本发明涉及一种适合用于铸造铝或铝合金的铜合金铸模。

通常，铝或铝合金(此后统称为“铝合金”)是在铸模中进行铸造 的，该模可以是高压型、低压型或重力型的。这种铸模一般由硬质钢构 成，如“SKD61”，主要因为该钢在铸造温度下具有高的耐铝腐蚀性， 高的耐热冲击裂纹或热裂纹，以及高的耐接触磨损性，这种磨损在将铸 造合金从模腔中取出时发生。但是，用钢作为铸造铝合金的铸模会产生 这样的问题，就是由于钢的热导率低导致每一铸造周期需要较长时间， 而且由于铸模的冷却速率低，使得铸造的铝合金的晶粒变粗，从而导致 铸造合金的强度和延展性变差。

作为解决这些问题的一种方法，最近已提出使用具有优良热导率的 铜合金模。但是，与钢相比，铜合金在铝合金中有较高溶解度，因而容 易被铝合金腐蚀。另外，铜合金比钢软，因而不易进行机加工，此外， 它还有较差的可焊性，而这是修理铸模所需的一种特性。

本发明的第一个目的是提供一种用于铸造铝合金的铜合金铸模，它 避免了现有技术的上述问题。

本发明的一个具体目的是提供一种具有优良热导率和改进的耐熔体 损害的铜合金模，这种熔体损害可以是由于铝合金腐蚀而产生。

本发明是基于本发明人在广泛研究中获得的一种新认识而实现的。

为了改进铜合金铸模的耐熔体损害性，人们可能会考虑在铸模表面 涂覆一层具有增强硬度和低的铝合金亲合性的材料。

因此，本发明人进行了广泛研究以确定各种陶瓷、金属陶瓷和有增 强硬度的有色合金(此后称“硬质合金”)作为铜合金铸模涂层材料的 适宜性。

结果，发现包括至少一种选自由Co、Cu、Cr和Ni组成的组中 的元素的金属陶瓷，以及Co-、Ni-、Cr-或Mo-基硬质合金特别适合 用作铜合金铸模的涂层材料。

基于这种认识，本发明提供了一种用于铸造铝或铝合金的铜合金铸 模，其中该铸模的热导率不低于0.20卡/秒·厘米·℃，并且包括一个至 少部分涂覆有金属陶瓷层或Co-、Ni-、Cr-或Mo-基硬质合金层的模腔 表面，该金属陶瓷层包括至少一种选自由Co、Cu、Cr和Ni组成的组 中的元素。

优选地，所述的金属陶瓷层包括(i)至少一种选自由碳化物，氮化物， 硅化物，硼化物和氧化物组成的组中的陶瓷，和(ii)至少一种选自由Co、 Cu、Cr和Ni组成的组中的元素。

在这种情况下，金属陶瓷层优选地包括WC-Co金属陶瓷、 MoB2-Ni金属陶瓷和Cr3C2-Ni金属陶瓷中的一种。

Mo-基合金层优选地包括Co-Mo-Cr合金。

涂层优选地具有算术平均粗糙度Ra为0.1-200μm的范围。

优选地，根据本发明的铜合金有以下基本组成：

-Ni：1.0-6.0重量％，

-Co：0.1-0.6重量％，

-Be：0.15-0.8重量％

-Mg：0.2-0.7重量％和/或Al：0.7-2.0重量％，以及

-Cu：余量。

正如从下面叙述将明显看到的那样，根据本发明的用于铸造铝合金 的铜合金铸模有高的冷却速率。因此可以缩减铸造周期时间，从而生产 具有细晶粒、改进的强度和延展性的铸造铝合金产品。

下面，将参照具体实施方案来解释本发明。

首先，说明作为铸造铝合金用铸模的基体材料的铜合金，要求这种 铜合金具有不低于0.20卡/秒·厘米·℃的热导率。换句话说，当铜合金 的热导率低于0.20卡/秒·厘米·℃时，不能达到铸模所要求的热传导， 从而导致上述问题的产生。

但是，另一方面，过分高的铜合金的热导率导致铸模可焊性下降， 而可焊性是修理铸模所要求的一个特性。因此，优选地使铜合金的热导 率落在0.20-0.60卡/秒·厘米·℃的范围。满足这种热导率的铜合金公开 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，除了热导率之外，从可机加工性和可焊性考虑，铸模最好还 有足够的硬度。具有如下基本组成的铜合金满足了这一要求：

-Ni：1.0-6.0重量％，

-Co：0.1-0.6重量％，

-Be：0.15-0.8重量％，

-Mg：0.2-0.7重量％和/或Al：0.7-2.0重量％，和

-Cu：余量。

具有这种组成的铜合金的热导率为0.25-0.55卡/秒·厘米·℃，布 氏硬度(HB)为180-300。因此，这种铜合金兼有好的热导率和硬度， 因而很合适用作铸造铝合金的铸模。

确定铜合金的各种元素在上述优选范围之内的理由如下：

·Ni：1.0-6.0重量％

加入Ni由于形成了NiBe化合物而提高合金强度。当Ni重量低于 1.0重量％时，不能获得满意的提高值。另一方面，当Ni含量超过6.0 重量％时，提高强度的效果达到饱和，除了合金的熔化温度增加从而使 得难以对它进行焊接以外，合金的热导率也下降。

·Co：0.1-0.6重量％

加入Co由于形成了CoBe化合物而提高了合金强度。当Co含量低 于0.1重量％时，不能达到预期的提高值。另一方面，当Co含量超过0.6 重量％时，合金变脆从而有损于合金的热加工性。

·Be：0.15-0.8重量％

Be与Ni或Co结合形成NiBe化合物或CoBe化合物，从而实现合 金强度的增加。当Be含量小于0.15重量％时，不能达到期望的提高。 另一方面，当Be含量超过0.8重量％时，合金的强度变得过分高而且合 金成本增加。

·Mg：0.2-0.7重量％和/或Al：0.7-2.0重量％，

加入Mg为了提高合金高温下的延展性，当Mg含量低于0.2重量 ％时，不能获得期望的延展性。另一方面，当Mg含量超过0.7重量％时， 除了不能达到满意的热导率之外，提高延展性的效果也变差。

加入Al由于形成Ni3Al化合物而提高合金强度，并有促于热导率的 调节。当铝含量低于0.7重量％时，热导率变得过高。另一方面，当Al含量超过2.0重量％时，热导率变得过低。

根据本发明，通过添加上述范围的Mg和Al的任一种或两种，就可 容易地获得0.25-0.55卡/秒·厘米·℃的所需的热导率。

上述的铜合金是一种沉淀硬化合金，因此需要进行两步热处理，即 在850-1000℃的优选温度范围进行固溶处理，并在400-500℃的优 选温度范围进行时效处理。

除了上述的两步热处理之外，用于本发明的铸模的铜合金也可以与 常规铜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·℃的热导率和180-300的布氏硬度的铜合金铸模。

下面，将解释在由上述铜合金构成的铸模的表面上涂覆的材料。

如上所述，铸模表面上的涂层优选地包括I)一种包括至少一种选自 由Co、Cu、Cr和Ni组成的组中的元素的金属陶瓷层，或ii)一种Co-、 Ni-、Cr-或Mo-基硬质合金层。根据本发明，通过在铸模表面上涂覆一 薄层这种金属陶瓷层或硬质合金层，就可以在不降低铜合金热导率的同 时，提高铸模的耐熔体损坏性。

要求涂层材料中有Co、Cr和Ni组分是因为它们与铝合金有较低 的反应活性，并且通过与铜合金合金化起到粘结剂的作用，从而有效地 提高铸模的铜合金与其上涂层的粘合。

金属陶瓷层优选地包括WC-Co金属陶瓷、MoB2-Ni金属陶瓷或 Cr3C2-Ni金属陶瓷。在这些金属陶瓷中，金属含量优选地在1-49重量 ％范围。

另外，在铸模表面的硬质合金层优选地包括基本组成为Co：50-65 重量％，Mo：25-30重量％和Cr：5-25重量％的Co-Mo-Cr合金。

优选地，上述的涂层具有0.1-3000μm的厚度，更优选5-100μm。 当其厚度小于0.1μm时，不能获得满意的耐熔体损坏性。另一方面，当 厚度超过3000μm时，不仅涂层与铸模的粘合，而且铸模的热导率都要 下降。

另外还优选地要求涂层的算术平均粗糙度Ra在0.1-200μm范围， 更优选5-20μm。小于0.1μm的粗糙度Ra基本上与铸模表面的粗糙 度相同，因此就难以获得涂层和铸模之间的改进粘合。另一方面，当粗 糙度Ra大于200μm时，铸模的表面会局部地暴露，因而也不能进一步 增强第一层的粘合性。

形成涂层的方法并不局限于特定的方法，任何常规方法均可使用， 例如火焰喷涂法，电镀法，焊接包覆法等。但是，特别合适的方法是在 JP-A-6-269936和JP-A-6-269936中全部公开的电火花沉 积法，该文献引入本文作为参考。

电火花沉积法对铸模尺寸没有限制，可以进行铸模的局部涂覆，并 且没有喷涂法等那样的“死点”(dead point)，这样的点被遮盖，不能涂 覆。因为电火花沉积法在常温条件下用很少热输入就可进行，从而可以 抑制铜合金的软化，当铜合金在高温下长时间暴露时会产生软化。此外， 电火花沉积法使得可以容易地改变和调节涂层的厚度和/或表面粗糙度。 因此，通过调节涂层的表面粗糙度，可以使第一层有效地穿透进入不平 的表面，因而得到稳定而满意的粘合。

实施例

将铜合金棒的试料加工成直径20mm和长度150mm，它们有表1 所示的不同组成。通过上述的电火花沉积法在每一试料的表面形成有表1 所列组成的涂层。将这些试料浸在温度约690℃的铝浴中，并在搅拌下 保持7分钟。然后从铝浴中取出试料，以研究它与铝的反应活性，由此 判断它的耐熔体损坏性。至于冷却特性，带有表1所示涂层的铸模件插 入设计成可以同时制造四件铸造铝合金产品的铸模中，并评价铸造产品 的显微结构(DAS：枝晶的枝臂间距)。同时测量铸造周期时间。所得 结果也列于表1。

                                                                                         表1   序   号    铜合金组成     (重量％)   热导率 (cal/s·cm    ·℃)    硬度    (HB)   涂层组成   (重量％)    涂层硬度     (MHv)   厚度   (μm) 表面粗糙 度(μm) 耐熔体损   坏性 DAS(μm)  周期时间   (min.)   备注   1   Cu-4.5Ni-0.4Co-    0.5Be-1.5Al     0.29     240  WC-10Co     2000     50     14     ○     32     3   本发明   试样   2   Cu-4.5Ni-0.4Co-    0.5Be-1.5Al     0.29  WC-10Co     2000     0.05     1     ×       未测量  对比试样   3   Cu-4.5Ni-0.4Co-    0.5Be-1.5Al     0.29  WC-10Co     2000     4000     230     ○     78     4  对比试样   4   Cu-1.5Ni-0.5Co-    0.2Be-0.5Mg     0.52     202  Mo-29Co-    18Cr     1200     30     20     ○     35     3   本发明   试样   5   Cu-1.5Ni-0.5Co-    0.2Be-0.5Mg     0.52   MoB2-    12Ni     2200     1400     140     ○     33     3   本发明   试样   6   Cu-4.5Ni-0.4Co-    0.5Be-1.5Al     0.29     240   Cr3C2-    12Ni     1800     40     7     ○     35     3   本发明   试样   7   Cu-7Ni-0.4Co-    0.6Be-3.0Al     0.15     260   WC-10Co     2000     50     17     ○     68     4  对比试样   8   Cu-0.9Ni-0.3Co-    0.1Be-0.1Mg     0.68     170   WC-10Co     2000                 未评价/不能涂覆  对比试样   9   Cu-4.5Ni-0.4Co-    0.5Be-1.5Al     0.29     240   硬质电镀     Cr     130     200     5     ×       未评价  现有技术   10   Cu-1.5Ni-0.5Co-    0.2Be-0.5Mg     0.52     202   非电解质     镀Ni     120     200     5     ×       未评价  现有技术   11   Cu-1.5Ni-0.5Co-    0.2Be-0.5Mg     0.52     202   TiN(CVD)     1800     15     2     ×       未评价  现有技术   12     SKD 61     0.09     370     -     -     -     -     △     74     4.5  现有技术

抗熔体损坏性

○：没有尺寸变化

△：尺寸减少小于5％

×：尺寸减少不低于5％

DAS：用显微镜观察测得的枝晶枝臂间距(μm)

周期时间：从将铝合金水倒入铸模到凝固结束之间的实际时间

从表1可以显见，根据本发明的包括涂层的铸模表现出优良的抗熔 体损害性和冷却特性，从而明显缩减了铸造周期的时间。

从上面的说明书可以看出，本发明提供了一种用于铸造铝合金的改 进的铜合金铸模，它有高的冷却速率从而可以缩减铸造周期时间，并且 制造具有细晶粒，改进的强度和延展性的铸造铝合金产品。还可以容易 地控制铸模选择部分的温度，从而避免或减少铸造缺陷的发生。此外， 根据本发明的铜合金铸模不容易被熔融铝合金腐蚀，因而有高的耐熔体 损害性。

尽管以上通过参照特殊实施方案描述了本发明，但是显然在不背离 所附权利要求书所限定的本发明范围的条件下可以作出各种改进和/或变 化。