铝青铜的研究与应用

铝青铜的研究与应用

铝硫岩是机械制造中最常用的铜合金材料。这是一种主要以铜-铝为基础的材料。仅由铜、铝元素构成的是二元铝青铜,为了改善某些性能,常在二元铝青铜中添加铁、锰、镍等元素形成多元铝青铜。早在20世纪初,就已经对铝青铜进行了初步的研究,直到20世纪50年代,由于大规模的工业化生产和研究的进一步深入,铝青铜已成为现代工业中应用极其广泛的一种新型铜合金。铝青铜具有许多优良的性能。(1)铝青铜具有很高的强度、硬度和耐磨性,常用来制造齿轮坯料、螺纹等零件。(2)铝青铜具有很好的抗蚀性,因此可用来制造耐腐蚀零件,如螺旋桨、阀门等。(3)铝青铜在冲击作用下不会产生火花,可用来制造无火花工具材料。(4)具有优良的导热系数和稳定的刚度,作为模具材料在拉伸、压延不锈钢板式换热器时不会产生粘模、划伤工件等优点,已成为一种新型模具材料。(5)铝青铜具有形状记忆效应,已经作为形状记忆合金得到发展。(6)铝青铜合金价格相对便宜,成为一些昂贵金属材料的部分替代品,如替代锡青铜、不锈钢、镍基合金等。正是由于铝青铜所具有的优良特性,越来越受到青睐,在民用和军事工业中起着重要的作用。随着科学技术的进一步发展,各个领域对于铝青铜材料都提出了更高的要求和进行更深入的研究,就该类材料的研究与应用进行了一些分析和探讨是很有必要的。1覆盖物的选择铝青铜合金的熔炼是铸件或铸锭生产过程中的重要工序,是保证产品质量的关键环节,主要研究的问题集中在除气、脱氧、除渣、变质处理等方面。虽然多年来对这些问题进行了不断深入的研究,但根据AFS对全美铸造企业的调查表明,在熔体处理中仍主要采用覆盖剂来减少熔体的氧化与吸气,这些过去多年来采用的方法并没有多大变化。但是,在具体细节方面的研究,还是有一些进展值得关注,尽量避免了铸件产生缩孔、表面粗糙、气孔、夹渣、机械性能差等缺陷。铝青铜熔炼的主要问题是容易氧化和吸气。铝青铜中含有较高的铝,极易产生Al2O3夹渣,很难从溶液中去除,一般在浇注时采用过滤去除。同时,形成的Al2O3可在铜液表面形成一层保护膜,阻止铜液的氧化,因此也有在熔炼过程中不加任何覆盖剂的做法。但这种做法在生产中是极其危险的,原因是熔炼中不可避免的存在金属液沸腾的现象,使氧化继续进行。因此,在铝青铜熔炼中AFS推荐采用碎玻璃或化学助熔剂(如45%Na2CO3+CaO)来防止氧化。而现在许多企业也采用其他覆盖剂,如木炭、冰晶石等,是各企业在实际中摸索出的一些有效的方法,这些覆盖剂对铝青铜熔体的影响也应进一步研究。尽管覆盖是防氧化、吸气的一项措施,但在实际中还应对熔体进行脱氧、除气操作。铝青铜常采用磷铜脱氧,也可采用锰、锂、食盐脱氧剂。除气采用吹氮气或加ZnCl2,MnCl2或C2Cl6等除气剂,还可采用在熔体液面上建立6～14KPa的部分真空来获得无气孔铸件,但该方法造价高,除特殊要求外一般不采用。铝青铜铸件常会存在晶粒粗大的缺点,为此在金属液中加入变质剂以提高形核率,达到细化晶粒的目的。关于变质处理的研究,以RomankiewiczF.等人的研究较为典型,用实验方法验证应用于铝青铜的变质剂有Ti,B,V,Zr,Ca,Na以及复合变质剂V+B,Ti+B,Zr+B,Ca+B,它们对铝青铜的组织和性能的改善起着积极作用。如李元元等人在含铝量为10%左右的铝青铜中加入微量的Ti,B后,发现合金的力学性能有所提高。2工艺参数对二元铝青铜的时效强化效果通常采用一些强化工艺来改善铝青铜合金组织状态以达到所需要的使用性质和工艺性能。目前,铝青铜合金的强化主要手段有固溶强化、细晶强化、时效强化等。固溶强化就是将合金加热到能使Al,Mn,Ni,Co等合金元素全部或最大限度的溶入铜基体中形成饱和或过饱和固溶体后,淬火至室温得到过饱和固溶体的工艺。然而,这种过饱和固溶体在室温或较高温度下将发生分解而析出第二相,这种析出可使合金的强度、硬度显著增加,这就是时效强化。固溶与时效往往配合使用来改善铝青铜合金的性能。如张伟文等人对含铝9%的铝青铜合金的固溶与时效处理进行了优化研究,确定出最佳热处理工艺为850℃,保温1h,水淬,350℃时效1h,空冷。研究表明4个工艺参数对合金影响的显著性由大到小的顺序依次为时效温度、固溶温度、时效时间、固溶时间。Foglesong专门对铝青铜的时效行为进行了研究,提出了一套时效强化的物理模型并应用于二元铝青铜的研究,对各种时效状态下时效强化的变化趋势作了精确的模拟,效果良好。与此同时,研究人员对各种铝青铜合金的固溶与时效对组织性能的影响仍继续进行,各工艺参数的作用、影响趋势在不同的铝青铜中表现形式存在较大差异。铝青铜铸件也可采用退火工艺对进行强化,一是去除铸件的内应力,二是可改善铸件的内部组织从而改善力学性能。梁金生等人对所研究的模具铜合金进行退火,工艺为加热温度400～450℃,保温4h,空冷至室温,合金性能大为改善。胡守民等对轧机铜滑块采用均匀退火工艺,即800℃,保温2h,炉冷至530℃空冷,退火后组织明显细化且均匀化,强度、塑性和冲击韧性均有大幅度提高,滑块寿命也提高了一倍。铝青铜也可通过表面改性来提高该类零件的使用性能。表面渗层则是方法之一,如ZhuXiaolong等人对Cu-7.9%Al-1.9Sn合金进行表面渗入稀土元素,发现表面形成CuReAl相和弥散的η相(Cu6Sn5),沿着渗层深度方向,稀土含量逐渐降低,但总的来说合金的整体表面性能得到改善。还可利用激光对铝青铜合金进行表面强化。如SandaM.Levcovici等人利用1300kW的CO2激光束对二元铝青铜合金进行处理,同样使铝青铜表面得到强化,同时还研究了工艺参数、表面初始状态对硬化效果的影响。Y.Liu等人利用激光熔覆技术在AA333铝合金的表面上熔覆了一层Ni-Al青铜,零件保持较轻质量的同时,耐磨特性大大提高,该技术也可推广到其他零件的表面处理上。3铝青铜中杂质元素的作用化学成分对铝青铜组织与性能的影响一直是关注的热点之一。首先,化学成分对合金作用的好与坏并没有一个明确的界定。如铁加入铝青铜中一般起到细化晶粒、减小“自发回火脆性”、提高力学性能的作用,但当铁含量较高时,铁会以Fe3Al化合物析出,使合金的机械性能变坏,因此铁含量不应超过5%。还有锌元素,很多研究认为它与基体金属固溶后,可提高金属的塑性,而也有研究认为其为杂质元素。由此看出,合金元素的作用不能一概而论。普遍认为加入适量的合金元素可改善合金的机械性能,如加入适量的铁形成铝铁青铜,加入锰形成铝锰青铜,加入镍形成铝镍青铜。其次,对于杂质元素含量的要求现在还没有一个明确的界定。如ASTMB148-95标准对铝青铜中的主要添加元素(如Fe,Al,Ni,Mn)指定了限量,而对除Si和Pb以外的其他杂质元素(Zn,Sn,……)的最大限量并没有界定。因此,一些研究者对常用铝青铜中的杂质元素的作用进行了研究分析。如美国铸造协会与金属学会合作进行了一个为期三年的研究项目,整个研究的目标就是根据杂质元素对典型铝青铜C95400和C95800的力学性能、热处理和焊接性能的影响来确定它们的上限。最后,正是由于化学成分的变化才使得铝青铜的种类和应用场合各不相同,研究者应该不断研究化学成分的影响、作用机理,进一步扩大铝青铜的应用范围。4显微组织的研究铝青铜合金材料的宏观性能受许多条件的影响。然而,结构决定性能是自然界永恒的规律,性能是由内部的微观组织结构所决定的。为了准确的分析铝青铜的显微组织结构,进行了不少有益的尝试。如利用彩色金相的方法对铜合金的显微组织进行处理,以此来定性鉴别物相、晶粒位向等显微组织特征。随着科学技术的发展与材料研究的要求,对铝青铜显微组织定量化分析的要求越来越高,将数字图像处理技术与体视学技术相结合应用于铝青铜显微组织分析的应用还未见报道,也没有形成对铝青铜显微组织形态分析和评价的数学模型。揭示铝青铜显微组织与性能的关系是现在铝青铜应用研究的热点之一。如罗丰华通过组织分析对Cu-10Al-4Fe-4Ni,Cu-10Al-4Fe-4Ni-0.3Ti,Cu-10Al-4Fe-4Ni-0.3Zr三种合金的力学性能随退火温度变化的关系进行了分析和讨论,确立了符合高速列车牵引异步电动机转子护环材料性能的合金成分与热处理工艺,在此基础上试制了铜合金护环。现在,研究者也希望能够预测出铝青铜材料的性能。如L.K.Tan等人建立了稀土元素含量与铜合金硬度之间的关系式,纪胜如等人也建立了铝含量与合金性能间的关系式,这些关系式对指导多元铝青铜的生产及预测性能方面起到了积极作用。这些关系式都是在一定的生产或实验条件下通过回归分析建立起来的,仅适用于相应的生产条件。由于铝青铜生产是一个复杂的非线性过程,显然利用线性函数来考虑性能和组织的关系不是很理想。其次,对于复杂多变的实际生产现场,是很难正确预测多元铝青铜的力学性能。微观组织模拟技术的发展使通过组织的模拟来预测合金的力学性能成为可能。目前,这一方面国内外均处于研究阶段,还没有见到对铝青铜合金微观组织模拟研究的报告。此外,神经网络技术是实现材料性能预测的一种很好的工程实现方式,相信该技术也会应用于铝青铜合金性能的研究与预测方面。5元铝青铜的加工特性从20世纪80年代以来,国内外对铝青铜合金摩擦特性的研究非常关注,探讨改善耐磨性的内在规律,以进一步扩大其在耐磨条件下的使用性能。如JiWei等人在高锰铝青铜中加入稀土元素,研究发现适量的稀土可以提高合金的耐磨性,如Y和La分别为0.05%～0.15%和0.10%～0.20%范围内时,随着稀土元素的增加,合金磨损量趋于减少,分别在0.10%Y和0.15%La时最小,比未加稀土时分别减少71%和54%。但虽稀土含量的继续增加,合金的磨损量又会增加,耐磨性下降。研究还表明,减少合金中的氧化夹杂物缺陷也可提高合金的耐磨性。此外,还可利用各种工艺方法来改善耐磨性,如表面热处理、激光熔覆和粉末烧结等方法。SanadaM.Levcovici等人用CO2激光束对二元铝青铜合金的表面进行强化,使合金的耐磨特性大大提高。在研究铝青铜耐磨性时还应进一步研究其在摩擦过程中的变化。华南理工大学李元元等人系统研究了铝青铜合金在切削加工时磨损特性。针对铝青铜合金加工时存在高的摩擦热、刀具寿命短和加工质量低的缺点,研究了KK铝青铜与工具材料的摩擦、磨损状况。首先建立了摩擦副的实验条件,即选择合适的退火温度和时间,以达到实际摩擦副状况下的元素扩散与相变的条件。研究中发现KK铝青铜用YW1工具切削时,存在扩散、粘着、磨粒磨损,还伴随有塑性变形和切变现象,这为研究KK铝青铜的摩擦特性和加工性能奠定了良好的基础。同样,加工质量的好坏也直接影响着铝青铜的使用性能。Tae-DongPark等人研究发现,改变加工条件使Ni-Al青铜铸件抗拉试样的表面粗糙度在0.1～2.0um之间时,试样的延伸率从25%降低到17%,这表明加工质量直接影响着铝青铜的应用。总之,影响铝青铜摩擦、磨损的因素既有外部因素,又有内在因素,应综合研究。铝青铜的抗腐蚀能力主要是由于其表面存在着一种惰性的氧化膜,这种膜较稳定,并且具有自身保护作用,即使在还原条件下,也具有较好的抗腐蚀能力。所以铝青铜合金在H2S,SO2和氯化物环境中工作状况也是比较满意的,但在与高氧化性物质(如硝酸)接触时则不好。A.A.Ei-Meligi研究也证明了这一点,研究中发现在含10%Al和5%Ni的铝青铜中,其表面氧化膜中存在NiO和Fe2O3,它们对铝青铜的保护作用是非常明显的。在抵抗海水方面,无论是热水或冷水,铝青铜均比较优越,因此早在第二次世界大战中,英国海军就将铝青铜作为螺旋桨材料。但是,铝青铜在海水中会发生脱铝现象,脱铝后留下多孔、疏松的铜层,使铝青铜的强度下降,究其原因可能主要是高铝含量的合金中存在网状的γ2相和K相优先被溶解,从而发生铝青铜的脱铝现象。为了抑制铝青铜的脱铝,可在合金中添加合金元素,如铁、镍、硼等。J.HUCINSKA还研究了铝青铜合金在气蚀条件下的腐蚀特性,表明合金的机械性能与抗气蚀性之间无直接关系,然而,通过层错能界定出抗气蚀性与加工硬化之间有一定联系,即好的抗气蚀性要求低的层错能和明显的加工硬化现象,并指出镍、铝、锌可提高抗气蚀性。6cu-al-ni系列在铜-铝合金系中,热弹性马氏体具有形状记忆效应。但在铝含量高的铜铝二元合金中,即使快速冷却也不能阻止γ2的析出,不出现热弹性马氏体相变,所以添加合金元素来抑制铜和铝的扩散,使β相稳定,以便通过淬火获得热弹性马氏体。如在合金中添加镍不仅可获得热弹性马氏体,而且也调整了马氏体的相变温度(如Ms点),由此发展起来了Cu-Al-Ni系形状记忆合金。Cu-Al-Ni合金具有价格低廉、制备和加工简单、稳定性较好的优点,但也存在塑性差、晶粒粗大的缺点,使该合金得不到广泛应用。在该合金