發(fā)布時間：2016-03-14 22:26

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，也使我國成為世界上率先進入這一時代的文明古國。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��；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，同時也具有很高的回收價值。經(jīng)過上千年的發(fā)展，青銅合金的種類由原來單一的錫青銅，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機的護環(huán)材料；良好的形狀記憶效應(yīng)，用作驅(qū)動汽缸材料，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動或液壓夾具；由于鋁青銅具優(yōu)良的綜合性能，價格相對合適，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
鋁青銅是一種應(yīng)用極為廣泛的銅合金材料，可以分為簡單鋁青銅(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)。鋁青銅具有強度高，耐磨性、氣密性較好及在空氣、海水中均有較強的耐腐蝕性等優(yōu)點[14-15]，在船舶螺旋槳、齒輪坯料、閥門及海上石油平臺、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)展和科技的進步，對鋁青銅材料的性能也提出越來越高的要求，普通二元鋁青銅合金（簡單鋁青銅）在硬度、耐磨性等力學(xué)性能方面無法達到模具制造的要求。在簡單鋁青銅基礎(chǔ)上加入其他的元素或者通過熱處理改性均可使鋁青銅獲得更好的力學(xué)性能。除上述特點外，鋁青銅還具備其他優(yōu)異性能：耐沖擊性強，強沖擊力作用時不產(chǎn)生火花，可制造無火花工具材料[19]；在凝固時，會發(fā)生馬氏體形態(tài)轉(zhuǎn)變，從而有形狀記憶效應(yīng)[20]；價格相對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，很有必要對該合金進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高強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)過多容易產(chǎn)生磨損，對產(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低廉但性能優(yōu)異的合金來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，國內(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外進口。
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第 2 章 實驗方法

2.1 實驗方案
2.1.1 合金成分設(shè)計
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)研究內(nèi)容，設(shè)計并制備不同成分的合金試樣。本文三部分的合金成分設(shè)計如下：1）錳含量對合金組織與性能的影響：合金設(shè)計成分為 Cu-12.5Al-4Fe-1Co-0.5Ni- xMn(x=2%、3%、4%、5%、6%).，通過添加不同錳量，研究錳對合金組織與性能的影響。2)細 化劑對合金組織 與性能影響：合金設(shè)計成分為 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 對合金進行細化變質(zhì)處理研究細化劑對合金組織與性能的影響，以此優(yōu)選細化劑。3）熱處理工藝對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。通過對試樣進行固溶時效處理和組織性能分析測試，探求最佳熱處理工藝。
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2.2 合金試樣的制備
用砂紙對坩堝和金屬模具內(nèi)表面反復(fù)進行擦拭，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金屬，而二次熔煉工藝為先熔化低熔點金屬。本實驗的原料較多，熔點差距較大，若采用一次熔煉工藝，在高熔點金屬溶化后加入低熔點金屬，高熔點金屬的熔化過程中時間較長，易導(dǎo)致金屬液過熱，發(fā)生吸氣和氧化現(xiàn)象，對合金的組織構(gòu)成產(chǎn)生不利影響，進而嚴(yán)重影響合金的性能；采用二次熔煉，先放入熔點比較低的鋁，在熔煉的過程中，鋁會產(chǎn)生氧化鋁的保護膜覆蓋在金屬液表面，從而起到了阻止合金液氧化的作用。所以本實驗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，開啟中頻感應(yīng)爐對坩堝進行加熱。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；在金屬的熔化過程中，要用熱電偶測量金屬液溫度，在金屬液溫度達到 1200℃時，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行除氣精練。
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第 3 章 錳含量對合金組織與性能的影響.......14
3.1 錳含量對合金鑄態(tài)組織的影響........14
3.1.1 合金鑄態(tài)顯微組織.....14
3.1.2 錳含量對合金鑄態(tài)組織的影響.........17
3.2 錳含量對性能的影響.....20
3.4 本章小結(jié).......22
第 4 章 不同細化劑對合金組織與性能的影響.....23
4.1 細化劑對合金組織的影響.........23
4.2 細化劑對合金性能的影響.........25
4.3 分析與討論.........27
4.4 本章小結(jié).......28
第 5 章 熱處理工藝對合金組織性能的影響.........29
5.1 固溶溫度對組織與性能的影響.......30
5.2 時效溫度對組織與性能的影響.......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)，特別是機械制造業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。運用恰當(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，延長機械零件的使用壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約原材料。機械工業(yè)中通常運用正確的熱處理工藝來消除金屬材料內(nèi)部的缺陷，消除偏析、細化合金晶粒，優(yōu)化合金組織，提高性能。根據(jù)第四章細化劑對合金組織與性能的影響，本章選用綜合性能較好的 4號合金，也就是同時添加 Cu-RE 和 Al-3B 兩種細化劑的合金的成分，運用固溶和時效的熱處理工藝，研究熱處理工藝對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，對固溶溫度、固溶時間、時效溫度及時效時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，本章針對本文設(shè)計的鋁青銅合金成分，進行熱處理工藝研究，以進一步優(yōu)化合金組織與性能。本章實驗方案及實驗流程如圖 5-1 所示。

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結(jié)論

本文針對設(shè)計的 Cu-12.5Al-4Fe -1Co-0.5Ni 合金，采用光學(xué)顯微鏡、XRD、SEM、EDS 及電子萬能拉伸試驗機、硬度計、萬能立式磨損機，研究了錳含量、不同細化劑以及熱處理工藝對合金組織與力學(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，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 能有效細化合金晶粒，從而提高合金的強度、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)；在本固溶溫度實驗范圍內(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）固溶時效后κ相、γ2相與α相的含量提高；隨著時效溫度的升高，β’相的馬氏體特征逐漸消失，κ相也變?yōu)榇执蟮幕ò隊�，合金的硬度相�?yīng)下降，本實驗最佳時效溫度為 500℃×2 h。
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參考文獻(略)

本文編號：34844