东莞市赫达金属材料有限公司

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不同合金元素对铝青铜组织和性能的影响

来源:   发布时间:2020-09-21   点击量:62

      随着现代船舶的高速化、大型化、船舶单桨功率的增加,水域污染日益严重,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。

     目前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Be0有毒粉未,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前景的一种铜合金。但是,目前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Al、Fe含量,减少Cu含量是实现降低成本的有效途径。目前,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所示铜铝二元合金相图,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7.4%wt的所有铝青铜合金固态时,均为单相a固溶体,塑性好,加工成形性好。铝含量在7.4%~9.4%之间的铝青铜合金在1036~565℃℃温度范围内组织为a+b,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b→a转变不彻底,导致组织中残留一部分b相,随着温度继续降低,残留b相发生b→a+2g共析转变。

       2、铝含量在9.4%~15.6%之间的铝青铜合金从高温缓慢冷却到565℃时发生b→a+2g共析转变,组织呈现层片状。其中,铝含量在9.4%~11.8%之间的亚共析铝青铜在快速冷却过程中,b相发生无扩散相变,形成针状'b相和马氏体组织;含铝量大于11.8%的过共析铝青铜组织变化顺序为:由最初的b固溶体转变为b1有序固溶体,然后随合金中铝含量的增加再转变成'b马氏体、'b+,g混合物或针状'b马氏体。所以,含铝量大于9.4%的铝青铜合金淬火后组织主要为'b马氏体

      3、由于b'相的硬度和强度均高于a相,在制作铝青铜耐磨材料时往往希望得到此组织。另外,b'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11.8%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、对于含有其它微量元素的铝青铜合金,组织中一般会存在a相、b'相、k相和g2相。其中,a相是以Cu为基的置换固溶体,即富铜相,属面心立方结构。b'相是b相的同素异构体,b相是以Cu3Al为基的固溶体,属体心立方结构;b'相是在实际铸造条件下共析转变受阻而出现的过冷b相,在低于325℃时稳定,g2相是以电子化合物Cu9Al4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,g2相过多会使合金变脆。k相主要是金属间化合物(AlFe3,AlFe),属于体心立方结构。

      

不同合金元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。简单二元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,常采用多元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、铝元素的影响

        铝是铝青铜合金的主要添加元素,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QAl10-4-4和QAl11-6-6两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,b相固溶体含量增加,淬火后得到的针状马氏体'b含量也增加。由于'b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QAl9-4、QAl10-4-4和Cu14AlX三种合金中,随着铝含量的增加,组织中b相明显增多,a相逐渐减少,初生k相质点也增多,这种初生k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,a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Al含量,把铝青铜中Al含量提到14%~15%,并加入Fe、Ni、Mn、Co以及稀土等元素,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、铁元素的影响

      铝青铜中,Fe是主要微量添加元素之一,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0.5%~1.0%,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Cu-Al合金a相中的溶解度略大于其在Cu中溶解度,约为2%~3%。当合金中Fe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Fe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Fe含量分别为3.23%、3.26%、3.29%和3.90%的ZQAl9-4合金研究结果证实,随着合金中Fe元素的增加,k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Fe含量分别为4%、6%和8%时,超过Fe在铝青铜中溶解度,Fe就会形成细小弥散分布在基体上的k相金属间化合物

3、锰元素的影响

      锰在Cu-Al合金a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b相具有稳定作用,随着锰含量的增加,b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2g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元素,由于Fe具有细化晶粒的作用,使合金的性能得到改善,但Fe会减弱锰对b相的稳定作用

4、钛元素的影响

     Ti元素化学性质活泼,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Ti含量超过一定范围时,随合金中Ti元素含量的增加,高锰铝青铜合金的基体组织硬度反而下降,适宜的Ti含量是0.20%~0.25%。含钛量为0.3%的QAl10-4-4合金,性能基本不变,表现出明显的缓冷脆性。

5、锌、钴、锆等元素的影响

      研究了Fe、Ni、Mn等合金元素对铝青铜合金显微组织和性能的影响,但对Co、Zn等元素的作用研究较少。ZQA19-4合金中随着Zn元素质量分数的增加,k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。Co能改变合金的显微组织,特别对k相形貌影响较大。在高铝青铜Cu-14Al-X合金中,随着Co元素质量分数的提高,类梅花形k相增多,显著细化了合金组织,提高了合金的力学性能

6、稀土元素的影响

      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。稀土元素Y和La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k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

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