CN106566946A - 稀土铜合金玻璃模具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种稀土铜合金玻璃模具及其制备方法，属于玻璃模具材料领域。其化学元素组成及其质量%比为：9‑12%的镍，7‑10%的铝，8‑12%的锌，＜0.5%的铁，0.01‑0.5%的稀土，其余为铜。步骤：由锌和电解铜制备的黄铜合金；将称量好的铝、镍、铁和铜投入到熔炉中，加入黄铜合金，静置，使杂质上浮，进行扒渣，加入铜‑稀土中间合金，再次扒渣；将待浇注的稀土铜合金玻璃模具熔液升温，出炉浇注到树脂砂铸型中；将得到的待退火的稀土铜合金玻璃模具去应力退火，保温且冷却至室温，得到成品。提高合金的流动性和韧性；提高合金的强度和硬度，增强抗磨损性能；提高材料的力学性能和抗冲击腐蚀性能；材料的韧性和导热率。

Description

稀土铜合金玻璃模具及其制备方法

技术领域

本发明属于玻璃模具材料领域，具体涉及一种稀土铜合金玻璃模具，并且还涉及其制备方法。

背景技术

玻璃模具是生产玻璃制品的主要装备，其频繁的与600℃-1100℃的高温玻璃液接触，承受着氧化、生长、热交换、热疲劳等作用，同时由于频繁的开模合模，因此要求模具的接触面具有优异的耐磨损性能。具体而言，要求玻璃模具内腔表面具有良好的耐高温、耐磨性能、抗氧化性能和耐蚀性能而藉以延长使用寿命；要求玻璃模具的外圆具有优异的散热性能，模具整体具有良好的韧性以理想地适应高速生产需求。

随着制瓶技术日新月异的发展，对于玻璃模具的要求越来越高，铜合金玻璃模具早已运用在大型工厂的生产车间中，其主要以普通锌铝白铜为主，如发明专利授权公告号CN102732745B推荐有“高镍铜合金玻璃模具及其制造方法”，其提供的化学元素组成及其质量百分比为：Al：8.5-10.5%、Ni：14-16%，Zn：7.5-9.5%，Si：0.8-1.2%、Fe：0.8-1.2%、Mn：0.08-0.15%，其余为铜，此类铜合金模具虽然含有较高的Ni含量，提高了材料的抗腐蚀、抗氧化性能，并通过Zn和Cu的固溶强化作用来提高铜合金的硬度，但是由于目前开发的铜合金玻璃模具普遍存在强度硬度与导热性两者难以甚至无法兼得的技术问题，具体而言：强度硬度高，则导热性能较差，反之同例，这是因为材料的强度和材料导热性是一对矛盾。

在冶金工业中，稀土常被称作金属材料的“维生素”。稀土在铜合金中的主要作用有：脱氧、脱硫、脱氢及脱除铅等有害元素，净化铜合金成分；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；改善和提高铜合金的热加工性能；提高铜合金的导热性、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的实验所证实，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、导热率、抗拉强度、延伸率、高温软化温度等指标均优于普通铜排。

同时添加适量稀土可改善合金的铸造性能，提高合金熔融液的流动性，减少铸造缩孔、气孔、偏析及裂纹的倾向，提高铸造成品率；同时稀土对金属表面具有改性作用，能明显提高合金的抗氧化性、抗氢脆、抗磨损、抗腐蚀性能，延长合金的使用寿命。

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玻璃模具材料中的应用，特别是钇基重稀土在高性能铜合金玻璃模具材料的应用却未见专利文献和非专利文献报道，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的首要任务在于提供一种具有高导热率、高强度、高韧性，同时具有良好的抗氧化耐腐蚀性能的以适应高速制瓶机高速化生产需要的稀土铜合金玻璃模具。

发明的另一个任务在于提供一种稀土铜合金玻璃模具的制备方法，该方法有利于通过稀土的脱氧、脱硫作用净化铜合金成分，有助于消除枝状晶、细化晶粒，从而提高铜合金的强度、韧性，进而提高模具的使用寿命；通过稀土的加入，能够进一步提高铜水的流动性，提高铸造的成品率，降低模具的直接加工成本。

为完成本发明的首要任务，本发明提供的技术方案是：一种稀土铜合金玻璃模具，其化学元素组成及其质量%比为：9-12%的镍，7-10%的铝，8-12%的锌，＜0.5%的铁，0.01-0.5%的稀土，其余为铜。

在本发明的一个具体的实施例中，一种稀土铜合金玻璃模具，其化学元素及其质量%比为：10%的镍，7%的铝，8%的锌，0.4%的铁，0.2%的稀土，其余为铜。

在本发明的另一个具体的实施例中，一种稀土铜合金玻璃模具，其化学元素及其质量%比为：12%的镍，9%的铝，10%的锌，0.3%的铁，0.5%的稀土，其余为铜。

在本发明的又一个具体的实施例中，一种稀土铜合金玻璃模具，其化学元素及其质量%比为：9%的镍，10%的铝，12%的锌，0.35%的铁，0.01%的稀土，其余为铜。

在本发明的再一个具体的实施例中，所述的稀土铜合金玻璃模具的硬度为190-250HBW，导热系数为282-302w/(m.k)。

为完成本发明的另一任务，本发明提供的技术方案是；一种稀土铜合金玻璃模具的制备方法，包括以下步骤：

A)熔炼，首先准备由锌和电解铜制备的且锌与铜的质量比为45:55的黄铜合金，其次，依据稀土铜合金玻璃模具材料中各元素的质量%比，将称量好的铝、镍、铁和铜投入到熔炉中，待熔炼温度达到1200-1250℃时加入所述的黄铜合金，当熔炼温度达到1280-1300℃时，断电静置5-10min，使杂质上浮以净化铜水，然后进行扒渣，而后加入铜-稀土中间合金，待铜-稀土中间合金熔化后再次扒渣并且同时采用光谱分析调整化学元素的质量%含量，得到待浇注的稀土铜合金玻璃模具溶液；

B)浇注成型，先将步骤A）所述的待浇注的稀土铜合金玻璃模具熔液升温至1280-1320℃，再出炉浇注到树脂砂铸型中，浇注之前，在树脂砂铸型的内腔中放置用于成型出玻璃模具的内腔的冷铁泥芯，浇注完成静置，而后撤去冷铁泥芯，得到待退火的稀土铜合金玻璃模具；

C）退火，将由步骤B）得到的待退火的稀土铜合金玻璃模具进行去应力退火，去应力退火结束后保温并且在保温后冷却至室温，得到稀土铜合金玻璃模具。

在本发明的还有一个具体的实施例中，步骤A）中所述的电解铜为1＃电解铜，所述的镍为1＃电解镍，所述的锌为1＃锌。

在本发明的更而一个具体的实施例中，步骤A）中所述的采用光谱分析调整化学元素的质量%含量是将化学元素的质量%含量调整为：9-12%的镍，7-10%的铝，8-12%的锌，＜0.5%的铁，0.01-0.5%的稀土，其余为铜。

在本发明的进而一个具体的实施例中，步骤A）中所述的铜-稀土中间合金为钇基重稀土并且以铜-钇中间合金的形式加入，该铜-钇中间合金的化学元素及其质量%为：ReO：1-11％，Cu：45-55％，Si：10-15％，Fe：20-25％，Mg：＜5％，B：＜5％。

在本发明的又更而一个具体的实施例中，步骤B)中所述的静置的时间为40-60min；步骤C）中所述的去应力退火是在退火炉中进行的，并且去应力退火的温度为600-630℃，所述的去应力退火结束后保温的时间为4-6h，并且在保温4-6h后以≤50℃/h的冷却速度冷却至室温。

本发明提供的技术方案的技术效果在于：其一，由于配方中的铝元素具有一定的脱氧作用，因而可改善合金的铸造性能，提高合金的流动性，同时其具有缩小铜合金中α相、增加β相，防止脆性γ相析出的作用，可以间接提高材料的韧性；其二，由于配方中的Ni元素作为一种与基体Cu可以无限互溶的元素，形成连续固溶体，因而可以改善合金的耐蚀性能，提高强度而不降低伸长率、韧性；其三，由于配方中的Zn元素不仅具有除气脱氧的作用，同时形成的α、β固溶体，因而能够提高合金的强度和硬度，增强模具的抗磨损性能；其四，由于配方中微量添加的Fe元素能够细化晶粒，因而得以提高材料的力学性能和抗冲击腐蚀性能；其五，配方中添加的稀土元素作为金属合金的维生素，改变了铜合金中微量的杂质元素在合金中的存在方式，使这些物质发生晶格畸变，改善这些微量元素在合金中分布的不均匀性，净化了合金的基体和晶界，提高了材料的韧性和导热率，进而提高了模具的使用寿命。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

A)熔炼，首先准备由市售渠道购取的由锌和电解铜制备的且锌与铜的质量比为45:55的黄铜合金，其次，依据稀土铜合金玻璃模具材料中各元素（即各化学元素）的质量%比将称量好的铝、镍、铁和铜投入到熔炉（即熔炼炉）中，待熔炼温度达到1230℃时加入所述的黄铜合金，当熔炼温度达到1280℃时，断电静置10min，使杂质充分上浮以净化铜水，然后进行扒渣，而后加入铜-稀土中间合金，待铜-稀土中间合金熔化后再次扒渣并且同时采用光谱分析调整化学元素的质量%含量为：10%的镍，7%的铝，8%的锌，0.4%的铁，0.2%的稀土，其余为铜，得到待浇注的稀土铜合金玻璃模具溶液，本步骤中所述的电解铜为1＃电解铜，所述的镍为1＃电解镍，所述的锌为1＃锌，本步骤中所述的铜-稀土中间合金为钇基重稀土并且以铜-钇中间合金的形式加入，该铜-钇中间合金的化学元素及其质量%比为：ReO：1%，Cu：55%，Si：15%，Fe：25%，Mg：2%，B：2%；

B)浇注成型，先将步骤A）所述的待浇注的稀土铜合金玻璃模具熔液升温至1300℃，再出炉浇注到树脂砂铸型中，浇注之前，在树脂砂铸型的内腔中放置用于成型出玻璃模具的内腔的冷铁泥芯，浇注完成后静置40min，而后撤去冷铁泥芯，得到待退火的稀土铜合金玻璃模具；

C）退火，将由步骤B）得到的待退火的稀土铜合金玻璃模具引入退火炉中进行去应力退火，去应力退火的温度为600℃，去应力退火结束后的保温时间为6h，保温6h后以≤50℃/h的冷却速度冷却至室温，得到稀土铜合金玻璃模具，经测试，该稀土铜合金玻璃模具的硬度为190HBW，导热系数为302W（m·k）。

实施例2：

A)熔炼，首先准备由市售渠道购取的由锌和电解铜制备的且锌与铜的质量比为45:55的黄铜合金，其次，依据稀土铜合金玻璃模具材料中各元素（即各化学元素）的质量%比将称量好的铝、镍、铁和铜投入到熔炉（即熔炼炉）中，待熔炼温度达到1250℃时加入所述的黄铜合金，当熔炼温度达到1300℃时，断电静置5min，使杂质充分上浮以净化铜水，然后进行扒渣，而后加入铜-稀土中间合金，待铜-稀土中间合金熔化后再次扒渣并且同时采用光谱分析调整化学元素的质量%含量为：12%的镍，9%的铝，10%的锌，0.3%的铁，0.5%的稀土，其余为铜，得到待浇注的稀土铜合金玻璃模具溶液，本步骤中所述的电解铜为1＃电解铜，所述的镍为1＃电解镍，所述的锌为1＃锌，本步骤中所述的铜-稀土中间合金为钇基重稀土并且以铜-钇中间合金的形式加入，该铜-钇中间合金的化学元素及其质量%比为：ReO：11%，Cu：45%，Si：13%，Fe：22%，Mg：4%，B：5%；

B)浇注成型，先将步骤A）所述的待浇注的稀土铜合金玻璃模具熔液升温至1320℃，再出炉浇注到树脂砂铸型中，浇注之前，在树脂砂铸型的内腔中放置用于成型出玻璃模具的内腔的冷铁泥芯，浇注完成后静置60min，而后撤去冷铁泥芯，得到待退火的稀土铜合金玻璃模具；

C）退火，将由步骤B）得到的待退火的稀土铜合金玻璃模具引入退火炉中进行去应力退火，去应力退火的温度为630℃，去应力退火结束后的保温时间为4h，保温4h后以≤50℃/h的冷却速度冷却至室温，得到稀土铜合金玻璃模具，经测试，该稀土铜合金玻璃模具的硬度为250HBW，导热系数为282W（m·k）。

实施例3：

A)熔炼，首先准备由市售渠道购取的由锌和电解铜制备的且锌与铜的质量比为45:55的黄铜合金，其次，依据稀土铜合金玻璃模具材料中各元素（即各化学元素）的质量%比将称量好的铝、镍、铁和铜投入到熔炉（即熔炼炉）中，待熔炼温度达到1200℃时加入所述的黄铜合金，当熔炼温度达到1290℃时，断电静置8min，使杂质充分上浮以净化铜水，然后进行扒渣，而后加入铜-稀土中间合金，待铜-稀土中间合金熔化后再次扒渣并且同时采用光谱分析调整化学元素的质量%含量为：9%的镍，10%的铝，12%的锌，0.35%的铁，0.01%的稀土，其余为铜，得到待浇注的稀土铜合金玻璃模具溶液，本步骤中所述的电解铜为1＃电解铜，所述的镍为1＃电解镍，所述的锌为1＃锌，本步骤中所述的铜-稀土中间合金为钇基重稀土并且以铜-钇中间合金的形式加入，该铜-钇中间合金的化学元素及其质量%比为：ReO：6%，Cu：55%，Si：10%，Fe：20%，Mg：5%，B：4%；

B)浇注成型，先将步骤A）所述的待浇注的稀土铜合金玻璃模具熔液升温至1295℃，再出炉浇注到树脂砂铸型中，浇注之前，在树脂砂铸型的内腔中放置用于成型出玻璃模具的内腔的冷铁泥芯，浇注完成后静置50min，而后撤去冷铁泥芯，得到待退火的稀土铜合金玻璃模具；

C）退火，将由步骤B）得到的待退火的稀土铜合金玻璃模具引入退火炉中进行去应力退火，去应力退火的温度为615℃，去应力退火结束后的保温时间为5h，保温5h后以≤50℃/h的冷却速度冷却至室温，得到稀土铜合金玻璃模具，经测试，该稀土铜合金玻璃模具的硬度为230HBW，导热系数为294W（m·k）。

Claims (10)

1.一种稀土铜合金玻璃模具，其特征在于其化学元素组成及其质量%比为：9-12%的镍，7-10%的铝，8-12%的锌，＜0.5%的铁，0.01-0.5%的稀土，其余为铜。

2.根据权利要求1所述的稀土铜合金玻璃模具，其特征在于其化学元素及其质量%比为：10%的镍，7%的铝，8%的锌，0.4%的铁，0.2%的稀土，其余为铜。

3.根据权利要求1所述的稀土铜合金玻璃模具，其特征在于其化学元素及其质量%比为：12%的镍，9%的铝，10%的锌，0.3%的铁，0.5%的稀土，其余为铜。

4.根据权利要求1所述的稀土铜合金玻璃模具，其特征在于其化学元素及其质量%比为：9%的镍，10%的铝，12%的锌，0.35%的铁，0.01%的稀土，其余为铜。

5.根据权利要求1至5任一权利要求所述的稀土铜合金玻璃模具，其特征在于所述的稀土铜合金玻璃模具的硬度为190-250HBW，导热系数为282-302w/(m.k)。

6.一种如权利要求1所述的稀土铜合金玻璃模具的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

A)熔炼，首先准备由锌和电解铜制备的且锌与铜的质量比为45:55的黄铜合金，其次，依据稀土铜合金玻璃模具材料中各元素的质量%比，将称量好的铝、镍、铁和铜投入到熔炉中，待熔炼温度达到1200-1250℃时加入所述的黄铜合金，当熔炼温度达到1280-1300℃时，断电静置5-10min，使杂质上浮以净化铜水，然后进行扒渣，而后加入铜-稀土中间合金，待铜-稀土中间合金熔化后再次扒渣并且同时采用光谱分析调整化学元素的质量%含量，得到待浇注的稀土铜合金玻璃模具溶液；

B)浇注成型，先将步骤A）所述的待浇注的稀土铜合金玻璃模具熔液升温至1280-1320℃，再出炉浇注到树脂砂铸型中，浇注之前，在树脂砂铸型的内腔中放置用于成型出玻璃模具的内腔的冷铁泥芯，浇注完成静置，而后撤去冷铁泥芯，得到待退火的稀土铜合金玻璃模具；

C）退火，将由步骤B）得到的待退火的稀土铜合金玻璃模具进行去应力退火，去应力退火结束后保温并且在保温后冷却至室温，得到稀土铜合金玻璃模具。

7.根据权利要求6所述的稀土铜合金玻璃模具的制备方法，其特征在于步骤A）中所述的电解铜为1＃电解铜，所述的镍为1＃电解镍，所述的锌为1＃锌。

8.根据权利要求6所述的稀土铜合金玻璃模具的制备方法，其特征在于步骤A）中所述的采用光谱分析调整化学元素的质量%含量是将化学元素的质量%含量调整为：9-12%的镍，7-10%的铝，8-12%的锌，＜0.5%的铁，0.01-0.5%的稀土，其余为铜。

9.根据权利要求6所述的稀土铜合金玻璃模具的制备方法，其特征在于步骤A）中所述的铜-稀土中间合金为钇基重稀土并且以铜-钇中间合金的形式加入，该铜-钇中间合金的化学元素及其质量%为：ReO：1-11％，Cu：45-55％，Si：10-15％，Fe：20-25％，Mg：＜5％，B：＜5％。

10.根据权利要求6所述的稀土铜合金玻璃模具的制备方法，其特征在于步骤B)中所述的静置的时间为40-60min；步骤C）中所述的去应力退火是在退火炉中进行的，并且去应力退火的温度为600-630℃，所述的去应力退火结束后保温的时间为4-6h，并且在保温4-6h后以≤50℃/h的冷却速度冷却至室温。