、铍和钴的铍青铜)合金的基础上添加微量钇基重稀土，并通过热锻、固溶处理、冷锻、时效等工艺，使其合金的综合性能达到平衡，其电导率和耐磨性与传统的NBC合金相比，有明显提高。其制备方法简单，原料成本低，使用寿命高，从而实现其在电子封焊模具、压铸模头、注塑模具热节点等领域的广泛应用。

本发明提出的高性能铜合金模具材料是在NBC合金的基础上添加0.01-3％重量比的钇基重稀土，钇基重稀土以铜-钇中间合金的形式加入，传统的NBC含镍、铍和钴的铍青铜的具体成份为：1.8％-2.0％Ni，0.9％-1.0％Co，0.45％-0.5％Be，其余为Cu。中间合金的成分的重量比为：ReO1-11％，Cu15-30％，Si30-35％，Fe20-25％，Mg0-5％，B0-5％。

本发明提出的高性能铜合金模具材料的制备方法是在NBC合金的基础上添加0.01～3％的钇基重稀土，包括如下步骤：

(1)熔炼：采用传统的铜合金熔炼工艺。NBC合金熔炼完毕，添加0.01～3％重量比的钇基重稀土，钇基重稀土以铜-钇中间合金的形式加入，中间合金的成分的重量比为：ReO1-11％，Cu15-30％，Si30-35％，Fe20-25％，Mg0-5％，B0-5％。熔炼1～4分钟后进行浇注。

(2)热锻：将上述浇注的合金锭在850～950℃保温0.5～4小时，然后在热锻机上进行40～80％变形锻造。

(3)固溶处理：将热锻后的板材装入热处理炉中，在950～1050℃下保温2～5小时，使其合金元素充分溶入铜基体中，然后进行淬火处理。

(4)冷锻：将淬火后的合金进行40～90％的冷变形处理。

(5)时效处理：将合金在450～480℃保温0.5～3小时或采用分级时效工艺。

本发明的高性能铜合金模具材料及其制备方法具有下列优点：1)采用稀土微合金化法生产的高性能铜合金模具材料，能够直接与常规铸造特别是连续铸造技术相结合，可大幅度地降低铜合金模具材料的生产成本，适合规模化生产，其产品不但可以作为功能材料，而且可以作为结构材料。2)铜合金模具材料的综合性能好。铜合金模具材料都存在增加合金元素加入量，能大幅度提高合金的综合性能，但都会大大降低导电性能；而减少合金元素加入量，导电性能则可变好，但其综合性能就差的问题。钇基重稀土能够同时提高铜合金模具材料的力学性能、导电性能和使用寿命。3)采用铜-钇中间合金的方式加入钇基重稀土，可以防止稀土的偏析和烧损严重。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明的实施方式做进一步说明：

实施例1：

高性能铜合金模具材料是在NBC合金的基础上添加2％重量比的钇基重稀土，NBC含镍、铍和钴的铍青铜的具体成分的重量比为：1.8％的Ni，0.9％的Co，0.45％的Be，其余为Cu。钇基重稀土以铜-钇中间合金的形式加入，中间合金的成分的重量比为：ReO10％，Cu30％，Si35％，Fe25％。

实施例1高性能铜合金模具材料的制备方法是如下

1)熔炼：采用传统的铜合金熔炼工艺将NBC合金熔炼完毕，加入铜-钇中间合金2％，熔炼2分钟后进行浇注。

2)热锻：将上述浇注的合金锭在850℃保温2小时，然后在热锻机上进行40％变形锻造。

3)固溶处理：将合金锭装入热处理炉中，在980℃下保温3小时，然后进行淬火处理。

4)冷锻：将淬火后的合金进行40％的冷变形处理。

5)时效处理：将合金在480℃保温3小时。

稀土铜合金与普通NBC合金相比，性能提高如下：材料的导电率提高了19.4％，电子封焊模具的使用寿命提高了21％，材料的封焊合格率提高了0.3％。

实施例2：

高性能铜合金模具材料是在NBC合金的基础上添加1％重量比的钇基重稀土，NBC含镍、铍和钴的铍青铜的具体成分的重量比为：1.9％的Ni，0.9％的Co，0.5％的Be，其余为Cu。钇基重稀土以铜-钇中间合金的形式加入，中间合金的成分的重量比为：ReO11％，Cu30％，Si35％，Fe24％。

实施例2高性能铜合金模具材料的制备方法是如下：

1)熔炼：采用传统的铜合金熔炼工艺将NBC合金熔炼完毕，加入铜-钇中间合金1％，熔炼1分钟后进行浇注。

2)热锻：将上述浇注的合金锭在900℃保温2小时，然后在热锻机上进行60％变形锻造。

3)固溶处理：将合金锭装入热处理炉中，在980℃下保温3小时，然后进行淬火处理。

4)冷锻：将淬火后的合金进行50％的冷变形处理。

5)时效处理：将合金在480℃保温3小时。

稀土铜合金与普通NBC合金相比，性能提高如下：导电率提高了14.6％，电子封焊模具的使用寿命提高了19％，材料的封焊合格率提高了0.25％。

实施例3：

高性能铜合金模具材料是在NBC合金的基础上添加0.5％重量比的钇基重稀土，NBC含镍、铍和钴的铍青铜的具体成分的重量比为：2％的Ni，01％的Co，0.45％的Be，其余为Cu。钇基重稀土以铜-钇中间合金的形式加入，中间合金的成分的重量比为：ReO5％，Cu30％，Si35％，Fe25％，Mg2％，B3％。

实施例3高性能铜合金模具材料的制备方法是如下

1)熔炼：采用传统的铜合金熔炼工艺将NBC合金熔炼完毕，加入铜-钇中间合金0.5％，熔炼2分钟后进行浇注。

2)热锻：将上述浇注的合金锭在950℃保温3小时，然后在热锻机上进行80％变形锻造。

3)固溶处理：将合金锭装入热处理炉中，在980℃下保温3小时，然后进行淬火处理。

4)冷锻：将淬火后的合金进行80％的冷变形处理。

5)时效处理：440℃时效处理1h30min+480℃时效处理1h30min稀土铜合金与普通NBC合金相比，性能提高如下：硬度提高了11.93％，耐磨性能提高了15倍，耐腐蚀性能提高了29.6％，导电率提高了11.55％。