（机械制造及其自动化专业论文）熔炼工艺对铸造铝青铜合金的微观组织与硬度的影响.pdf

长春理工大学硕士学位论文原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文熔炼工艺对铸造铝青铜台金的微观 组织与硬度的影响是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的冉容外，率论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到奉声明的往律结果由本人承插。 作者签名：蠢趱龌) 。旦年土月立日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士，博士学位论文版权 使用规定”同意长春理工大学保留井向中国科学信息研究所和中国学位论文全文 数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电予版，允许论文被查 阅和借闭e 本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编八有关数 据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：查蝗矍) 堕年a 月立日 指导导师签名：赶翌部堡年三月旦日 摘要 铝青铜合金是2 0 世纪初才开始研宄的一种新型铜台金。该台金铸件组织致密，机 械性能明显优于黄铜和锡青铜，而且在空气、海水、氯化物及酸溶液中有着良好的耐 蚀性能，所以已被广泛应用于机械、冶金、制造加工、航空航天以及建筑等领域。 本文分别采用两种不同的加科顺序即“先铝后铜”和“先铜后铝”制备了】0 3 - 2 铸造铝青铜台金，分别命名为试样a 、试样b 并且利用光学显微镜、扫描电子显微 镜( s e m ) 、能谱仪( e d s ) 和x - 射线衍射仪( x r d ) 对两种台金的铸态组织结构、 物相组成进行了对比研宄，最后利用显微硬度计测量了两试样的显微硬度值。 结果表明两试样的化学成分和物相组成都一样但微观组织结构却有明显的差 异。也就是说加料顺序的不同影响的不是台金中元素的含量和微观组织中物相的种 类而是组织中物相的形态和分布。两试样的组织相均为n 相为基的组织中弥散分布若 类马氏体相b 相、托相和颗粒点状芹相但试样b 中的类马氏体相1 3 相晶粒相大造 成了台金中析出的强化相集中分布。研究结果还表明“先铝后铜”顺序下获得的铸件 组织更细密强化效果较好并且有着较好的生产工艺效果。 关键词：铝青铜加料顺序微观组织力学性能 a b s t r a c t t h ea l u m i n u mb r o n z ei san e , wt y p eo fc o p p e ra l l o y w h i c hb e g a nt os t u d yi nt h e b e g i n n i n go ft h et w e n t i e t hc e n t u r y n l ec a s t i n go ft h i sa l l o yh a sc o m p a c ts t r u c t u r e a n d s u p e r i o rm e c h a n i c a lp r o p e n i e st h a nt h o s eo fb r a s sa n dt i nb r o n z ei na d d i t i o n 1 th a sg o o d c o i t o s i n nr e s i s t a n c ei nt h ea i r s e aw a t e r , c h l o r i d ea n da c i ds o l u t i o nc o n s e q u e n t l y i th a s b e e nw i d e l yb s e di nm a c h i n e r y m e t a l l u r g y m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa e r o s p a c ea n db u i l d i n g s e t c b yu s i n gt w ok i n d so fd i f f e r e n tc h a r g i n gs e q u e n e e w ep r e p a r e d 1 0 - 3 2a l u m i n u m b r o n z ec a s t i n ga l l o y sa n dn a m e dt h e ms a m p l eaa n ds a m p l ebr e s p e c t i v e l y i na d d i t i o n t h e o p t i c a lm i c r o s c o p e s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m 】e n e r g ) d i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r f e d s ia n dt h ex r a vd i f f r a c t o m e t e r ( x r d ) w e r ea p p l i e dt or e v e a lt h e i rm i c r o s t r u c t u r a l d e t a i l sp h a s ec o m p o s i t i o ni 1 1a s - c a s la n dm e a s u r e dt h em i e r o h a r d n e s so ft h eo ft h et w o s a m p l e sb yt h em i c r o h a r d n e s sm e t e r t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ec h e m i c a lc o n s t i t u t i o na n dp h a s ec o m p o s i t i o no ft h et w o s a m p l e sf l f f ea l m o s tt h es a m e t h o u g ht h e r ea r eo b v i o u sd i f i e r e n c e si nt h em i c r o s t r u c t u r e d e “i si no t h e rw o r d st h ed i t i e r e n tc h a r g i n gs e q u e n c ec a bsg nf i e a n t l yi n f l u e n c et h ef o r r n a n dd i s t r i b u t i o no ft h ea l l o yo r g a n i z a t i o n r a t h e rt h a nt h ec o n t e n “o ft h ee l e m e n t sa n dt h e t y p eo f p h a s e 丁h eo r g a n i z a t i o n so f t w os a m p l e sa r ea l lt h es a m e t h a t st os a y m a i np h a s ei s p h a s eqi nt h em a t r i x w h e r ed i s p e r s i v ed i s t r i b u t em a r t e n s i t i cp h a s eb ，p h a s ey _ - a n d p a r t i c l ep o i n t l i k ep h a s ekt h o u g ht h em a r l e n s i f i cp h a s eba r er e m a r k a b l ec o a r s eg r a i n si n t h es a m p l eb ，w h i c hc a u s e st h es t r e n g t h e n i n gp h a s eo ft h ea l l o 、c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n t h er e s u l ta l s os h o w st h a tt h em i c r o s t r u c t u r eo f “f i r s ta l u m i n u mt h e nc o p p e r i sf i n e rt h 如 t h a to f “f i r s tc o p p e rt h e n 缸u m i n u m ”s e q u e n c ew h i c hh a sk t t e rs t r e n g t h e ne r i e c t 1 n a d d i t i o n t h es e q u e n c eo f f i r s ta l u m i n u mt h e nc o p p e r p l a y sa ne f f e c t i v er o l ei nt h ea c t u a l p r o d u c t i o np r o c e s s k ow o r d s ：a l u m i n u mb r o n t e ；e l m , s i n g s e q u e n c e ；m i c r o s t r u e l u t e ；m e c h a n i c a l p m p e r l i e s l j 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 目录 概述 2 铜及铜合金一 2 3 铝青铜 4 4 课题研究的主要内容及意义1 0 第二章铝青铜熔炼工艺1 l 21 铝青铜熔炼的一般原则 2 2 铜台金熔炼常用设备 2 3 铝青铜熔炼工艺 2 4 本章小结 第三章试验材料及试验方法 3 l 试验材料 3 2 试验仪器 3 3 试验方法 3 4 本章小结。 第四章铸造铝青铜合金的组织结构及物相分析 1 2 i5 1 9 2 0 4 1 试样a 组织结构与物相组成3 0 4 2 试样b 组织结构与物相组成 ，3 3 43 奉章小结3 8 第五章铸造铝青铜合金的硬度及力学性能分析3 9 5 1 硬度分析 3 9 52 其他力学性能分析 4 0 5 3 本章小结 第六章结论与展望 6 】结论 6 2 展望 致谢 参考文献 。4 2 4 2 4 3 4 4 4 7 4 8 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文 附录b 铝青铜台金相关国家标准 第一章绪论 1 1 概述 谈及铜大家都不会陌生。在人类文明史初期，“青铜时代“占有着辉煌的一页 这也使我国成为世界上最早进入这一时代的文明古国之一。约在公元前2 0 0 0 年。中国 进入了青铜器时代，始于夏、成于商、繁于西周、春秋及战国初期。现存的司母戊大 方鼎( 如图11 所示) 是世界上最大的青铜铸件它见证了时代的辉煌1 f 。 图1 1 司母戊鼎 随着社会的进步和生产技术的发展，人们对铜的应用研究领域逐渐由原来的祭祀 和器具深入到了生活、纺织和冶金等大夫推动了铜合金的发展。明宋应星天工 开物铜：凡铜供世用，出山与出妒止有赤铜。以炉甘石或倭铅参和转色为黄铜： 以砒霜等药制炼为自铜；矾、硝等药物制炼为青铜：广锡参和为喻铜：倭销和写( 泻) 为铸铜。初质则一味红铜而已口i 。历经上千年的发展，青铜台金的种类也由起初的单一 锡青铜，发展为如今除了黄铜和白铜以外的所有铜合金的总称主要包括锡青铜、铝 青铜、镀青铜、钛青铜和硅青铜等。 自2 0 世纪5 0 年代开始研宄的铝青铜台金，在生产技术革新的推动下台金的研 究和应用领域不断深入现已成为机械工业中应用非常广泛的有色金属合金之一。作 为一种新型铜合金铝青铜台金具有很高的强度、硬度、耐蚀性和耐磨性己广泛应 用于飞机起落架的衬套、舰船的螺旋桨以及齿轮坯料、涡轮、螺纹等高应力下工作的 耐磨零件i i ；具有良好的导热性能和稳定的刚度已在高速列车上用作异步电动机的护 环材料代替传统的镭镍铬系钢1 4 】；具有良好的形状记忆效应，己在机械中用作驱动汽 缸材科代替传统的手动或液压夹具p j ；台金的综合性能优异、价格相对便宜，已作为 昂贵材料或有毒材料的郎分替代品而广泛使用。 1 2 铜及铜合金 l2 1 分类 沿袭传统习惯常将铜及铜台金按色泽进行分类一般分为紫铜、黄铜、青铜和 白铜四大类1 6 1 。吼 ( 1 j 紫铜 又称纯铜。因不同纯度和含某种微量元素的工业纯铜表面常带有玫瑰紫色的氧化 膜，故称“紫铜”。紫铜具有良好的导电性、导热性以及高的塑性，常用作导电结构件、 电工金属材料等行业；还具有良好的抗磁性广泛应用于在抗外磁场环境下工作的各 种仪器和机件。 ( 2 ) 黄铜 即铜锌台金“黄铜”一词最早记载于西汉东方朔所撰的申异经中荒经：“西 北有宫，黄铜为墙，题l ：l 地皇之宫。”黄铜根据添加台金元素种类可分为简单黄铜和复 杂黄铜，根据生产方式的不同，叉可分为加工黄铜和铸造黄铜。黄铜耐蚀性能良好， 与紫铜相近：又由于黄铜的结晶温度间隔很小，合金液流动性较好因此具有较好的 铸造性能。 ( 3 ) 青铜 原指铜锡合金，早在公元前3 0 0 0 年，荷马的伊利亚特史诗中最早提及：后指 豫了黄铜、白铜以外的所有铜合金通常以铜以外的第一主元素名称命名，如锡青铜、 铝青铜、镀青铜等。具有比黄铜高的力学性能良好的耐蚀性，耐磨性、耐热性，且 加工成型性能好，铸件体积收缩率小，主要用于高应力下工作的耐蚀、耐磨零件和弹 性元件等。 ( 4 ) 白铜 是以镍为主要添加元素的铜合金，当n i 的含量达到2 0 时合金会变成白色故称 “白铜”。白铜在腐蚀性介质中有着极高的化学稳定性，并具有良好的耐热性、加工成 型性等综合力学性能常用于高温瞒蚀介质中工作的的零件和电工仪器零件。 国外常将高铜合金单列为一类，或井入紫铜系列这类合金含铜量通常在9 5 以 上，我国则归为某台金元素的青铜台金，加上最近研究和应用较为突出的锌白铜因 此国外常将铜及铜合金分为六大类：紫铜、高铜台金、黄铜、青铜、白铜和锌白铜。 1 2 2 特点及应用 铜及铜合金是最古老的金属也是导电、导热性能优越的金属材料同时由于其 良好的抗腐蚀性、加工成型性从而成为了仅次干钢铁和铝合金的第三大金属材料。 铜及铜台盒i q 不仅在我们的日常生活中处处可见在雷防高新技术领域也起着十分重要 的作用 ( 1 ) 电气和电子工业 铜及其合金具有优良的导电和导热性能。在电力输送、电机制造、通讯电缆、住 宅电气线路中，大量使用了高导高强度的铜台金并且在电真空器件、印刷电路、集 成电路、引线框架等新* 产业中也有着广泛的应用。 ( 2 ) 国防工业 铜及其合金具有良好的抗磁性可抗外碰场环境干扰，同时由于铜的电极电位很 高，耐腐蚀性能良好因此在能源、海洋、航空、航天咀及汽车、轮船制造业中都 离不开铜的身影。 ( 3 ) 机械和冶金工业 铜具有面心立方晶格，无同素异构转变因而具有根高的塑性，同时它可以和多 种元素形成固溶体，大大拓宽了铜及其台金的应用领域。众所周知几乎所有的机器 中部可以找到铜制品部件，大到电机、电路、控制系统，小到螺钉、螺母、传动机构 都能用到大量的铜台金制品。并且，铜还是钢铁和铝等台金中的重要添加元素。 ( 4 ) 轻工业 合金化之后的铜具有良好的装饰作用，所以在我们的日常生活中也处处可寻。大 到家用的空调机小到我们手腕上的钟表；广到我们生活中的造纸、酿酒以及医疗器 械细到此时我们眼前的眼镜架可谓是品种繁多、五花八门。 123 研究现状与发展方向 随着铜台盒应用领域的不断延伸对台金的性能的耍求也越来越高。近年来国 内外专家研宄的热点主要集中在高强高导电性铜台金、高强耐热耐蚀铜台金、弥散强 化铜舍金和新型材料铜台金等领域。 ( 1 ) 高强高导电性铜台金 铜合金中高强度和高导电性是相互矛盾的，目前通过台金化注和复合材料法可以 获得具有优良的综合物理性能和力学性能的高强高导电性铜合金。高强高导电性铜合 金州】主要有以下几个热点研宄问题：快速冷凝法制各高强高导电性铜台金、铜基原 位复台材料的制备，铜台金引线框材料的开发和稀土在高强高导电性铜合金中的应用 等。 ( 2 ) 高强耐热耐蚀铜合金 铜的标准电极电位约为士03 4 v 耐腐蚀性能照好，在多种介质中都能保持稳定， 并且由于铜良好的导热性使得其在耐热场所应用也较广。在耐蚀高强铜台金研宄【】2 】 中国外单列的锌白铜研究目前取得突破性进展，可用来制造船用螺旋桨和各种管类 等高强度耐蚀构件：在耐热高强铜合金研究i ”1 中一种新的强化方法即机械合金化 方法( m a ，m e c h a n i c a la l l o y i n g ) ，该技术正逐步走向成熟，至今己用此法成功合成了 许多新型材料涉及非晶态台金、准晶，纳米晶、金属间化合物以及过饱和固溶体等。 ( 3 ) 弥散强化铜台金 高强度锅台金强常可以通过沉淀强化和弥散强化的手段获得。铜台金弥散强化的 机理是通过使金属基体中引入高度分散的第二相质点来阻碍位错的相对运动以提高 台金的强度。目前国内外在弥散强化铜台金方面都取得了可喜的进展i t 3 h “l 。如氧化物 3 弥散氧化铜该方法制备的铜合金可获得与纯铜相媲美的良好的导电、导热性而且 还具有良好的高温力学性能和加工性能己在机械、冶金等组多领域得到广泛应用。 ( 4 ) 新型村料铜台金 在材料多元化的今天随着新技术、新工艺的应 j ，一些新型材料的铜台金不断 得到制备和研究。张日林发明了一种陶瓷增强铜台金该钒合金主要是以硼化物陶 瓷作为增强相的铜基材料，可以用于一些要求高导电性、高强度、高软化温度的应用 领域。杉本保彦等”“研究了一种不含镍的白色铜合金材料该台金用一层不含镍的白 色合金材料覆盖在铜基上其具有可与镍银台金相媲美的强度及硬度还具有良好的 可加工性和抗腐蚀性。此外传统铜基粉末材料的研究也取得了可喜的进展。 1 3 铝青铜 l3 i 概述 铝青铜是以铝为主添加元素的铜合金，根据添加元素的种类可分为简单铝青铜和 复杂铝青铜后者除添加铝以外，还添加了铁、锰、镍等台金元素。根据台金的应用 领域不同还可分为加工铝青铜和铸造铝青铜，国内外常见铝青铜牌号及性能7 1 见附表 b 小附表b 2 、附表b 3 和附表b 4 。铝青铜具有较高的强度、耐磨性，以及很好的 抗水压性常用来代替锡青铜用于重载、高温和高速下工作的耐磨零件，如螺母、蜗 轮、套倚等；在空气、海水、氯化物及酸溶液中还具有良好的耐蚀性能常用来制造 船用推进器和高压下工作的阀类零件。 但铝青铜也有着不足l ”之处。其干摩擦系数较大，导热性较差不耐高温燕汽腐 蚀，因此不能全面代替锡青铜：同时合金的收缩性大容易氧化使得铸造工艺较 为复杂。 132 台金的相图与组织 铝青铜合金二元相圈1 9 j 的近铜侧部分如图12 所示，其中q 相是铝在铜中的圃 溶体面心立方晶格有着雇好的塑性：d 相是以金属化合物a i c u 3 为基的固溶体体 心立方晶格，属高温相，强度和塑性都较高；靶相是a 1 4 c u - 为基的固溶体，复杂立方 晶格是台金中的硬脆相。 当铝青铜台金的铝含量低于74 时，组织全为c t 相固溶体有良好的塑性可进 行冷热加工：当锚含量介于7 4 * o - - 9 4 之间时由c u - a i 平衡相图可知在高温下为 叶d 组织，降到5 6 5 c 咀下为a 单相固溶体而在实际的凝固过程中d a 的转变往往不 能完全实现余留的少量d 相会分解为( a + ) 共析体，台金的强度增高，但塑性有所 降低：当铝含量高于9 4 时，台金的相变过程变得非常复杂若台金液缓慢冷却，台 金在5 6 5 会发生b a + 托共析转变，生成的共析体呈明显的层状组织与退火锕中的 珠光体相似。若冷却非常缓慢，则会析出粗大的相台金变脆这称为“缓冷脆性”； 若冷却速度较快d 一+ 托的共析转变受到抑制p 相会发生晶格转变而生成一种亚稳 定组织b 相即类马氏体相其硬度为2 9 0 - - 4 0 7 i - i v 比a 相( 2 0 0 - - 2 7 0 h v ) 硬度高 4 与细密的( c t w 2 ) 菸析组织( 2 7 2 3 0 5 h v ) 差不多但比v 2 相( 5 2 0 h v ) 低。经回火处 理后，由b 相中可析出大量a 相t 硬度和强度均会降低：也可析出致密的( a + 恤) 共析 体，强度和硬度叉会相应提高因此铝青铜台金可以通过淬火和改变回火处理的温 度得到不同的组织与性能。 图i2c u o a i 二元平衡相图图13 铝青铜机械性能与古铝量的关系 铝青铜具有较高的机械性能并且随着台铝量的变化而变化。由图1 3 可以看出 当铝青铜台金的铝含量低于7 5 * * - - 8 0 时为d 单相区随着铝含量的增加强度和塑性 都有所增加塑性甚至可达8 0 ：当铝含量进一步增加时，随着组织中硬脆他相的析 出台金的塑性急剧下降，但强度仍继续增高；当铝含量高于l l 时，强度也开始出 现下降因此。铝青铜合金的含铝量一般为9 o - - 1 1 。生产实际中为了保证能有良好 的塑性还要进一步提高强度通常采用添加台盒元素的方法实现。 铝青铜的硬度、强度以及塑性均远超过锡青铜和黄铜，且有优照的耐磨性，耐蚀 性和低温性能。同时，铝青铜单相台金的偏析小，流动性大、体积收缩率高能承受 压力加工；多栩台金因塑性较低故只适用于铸造材料用。 l3 3 台金元素对铝青铜性能的影响 由附表b - i 、附表b - 2 和附表b - 3 可知，国内外铝青铜牌号己达八十余种这也使 得铝青铜的台金化研究分析一直是台金的热点方向之一。如牡磊等口。瞻用吲归分析的 方法探讨了铸造铝青铜合金中铝、铁、锰、镍四种元素埘台金力学性能的影响并 获得了蹑优元素含量范围；徐春园等1 2 t 1 分析了铝青铜常见添加元素对合金性能的影响 提出采用多元素微台金化来改变台金的内部结掏是提高材料强韧性的有效途径。从另 一个意义上讲，也正是由于台金化学成丹的不断优化和创新才使得铝青铜的种类层 出不穷，应用领域不断拓宽。 ( 1 ) 铝的影响 5 铝的作用主要是提高合金的强度、硬度、耐群性、耐蚀性l l 厦台金流动性并且 能提高合金的高温塑性。铝能溶于铜形成固溶体铜中铝的溶解度最高可选94 w t 。 q 柏固溶体的塑性较好可进行冷热加工，但随着b 相的出现和增多强度和硬度逐渐 增加但塑性和耐蚀性下降，机械加工性能也随之降低。同时，铝有很好的脱氧作用， 是铝青铜熔炼时天然的脱氧剂在台金表面形成的a 1 2 仉氧化物悬浮在台金液表面 能较好的阻止含金液的进一步氧化。 从红梅等m 悃过对不同铝含量的试样金相组织和硬度测试的对比分析，得出铝元 素含量对高锰铝青铜组织和硬度有着显著的影响实际生产中铝元素的最佳含量为 75 一8 2 。 ( 2 ) 铁的影响 合金中加入适量的铁，不仅能细化晶粒还能提高合金的机械性能和耐磨性能。 铁在铝青铜中的溶解度很小约为o 5 1 0 。在c u a l 合金中铁的含量一般控制在 2 0 4 ，剩余的铁会形成相( f e 3 a t 、f e a i 等金属阃化台物，又称富铁相) k 相具 有很高的丑微硬度( 大于7 0 0 h v ) 。在凝固时k 相呈分散的颗粒状析出能起到很好 的细化品粒的效果。当含铁量超过4 时会有粗大的k 相析出降低了合金的力学性 能和耐蚀性。嗣时，铁在铝青铜中能抑制d a 恤共析转变的进行增加d 相的稳定性 能显著降低台金“缓冷脆性”的影响。 张鹤田峪合自主开发研制的铜台金模具材料c u 1 4 a i x 铝青铜台金针对不同 铁含量的铝青铜材料铸态、热处理态显微组织结构及摩擦磨损性能的研究分析尤其 是对高于4 的铝青铜材料的研宄验证了台金在4 时的台金组织较为均匀并且具 有较高的力学性能。 ( 3 ) 锰的影响 台金中加入适量的锰不仅能提高台金的力学性能，还能抑制铝青铜的“缓冷脆 性”。锰能固溶于d 固溶体中提高q 相的合金化程度可起到固溶强化的作用：同时， 锰的加入会缩小d 单相区并且随着锰含量的增加b 相的稳定性增大同时d 相共析 转变的温度和反应速度也明显降低，抑制了合金的“缓冷脆性”。若在古锰的铝青铜台 金中同时加入一定量的铁可使合金组织得到进一步细化，井且合金的力学性能、耐 磨性和耐蚀性也会随之进一步提高。 徐建林等1 2 4 1 通过研宄发现加入锰的铝青铜合金的微观组织，由b 相以及弥散分布的 高强度的札相，k 相和一定塑性的q 相组成，使得台金的强度和硬度得到明显改善。 ( 4 ) 其它元素的影响 合金中加入镍能提高铝青铜的强度、硬度和耐蚀性，还能提高台金的热稳定性。 镍能周溶于q 固格体中在凝固时析出n i - a i 化合物其结构与置相及其相似，能细化 组织晶粒；还能扩大硼区加入3 , - 4 n i 时在常温铸态组织中可根好地避免b 相 共析分解生成硬脆的札相，有效地抑制“缓冷脆性”。 台金中加入硼能细化组织晶粒提高强度、硬度和耐蚀性能并能明显改善台金 6 的抗冲蚀能力和抗腐蚀磨损的能力，虽会造成台金的塑性略有降低但时台金的机械 加工性能影响币大。研究i ”i 还发现过多的硼会以硼化物杂质的形式出现会降低合金 的塑性：同时晶粒细化的趋势减小强度、硬度也不再增加因此台金中最佳硼含 量约为0 0 1 。 台金中加入铅可形成具有自润滑性能的独立颗粒，可提高铝青铜的干雎擦特性 降低合金的摩擦系数和摩擦磨损量但合金的机械性能有所降低。 台金中加入钻可促成金属阃化合物形成硬质点相弥散分布在基体中能显著细化 组织晶粒，提高合金的强度和硬度同时不会破坏合金的韧性。 台金中加入锌能扩大a 相区与合金固溶后能提高金属的塑性但会减少 c u a 1 n i f c 合金的富铁相质点【“i 降低台金的耐磨性。周志明等研究还发现超高强 铝青铜台金中锌含量高于03 5 时会使合金显微组织中出现比较粗大的相降低 台金的力学性能。 台金中加入稀土元素( r e ) 能细化组织晶粒提高强度、塑性，改善铸锭组织和 热加工性能常用作铜及铜台金的变质剂。李勇1 2 7 1 通过研究发现，当t a 离子的注入剂 量不断增加时台金的显微硬度也随之增大同时铝青铜的摩擦系数显著降低耐磨 性进一步提高。季玮口”通过研宄发现高锰铝青铜中添加适量的y 和l a 可明显细化 台金的铸态组织还能改善合金的流动性、耐磨性以及耐蚀性并得到了最优加入量 分别为01 5 y 和02 0 l a 。有研究还表明，铜中加入微量r e 能形成c e 2 p b 、c e p b 、 b i 2 c e 、b i c e 3 等难熔化台物，可咀消除合金中b i 、p b 对台金造成的“热脆性”影响 还能起到一定的脱氧和除气的作用。 合金中加入少量的钛能明显细化组织晶粒。提高台金的综合性能。 对铝青铜有害的杂质元素主要有s i 、p 、s n 、a s 、b i 和s 等，在不同程度上会 聋 低台金的综台力学性能所以应该严格控制这些合金的含量。 l3 4 台金的国内外研究现状 随着科学技术的迸一步发展以及新型铝青铜材料的研发和应用，众多行业领域对 铝青铜材料的性能提出了更高的要求。目前国内外专家学者对铝青铜开展了许多研 究涉及铝青铜的熔炼工艺、强化工艺、组织与性能、耐磨性与耐蚀性等聊l a t 】各个方 面。 美国铸造协会与金属学会曾合作对典型铝青铜c 9 5 4 0 0 进行了一个为期三年的追 踪研宄口”通过研究杂质元素对该台盘的力学性能、焊接性能及热处理工艺参数的最耋 响从而确定杂质元素含量的上限。 日率三菱伸铜株式会社大石惠一郎1 3 2 1 研制了一种用于半固态金属铸造的原料铝青 铜合金，该原料可在不搅动熔融金属液的情况下制备具有微小晶粒的铝青铜台金铸 件。 华南理工大学张华等t 3 3 - i “嗓用特殊的台金成分设计和热挤压、热处理工艺，研制 成功了高强韧耐磨热挤压铝青铜合金( k k 3 ) 和新型铸造热强铜台金( k l “) 。采用该 7 合金制成的各种耐磨零件与国内和日本进 i 类零件相比较，其抗拉强度提高 1 0 3 0 ，减摩性提高2 0 - 3 0 耐磨性提高近1 0 倍可应用于制造商强度、高比 压、高温等场台下工作的耐磨零件； 兰卅l 理工大学徐建林等i ”ii 圳研制出了一种高强度、高耐磨性的铸造铝青铜合金 c u 1 4 a i - 4 f e m n ( 简称h s w a b ) 其在干摩擦和有润滑条件下均具有优良的耐磨性能： 并且针对传统金相定量分析中准确度低、速度慢的特点，以h s w a b 合金为研究对象， 自行研发了一套可用于铝青铜材料显微组织分析的测量系统有较好的应用价值。龙 大伟等i “i 以q a i g - 4 铝青铜作为试验材料，采用激光熔覆技术在其表面制备了一层镍铜 基激光熔覆层研宄搜现在高温下该熔覆层合金具有更小的摩擦系数与磨损体积显 著提高了台金表面的摩擦磨损性能。路阳等 q 研究了球磨工艺参数对铝青铜c u 1 4 a i x 合金粉末形貌的改善作用机理得到了最佳球磨参数为：球磨转速1 5 0 r m i n 、球科比 1 0 f t 、有效球磨时间4 h 证明了该台金用于表面改性材料的可行性。 s a n d aml e v c o v i c i 等旧采用c 仉激光束对二元铝青铜合金的表面进行强化。通过 分析台金淬硬层的深度和表面硬度得出激光器初始条件以及台金元素镍、铁、镭是 影响淬硬层组织、深度和硬度的关键因素。c vh y a t t 等1 4 0 l 在镶铝青铜台金表面熔覆了 c u 90 a i - 4 6 n i 一39 f e 一1 2 m n 复合材抖，并通过改变不同的热量输入值研究了热量输 入对合金组织与性能的影响。 中国石油大学高雷雷等通过对铝青铜合盘进行等通道转角挤压( e q u a lc h a n n e l a n 刚a re x t r u s i o n ，简称e c a e ) 热加工处理结果表明可显著细化台金晶粒并显著 提高台盘的摩擦学性能。上海交通大学高万茹等”“利用有限元法对整个e c a e 加 ：工 艺进行了完全的有限元分析并结合试验研究得到了e c a e 工艺细化铝青铜台金组 织及提高其性能的作用机理。程先华等e 4 3 1 采用轧制与e c a e 相结台的方法制备了一种 微米晶铝青铜台金提高了台金的塑性、强度、硬度等机械性能及其摩擦学性能。 中南大学林高用等睁i 研发了一种用于铝青铜立式半连续铸造的覆盖剂该覆盖剂 可减少铸锭表层夹渣、气孔、冷隔等缺陷，获得良好的铸锭表而质量成材率提高 1 0 - 4 0 生产效率提高l5 0 p 3 5 。 华中科技大学唐群国等h ”通过试验研究铝青铜( q a l 9 - 4 ) 和碳纤增强聚醚醚酮 ( c f r p e e k ) 摩擦副在水润滑和干摩擦条件下的摩擦磨损性能证明了铝青铜在水液 压元件摩擦副中应用的可行性拓宽了铝青铜合金的应用领域。 河南理工大学米国发等m i 研制了一种新型铸造铝青铜c u a 1 x ( 混台稀土) 台金 研宄发现经金属型模其成形的该合金组织与力学性能较好，但该台盒不直在铸态下直 接使用需要进行后期的热处理强化来提高台金的综合力学性能。 1 3 5 台金的热处理工艺 在机械制造工业中。热处理工艺占有着十分重要的地位，它是提高机器零件质量 和延长使用寿命的关键工序也是充分发挥金属材料潜力、节约材料的有效途径，台 理选择热处理工艺，不仅能大大降低铸件废品率还能较好地提高机器零件和工模具 8 的寿命。 关于铝青铜的热处理，加工铝青铜的热处理技术己经相当成熟比如在我国广泛 应用的q a l l 0 3 。1 5 和q a n 0 - 4 - 4 铝青铜常采用先均匀化退火后周溶加时效的热处 理工艺。相比加工铝青铜而言铸造铝青铜的热处理工艺随着近年来高铝青铜的研究 不断深入，己成为铝青铜研究的一个热点问题。因为含铝量8 0 p 95 的铝青铜，热处 理前后性能改变不明显一般直接使用铸态。当铝的含量超过95 时，合理的选用热 处理工艺能显著改变合金的强度、塑性加工性能，井且在一定程度上提高合金的塑性、 韧性和耐蚀性。 铝青铜合金常用的热处理方法1 4 7 ”如表卜1 所示。 表1 1 铝青铜常见热址理方法 热处理名称热处理工艺举例主要用选 人工时m 消除6 蔗台盘的 正 加热至8 5 ”坤警5 5 ”趣牲室提高台专髋删 退j 大 淬火 加热至4 2 5 _ c - 7 6 0 i 退火 提高台专蕊善善切“ 加热至8 1 5 。i o l o , 淬或水淬空降 提高台金强度硬度 至室温一一一 。燃至：翼饕豁嚣鬻溉在提船金强度、硬度 辨时* 加热至；嚣蒜涩稳熟淬在提；夏i 善；基 5 6 5 ( 2 雌下低温时效 塑性和韧性 本文研究的铝青铜合金，基本上生产中是以铸态下使用的。但针对不同熔炼工艺 造成的强度、碗度和切削加工性的显著不同可以考虑用热处理的方法改善其组织和 性能。国内外专家学者对铝青铜合金的热处理工艺也进行了不断地研究和改善，取得 了良好的理论和生产指导效果。 杨景茹等i ”牺过采用高压和常压下对铝青铜台金影响的对比分析，得出高压能细 化合金的微观组织，若和热处理共同作用时还能改变组织中d 相的形状进一步优化合 盒的微观组织结构。由文献【4 研可知对台金进行适当的热处理后可显著细化台金的 组织，并且能将组织t 1 的b 相转化成组织细密的( d + 托) 共析组织，提高台金的力学性能。 还有研究指出铝青铜可以采用淬火十回火的方法改善台金的力学性能如在保护性气 氟中加热淬火温度一股为8 5 0 - 9 3 0 保温至1 之h 水冷：回火温度根据要求获得的 力学性能而定要求高强度、高硬度时回火温度为2 5 0 3 5 0 c ，要求获得良好的综台力 学性能时回火温度为5 0 0 - - 6 0 0 ，保温1 5 2 h ，空冷至室温，关于热处理对该台金组 织和力学性能的改善将在后续工作中研究和探讨。 9 1 4 课题研究的主要内容及意义 14 l 课题研究背景及意义 铝青铜在2 0 世纪初开始研究该合金组织细密其机械性能大大超过了锡青铜和 黄铜，甚至可以和铸钢相媲美，并且有良好的耐蚀性能现已广泛用在重载及较高循 环应力下工作的耐蚀部件以替代锡青铜、不锈钢等传统材料。 近年来，国内外专家学者都致力于铝青铜台金的研究，各种新工艺、新技术不断 开发和应用同时传统工艺的优化和改进得到了相关研究者的高度重视。铝青铜的研 宄热点主要集中在熔炼工艺、合金成分、组织与性能、强化处理等方向。在传统的铸 造铜台金熔炼工艺中，加料顺序可分为以下两种情况：“二次熔炼”和“一次熔炼”。 关于“二次熔炼”使用中间台金是为了便于加入某些熔点较高、易氧化或易挥发的元 素，有利于控制合金的化学成分，但随着机械化、自动化的不断发展熔练中间台金 造成的台金二次烧损和熔炼时间的延长，已成为制约生产的主要因素，所咀目前己很 少使用。关于“一次熔炼”自从6 0 年代被提出以来，好多研究者们进行了不断地尝 试和改进，尤其是8 0 年代柬有一些专家学者针对铸造铜台金已有熔炼工艺提出了新的 现点在关于炉料的加料顺序上形成了两种比较成熟的熔炼工艺。第一种工艺继承了 传统工艺中的“三先三后”原则即加料顺序遵循“先多后少、先高后低、先难后易” 的原则：第二种工艺则从铝青铜台金特有的熔炼特点考虑提出了相应的“三优先” 原则即优先加入易熔的金属炉料或回炉料、优先加入低密度的台金元素优先加入 易氧化的金属铝。 众所周知台金的机械性能优劣取决于该合金的组织所以研究该台金的组织 有着重要的理论价值。然而，关于加料顺序对台金组织的影响，目前国内外相关研究 不多。本文以z c o a 1 0 f e 3 m n 2 铝青铜合金为试验材料，分别通过两种不同的加料顺序 制各台金然后从组织和性能的角度探宄加料顺序对组织影响的原因，井为进一步的 热处理工艺研宄奠定理论基础，进而更好地指导生产实际。 l42 课题研究的主要内客 j 、以l o - 3 2 铸造铝青铜台金为试验材料对比分析两种加料顺序对合金熔炼造成 的影响井分析原因和对策： 2 、研宄两种加料顺序对该合金组织和性能的影响采用x 射线衍射和扫描电镜分 析台金组织中各相的种类及分布，并得出影响性能的原因： 3 、根据物相组成和合金成分分析试验结果井结合台金的维氏硬度值分析该台 金用热处理强化的可行性； 4 、结台车闻实际生产，根据生产试样的抽检结果对比，验证理论分析的结果并 对接下来的熔炼工艺改造，提出可行的解决方法。 0 第二章铝青铜熔炼工艺 铸造是零件毛坯最常用的生产工艺之一。和其他成型工艺相比，铸造有着无可比 拟的优势，它可以不受零件的重量、尺寸的限制可加工小到几克、几毫米，大到几 百吨，数米长的零件，尤其是一些形状复杂用机械加工十分豳难的零件都可以用 铸造的方法获得。同时，铸造也是铜合金制品加工生产过程中的第一道工序。铸造工 艺的核心是熔炼生产，因此，无论是砂型铸造还是金属型铸造，熔巯都是铸造工艺关 键的一环所以研宄铝青铜的熔炼工艺有着重要的理论和实际意义。 21 铝青铜熔炼的一般原则 铸造铜合金通常分为铸造黄铜和铸造青铜具体的熔炼工艺虽有不同但基本上 都大同小异以铝青铜铸造为例，一般工艺过程m 为： 准备炉 料、熔 炼设备 和工具 装 妒 熔 化 脱氧 除气 精炼 调整 化学 成分 温度 昧 渣 出 炉 浇 铸 翻2 l 铝青铜熔炼工艺过程 铸造铝青铜( 1 0 3 2 铝青铜) 具有高的强度、耐磨性、耐蚀性和耐热性能适用 于铸造重要的耐磨件和耐蚀件。同时该台金的结晶温度鼠有1 0 - 3 0 c ，有着良好的流 动性不易形成品内偏析和分散缩孔，易于获得致密性好的台金组织；但体积收缩和 线收缩都很大较容易产生集中缩孔缺陷。铝作为主要添加元素在熔炼和浇铸时极 易被氧化，使铸件产生a 1 2 0 3 氧化夹渣严重影响铸件的力学性能。甚至造成铸件的报 废：由于台金中的铝有较好的脱氧作用所以氢气在高温台金液中的溶解度很大凝 固时随着氢溶解度的急剧下降氢气从过饱和的合金液中析出形成气孔。合金在玲却 速度较慢时，容易发生共析转变生成硬而脆的靶相，使舍金变脆，这种现象称为铝 青铜的“自行堪火”或“缓冷脆性”但由于台金中添加了铁和锰抑制了“缓冷脆性” 的发生能获得良好的综合力学性能。因此在铝青铜熔炼时采取相应的工艺措施 来避免合金的氧化、收缩和吸气是当前研究的热点也是生产实际中的关键环节。 铝青铜台金的熔蛾一般都遵循以下几个原则： ( 1 ) 充足准备 所有炉料以及熔炼所用工具都要清洁、预热以备使用。同时对于大块的炉料 要进行分割处理以减少熔炼时间。 ( 2 ) 快速熔炼 铝青铜合金的氧化和吸气倾向比较大常采用“快速熔炼”的原则，即整个熔炼 过程均在高温下进行+ 炉抖加入前要充分预热、料块要小、加料要迅速选到出炉温 1 l 度后尽快出炉浇铸。 ( 3 ) 防止吸气 为防止台金液吸氢严重常在中性或微氧化性的炉气气氛中熔炼，因实际生产中 合金液脱敏容易脱氢比较困难。 ( 4 ) 严格控温 铝青铜合金中添加元素比较多在高温下容易发生复杂的氧化还原反应，所以耍 防止合金液的过烧和过热，严格控制浇铸温度。 2 2 铜台金熔炼常用设备 铜及铜合金熔炼中合金液易氧化、易吸气所以要想获得优质的生产铸件，必须 合理选用合金的熔炼设备类型。铜及铜合常见的熔炼设备【”1 有坩埚炉、反射炉、竖式 炉，感应炉以及真空炉等等。 2 2 i 坩埚炉 坩埚炉是应用技术较为成热的传统熔炼炉常分为固体燃料坩埚炉，液体燃料坩 埚炉、气体燃料坩埚炉和电阻坩塌炉等。 固体燃料坩埚妒的特点是结构简单、适应性好，是中小型车间铜合金熔炼设备的 最佳选择缺点是火焰直接与合金液液面接触铸件质量不易保证。 图2 2 鼓风蒋嶷坩埚炉 本试验所选用设备为鼓风焦炭坩埚炉1 4 0 1 属固体燃料坩埚炉的一种，所用燃料为 焦炭，坩埚炉结构如图2 3 所示。这种炉子的优点是结构简单、投资小、适应性强是 中小型车阃常用的铜及铜合金熔炼设备。缺点是火焰直接与台金敞面接触，温度不宜 控制产最小质量不易保证等。其工作原理为用焦炭直接加热坩埚炉，使炉子温度 升高进而熔化台金炉料。所有的合金炉料和燃料都通过炉子上部加入炉子的炉膛直 径大约为坩埚直径的2 倍坩埚在高于炉栅2 0 m m 左右的底焦屡或填转上，炉子周围 填满焦炭加热升温用风机通过预设风管透气有的坩埚炉外面坯有配备的测温装置， 更能方便对合金熔化温度的精确控制。 l 一炉盖：2 一* 身：3 一坩埚：4 一填砖5 一p 栅l6 一h 管 图2 3 鼓风焦炭坩埚炉结构圈 液体和气体坩埚炉炉体结构和固体燃料坩埚炉相似。但液气体燃料和空气混台 更均匀所咀熔化速度较快，常用在中小车间快速熔炼场合；电阻坩埚炉是利用电流 通过金属发热从而加热熔化台金的。和