几种艺术制像产品常用铜合金的性能分析

几种艺术制像产品常用铜合金的性能分析

需要良好的流动性和充分性、可焊接、研磨、表面处理等性能，以及对各种复杂环境的腐蚀和相当多的力学能力。对于手表来说，它们必须具有良好的耐荫性和相当的抗旱性。随着人们环保及对自身健康意识的加强,所用材料还必须满足对人体无害及对环境不造成污染。当前我公司制像类产品所用的材料大多数为C90300锡青铜合金,其他常用的材料还有黄铜、硅黄铜、硅青铜、白铜等。1锡青铜锡青铜在铸造中的应用已有几千年的历史,铸造艺术瑰宝大多是由锡青铜铸造而成,例如:商代的司母戊鼎,春秋战国时期的尊盘、编钟等。1.1凝固区间的因素锡青铜由于凝固区间较大,达146℃,充型能力较为一般,因此浇注时必须严格控制浇注温度,特别是在浇注大件时,需保持较高的浇注温度,且需合理地设置浇注系统才能满足铸件要求。否则极易造成浇不足、欠铸缺陷。但是因为锡青铜液态金属有吸气倾向,出炉温度不宜过高,以1300℃左右为宜,熔炼时间不宜过长。综合其凝固区间大的因素,大件浇注温度宜为1160~1200℃,中小件宜为1120~1150℃。锡青铜合金熔液氧化倾向很小,因此,铸造工艺简单,铸件内部不会产生氧化物夹杂;另外收缩率比较小,为1%左右,因而对于最后需要焊装工序的大型的铸造佛像而言,不会造成很大的收缩变形,保证了铸件表面的整体形象。锡青铜属于糊状凝固,不会造成缩孔缺陷,因此不需要设置冒口,但是会产生分散性缩松,越厚大的部位缩松倾向越严重,因此铸件壁厚不宜过厚(8~12mm适宜);此外,锡青铜合金还具有热裂倾向,需采取适当的预防措施(严格控制合金液中的P、S含量,提高砂型及型芯的退让性)[1~3]。1.2设置铜绿[cuoh2co3锡青铜具有非常好的抗大气腐蚀能力,长期暴露于大气中时,会在表面生成一层铜绿[Cu(OH)2CO3],阻止合金继续腐蚀;对于暴露于室外的大型艺术制品,由于昼夜温差及焊接应力会产生应力腐蚀继而易开裂,而锡青铜也具有良好的抗应力腐蚀的能力。1.3基频本身的影响锡青铜具有良好的音响效果。研究表明,Sn含量为20%~24%的锡青铜合金内耗小、余音时间长,但是这种材料基频高,传播距离短,而且Sn含量高,合金较脆,易产生裂纹,因此一般采用Sn含量较低的合金。Sn含量为13%的的锡青铜基频最低,传播距离远。我公司常用的锡青铜合金为C90300,Sn含量为7.5%~9%,具有较好的音响效果,生产出的铜钟音色浑厚、悦耳。1.4锡青铜tig锡青铜合金的焊接性能较为一般,明显不如铝青铜、硅青铜。实践表明,锡青铜合金通过氩弧焊能够实现焊接的目的。锡青铜合金制像产品一般采用钨极氩弧焊(TIG)进行焊接。锡青铜合金具有优良的加工性能,大型制像产品拼装时需进行局部矫正,采用的锡青铜C90300合金,抗拉强度为276MPa,屈服强度为124MPa,伸长率大于20%,能满足需要。此外,锡青铜还具有优良的可着色性,一般采用高温着色、化学着色及涂装着色可以实现黑色、暗红色、蓝绿色、古旧色、古铜色等多种颜色需要。2白铜的应用白铜由于外表呈现出美丽的银白色,且耐腐蚀、耐磨损、易于焊接且具有优良的抗变色性能,常应用于艺术品,现白铜主要应用于拉链、眼镜框架、衣物饰品、精密电阻及热电偶等。白铜的凝固温度区间远不如锡青铜的大,流动性较锡青铜相比大大提高,因此充型能力相对于锡青铜而言有较大幅度的改善。2.1面生产nm级的致密表面膜白铜在大气中的耐蚀性能非常优异,因为白铜中含有Ni,在潮湿的空气中会在表面生产nm级的致密且自修复性很强的表面膜。还有白铜中含有的Fe及Mn可以显著提高耐冲刷腐蚀性能;白铜易于焊接,力学性能优良,且白铜表面经打磨后呈现出银白色,无需再次着色,从而减少了生产工序,提高了生产效率,降低了生产成本。2.2铸造特点要求近年来研究发现,Ni对人体有致敏及致癌的危害,因此开发研制出新一代的低Ni及无Ni白铜十分重要。无Ni白铜必须具备以下条件:(1)合金表面具有银白色,在生产、存储、使用过程中保持色泽稳定并具有优良的抗色性能;(2)工艺性能优良,具有良好的铸造性能,易于冷热加工、易焊接;(3)经济适用,不含贵重的金属元素,原材料价格适中,生产工艺简单;(4)不含对人体有害的元素,不会引起环境污染或少污染。其中颜色指标是研制无Ni白铜的最重要指标,必须要保证研制出的无Ni白铜和普通的含Ni白铜一样具有银白色的光泽。目前开发的无Ni白铜主要为Cu-Zn-Ti-X、Cu-ZnMn-X(X为Al、Sn、Ag中的一种或几种)、Cu-Mn-Zn系合金等,主要是通过正交试验发现Mn、Zn、Al、Ti及RE等合金元素对合金颜色的影响,制定出与Ni铜颜色最相近的合金成分及保证合金力学性能、加工性能优异(主要保证合金的组织为单相α相),其次是在满足银白色颜色的要求下,探索一种加工性能、焊接性能、耐蚀性能更好的合金,以满足艺术制像产品的需求。3黄铜和硅铜3.1铸造黄油中的气孔当前所用的黄铜一般为H62、H68铸造黄铜,此类黄铜的凝固区间很小,因此液态金属的流动性好,充型能力好且缩松倾向小,但其缩孔倾向较大。此外熔炼时锌会产生很大的蒸气压,能够去除铜液中的气体,所以黄铜中不易产生气孔;熔炼温度较锡青铜而言要低,节约了能源。但在生产实践中,常常会发现,黄铜铸件表面会有密集的皮下气孔,这是由于铸造黄铜中含有与氧亲合力很强的元素Zn,如果铸型在浇注前不彻底烘干,导致含有水分,会发生Zn+H2O=ZnO+H2↑反应,生成的氢气在合金凝固时来不及析出,造成铸件的气孔缺陷。此外,其他企业常用Cu含量为80%、Zn为17%、Si为3%的硅黄铜来生产艺术铸造产品,硅黄铜相对于黄铜而言,Si的加入可以提高Zn当量,降低了液相线,进一步提高了其充型能力。3.2青铜及现实产品的制备黄铜及硅黄铜的焊接性能很好,可采用气焊及非熔化极气体保护焊进行焊接,而且相比锡青铜而言,其加工性能也比较好,切削、校正、打磨、修饰等都比较容易操作;此外,黄铜及硅黄铜的化学着色性能比锡青铜要好,能在各种色液中着色成棕红色、红色、绿色、黑色等古色古香的颜色。但是黄铜的音响效果极差,不适用与制造有音响效果的艺术制品,如梵钟、编钟等。3.3黄土合成体系的建立普通高锌黄铜其铸态下的组织为β+γ相(其中β相为CuZn、γ相为Cu5Zn8),在高湿度、高温度和中性盐雾的环境下,其耐蚀性能很差,脱Zn腐蚀严重。其脱Zn过程为:β及γ相存在着腐蚀电位差,容易形成腐蚀电偶,腐蚀优先在相界产生,脱Zn的黄铜腐蚀电位正移,β相转而作为阳极开始脱锌。其中β相是以电子化合物CuZn为基的固溶体,当一个β相完全脱Zn后,将通过相界扩展到另一个β相,当γ相周围的β相及相界完全脱Zn后,γ相将成为“孤岛”开始脱Zn。最终使得产品表面呈现出多孔的海绵形状,严重影响产品的美观。这大大地限制了黄铜在艺术铸造产品内的应用,所以通常情况下黄铜质的艺术制像产品不适宜放置于室外。抑制黄铜脱Zn腐蚀可以从冶金和改善环境方面入手。由于大型塑像多放置于景区等露天环境中,所以环境改善比较困难,只有通过改进冶炼条件,避免黄铜Zn腐蚀的发生。研究表明,采用Zn含量较低的红黄铜(Zn的质量分数为15%左右),其金相组织为α+β,这类合金几乎不产生脱Zn,但是加入的Cu含量较高,生产成本难以控制;其二是在黄铜中加入As、B、Sb、P、Sn、Al、RE等合金元素(其中,RE具有除气净化的作用,能与P、Cl生成RE3P4、RECl3等高熔点、低密度稀土化合物,容易上浮到渣中,从而净化基体,降低基体的原电池腐蚀效应。此外,RE在黄铜表面还会形成一层薄密的稀土氧化物,降低Zn、Cu的溶解速度,从而提高黄铜合金的脱锌腐蚀性能;B的加入能充填到合金组织中晶界及双空位处,增加该处的键合力,阻塞晶界和双空位的迁移通道,有效降低锌的迁移速度),都可以不同程度的减缓黄铜脱Zn腐蚀的速率。而硅黄铜相较于普通黄铜而言,由于Si元素的加入且Si的Zn当量系数比较高(根据虚拟Zn含量公式,以Si的加入量3%计算,Zn含量为50%左右),根据Cu-Zn二元相图,铸态下硅黄铜的组织为β+γ相,其组织组成与高锌黄铜基本相同。Si元素的加入,容易在硅黄铜表面形成一层致密的SiO2保护膜,可以有效地阻止脱Zn层的扩展,降低腐蚀速率,因而硅黄铜在大气和海水中均具有较高的耐蚀性,抗应力腐蚀的能力也高于一般黄铜。4澳门铜狮的产品硅青铜常应用于机械零件中作为弹性元件及耐磨元件,很少应用于艺术制像产品中,在澳门MGM10m铜狮制作中首次采用硅青铜作为原材料,其壁厚为6mm,重约17t,合金牌号为ZCuSi3Mn1。4.1缩率大,变形ZCuSi3Mn1合金的凝固范围为55℃,其流动性好于锡青铜,硅青铜的线收缩率与锡青铜相当,为1%~1.5%,变形量不大,有利于铸板拼装;硅青铜虽然凝固温度范围比较窄,但依然有热裂倾向,即使采用退让性较好的树脂砂,在铸件的拐角处,截面有改变处或局部冷却缓慢容易产生应力集中的地方,往往易产生热裂。4.2澳门铜狮的材料与方法大型铸造艺术品,由于薄壁板拼装而成,需承受巨大的风载,尤其在风力较强的地区,更应考虑此问题,因此铸板应有足够高的力学性能。经试验表明,硅青铜的力学性能要优于C90300锡青铜。澳门的MGM10m铜狮所用的材料为ZCuSi3Mn1合金,其铸板的抗拉强度达到290MPa,伸长率平均达到26%,高于C90300锡青铜;硅青铜的可焊性显著地优于锡青铜,焊接方法可采用气焊、电弧焊、手工TIG焊和MIG焊,且硅青铜比其他铜合金导热性低,焊前不需预热,其加工性能也比较好,切削、校正、打磨、修饰等都比较容易操作;硅青铜具有良好的表面修饰性能,MGM10m铜狮经拼装后,用20、40、80、160、320目砂盘进行5次抛光,逐步消除粗糙痕迹,最后用毛毡加绿油研磨膏整体抛光达到镜面状,呈近似绚丽的黄金色泽,无需附加着色。5耐氧化性和可加工性金具有绚丽的金黄光泽,化学稳定性好,具有优异的抗变色性能及抗氧化性,是制作艺术品如奖牌、奖杯、铸造艺术品的绝佳材料。但是由于其价格昂贵,不适合用于大型艺术品。近年来,国内外学者研究出铜基仿金系列合金来代替纯金制作艺术修饰品。该系列合金的金色度与16~22K的纯金相当,而且具有良好的抗变色性、抗氧化性且具有良好的耐腐蚀性及可加工性。铜基仿金合金除了Cu元素外,还含有Zn、Al、Si及RE。研究表明,其中Zn、Al是合金显现出金黄色泽的主要元素,Al、Si的主要作用是提高该系列合金的抗变色性能,RE的主要作用是提高该系列合金的光亮度。通过汗水浸泡及加温抗变色性试验,当Al含量低于3%时,随着Al含量的增加,铜基仿金合金的抗变色性能增加,当Al含量高于3%时,随着Al含量的增加,合金的抗变色性能反而降低,因此铜基仿金合金的Al含量应该控制在3%左右为宜;Zn能提高铜基仿金合金的抗变色性能,随着Zn含量的增加,合金的抗变色性能提高,通常铜基仿金合金的Zn含量应该控制在20%~30%为宜。Si有显著提高合金金色度的能力,且能提高合金的抗变色能力,当在仿金合金中加入0.05%~2.5%的Si时,对比不加Si的同样合金,在人工汗水中抗变色时间提高50%~100%。通过加温试验,在同一温度下抗变色时间增加50%以上。此外,Si的加入还能改善合金的流动性及耐磨性。5.1覆盖剂和底注式铜基仿金合金的熔点为886~906℃,具有良好的流动性,所以充型能力好,但是由于含有Al元素,合金氧化倾向大,所以合金熔炼时需要加覆盖剂。此外,该系列合金的收缩率比较大,容易产生缩孔缺陷,所以浇注时宜采用底注式,必要时还需设置冒口。生产大型制像产品时,后期的拼装比较麻烦,需要预先考虑到收缩率的影响。5.2铜基仿金合金的表面处理铜基仿金合金可以焊接,一般采用硬钎焊进行焊接,加工性能优良,打磨、修饰等都比较容易操作,因为该系列合金本身表面就具有金黄色泽,所以经修饰、打磨以后,无需附加着色。铜基仿金合金由于含有一系列的合金元素,其化学稳定性及抗氧化性不如纯金优异,因此,产品后续必须进行表面处理,可以在表面喷涂一层缓蚀剂(浓度为1%的苯丙三氮唑乙醇溶液),增加表面的抗氧化性能;最后喷一层7385聚氨酯清漆,以增加光亮度。6锡青铜的应用(1)C90300锡青铜合金由于具有良好的耐蚀性能、充型能力、焊接性能、表面着色性及加工性