摘要：海洋業(yè)的快速發(fā)展對(duì)海洋工程應(yīng)用材料提出越來(lái)越高的要求，其中包括在船舶、一些發(fā)電廠和海水淡化等方面應(yīng)用廣泛的白銅。因其遭受長(zhǎng)期的海水沖刷腐蝕，若耐腐蝕性能沒(méi)有達(dá)到使用要求就會(huì)出現(xiàn)腐蝕失效現(xiàn)象，從而造成巨大損失。因此白銅以其良好的耐海水腐蝕（尤其良好沖刷腐蝕性能）和抗腐蝕疲勞性能，優(yōu)良的冷、熱加工工藝性能以及較高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等性能日益受到人們的關(guān)注。綜述了不同白銅合金的成分、應(yīng)用場(chǎng)合和國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠家并總結(jié)了銅鎳合金耐蝕性的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：白銅；成分；耐腐蝕性；  作者：陸菁  

應(yīng)用中圖分類(lèi)號(hào)：TG146.15文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著海洋業(yè)的發(fā)展，海水冷卻系統(tǒng)選材從早期的TUP紫銅、鋁黃銅、不銹鋼，發(fā)展為目前耐海水腐蝕性能較好的銅鎳合金。白銅以鎳為主要元素，并含有少量的Fe，Mn等元素，可形成連續(xù)的α-單相固溶體，使其具有較好的延展性，沖擊性和熱穩(wěn)定性。同時(shí)銅鎳的無(wú)限固溶使其在后期的冷熱加工中不會(huì)發(fā)生相變，所以對(duì)合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性能影響甚微。本文介紹了不同白銅合金及其應(yīng)用場(chǎng)合，并總結(jié)銅鎳合金研究進(jìn)展。圖1為海上平臺(tái)系統(tǒng)，圖2為材料性能要求。

1、銅鎳合金的分類(lèi)

表1是白銅合金的牌號(hào)及元素組成，白銅可分為錳白銅、鐵白銅、普通白銅、鋁白銅和鋅白銅，由于其中的Ni元素含量的不同，使其性能有所差異，應(yīng)用的場(chǎng)合也不同。由于其具有無(wú)可替代的耐腐蝕性能及諸多性能較傳統(tǒng)合金優(yōu)越，因此具有較大的應(yīng)用潛力。

2、銅鎳合金的性能及其應(yīng)用

普通白銅一般為結(jié)構(gòu)銅鎳合金，除了具有較高的耐腐蝕性能之外，在高溫和低溫下有較好的綜合力學(xué)性能，即塑性和韌性都較好，一般作為棒材或帶材。同時(shí)，在普通白銅的基礎(chǔ)上添加一些微量合金元素如Fe，Mn，Zn和Al等，可達(dá)到實(shí)際應(yīng)用上的特殊性能要求，更好地滿足工業(yè)需求。

應(yīng)用***廣泛的鐵白銅是BFe10-1-1（C70600）和BFe30-1-1（C71500），當(dāng)Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%和10%時(shí)，合金的鈍化區(qū)間較寬，耐腐蝕性能***好。且該合金還具有超強(qiáng)的耐海水沖刷腐蝕性能，被稱(chēng)為“海洋工程合金”，銅及銅合金在海洋工程領(lǐng)域的主要應(yīng)用如表2所示。BFe10-1-1和BFe30-1-1合金具有良好的耐海水沖刷腐蝕性能、高的傳熱系數(shù)、優(yōu)良的力學(xué)/焊接性能、抑制海洋微生物附著等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于船舶主、輔機(jī)的冷卻水管、海上采油平臺(tái)的消防管路、電廠的熱交換器、濱海核電站凝汽器，海水淡化多

級(jí)閃蒸裝置的鹽水加熱器[2-4]。同時(shí)BFe30-1-1合金具備更高的強(qiáng)度，也應(yīng)用于一些海洋裝置的軸、緊固件、閥桿和凸緣等高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件。耐海水沖刷腐蝕和耐砂蝕性能較好的BFe30-2-2合金的研制是為了應(yīng)對(duì)東海水域海水含砂量大的問(wèn)題。

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BFe10-1-1和BFe30-1-1合金管材硬態(tài)下的力學(xué)性能應(yīng)滿足：抗拉強(qiáng)度≥370MPa，屈服強(qiáng)度≥150MPa，伸長(zhǎng)率≥18%，維氏硬度≥85；耐蝕性能：腐蝕量（50℃，3.5%NaCl海水）≤0.025mm/a，不允許有點(diǎn)蝕現(xiàn)象出現(xiàn)。

錳白銅(BMn3-12合金)的電阻系數(shù)適中、電阻溫度系數(shù)小且較穩(wěn)定，因其良好的電氣性能，BMn3-12合金可以用來(lái)制作標(biāo)準(zhǔn)電阻和其他精密儀器儀表的電阻元件。隨著時(shí)代發(fā)展，對(duì)儀器的精密度要求越來(lái)越高，所以對(duì)此合金的研究不能止步于改變合金成分和含量[6]。秦芳莉等[7]通過(guò)退火、水平擠壓失效和拉拔工藝使BMn3-12合金具有特殊的共格孿晶界，可以在不影響材料導(dǎo)電性的情況下提高材料的強(qiáng)度。BMn40-1.5合金是比BMn3-12合金應(yīng)用更早的電工銅鎳合金，因其電阻溫度系數(shù)較小，故耐熱性較好，可在較寬的溫度范圍內(nèi)使用。相比于BMn3-12合金，BMn40-1.5合金對(duì)銅的熱電勢(shì)較高，故適用作交流用的精密電阻、滑動(dòng)電阻、啟動(dòng)、調(diào)節(jié)變壓器及電阻應(yīng)變計(jì)等[8]。

鋁白銅既有高的強(qiáng)度，也有良好的塑性和韌性。其中BAl13-3合金常用來(lái)制作較高強(qiáng)度的耐蝕件，BAl16-1.5合金用于制造具有重要用途的扁彈簧。長(zhǎng)久以來(lái)，為了提高鋁白銅的使用性能，常加入少量的微量元素使鋁白銅產(chǎn)生強(qiáng)化基體，在保持較高的強(qiáng)度的前提下?lián)碛辛己玫膶?dǎo)電性，以滿足實(shí)際應(yīng)用要求。由于鋁白銅具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性能及良好的耐磨性能，可做引線框架和耐磨件的潛在材料[9-11]。

鋅白銅（BZn18-18BZn15-20合金）也被稱(chēng)作“德國(guó)銀”[12]。由于鋅白銅具有良好的抗拉強(qiáng)度、抗疲勞性能和抗腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)，主要被用作元器件或晶體的外殼、醫(yī)療器械用具、建筑用材和管樂(lè)器外殼等[13]。

3、銅鎳合金生產(chǎn)工廠及性能需求

3.1銅鎳合金生產(chǎn)工廠

銅鎳合金在海洋中常被制成合金管使用，不管是海水淡化還是艦船用排水管道，都對(duì)其提出了較高的性能要求。圖3為銅鎳合金管生產(chǎn)流程示意圖。國(guó)外***的銅冷凝管生產(chǎn)工廠有：美洲黃銅阿那康達(dá)公司、德國(guó)杜伊斯堡、日本神戶(hù)、住友、韓國(guó)豐山和英國(guó)有色金屬研究所等[14]。目前國(guó)內(nèi)BFe10-1-1合金管生產(chǎn)較大的規(guī)格為中鋁洛銅生產(chǎn)的直徑324mm和江蘇高新張桐曾試驗(yàn)的直徑324mm×4mm的合金管。德國(guó)生產(chǎn)的直徑324mm×16mm的大口徑白銅管，由于技術(shù)成熟用于出口。法國(guó)生產(chǎn)的BFe10-1-1合金管規(guī)格***大為直徑400mm，用于軍工出口[15]。部分生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)能見(jiàn)表3。

3.2銅鎳合金性能需求

隨著我國(guó)海洋船舶工業(yè)、海洋石油和天然氣業(yè)、海洋礦業(yè)、海洋電力和海水淡化產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)材料的要求也越來(lái)越高[16]。其中銅鎳合金管使用較多，艦船用銅合金冷凝管長(zhǎng)期在高溫、高壓及腐蝕性很高的冷卻介質(zhì)-海水環(huán)境中工作。因此，僅僅產(chǎn)品的化學(xué)成分、力學(xué)性能、耐海水腐蝕性滿足要求已不夠，還要嚴(yán)格要求幾何尺寸精度、工藝性能和內(nèi)部組織等指標(biāo)，同時(shí)還要求銅鎳合金管具有較好的耐腐蝕性能、高傳熱系數(shù)、大口徑、高精度，優(yōu)良的機(jī)械焊接技術(shù)，較好的抑制海洋微生物附著[17]等特性。

目前國(guó)內(nèi)由于加工設(shè)備問(wèn)題，導(dǎo)致大口徑的銅管合金還無(wú)法大批量生產(chǎn)，主要依靠國(guó)外進(jìn)口。因此大口徑銅管生產(chǎn)難關(guān)仍需努力攻破。

4、銅鎳合金研究進(jìn)展

4.1銅鎳合金腐蝕機(jī)制

圖4是白銅在含氧海水中腐蝕反應(yīng)各個(gè)過(guò)程，圖中的AB線是白銅在海水中的陰極反應(yīng)過(guò)程，可表示為：1/2[O2]+[H2O]+2e?=2[OH?]

（1）圖4中的CD線是白銅在海水中不發(fā)生鈍化的陽(yáng)極反應(yīng)過(guò)程?？杀硎緸椋篊u=Cu++e?

（2）圖4中T1，T2，T3曲線是白銅在海水中發(fā)生鈍化的陽(yáng)極反應(yīng)過(guò)程。EF線是白銅由于缺氧而發(fā)生析氫反應(yīng)過(guò)程，因此在此過(guò)程中既不發(fā)生鈍化，也不形成腐蝕產(chǎn)物。Cu(orCu2O)=Cu2++2e?2[Cu2+]+3[OH?]+[Cl?]=Cu2(OH)3Cl

4.2銅鎳合金耐腐蝕性研究

為滿足海洋業(yè)材料使用性能要求，對(duì)于提高銅鎳合金耐腐蝕性能人們做了大量研究。鄧楚平等[19]發(fā)現(xiàn)，加入稀土Ce的白銅的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都有所提高，晶粒組織更加致密并且加入稀土Ce可以改善合金在含硫的介質(zhì)中的典型的脫鎳腐蝕傾向。Jiang等[20]研究了不同F(xiàn)e含量對(duì)B10合金組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著Fe含量的增加耐腐蝕性能呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，但并沒(méi)有對(duì)其中的耐腐蝕機(jī)理做進(jìn)一步的研究。北京有色金屬研究院的張嘉凝[21]通過(guò)控制Fe/Mn比例以找到提高B10耐腐蝕性能的***佳合金配比，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)Fe/Mn=3:2時(shí)，此時(shí)合金的耐腐蝕性能***好。中國(guó)科學(xué)院的Ma等[22]發(fā)現(xiàn)，采用固溶+冷軋變形+再結(jié)晶退火工藝可以使晶界和孿晶界數(shù)量增多，從而可以得到耐腐蝕性能較好的合金。

5、結(jié)論

本文主要以銅鎳合金為切入點(diǎn)，闡述了不同銅鎳合金的化學(xué)成分及其應(yīng)用場(chǎng)合，介紹了國(guó)內(nèi)外***的銅冷凝管生產(chǎn)工廠，國(guó)內(nèi)海洋系統(tǒng)管路用銅鎳合金管的性能需求和銅鎳合金發(fā)展的未來(lái)趨勢(shì)，總結(jié)了銅鎳合金主要研究進(jìn)展，目前主要從加入微量稀土元素、加入不同含量Fe元素、改變基體合金元素的配比和晶界工程等方面來(lái)提高銅鎳合金的耐蝕性。

來(lái)源：中國(guó)知網(wǎng)  作者：陸菁