船舶海水泵用材料_镍铝青铜性能的研究

1、船舶海水泵用材料 镍铝青铜性能的研究林小东(福建交通职业技术学院 ,福建 福州 350007)摘要 :本文介绍了海水泵用材料镍铝青铜的主要性能 ,并与普通铝青铜的性能进行了比较 。重点讨论了合金元素对镍铝青铜材料的腐蚀性能 、金相组织和铸造工艺性能的影响 ,提出了改进铸造镍铝青铜腐蚀 性能及铸造工艺性能的几点建议 。关键词 :镍铝青铜 海水泵 腐蚀 金相组织海水系统是船舶上常用的冷却系统 ,也是海水淡化装置主要的工作系统 。早期的海水系统多采用碳 钢 、铸铁建造 ,这些材料的耐海水腐蚀性能差 ,要终年维修 ,缩短系统的工作时间 ,还常酿成重大事故1 。近十年来 , 随着材料的发展 , 海水系统

2、开始采用好的耐磨损性能 、焊接性能 , 且价格低廉 。铸造镍铝青铜的价格远远低于铸造超级双相不锈钢或超级奥 氏体不锈钢 。因此从价格与腐蚀性能角度考虑 ,镍铝青铜完全能够满足海水管系的需要 ,且应用范围还在逐渐扩大 。主要用在船用螺旋桨 、大型泵用叶片 、紧具有优良耐海水腐蚀和抗污损能力的有色金属制造 。 固件 、海水管件 、消防龙头 、阀 、海水淡化装置等 。但这种海水系统虽然初始投入较多 , 但其维修次数少 ,寿命高 ,具有极高的可靠性 , 在船舶等行业得到了日 益广泛的应用 。镍铝青铜就是比较典型的一种 ,它具 有优良的耐海水冲刷腐蚀性能 。本文主要对海水泵 用镍铝青铜的腐蚀性能及铸造工

3、艺等进行一些综合归纳 。1 、海水泵用材料镍铝青铜 海水管系腐蚀主要发生在三个方面 : 一是材料在海水中的自然氧化腐蚀 ; 二是材料本身原因引起的腐 蚀 ,如晶间腐蚀 、应力腐蚀 、缝隙腐蚀 、冲刷腐蚀等 ; 三镍铝青铜有两个主要缺点 ,一是在污染海水中耐腐蚀性能下降 ,二是对选相腐蚀比较敏感2 。目 前 我 国 海 水 泵 泵 体 和 叶 轮 材 料 主 要 采 用ZCuSn3 Zn8 Pb6Ni1 锡 锌 铅 青 铜 和 ZCu16 Si4 硅 黄 铜 。 这 两 种 合 金 均 具 有 较 好 的 机 械 加 工 性 能 。ZCuSn3 Zn8 Pb6Ni1 具有 较 好 的 流 动 性

4、 、收 缩 率 小 , 适 于制造厚薄不均匀或结构复杂的构件 ; ZCu16 Si4 也具 有良好的流动性 ,但收缩率较大 ,易产生热裂 ,常用于 制造尺寸变化较小或结构简单的零件 。ZCuSn3 Zn8 Pb6Ni1 的铸造组织比较疏松 , 强度和是两种电位相差较大的金属连接时形成的电偶腐蚀 、 硬度较低 ,在高压下容易产生渗水现象 , 只适用制作焊接腐蚀等 。海水系统中海水泵用材料一般使用铸造铝青铜 。其合金 、成分 、牌号和性能如下 (中国) :标准名称 : GB1176压力较低的铸件 ; ZCu16 Si4 的铸造组织细密 , 强度和硬度较高 ,适用制作压力不高于 5M Pa 的铸件

5、。ZCuSn3 Zn8 Pb6Ni1 和 ZCu16 Si4 在 海 水 中 均 存 在 腐蚀现象 ,只是前者略好于后者 , 两者的质量腐蚀速率分别为 0 . 71 . 44g/ m2 d 和 1 . 63g/ m2 d ,深度腐蚀率 分别为 0 . 030 . 07mm/ a 和 0 . 24mm/ a 。21 个月的海水浸蚀实验显示 , ZCuSn3 Zn8 Pb6Ni1 铸件表面腐蚀产 物膜很薄但十分均匀 ,而 ZCu16 Si4 铸件表面腐蚀产物膜较厚且不均匀 ,同时还存在有剥蚀现象3 。镍铝青铜合金 ZCuAL 9 Fe4Ni4Mn2 是为制造舰船 螺旋桨而专门研制的 , 有优良的耐

6、海水腐蚀性能 , 但 其自然腐蚀电位与管系材料 B10 管材之间有差异 ,铸 态组织的致密性及铸造工艺性能不能完全满足海水泵的需要 ,其铸造工艺不够稳定 , 铸造产品合格率偏 低 。2 、合金成分对金相组织和腐蚀性能的影响牌号 : ZCuAl9 Fe4Ni4Mn2主要成分 : Ni :4 . 05 . 0 % Al :8 . 510 . 0 %Fe :4 . 05 . 0 % Mn :0 . 82 . 5 % Cu :77 . 582 . 7 %力学性能 : b ( M Pa) 6300 . 2 ( M Pa) 2505 16 %镍铝青铜具有优异的耐应力腐蚀开裂 、耐腐蚀疲劳 、耐空泡腐蚀 、

7、耐冲蚀和抗海生物污损等性能 。镍 铝青铜在耐海水腐蚀疲劳方面远远超过不锈钢和黄 铜 ,比锰青铜还好 ; 在耐冲蚀方面也远远高于黄铜 ,耐空泡腐蚀性能格外好 。镍铝青铜耐海水均匀腐蚀 、空 泡腐蚀和腐蚀疲劳的性能与超级双相不锈钢相当 ,在 海水中不发生点蚀 , 不发生氯化物应力腐蚀开裂 , 其时 ,会生成第二相 (相) ,形成+双相合金 。形成相会使铝青铜的腐蚀性能下降 ,双相铝青铜的耐均匀 腐蚀性能较单相铝青铜的略低 ,耐冲刷腐蚀性能则好于单相铝青铜4 。值得注意的是 ,当+双相铝青铜从 600 以上开始冷却时 ,如果冷却速度太慢 ,在 565 时相分解为相和相的混合物 。 相的铝含量较相的高

8、 ,对腐蚀的敏感程度与黄铜中的相十分相似 。当相连接成网状结构后 ,合金对腐蚀的敏感性增加 ,耐腐蚀性能下降 。 在普通铝青铜中添加足够量的铁或镍 ,不仅可以抑制 相的形成和结网 ,而且能起到细化晶粒的作用 。当铁含量达到 2 %时 ,可以防止在截面直径小于75mm 的铸件内形成相网状结构5 。 英国使用的较高强度的镍铝青铜 ( AB2 等) 在冷却过程中会发生相变 , 即在 750 950 的 温 度 范 围内 ,转变为 + 相 。这 些 合 金 在 凝 固 开 始 时 全 是相 ,当温度下降到 900 左右时 ,开始从相中析出呈 玫瑰状的 、粗大的相 。较低温度下 ,残余的相转变为+. 相

9、 , . 相呈层状结构 ,在随后冷却至室温的过程中 ,在相的晶粒中有细小的相 , 相呈弥散分布 ,其成分不定 ,可含有铝 、镍 、铁或锰 。这些相的形成 ,会消耗合金中的铝元 素 , 有 效 地 抑 制 的 形成 ,从而提高合金的耐腐蚀性能 。镍铝青铜中一般不蚀倾向 ,铝青铜缝隙腐蚀倾向不大 , 且择相脱成分腐蚀不严重 ,对合金的强度和表面光洁度影响不大 。铝 青铜在大气条件下是最不易褪色的铜合金 ,其外观无 严重的损坏 ,力学性能也下降很少 。高铝含量铝青铜 的择相脱成分腐蚀 ( 脱铝腐蚀) 曾引起较为广泛的关 注 ,但如今已经不再是大问题 。通过控制成分 , 铸造冷却速度和加工温度 , 可

10、确保获得特定的金相组织 , 这种金相组织在正常使用条件下 ,不发生明显的脱铝 腐蚀 。镍铝青铜 ( Cu - 10Al - 5Ni - 5 Fe) 中非平衡马氏体相 (残余/ 相) 是随晶粒一起析出的 ,是一种粗大的铸态组织 。当合金加热到 675 回火处理时 , 这种 富含 NiAl 析出物的马氏体相会转变形成高温体心立方的相 ,在 675 保温后 ,这种相会逐渐分解为 NiAl和相 。这些析出物可在基体上以板条方式形核或在已经存在的 Fe3Al 颗粒上形核9 。3 、合金成分对铸造工艺性能的影响 铝在 铜 中 的 溶 解 度 理 论 上 可 达 8 . 5 % ( 300 ) 。铝含量越高

11、 , 高温时氧化越严重 , 产生的氧化铝或分 散或集中存在于铜液中 , 很难上浮 , 浇铸时会带入铸件形成疏松 ,使铸件的致密性下降 。铝含量高的铜合 金在浇铸时 ,由于二次氧化严重 ,也会产生疏松 ,影响 致密性 。锰是熔炼过程中添加的一种脱氧剂 ,可提高 熔体的流动性 。镍不仅能提高铸件的耐腐蚀性 ,且可出现相 , 因此镍铝青铜 具 有 极 佳 的 耐 腐 蚀 性 能 。 防止厚大铸件的“缓冷脆性”10 。为了确保相本身的腐蚀抗力 ,镍含量一般要超过铁含量 ,锰含量不超过 1 . 3 %6 。镍铝青铜 (AB2) 在整个凝固过程中会形成两种前 初晶相 。这些前初晶相 ( K1) 的析出数量

12、和形成温度 取决于合金成分 。这两种前初晶相是在原铜基固容 体开始凝固之前从熔体中形成的 ,分别成为 1 型和 2 型前初晶相 , 具有不同的高温稳定范围 , 该范围与合 金成分有关 ,随 Fe/ Ni 成分比值增加而增加 。10821148 是前初晶相出现的温度范围 , 11131104 和11041089 分别是白亮的 ( 1 型) 前初晶相和灰青色 的 (2 型) 前初晶相出现的温度范围 。如果熔体成分能 控制得使前初晶相保持稳定 ,在液相线几度以上 ,使 2 型前初晶相保持稳定 ,那么就能获得晶粒细小和铁局 部偏析最小的理想组合7 。增加镍含量 ,合金的腐蚀电位向正方向移动 。加 铝使

13、合金的腐蚀电位向负方向移动 。铁在铜中的固溶度较小 ,只有在高温下才有一定的固溶度 , 会随着 温度的下降而析出 。适量铁的加入有利于晶粒细化 , 并和铝 、镍生成金属化合物而析出 , 有利于耐冲刷腐 蚀性能的提高 。但铁含量过多 , 会降低腐蚀电位 , 从 而影响腐蚀性能8 。镍铝青铜的耐腐蚀性能主要与表面形成的保护 膜有关 。常用的合金如不锈钢等大多数都有缝隙腐对无镍高锰铝青铜和铅硅青铜进行稀土改性研究 ,发现适量的稀土可以细化合金的铸态组织 , 增加 熔体的流动性 ,提高耐腐蚀性能 。但过量的稀土则使合金的耐腐蚀性能下降 。镧和镱添加量分别为 0 . 151 . 0 %左右时 ,耐腐蚀性

14、能改善效果最佳11 。 混合稀土对高锰铝青铜 ( ZQAl12 - 8 - 3 - 2) 性能的影响研究 , 发现加入适量稀土 , 可细化合金的晶粒组织 ,显著提高合金的抗海水腐蚀性能 、拉伸强度与 硬度 ,但伸长率则有所下降 。当混合稀土加入量在 0 .08 %以下时 ,包括未加入稀土的试样 , 断口均系韧性 断口 ;当混合稀土加入量超过 0 . 08 %时 , 断口出现平 台 ,有 夹 渣 和 二 次 微 裂 纹 , 韧 窝 很 少 , 导 致 伸 长 率 下 降 ;当稀土加入量为 0 . 050 . 08 %时 ,合金中加入的 稀土元素与其他合金化元素相互作用 ,可改善合金表 面氧化膜的

15、性能 ,在合金表面形成一层很牢固的青灰 色薄膜. 该合金在低倍显微镜下就可见细小的铁相质点或镍钼化合物沉淀 。电子探针扫描和 X 射线能谱 分析表明 ,该合金无偏析现象 ,合金组织致密 ,结晶细 小 ,无夹杂和气孔缺陷 。用这一合金制造喷水泵的全 变距螺旋桨铸件 , 合格率达 98 % 。在铜合金中 , 稀土 的最主要作用就是消除枝状晶区和急剧细化晶粒12 。4 、结束语镍铝青铜具有优异的耐应力腐蚀开裂 、耐腐蚀疲劳 、耐侵蚀腐蚀 、耐空泡腐蚀 、耐海生物污损等性能 。 船动力泵用材料适 用 问 题 的 讨 论 J ,舰 船 科 学 技 术 , 2001(1) :5258 4 Co ut ur

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19、8929511 季玮 稀土对两种铝青铜的铸态组织和某些性能影 响的研究J 铸造 ,1995 ( 2) :1420 ,3512 季龙官 稀土对高锰铝青铜性能的影响 J 云南冶金 , 1994 ( 3) :4348 .但其自然腐蚀电位与常用管系材料 B10 管材之间有差异 ,铸件致密性及铸造工艺性能不能完全满足海水 泵的需要 ,其铸造工艺不够稳定 , 铸造产品合格率偏 低 。因此 ,有必要对镍铝青铜极其铸造工艺进行深入研究 ,以满足海水泵用材料的需求 。在研制新型镍铝 青铜时 ,可以采取以下措施(1) 适当调低镍铝青铜海水泵用材料的力学性能 指标 ,以获取更好的铸造工艺性能 。将合金的铝含量 调低

20、 ,一 方 面 可 降 低 熔 铸 过 程 中 形 成 氧 化 铝 夹 杂 数 量 ,提高铸件致密度 ; 另一方面 ,尽可能防止合金发生脱铝腐蚀 ,提高合金的耐蚀性 。(2) 提高合金的镍含量 ,适当控制铁含量 ,以提高 合金的腐蚀电位 ,防止电偶腐蚀 。(3) 锰是作为脱氧剂加入的 , 能改善合金熔体的 流动性 ,但会降低合金的腐蚀性能 。(4) 添加微量稀土元素或少量的硅 、铬 ,以改善合 金的流动性能 ,提高铸件的致密度 。参考文献1 Tut hill . Guidelines fo r t he use of co pper alloys in sea wa2 ter . Materi

21、als Perfo r mance . 1987 . 101 ( 9 ) 2 Oldfield J W. Master G W. Co mpariso n of perfo r mance of nickel aluminiumbro nze ,dulex stainless steel and Ti - Ni casting in seawater envi2ro nment EB . CDA Publicatio n TN42 ,1996 :40 3吴仁荣 . 舰(上接第 30 页) 铺装层与桥面间的粘结力等方面的实验以及挠曲模数的测定和环境温度变化幅度内环氧沥青混凝土的性能测试等 ,另外

22、还制定了关于选择级 配材料 、骨料等级 、合适的级配比率以及确定铺装层 厚度及层数等方面的基本设计参数 。所有这些测试 方案均由旧金山工程公司国际组织机构的工程师查正因为其显著而全面的性能 ,所以在测试结论中选择环氧沥青混凝土作为铺装层材料 。 环氧沥青混凝土铺装层的又一个优点体现在铺设的速度上 。所有铺装层在 12 天内完成 , 即完成了6700 吨环氧 沥 青 混 凝 土 的 拌 和 和 铺 设 , 铺 设 面 积 达40000m2 。当然铺装层的质量和密实度必须达到设计尔斯西蒙制定 , 因为他在圣地亚哥 海达德大桥 、 要求 。为了保证施工质量 ,在铺设期间必须严格控制金门大桥和其它大桥的环氧沥青混