鋁青銅的研究與應用

鋁硫巖是機械制造中最常用的銅合金材料。這是一種主要以銅-鋁為基礎的材料。僅由銅、鋁元素構成的是二元鋁青銅,為了改善某些性能,常在二元鋁青銅中添加鐵、錳、鎳等元素形成多元鋁青銅。早在20世紀初,就已經對鋁青銅進行了初步的研究,直到20世紀50年代,由于大規(guī)模的工業(yè)化生產和研究的進一步深入,鋁青銅已成為現代工業(yè)中應用極其廣泛的一種新型銅合金。鋁青銅具有許多優(yōu)良的性能。(1)鋁青銅具有很高的強度、硬度和耐磨性,常用來制造齒輪坯料、螺紋等零件。(2)鋁青銅具有很好的抗蝕性,因此可用來制造耐腐蝕零件,如螺旋槳、閥門等。(3)鋁青銅在沖擊作用下不會產生火花,可用來制造無火花工具材料。(4)具有優(yōu)良的導熱系數和穩(wěn)定的剛度,作為模具材料在拉伸、壓延不銹鋼板式換熱器時不會產生粘模、劃傷工件等優(yōu)點,已成為一種新型模具材料。(5)鋁青銅具有形狀記憶效應,已經作為形狀記憶合金得到發(fā)展。(6)鋁青銅合金價格相對便宜,成為一些昂貴金屬材料的部分替代品,如替代錫青銅、不銹鋼、鎳基合金等。正是由于鋁青銅所具有的優(yōu)良特性,越來越受到青睞,在民用和軍事工業(yè)中起著重要的作用。隨著科學技術的進一步發(fā)展,各個領域對于鋁青銅材料都提出了更高的要求和進行更深入的研究,就該類材料的研究與應用進行了一些分析和探討是很有必要的。1覆蓋物的選擇鋁青銅合金的熔煉是鑄件或鑄錠生產過程中的重要工序,是保證產品質量的關鍵環(huán)節(jié),主要研究的問題集中在除氣、脫氧、除渣、變質處理等方面。雖然多年來對這些問題進行了不斷深入的研究,但根據AFS對全美鑄造企業(yè)的調查表明,在熔體處理中仍主要采用覆蓋劑來減少熔體的氧化與吸氣,這些過去多年來采用的方法并沒有多大變化。但是,在具體細節(jié)方面的研究,還是有一些進展值得關注,盡量避免了鑄件產生縮孔、表面粗糙、氣孔、夾渣、機械性能差等缺陷。鋁青銅熔煉的主要問題是容易氧化和吸氣。鋁青銅中含有較高的鋁,極易產生Al2O3夾渣,很難從溶液中去除,一般在澆注時采用過濾去除。同時,形成的Al2O3可在銅液表面形成一層保護膜,阻止銅液的氧化,因此也有在熔煉過程中不加任何覆蓋劑的做法。但這種做法在生產中是極其危險的,原因是熔煉中不可避免的存在金屬液沸騰的現象,使氧化繼續(xù)進行。因此,在鋁青銅熔煉中AFS推薦采用碎玻璃或化學助熔劑(如45%Na2CO3+CaO)來防止氧化。而現在許多企業(yè)也采用其他覆蓋劑,如木炭、冰晶石等,是各企業(yè)在實際中摸索出的一些有效的方法,這些覆蓋劑對鋁青銅熔體的影響也應進一步研究。盡管覆蓋是防氧化、吸氣的一項措施,但在實際中還應對熔體進行脫氧、除氣操作。鋁青銅常采用磷銅脫氧,也可采用錳、鋰、食鹽脫氧劑。除氣采用吹氮氣或加ZnCl2,MnCl2或C2Cl6等除氣劑,還可采用在熔體液面上建立6～14KPa的部分真空來獲得無氣孔鑄件,但該方法造價高,除特殊要求外一般不采用。鋁青銅鑄件常會存在晶粒粗大的缺點,為此在金屬液中加入變質劑以提高形核率,達到細化晶粒的目的。關于變質處理的研究,以RomankiewiczF.等人的研究較為典型,用實驗方法驗證應用于鋁青銅的變質劑有Ti,B,V,Zr,Ca,Na以及復合變質劑V+B,Ti+B,Zr+B,Ca+B,它們對鋁青銅的組織和性能的改善起著積極作用。如李元元等人在含鋁量為10%左右的鋁青銅中加入微量的Ti,B后,發(fā)現合金的力學性能有所提高。2工藝參數對二元鋁青銅的時效強化效果通常采用一些強化工藝來改善鋁青銅合金組織狀態(tài)以達到所需要的使用性質和工藝性能。目前,鋁青銅合金的強化主要手段有固溶強化、細晶強化、時效強化等。固溶強化就是將合金加熱到能使Al,Mn,Ni,Co等合金元素全部或最大限度的溶入銅基體中形成飽和或過飽和固溶體后,淬火至室溫得到過飽和固溶體的工藝。然而,這種過飽和固溶體在室溫或較高溫度下將發(fā)生分解而析出第二相,這種析出可使合金的強度、硬度顯著增加,這就是時效強化。固溶與時效往往配合使用來改善鋁青銅合金的性能。如張偉文等人對含鋁9%的鋁青銅合金的固溶與時效處理進行了優(yōu)化研究,確定出最佳熱處理工藝為850℃,保溫1h,水淬,350℃時效1h,空冷。研究表明4個工藝參數對合金影響的顯著性由大到小的順序依次為時效溫度、固溶溫度、時效時間、固溶時間。Foglesong專門對鋁青銅的時效行為進行了研究,提出了一套時效強化的物理模型并應用于二元鋁青銅的研究,對各種時效狀態(tài)下時效強化的變化趨勢作了精確的模擬,效果良好。與此同時,研究人員對各種鋁青銅合金的固溶與時效對組織性能的影響仍繼續(xù)進行,各工藝參數的作用、影響趨勢在不同的鋁青銅中表現形式存在較大差異。鋁青銅鑄件也可采用退火工藝對進行強化,一是去除鑄件的內應力,二是可改善鑄件的內部組織從而改善力學性能。梁金生等人對所研究的模具銅合金進行退火,工藝為加熱溫度400～450℃,保溫4h,空冷至室溫,合金性能大為改善。胡守民等對軋機銅滑塊采用均勻退火工藝,即800℃,保溫2h,爐冷至530℃空冷,退火后組織明顯細化且均勻化,強度、塑性和沖擊韌性均有大幅度提高,滑塊壽命也提高了一倍。鋁青銅也可通過表面改性來提高該類零件的使用性能。表面滲層則是方法之一,如ZhuXiaolong等人對Cu-7.9%Al-1.9Sn合金進行表面滲入稀土元素,發(fā)現表面形成CuReAl相和彌散的η相(Cu6Sn5),沿著滲層深度方向,稀土含量逐漸降低,但總的來說合金的整體表面性能得到改善。還可利用激光對鋁青銅合金進行表面強化。如SandaM.Levcovici等人利用1300kW的CO2激光束對二元鋁青銅合金進行處理,同樣使鋁青銅表面得到強化,同時還研究了工藝參數、表面初始狀態(tài)對硬化效果的影響。Y.Liu等人利用激光熔覆技術在AA333鋁合金的表面上熔覆了一層Ni-Al青銅,零件保持較輕質量的同時,耐磨特性大大提高,該技術也可推廣到其他零件的表面處理上。3鋁青銅中雜質元素的作用化學成分對鋁青銅組織與性能的影響一直是關注的熱點之一。首先,化學成分對合金作用的好與壞并沒有一個明確的界定。如鐵加入鋁青銅中一般起到細化晶粒、減小“自發(fā)回火脆性”、提高力學性能的作用,但當鐵含量較高時,鐵會以Fe3Al化合物析出,使合金的機械性能變壞,因此鐵含量不應超過5%。還有鋅元素,很多研究認為它與基體金屬固溶后,可提高金屬的塑性,而也有研究認為其為雜質元素。由此看出,合金元素的作用不能一概而論。普遍認為加入適量的合金元素可改善合金的機械性能,如加入適量的鐵形成鋁鐵青銅,加入錳形成鋁錳青銅,加入鎳形成鋁鎳青銅。其次,對于雜質元素含量的要求現在還沒有一個明確的界定。如ASTMB148-95標準對鋁青銅中的主要添加元素(如Fe,Al,Ni,Mn)指定了限量,而對除Si和Pb以外的其他雜質元素(Zn,Sn,……)的最大限量并沒有界定。因此,一些研究者對常用鋁青銅中的雜質元素的作用進行了研究分析。如美國鑄造協(xié)會與金屬學會合作進行了一個為期三年的研究項目,整個研究的目標就是根據雜質元素對典型鋁青銅C95400和C95800的力學性能、熱處理和焊接性能的影響來確定它們的上限。最后,正是由于化學成分的變化才使得鋁青銅的種類和應用場合各不相同,研究者應該不斷研究化學成分的影響、作用機理,進一步擴大鋁青銅的應用范圍。4顯微組織的研究鋁青銅合金材料的宏觀性能受許多條件的影響。然而,結構決定性能是自然界永恒的規(guī)律,性能是由內部的微觀組織結構所決定的。為了準確的分析鋁青銅的顯微組織結構,進行了不少有益的嘗試。如利用彩色金相的方法對銅合金的顯微組織進行處理,以此來定性鑒別物相、晶粒位向等顯微組織特征。隨著科學技術的發(fā)展與材料研究的要求,對鋁青銅顯微組織定量化分析的要求越來越高,將數字圖像處理技術與體視學技術相結合應用于鋁青銅顯微組織分析的應用還未見報道,也沒有形成對鋁青銅顯微組織形態(tài)分析和評價的數學模型。揭示鋁青銅顯微組織與性能的關系是現在鋁青銅應用研究的熱點之一。如羅豐華通過組織分析對Cu-10Al-4Fe-4Ni,Cu-10Al-4Fe-4Ni-0.3Ti,Cu-10Al-4Fe-4Ni-0.3Zr三種合金的力學性能隨退火溫度變化的關系進行了分析和討論,確立了符合高速列車牽引異步電動機轉子護環(huán)材料性能的合金成分與熱處理工藝,在此基礎上試制了銅合金護環(huán)?，F在,研究者也希望能夠預測出鋁青銅材料的性能。如L.K.Tan等人建立了稀土元素含量與銅合金硬度之間的關系式,紀勝如等人也建立了鋁含量與合金性能間的關系式,這些關系式對指導多元鋁青銅的生產及預測性能方面起到了積極作用。這些關系式都是在一定的生產或實驗條件下通過回歸分析建立起來的,僅適用于相應的生產條件。由于鋁青銅生產是一個復雜的非線性過程,顯然利用線性函數來考慮性能和組織的關系不是很理想。其次,對于復雜多變的實際生產現場,是很難正確預測多元鋁青銅的力學性能。微觀組織模擬技術的發(fā)展使通過組織的模擬來預測合金的力學性能成為可能。目前,這一方面國內外均處于研究階段,還沒有見到對鋁青銅合金微觀組織模擬研究的報告。此外,神經網絡技術是實現材料性能預測的一種很好的工程實現方式,相信該技術也會應用于鋁青銅合金性能的研究與預測方面。5元鋁青銅的加工特性從20世紀80年代以來,國內外對鋁青銅合金摩擦特性的研究非常關注,探討改善耐磨性的內在規(guī)律,以進一步擴大其在耐磨條件下的使用性能。如JiWei等人在高錳鋁青銅中加入稀土元素,研究發(fā)現適量的稀土可以提高合金的耐磨性,如Y和La分別為0.05%～0.15%和0.10%～0.20%范圍內時,隨著稀土元素的增加,合金磨損量趨于減少,分別在0.10%Y和0.15%La時最小,比未加稀土時分別減少71%和54%。但雖稀土含量的繼續(xù)增加,合金的磨損量又會增加,耐磨性下降。研究還表明,減少合金中的氧化夾雜物缺陷也可提高合金的耐磨性。此外,還可利用各種工藝方法來改善耐磨性,如表面熱處理、激光熔覆和粉末燒結等方法。SanadaM.Levcovici等人用CO2激光束對二元鋁青銅合金的表面進行強化,使合金的耐磨特性大大提高。在研究鋁青銅耐磨性時還應進一步研究其在摩擦過程中的變化。華南理工大學李元元等人系統(tǒng)研究了鋁青銅合金在切削加工時磨損特性。針對鋁青銅合金加工時存在高的摩擦熱、刀具壽命短和加工質量低的缺點,研究了KK鋁青銅與工具材料的摩擦、磨損狀況。首先建立了摩擦副的實驗條件,即選擇合適的退火溫度和時間,以達到實際摩擦副狀況下的元素擴散與相變的條件。研究中發(fā)現KK鋁青銅用YW1工具切削時,存在擴散、粘著、磨粒磨損,還伴隨有塑性變形和切變現象,這為研究KK鋁青銅的摩擦特性和加工性能奠定了良好的基礎。同樣,加工質量的好壞也直接影響著鋁青銅的使用性能。Tae-DongPark等人研究發(fā)現,改變加工條件使Ni-Al青銅鑄件抗拉試樣的表面粗糙度在0.1～2.0um之間時,試樣的延伸率從25%降低到17%,這表明加工質量直接影響著鋁青銅的應用?？傊?影響鋁青銅摩擦、磨損的因素既有外部因素,又有內在因素,應綜合研究。鋁青銅的抗腐蝕能力主要是由于其表面存在著一種惰性的氧化膜,這種膜較穩(wěn)定,并且具有自身保護作用,即使在還原條件下,也具有較好的抗腐蝕能力。所以鋁青銅合金在H2S,SO2和氯化物環(huán)境中工作狀況也是比較滿意的,但在與高氧化性物質(如硝酸)接觸時則不好。A.A.Ei-Meligi研究也證明了這一點,研究中發(fā)現在含10%Al和5%Ni的鋁青銅中,其表面氧化膜中存在NiO和Fe2O3,它們對鋁青銅的保護作用是非常明顯的。在抵抗海水方面,無論是熱水或冷水,鋁青銅均比較優(yōu)越,因此早在第二次世界大戰(zhàn)中,英國海軍就將鋁青銅作為螺旋槳材料。但是,鋁青銅在海水中會發(fā)生脫鋁現象,脫鋁后留下多孔、疏松的銅層,使鋁青銅的強度下降,究其原因可能主要是高鋁含量的合金中存在網狀的γ2相和K相優(yōu)先被溶解,從而發(fā)生鋁青銅的脫鋁現象。為了抑制鋁青銅的脫鋁,可在合金中添加合金元素,如鐵、鎳、硼等。J.HUCINSKA還研究了鋁青銅合金在氣蝕條件下的腐蝕特性,表明合金的機械性能與抗氣蝕性之間無直接關系,然而,通過層錯能界定出抗氣蝕性與加工硬化之間有一定聯(lián)系,即好的抗氣蝕性要求低的層錯能和明顯的加工硬化現象,并指出鎳、鋁、鋅可提高抗氣蝕性。6cu-al-ni系列在銅-鋁合金系中,熱彈性馬氏體具有形狀記憶效應。但在鋁含量高的銅鋁二元合金中,即使快速冷卻也不能阻止γ2的析出,不出現熱彈性馬氏體相變,所以添加合金元素來抑制銅和鋁的擴散,使β相穩(wěn)定,以便通過淬火獲得熱彈性馬氏體。如在合金中添加鎳不僅可獲得熱彈性馬氏體,而且也調整了馬氏體的相變溫度(如Ms點),由此發(fā)展起來了Cu-Al-Ni系形狀記憶合金。Cu-Al-Ni合金具有價格低廉、制備和加工簡單、穩(wěn)定性較好的優(yōu)點,但也存在塑性差、晶粒粗大的缺點,使該合金得不到廣泛應用。在該合金