铝青铜模具材料的组织与性能优化

发布时间：2016-03-14 22:26

第 1 章 绪论

1.1 铜及铜合金的发展
铜是人类使用的最早的金属材料，在人类文明初期，铜的发现和使用占了重要的组成部分，也使我国成为世界上率先进入这一时代的文明古国。铜能从数千年一直沿用至今，与其的许多优良特性密不可分：铜在地壳中的含量约为0.01%，多数以铜矿形式存在，与很多其他金属相比，比较容易从大自然中提取；铜也是一种优良的导电材料，铜的导电性和导热性仅次于银，同时具有优良的耐大气和海水腐蚀性质；较容易发生塑性变形，易于加工；较容易与其他元素形成合金，同时也具有很高的回收价值。经过上千年的发展，青铜合金的种类由原来单一的锡青铜，发展为现在除了白铜和黄铜以外的所有铜合金的总称，主要包括铝青铜、锡青铜、铍青铜、钛青铜等。20 世纪 50 年代后，在生产技术革新的推动下，合金的研究以及应用领域不断深入，现在铝青铜合金已经成为机械工业中应用十分广泛的有色金属合金。由于铝青铜具有很高的硬度、强度、耐磨和耐蚀性能，已经广泛地应用于船舰的螺旋桨、飞机起落架的衬套、齿轮胚料等许多高应力下工作的耐磨零件[1]以及螺帽、螺杆、密封环和铜套等[2]；而且铝青铜还具有稳定刚度和良好的导热性，已经代替了传统的锰镍铬系钢，用在高速列车异步电动机的护环材料；良好的形状记忆效应，用作驱动汽缸材料，代替传统的手动或液压夹具；由于铝青铜具优良的综合性能，价格相对合适，已经作为许多昂贵材料或有毒材料的替代品如镍基合金、铍青铜等[3]而广泛使用。
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1.2 铝青铜的研究现状及发展趋势
铝青铜是一种应用极为广泛的铜合金材料，可以分为简单铝青铜(即二元Cu-Al 合金)和复杂铝青铜(即除 Al 以外，还含有 Fe、Ni、Mn 等元素)。铝青铜具有强度高，耐磨性、气密性较好及在空气、海水中均有较强的耐腐蚀性等优点[14-15]，在船舶螺旋桨、齿轮坯料、阀门及海上石油平台、海水管路系统及其他致密铸件[16-18]制造中有较为广泛的应用。但随着现代工业技术的发展和科技的进步，对铝青铜材料的性能也提出越来越高的要求，普通二元铝青铜合金（简单铝青铜）在硬度、耐磨性等力学性能方面无法达到模具制造的要求。在简单铝青铜基础上加入其他的元素或者通过热处理改性均可使铝青铜获得更好的力学性能。除上述特点外，铝青铜还具备其他优异性能：耐冲击性强，强冲击力作用时不产生火花，可制造无火花工具材料[19]；在凝固时，会发生马氏体形态转变，从而有形状记忆效应[20]；价格相对一些昂贵金属材料如不锈钢、锡青铜、镍基合金便宜，可做部分替代[21]。为使铝青铜合金获得更加优良的性能，得到更为广泛的应用，很有必要对该合金进行深入研究并找到更多途径改善其性能。本次研究的方向是对高强度耐磨模用铜合金的改性。目前在模具用材料中应用较广的为合金钢以及铍青铜材料。但合金钢模具与黑色金属间相容性差异小，使用次数过多容易产生磨损，对产品和模具本身都产生不利影响；而另外一种性能较好的模具铍青铜，导热性及与黑色金属相容性均强于合金钢模具，而且疲劳极限、弹性极限都非常优异，还具有无磁性与不产生冲击火花等优异性能，但铍属于贵金属，导致铍青铜的制备成本较高，不易于推广使用，且铍的毒性也制约了该种材料的使用，因此需要找到一种成本相对低廉但性能优异的合金来逐步取代合金钢及铍青铜。与铁基模具材料相比，铝青铜合金具良好的导热性、且与钢铁等黑色金属之间的相容性差异较大，故铝青铜合金作为铁基材料的挤压、拉伸模具材料显示良好的耐磨性能。目前，国内在挤压不锈钢换热器板片、拉伸不锈钢器皿等承受低载荷的模具材料领域，铝青铜合金已成功替代模具钢，但作为较大不锈钢挤压件（承受较大载荷）的模具材料时，国内铝青铜合金的耐磨性满足不了工程要求，模具使用寿命短，满足要求的铜合金需国外进口。
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第 2 章 实验方法

2.1 实验方案
2.1.1 合金成分设计
以铝锭（99.9%Al）、铁（99.9%Fe）、铜（99.9%Cu）、电解锰、钴、镍、Al-3B 和 Cu-10RE 中间合金为原材料，根据研究内容，设计并制备不同成分的合金试样。本文三部分的合金成分设计如下：1）锰含量对合金组织与性能的影响：合金设计成分为 Cu-12.5Al-4Fe-1Co-0.5Ni- xMn(x=2%、3%、4%、5%、6%).，通过添加不同锰量，研究锰对合金组织与性能的影响。2)细 化剂对合金组织 与性能影响：合金设计成分为 Cu-12.5Al-4Fe-2Mn-1Co-0.5Ni,分别采用 2%Cu-10RE、0.7%Al-3B、2%Cu-10RE+0.7%Al-3B 对合金进行细化变质处理研究细化剂对合金组织与性能的影响，以此优选细化剂。3）热处理工艺对合金组织性能的影响：合金试样的成分为 Cu-12.5Al-4Fe-2Mn-1Co-0.5Ni+2%Cu-10RE+0.7%Al-3B。通过对试样进行固溶时效处理和组织性能分析测试，探求最佳热处理工艺。
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2.2 合金试样的制备
用砂纸对坩埚和金属模具内表面反复进行擦拭，保持内表面清洁，以免混入杂质；将金属模具内表面清理后，将金属模具放于电阻炉内 220℃×1 小时预热。目前铝青铜的熔炼工艺方法主要有两种[51]：一次熔炼工艺和二次熔炼工艺。一次熔炼工艺为先熔化高熔点金属，而二次熔炼工艺为先熔化低熔点金属。本实验的原料较多，熔点差距较大，若采用一次熔炼工艺，在高熔点金属溶化后加入低熔点金属，高熔点金属的熔化过程中时间较长，易导致金属液过热，发生吸气和氧化现象，对合金的组织构成产生不利影响，进而严重影响合金的性能；采用二次熔炼，先放入熔点比较低的铝，在熔炼的过程中，铝会产生氧化铝的保护膜覆盖在金属液表面，从而起到了阻止合金液氧化的作用。所以本实验采用先铝后铜的加入顺序。在设备准备妥当后，先将纯铝块放入坩埚中，尽量将坩埚填充满以使之利于中频感应炉的感应加热，在金属块上方覆盖一层木炭，待原料及木炭覆盖剂填充完毕后，开启中频感应炉对坩埚进行加热。待铝块熔化后，放入铁块，铁块也熔化后再加入铜块，此时坩埚内金属液温度较高，铝和铜生成中间合金，在低于铜熔点便可使全部铜块熔化，然后再加入锰、镍、钴，最后加入中间合金 Cu-10RE 及 Al-3B；在金属的熔化过程中，要用热电偶测量金属液温度，在金属液温度达到 1200℃时，将六氯乙烷(C2Cl6)包好，放入除气钟罩内，将钟罩压入金属液中至坩埚底部进行除气精练。
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第 3 章 锰含量对合金组织与性能的影响.......14
3.1 锰含量对合金铸态组织的影响........14
3.1.1 合金铸态显微组织.....14
3.1.2 锰含量对合金铸态组织的影响.........17
3.2 锰含量对性能的影响.....20
3.4 本章小结.......22
第 4 章 不同细化剂对合金组织与性能的影响.....23
4.1 细化剂对合金组织的影响.........23
4.2 细化剂对合金性能的影响.........25
4.3 分析与讨论.........27
4.4 本章小结.......28
第 5 章 热处理工艺对合金组织性能的影响.........29
5.1 固溶温度对组织与性能的影响.......30
5.2 时效温度对组织与性能的影响.......32
5.3 分析与讨论.........38
5.4 本章小结.......39

第 5 章 热处理工艺对合金组织性能的影响

热处理是一种很重要的金属加工工艺，在工业生产，特别是机械制造业中有着广泛的应用。运用恰当的热处理工艺可改变合金的内部组织结构以改善其工艺和使用性能，延长机械零件的使用寿命，提高产品质量，节约原材料。机械工业中通常运用正确的热处理工艺来消除金属材料内部的缺陷，消除偏析、细化合金晶粒，优化合金组织，提高性能。根据第四章细化剂对合金组织与性能的影响，本章选用综合性能较好的 4号合金，也就是同时添加 Cu-RE 和 Al-3B 两种细化剂的合金的成分，运用固溶和时效的热处理工艺，研究热处理工艺对合金的组织与性能的影响。目前铝青铜合金热处理工艺的研究中，对固溶温度、固溶时间、时效温度及时效时间方面均有很多研究[54]，但合金的热处理工艺取决于组织与成分，为此，本章针对本文设计的铝青铜合金成分，进行热处理工艺研究，以进一步优化合金组织与性能。本章实验方案及实验流程如图 5-1 所示。

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结论

本文针对设计的 Cu-12.5Al-4Fe -1Co-0.5Ni 合金，采用光学显微镜、XRD、SEM、EDS 及电子万能拉伸试验机、硬度计、万能立式磨损机，研究了锰含量、不同细化剂以及热处理工艺对合金组织与力学性能的影响，得到如下结论：（1）合金的铸态组织为β’相＋γ2相＋α相＋κ相，硬相β’相与软相α相的比例关系及析出相κ相与γ2相的形态和分布明显影响合金的性能。（2）随着锰元素含量的提高，抑制β相共析分解的作用增强，β’相的含量逐渐增多，α相与γ2相的含量逐渐减少，合金的硬度上升；由于溶于基体中的锰增多，导电率下降。（3）Cu-10RE、Al-3B 能有效细化合金晶粒，从而提高合金的强度、硬度和塑性；其中 Cu-10RE、Al-3B 联合添加，更能明显提高合金的抗拉强度和硬度。（4）与铸态相比，合金固溶后的组织形貌与析出相含量均发生改变，基体β’相增多，α相、γ2相、κ相减少，β’相晶粒呈现马氏体形态；在本固溶温度实验范围内，随固溶温度升高，β’相含量及形态变化不明显，但 980℃固溶使合金晶粒粗化，性能下降，故最佳固溶工艺为 950℃×3h。（5）固溶时效后κ相、γ2相与α相的含量提高；随着时效温度的升高，β’相的马氏体特征逐渐消失，κ相也变为粗大的花瓣状，合金的硬度相应下降，本实验最佳时效温度为 500℃×2 h。
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参考文献(略)

本文编号：34844