第 1 章 緒論

1.1 銅及銅合金的發(fā)展
銅是人類使用的最早的金屬材料，在人類文明初期，銅的發(fā)現(xiàn)和使用占了重要的組成部分，也使我國(guó)成為世界上率先進(jìn)入這一時(shí)代的文明古國(guó)。銅能從數(shù)千年一直沿用至今，與其的許多優(yōu)良特性密不可分：銅在地殼中的含量約為0.01%，多數(shù)以銅礦形式存在，與很多其他金屬相比，比較容易從大自然中提取；銅也是一種優(yōu)良的導(dǎo)電材料，銅的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性僅次于銀，同時(shí)具有優(yōu)良的耐大氣和海水腐蝕性質(zhì)；較容易發(fā)生塑性變形，易于加工；較容易與其他元素形成合金，同時(shí)也具有很高的回收價(jià)值。經(jīng)過(guò)上千年的發(fā)展，青銅合金的種類由原來(lái)單一的錫青銅，發(fā)展為現(xiàn)在除了白銅和黃銅以外的所有銅合金的總稱，主要包括鋁青銅、錫青銅、鈹青銅、鈦青銅等。20 世紀(jì) 50 年代后，在生產(chǎn)技術(shù)革新的推動(dòng)下，合金的研究以及應(yīng)用領(lǐng)域不斷深入，現(xiàn)在鋁青銅合金已經(jīng)成為機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛的有色金屬合金。由于鋁青銅具有很高的硬度、強(qiáng)度、耐磨和耐蝕性能，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于船艦的螺旋槳、飛機(jī)起落架的襯套、齒輪胚料等許多高應(yīng)力下工作的耐磨零件[1]以及螺帽、螺桿、密封環(huán)和銅套等[2]；而且鋁青銅還具有穩(wěn)定剛度和良好的導(dǎo)熱性，已經(jīng)代替了傳統(tǒng)的錳鎳鉻系鋼，用在高速列車異步電動(dòng)機(jī)的護(hù)環(huán)材料；良好的形狀記憶效應(yīng)，用作驅(qū)動(dòng)汽缸材料，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動(dòng)或液壓夾具；由于鋁青銅具優(yōu)良的綜合性能，價(jià)格相對(duì)合適，已經(jīng)作為許多昂貴材料或有毒材料的替代品如鎳基合金、鈹青銅等[3]而廣泛使用。
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1.2 鋁青銅的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
鋁青銅是一種應(yīng)用極為廣泛的銅合金材料，可以分為簡(jiǎn)單鋁青銅(即二元Cu-Al 合金)和復(fù)雜鋁青銅(即除 Al 以外，還含有 Fe、Ni、Mn 等元素)。鋁青銅具有強(qiáng)度高，耐磨性、氣密性較好及在空氣、海水中均有較強(qiáng)的耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)[14-15]，在船舶螺旋槳、齒輪坯料、閥門及海上石油平臺(tái)、海水管路系統(tǒng)及其他致密鑄件[16-18]制造中有較為廣泛的應(yīng)用。但隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，對(duì)鋁青銅材料的性能也提出越來(lái)越高的要求，普通二元鋁青銅合金（簡(jiǎn)單鋁青銅）在硬度、耐磨性等力學(xué)性能方面無(wú)法達(dá)到模具制造的要求。在簡(jiǎn)單鋁青銅基礎(chǔ)上加入其他的元素或者通過(guò)熱處理改性均可使鋁青銅獲得更好的力學(xué)性能。除上述特點(diǎn)外，鋁青銅還具備其他優(yōu)異性能：耐沖擊性強(qiáng)，強(qiáng)沖擊力作用時(shí)不產(chǎn)生火花，可制造無(wú)火花工具材料[19]；在凝固時(shí)，會(huì)發(fā)生馬氏體形態(tài)轉(zhuǎn)變，從而有形狀記憶效應(yīng)[20]；價(jià)格相對(duì)一些昂貴金屬材料如不銹鋼、錫青銅、鎳基合金便宜，可做部分替代[21]。為使鋁青銅合金獲得更加優(yōu)良的性能，得到更為廣泛的應(yīng)用，很有必要對(duì)該合金進(jìn)行深入研究并找到更多途徑改善其性能。本次研究的方向是對(duì)高強(qiáng)度耐磨模用銅合金的改性。目前在模具用材料中應(yīng)用較廣的為合金鋼以及鈹青銅材料。但合金鋼模具與黑色金屬間相容性差異小，使用次數(shù)過(guò)多容易產(chǎn)生磨損，對(duì)產(chǎn)品和模具本身都產(chǎn)生不利影響；而另外一種性能較好的模具鈹青銅，導(dǎo)熱性及與黑色金屬相容性均強(qiáng)于合金鋼模具，而且疲勞極限、彈性極限都非常優(yōu)異，還具有無(wú)磁性與不產(chǎn)生沖擊火花等優(yōu)異性能，但鈹屬于貴金屬，導(dǎo)致鈹青銅的制備成本較高，不易于推廣使用，且鈹?shù)亩拘砸仓萍s了該種材料的使用，因此需要找到一種成本相對(duì)低廉但性能優(yōu)異的合金來(lái)逐步取代合金鋼及鈹青銅。與鐵基模具材料相比，鋁青銅合金具良好的導(dǎo)熱性、且與鋼鐵等黑色金屬之間的相容性差異較大，故鋁青銅合金作為鐵基材料的擠壓、拉伸模具材料顯示良好的耐磨性能。目前，國(guó)內(nèi)在擠壓不銹鋼換熱器板片、拉伸不銹鋼器皿等承受低載荷的模具材料領(lǐng)域，鋁青銅合金已成功替代模具鋼，但作為較大不銹鋼擠壓件（承受較大載荷）的模具材料時(shí)，國(guó)內(nèi)鋁青銅合金的耐磨性滿足不了工程要求，模具使用壽命短，滿足要求的銅合金需國(guó)外進(jìn)口。
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第 2 章 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)方案
2.1.1 合金成分設(shè)計(jì)
以鋁錠（99.9%Al）、鐵（99.9%Fe）、銅（99.9%Cu）、電解錳、鈷、鎳、Al-3B 和 Cu-10RE 中間合金為原材料，根據(jù)研究?jī)?nèi)容，設(shè)計(jì)并制備不同成分的合金試樣。本文三部分的合金成分設(shè)計(jì)如下：1）錳含量對(duì)合金組織與性能的影響：合金設(shè)計(jì)成分為 Cu-12.5Al-4Fe-1Co-0.5Ni- xMn(x=2%、3%、4%、5%、6%).，通過(guò)添加不同錳量，研究錳對(duì)合金組織與性能的影響。2)細(xì) 化劑對(duì)合金組織 與性能影響：合金設(shè)計(jì)成分為 Cu-12.5Al-4Fe-2Mn-1Co-0.5Ni,分別采用 2%Cu-10RE、0.7%Al-3B、2%Cu-10RE+0.7%Al-3B 對(duì)合金進(jìn)行細(xì)化變質(zhì)處理研究細(xì)化劑對(duì)合金組織與性能的影響，以此優(yōu)選細(xì)化劑。3）熱處理工藝對(duì)合金組織性能的影響：合金試樣的成分為 Cu-12.5Al-4Fe-2Mn-1Co-0.5Ni+2%Cu-10RE+0.7%Al-3B。通過(guò)對(duì)試樣進(jìn)行固溶時(shí)效處理和組織性能分析測(cè)試，探求最佳熱處理工藝。
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2.2 合金試樣的制備
用砂紙對(duì)坩堝和金屬模具內(nèi)表面反復(fù)進(jìn)行擦拭，保持內(nèi)表面清潔，以免混入雜質(zhì)；將金屬模具內(nèi)表面清理后，將金屬模具放于電阻爐內(nèi) 220℃×1 小時(shí)預(yù)熱。目前鋁青銅的熔煉工藝方法主要有兩種[51]：一次熔煉工藝和二次熔煉工藝。一次熔煉工藝為先熔化高熔點(diǎn)金屬，而二次熔煉工藝為先熔化低熔點(diǎn)金屬。本實(shí)驗(yàn)的原料較多，熔點(diǎn)差距較大，若采用一次熔煉工藝，在高熔點(diǎn)金屬溶化后加入低熔點(diǎn)金屬，高熔點(diǎn)金屬的熔化過(guò)程中時(shí)間較長(zhǎng)，易導(dǎo)致金屬液過(guò)熱，發(fā)生吸氣和氧化現(xiàn)象，對(duì)合金的組織構(gòu)成產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而嚴(yán)重影響合金的性能；采用二次熔煉，先放入熔點(diǎn)比較低的鋁，在熔煉的過(guò)程中，鋁會(huì)產(chǎn)生氧化鋁的保護(hù)膜覆蓋在金屬液表面，從而起到了阻止合金液氧化的作用。所以本實(shí)驗(yàn)采用先鋁后銅的加入順序。在設(shè)備準(zhǔn)備妥當(dāng)后，先將純鋁塊放入坩堝中，盡量將坩堝填充滿以使之利于中頻感應(yīng)爐的感應(yīng)加熱，在金屬塊上方覆蓋一層木炭，待原料及木炭覆蓋劑填充完畢后，開(kāi)啟中頻感應(yīng)爐對(duì)坩堝進(jìn)行加熱。待鋁塊熔化后，放入鐵塊，鐵塊也熔化后再加入銅塊，此時(shí)坩堝內(nèi)金屬液溫度較高，鋁和銅生成中間合金，在低于銅熔點(diǎn)便可使全部銅塊熔化，然后再加入錳、鎳、鈷，最后加入中間合金 Cu-10RE 及 Al-3B；在金屬的熔化過(guò)程中，要用熱電偶測(cè)量金屬液溫度，在金屬液溫度達(dá)到 1200℃時(shí)，將六氯乙烷(C2Cl6)包好，放入除氣鐘罩內(nèi)，將鐘罩壓入金屬液中至坩堝底部進(jìn)行除氣精練。
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第 3 章 錳含量對(duì)合金組織與性能的影響.......14
3.1 錳含量對(duì)合金鑄態(tài)組織的影響........14
3.1.1 合金鑄態(tài)顯微組織.....14
3.1.2 錳含量對(duì)合金鑄態(tài)組織的影響.........17
3.2 錳含量對(duì)性能的影響.....20
3.4 本章小結(jié).......22
第 4 章 不同細(xì)化劑對(duì)合金組織與性能的影響.....23
4.1 細(xì)化劑對(duì)合金組織的影響.........23
4.2 細(xì)化劑對(duì)合金性能的影響.........25
4.3 分析與討論.........27
4.4 本章小結(jié).......28
第 5 章 熱處理工藝對(duì)合金組織性能的影響.........29
5.1 固溶溫度對(duì)組織與性能的影響.......30
5.2 時(shí)效溫度對(duì)組織與性能的影響.......32
5.3 分析與討論.........38
5.4 本章小結(jié).......39

第 5 章 熱處理工藝對(duì)合金組織性能的影響

熱處理是一種很重要的金屬加工工藝，在工業(yè)生產(chǎn)，特別是機(jī)械制造業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。運(yùn)用恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚳筛淖兒辖鸬膬?nèi)部組織結(jié)構(gòu)以改善其工藝和使用性能，延長(zhǎng)機(jī)械零件的使用壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約原材料。機(jī)械工業(yè)中通常運(yùn)用正確的熱處理工藝來(lái)消除金屬材料內(nèi)部的缺陷，消除偏析、細(xì)化合金晶粒，優(yōu)化合金組織，提高性能。根據(jù)第四章細(xì)化劑對(duì)合金組織與性能的影響，本章選用綜合性能較好的 4號(hào)合金，也就是同時(shí)添加 Cu-RE 和 Al-3B 兩種細(xì)化劑的合金的成分，運(yùn)用固溶和時(shí)效的熱處理工藝，研究熱處理工藝對(duì)合金的組織與性能的影響。目前鋁青銅合金熱處理工藝的研究中，對(duì)固溶溫度、固溶時(shí)間、時(shí)效溫度及時(shí)效時(shí)間方面均有很多研究[54]，但合金的熱處理工藝取決于組織與成分，為此，本章針對(duì)本文設(shè)計(jì)的鋁青銅合金成分，進(jìn)行熱處理工藝研究，以進(jìn)一步優(yōu)化合金組織與性能。本章實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)流程如圖 5-1 所示。

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結(jié)論

本文針對(duì)設(shè)計(jì)的 Cu-12.5Al-4Fe -1Co-0.5Ni 合金，采用光學(xué)顯微鏡、XRD、SEM、EDS 及電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)、硬度計(jì)、萬(wàn)能立式磨損機(jī)，研究了錳含量、不同細(xì)化劑以及熱處理工藝對(duì)合金組織與力學(xué)性能的影響，得到如下結(jié)論：（1）合金的鑄態(tài)組織為β’相＋γ2相＋α相＋κ相，硬相β’相與軟相α相的比例關(guān)系及析出相κ相與γ2相的形態(tài)和分布明顯影響合金的性能。（2）隨著錳元素含量的提高，抑制β相共析分解的作用增強(qiáng)，β’相的含量逐漸增多，α相與γ2相的含量逐漸減少，合金的硬度上升；由于溶于基體中的錳增多，導(dǎo)電率下降。（3）Cu-10RE、Al-3B 能有效細(xì)化合金晶粒，從而提高合金的強(qiáng)度、硬度和塑性；其中 Cu-10RE、Al-3B 聯(lián)合添加，更能明顯提高合金的抗拉強(qiáng)度和硬度。（4）與鑄態(tài)相比，合金固溶后的組織形貌與析出相含量均發(fā)生改變，基體β’相增多，α相、γ2相、κ相減少，β’相晶粒呈現(xiàn)馬氏體形態(tài)；在本固溶溫度實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，隨固溶溫度升高，β’相含量及形態(tài)變化不明顯，但 980℃固溶使合金晶粒粗化，性能下降，故最佳固溶工藝為 950℃×3h。（5）固溶時(shí)效后κ相、γ2相與α相的含量提高；隨著時(shí)效溫度的升高，β’相的馬氏體特征逐漸消失，κ相也變?yōu)榇执蟮幕ò隊(duì)睿辖鸬挠捕认鄳?yīng)下降，本實(shí)驗(yàn)最佳時(shí)效溫度為 500℃×2 h。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：34844