分析：不同合金元素对铝青铜组织和性能的影

gucongxuny

随着现代船舶的高速化、大型化、船舶单桨功率的增加水域污染益严重船轴不均匀流场加剧以及高载荷、强冲击、中温等的工作环境对铜合金螺旋桨材料的性能提出了更为苛刻的要求不仅要求材料具有高的强度、好的韧性更重要的是对材料的耐磨及耐蚀性也提出了更高的要求。因此研究和开发具有更佳综合性能的铜合金材料就显得至关重要。未来五年，我国[url=http:///www.heddacu.com]铍铜线[/url]生产能力还将快速增长，高技术含量品种将有明显增长，出口进一步扩大，有可能变为净出口国，铜材是用进口原料生产的，作为制造业大国，出口铜材是正常的，不必限制。 [align=center]

                               
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目广泛应用于航海领域和机械工程的耐磨耐蚀件主要由含镍的高锰铝青铜、锡青铜、铍青铜和白铜等铜合金材料制备而成但是铍青铜价格昂贵生产中放出B0有粉未造成严重的环境污染对人体有害且组织性能对热处理过于敏感而镍则是稀缺的战略物资价格昂贵。这些缺点严重制约着其作为耐磨耐蚀材料的应用。



铝青铜合金因其具有无害、价格低廉且强度、耐磨性和耐蚀性能较高的优点成为极具开发潜力和应用景的一种铜合金。但是目使用的铝青铜合金在特定工况条件下使用时其抗磨损、耐腐蚀能力较差使用寿命有限因此随着对铝青铜材料的需求不断增大以及国际铜价的不断升高迫切需要研发一种低成本且性能优良的铝青铜合金。由于铝、铁的价格远远低于铜因此增加合金中的A、F含量减少C含量是实现降低成本的有效途径。目通过提高铝青铜合金中铝、铁含量来制备性能优良的铝青铜材料已成为研发技术人员开发的目标之一。







铝青铜合金的组织



1、铝青铜的组织随着成分和所处温度区间的改变而发生变化。根据图1-1所示铜铝二合金相图可以看出不同成分的铝青铜合金的结晶过程和组织变化规律。其中铝含量小于74的所有铝青铜合金固态时均为单相固溶体塑性好加工成形性好。铝含量在74~94之间的铝青铜合金在1036~565℃℃温度范围内组织为+但由于实际生产过程中合金的冷却速度满足不了充分缓慢冷却的条件使→转变不彻底导致组织中残留一部分相随着温度继续降低残留相发生→+2共析转变。



2、铝含量在94~156之间的铝青铜合金从高温缓慢冷却到565℃时发生→+2共析转变组织呈现层片状。其中铝含量在94~118之间的亚共析铝青铜在快速冷却过程中相发生无扩散相变形成针状'相和马氏体组织；含铝量大于118的过共析铝青铜组织变化顺序为：由最初的固溶体转变为1有序固溶体然后随合金中铝含量的增加再转变成'马氏体、'+混合物或针状'马氏体。所以含铝量大于94的铝青铜合金淬火后组织主要为'马氏体



3、由于'相的硬度和强度均高于相在制作铝青铜耐磨材料时往往希望得到此组织。另外'是一种亚稳定组织不同温度回火时可以得到不同组织。根据相变规律可以得出铝含量大于118的过共析铝青铜是一种典型的固溶强化合金在实际生产中经常用热处理进行此合金的强化。



4、对于含有其它微量素的铝青铜合金组织中一般会存在相、'相、相和2相。其中相是以C为基的置换固溶体即富铜相属面心立方结构。'相是相的同素异构体相是以C3A为基的固溶体属体心立方结构；'相是在实际铸造条件下共析转变受阻而出现的过冷相在低于325℃时稳定2相是以电子化合物C9A4为基的固溶体具有体心立方晶格的硬脆相与碳钢珠光体中的渗碳体相似2相过多会使合金变脆。相主要是金属间化合物(AF3AF)属于体心立方结构。







不同合金素对铝青铜组织和性能的影响



材料的成分、组织决定材料的性能也是决定材料应用范围的关键因素。简单二铝青铜由于合金组织比较单一导致其性能不足使其应用范围受到限制。因此常采用多微合金化改变其内部组织结构改善铝青铜合金的某些性能从而扩大铝青铜的应用范围。



1、铝素的影响



铝是铝青铜合金的主要添加素在铜中的溶解度较大其含量对铝青铜合金的组织和性能有很大影响。王荣滨对铝含量不同的QA10-4-4和QA11-6-6两种铝青铜合金进行高温固溶热处理强化。在相同的热处理条件下随铝含量的增加相固溶体含量增加淬火后得到的针状马氏体'含量也增加。由于'相具有较高强度和硬度使合金的力学性能得到提高。铝含量增加还可细化晶粒提高强韧性和耐磨性。



在QA9-4、QA10-4-4和C14AX三种合金中随着铝含量的增加组织中相明显增多相逐渐减少初生相质点也增多这种初生相质点在合金中形成了大量形核质点显著细化了合金组织使合金基体强度得到提高(如表1-1所示)。与普通铝青铜相比合金的承载能力得到提高耐磨性得到改善。除此之外铝含量对高锰铝青铜硬度影响较显著。随着合金中铝含量的增加组织中金属间化合物增加相明显减少且变长并呈层片状分布硬度明显提高。继续增加A含量把铝青铜中A含量提到14~15并加入F、N、M、C以及稀土等素通过热处理可使合金获得优良的物理、化学、力学与摩擦磨损等性能



2、铁素的影响


铝青铜中F是主要微量添加素之一其含量对组织有明显影响。铁对铝青铜的主要作用是细化晶粒提高合金的力学性能和耐磨性能。铁在铜中的
溶解度较小约为05~10只有在高温下才有一定的溶解度并随着温度的下降而析出。铁在C-A合金相中的溶解度略大于其在C中溶解度约为2~3。当合金中F含量为2~4时铝青铜的组织得到显著改善晶粒细化耐磨性提高；当F含量过多会降低腐蚀电位从而影响腐蚀性能降低合金的性能。对F含量分别为323、326、329和390的ZQA9-4合金研究结果证实随着合金中F素的增加相得到细化合金的抗拉强度

显著增加延伸率基本不变。随着铁含量的继续增加当合金中F含量分别为4、6和8时超过F在铝青铜中溶解度F就会形成细小弥散分布在基体上的相金属间化合物



3、锰素的影响


锰在C-A合金固溶体中具有一定的固溶度当对含锰铝青铜合金进行固溶强化处理时可以提高合金的力学性能。锰对相具有稳定作用随着锰含量的增加相稳定性提高降低了相变开始温度延迟了共析转变从而避免或减少了2相的出现。当铝青铜中含锰量低于其最大溶解度(14)时随着锰含量的增加合金的耐蚀性得到提高。向含锰的铝青铜添加铁素由于F具有细化晶粒的作用使合金的性能得到改善但F会减弱锰对相的稳定作用

4、钛素的影响



T素化学性质活泼容易氧化且收缩率较大对铝青铜合金的性能有较大影响。适量的钛能够细化晶粒提高合金组织硬度。当T含量超过一定范围时随合金中T素含量的增加高锰铝青铜合金的基体组织硬度反而下降适宜的T含量是020~025。含钛量为03的QA10-4-4合金性能基本不变表现出明显的缓冷脆性。



5、锌、钴、锆等素的影响



研究了F、N、M等合金素对铝青铜合金显微组织和性能的影响但对C、Z等素的作用研究较少。ZQA19-4合金中随着Z素质量分数的增加相尺寸变得粗大分布不均匀合金的抗拉强度和延伸率都大大下降。C能改变合金的显微组织特别对相形貌影响较大。在高铝青铜C-14A-X合金中随着C素质量分数的提高类梅花形相增多显著细化了合金组织提高了合金的力学性能



6、稀土素的影响


稀土被称为材料中的“营养剂”合金中加入少量稀土就可起到明显的细化组织的作用。稀土素Y和L对高锰铝青铜组织和性能的影响发现适量的稀土可以降低铜合金熔体的表面张力满足非均质形核条件成为晶核从而细化组织改善梅花状相形貌。同时稀土的加入导致合金晶格畸变使合金耐磨性得到提高