《模具镶嵌用铜开发案》

参考资料:
The science and Engineering of materials, Accord edition PWS-KENT publishing Company 出版,DONALD R.ASKELAND
机械材料,金重勳著,从文书局出版。
科技用书机械材料，王木琴编著，台湾从文兴业股份有限公司出版。
金属材料手册，黄俊琦编译，机械技术出版社。

一、问题：
现有高铍铜（QBe2）由于部分产品须达到硬度36HRC以上，造成配方中含铍量高达2.0%，其不利因素有：a.制程上加工难度加大 b.原料成本增加
在冶炼过程，因铍蒸汽具有剧毒，另外，坯锭使用无流浇铸法，对于品质的稳定性，仍有待进一步探讨。
目的：
为满足低成本、无毒性问题，开发低成本的可替代元素原料。可参考一些欧洲国家采用镍青铜或铝青铜替代。
须满足模具镶嵌用铜的主要市场指标。
 软态高铍铜：a.硬度：26—30HRC（耐磨性）
 b.热导率105w/(m.k) 200C (电导率18%IACS成比例)
试验：
含碳量0.1-1.0%的铜材，可经淬火得到麻田散铁系（Martindale），具高强度。亦可经回火而得到适当强度、韧性、延性而铜需避免C的存在，此法唯忽略。
经由浙江大学材料科学与工程学系教授指导研发的高强度高热稳定性铜基合金，已申请国家专利，实验过程与数据如附件。其选择为镍青铜分类作为研究方向。
设计研究：
铍青铜以其机械强度见称于也，可与合金铜比美，虽于析出硬化系（precipitation hardening），是沃斯田系（austenite）的改良型。硬度经二次时效可达42HRC。
考虑其析出物的原理，在于针对差排（Dislocation）现象的阻碍作用，因此重点在关注金属间化合物（Intermetallic compounds）的生成，进而达成高熔点，硬度增加，抗氧化、抗拉强度提高的效果。但须注意锻造（forging）时，对差排爬生（Dislocation Climb）现象引起潜变（Creep），进而造成rapture（破裂）。
鉴于W、Mo、Cr、Mn高熔点元素溶入固溶体，也会阻碍差排扩散过程，增加原子结合力，提高基体再结晶度，进而提高合金的高温强度。
现实验方向为镍青铜（nickel bronze），Cu和Ni可在任何比例互相熔合成固容体，Ni可增进流动性，对铸造性有利；亦有微化晶粒功用，有助于强度，但因Cu-Ni合金的强度、弹性限和硬度较低，虽于沃斯田系铜合金，尤其在高温时为然，热处理也不能改变机械性质。再加适量的Si，作成时效硬化系（age hardening）。另外，在工业上，含矽量在α固溶体（面心立方）的范围内（1-3.5%Si），其强度和耐热性提高，却又不致使导电度减低太多。
结果分析：
浙大的实验样品，综合指标不错，唯独硬度仍有不足，虽然金属间化合物Ni2Si反应不完全。
方案建议：
1.有鉴于硬度不足，考虑Ni2Si析出物作用在于提高硬度，两元素须完全反应以保证作用 完全发挥，不必过于顾虑偏析（segregation）
 WNi /58.69 : WSi /28.09 =2:1      WNi :WSi = 4.1787 :1
 冶炼配重过磅，须注意重量比例，矽量不可过多。
 2.冶炼配料须知：
Cr:因含Cr量少，不必担心包晶成长现象，在七分满时加入，约剩下七成，余者挥发。
Fe、Ni:皆为ⅧB铁族元素，虽于稳态元素，稳定性高，在开始下电解铜时便可投入中间合金。
Si、Mg:虽于活泼元素，在高温时剧烈燃烧挥发损耗其损耗重须额外加入；在保温期间，即约出炉前5分钟投料。矽的晶格大，须注意加量，以免偏析。