在现代工业生产中,采用模具成型生产的零部件,具有质量好、成本低、生产效率高、节省原材料和节省能源等优点,因而被广泛应用于工业生产的各个领域,已经成为现代工业生产的重要手段和工艺发展方向,对模具材料的性能要求也在不断提高。传统的合金钢模具材料,由于其导热性能低、抗热疲劳性和精密加工性能较差,不能满足某些模具材料的实际使用要求。目前,欧美等发达国家及国内一些单位已经研究开发了一些铜合金模具材料,用于金属与非金属成型的拉伸、压延、挤压和铸造等模具,特别是铜合金模具材料在高分子塑料及不锈钢制品成形等方面得到了广泛应用。我国对新型铜合金模具材料的研究由于受到工艺、设备等方面的限制,目前还没有完全实现铜合金模具的国产化。本文根据铝青铜合金具有硬度高,耐磨性、减磨性好,拉伸及抗压强度高,刚性稳定、不易变形、且有一般铜合金所具有高的热传导性、散热快等优良综合性能的特点。在研究合金元素对铜合金组织与性能影响的基础上,自行设计研制了一种新型铝镍青铜模具材料,并利用非真空高频感应炉进行合金熔炼和铸造试验。采用金相显微镜、SEM、布氏硬度计、激光闪射仪、电子万能试验机等手段研究了不同含量几种主加元素Al、Ni、Fe对该新合金组织和性能的影响,获得一种综合性能优良的新型铝镍青铜模具材料,并探讨了不同热处理工艺和摩擦磨损试验参数对该合金组织与性能的影响。研究结果表明:不同含量的Al、Ni、Fe元素通过改变新型合金组织中的α相、β′相、γ2相、κ相的形态、数量和分布来影响该合金的性能。随着铝含量的增加,合金的抗拉强度先上升后下降,布氏硬度连续上升,延伸率降低,磨损量先降低后升高;随着镍含量和铁含量的增加,合金的抗拉强度、布氏硬度和延伸率都是先升高后降低,其磨损量先降低后升高。在铝含量11.5%、镍含量3.0%和铁含量3.0%时,该新型合金表现出较高的强度和硬度,良好的塑韧性和优异的耐磨性。新型铝镍青铜模具材料的最佳设计成分为:Al 11.5%、Ni 3.0%、Fe 3.0%、Mn 1.5%、B 0.15%、Zn 0.3%,其余为Cu。该合金的铸态组织主要由α相、β′相、γ2相和κ相组成,组织中存在严重的枝晶偏析,κ相分布不均匀,(α+γ2)共析体较多,组织粗大。其抗拉强度为737 MPa,布氏硬度为287 HBW,延伸率为5.9%,热导率为76 W/m·k,磨损量为1.34 mg。经最佳热处理强化工艺(940℃×2.5 h水冷固溶+540℃×3.5 h空冷时效)处理后,该新型合金的抗拉强度为896 MPa,布氏硬度为415 HBW,延伸率为10.7%,热导率为94 W/m·k,磨损量为0.83 mg,与铸态合金相比,固溶时效态合金具有更高的强度和硬度、良好的塑韧性、优异的导热性和耐磨性。在不同热处理工艺的新型合金摩擦磨损过程中,随着试验温度、干滑动速度和加载力的增加,该合金的磨损量都是呈现逐渐增大的趋势,而且固溶时效态的磨损量曲线始终位于铸态的下方;铸态合金的平均摩擦系数曲线都在较大范围内波动,而固溶时效态合金的平均摩擦系数在较小的范围内波动,曲线较平缓且近似一条直线,且其平均摩擦系数都要低于铸态合金。铸态合金的磨损机理在低温时主要为磨粒磨损,在高温时主要为粘着磨损,在低速区时为剥离磨损和少量的氧化磨损,在高速区时为粘着磨损,在低加载力时为磨粒磨损和氧化磨损,在高加载力时为粘着磨损。而固溶时效态合金的磨损机理在低温时主要为磨粒磨损,在高温时主要为氧化磨损和粘着磨损,在低速区时为氧化磨损,在高速区时为剥离磨损,在低加载力时为磨粒磨损,在高加载力时为疲劳磨损和磨粒磨损。