摘要:在簡單黃銅中加入其它元素,使其成為復(fù)雜黃銅。此時(shí)復(fù)雜黃銅具有簡單黃銅所不具備的高強(qiáng)度、高耐磨性及高耐沖擊性,其強(qiáng)化方式為固溶強(qiáng)化和顆粒強(qiáng)化。當(dāng)合金設(shè)計(jì)出來后,若加工工藝和熱處理制度制定得不當(dāng),也會(huì)降低合金設(shè)計(jì)的預(yù)期值。

關(guān)鍵詞:復(fù)雜黃銅;固溶強(qiáng)化;顆粒強(qiáng)化;合金設(shè)計(jì)

中圖分類號: TF805.1　文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A　文章編號: 1006- 0308(1999) 05- 0040- 05

1.前言

近年來,一些使用環(huán)境比較惡劣的場合對工程材料提出越來越高的要求。簡單黃銅、簡單鋁黃銅及簡單錳黃銅已不能滿足實(shí)際的使用要求,迫使材料設(shè)計(jì)人員根據(jù)不同的特殊需求來設(shè)計(jì)出更多的合格新合金。尤其是航空、航海及汽車等工業(yè)對耐磨、耐沖蝕、高強(qiáng)度的復(fù)雜黃銅的迫切需求,使得各國對這一領(lǐng)域投入了大量的人力、物力,相繼開發(fā)、研制出了一批新牌號的合金。復(fù)雜黃銅的合金設(shè)計(jì)包括材料成分的設(shè)計(jì)與加工工藝的設(shè)計(jì)以及熱處理制度的設(shè)

計(jì)。

2.強(qiáng)化原理

為了提高材料的強(qiáng)度,一般可通過固溶強(qiáng)化、顆粒強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化等途徑來達(dá)到目的。復(fù)雜黃銅的設(shè)計(jì)過程,利用的是顆粒強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化使其具有高的強(qiáng)度和耐磨性。

2.1固溶強(qiáng)化

固溶強(qiáng)化就是固溶體中的溶質(zhì)原子與運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)相互作用而引起的流變應(yīng)力的增加。在固溶體中加入溶質(zhì)原子,基體原子與溶質(zhì)原子的尺寸差別用“尺寸錯(cuò)配”參數(shù)表示。當(dāng)存在尺寸錯(cuò)配時(shí),其與位錯(cuò)的交互作用能是因局部晶體點(diǎn)陣發(fā)生畸變而引起的應(yīng)變場所產(chǎn)生的。對于球形畸變講,刃型位錯(cuò)獲得***大力為

f=μb2δ　　　　　　　　　　　(1)

其中: f—超彈性作用力

μ—剪切模量

b—柏氏矢量

δ—尺寸錯(cuò)配參數(shù)

由式(1)可見,超彈性作用力與尺寸錯(cuò)配參數(shù)成正比。

在溶質(zhì)原子的周圍,晶體的原子結(jié)合力發(fā)生了改變,可用“模量錯(cuò)配”參數(shù)來表示。當(dāng)存在模量錯(cuò)配時(shí),由于位錯(cuò)應(yīng)變場正比于剪切模量,所以晶體中的介彈性作用能為:

E=ηWsΨ+ XWdΨ　　　　　　　(2)

其中: E—位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的介彈性作

用能

η—剪切模量錯(cuò)配參數(shù)

X—體積模量錯(cuò)配參數(shù)

Ws—剪切能密度

Wd—膨脹能密度

Ψ—原子體積

位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的介彈性交互作用能與剪切模量錯(cuò)配參數(shù)、體積模量錯(cuò)配參數(shù)成正比。

這樣,由于固溶原子的存在,引起f和E的變化,***終起到晶體變形阻力的增加,產(chǎn)生了固溶強(qiáng)化的效果。

2.2顆粒強(qiáng)化

位錯(cuò)與冶金障礙的相互作用,產(chǎn)生了兩相合金的高強(qiáng)度。一般來講,沉淀析出的質(zhì)點(diǎn)是***有效的障礙物。與位錯(cuò)發(fā)生交互作用的顆?？梢苑譃辄c(diǎn)狀障礙物和延性障礙物。點(diǎn)狀障礙物與位錯(cuò)發(fā)生直接的物理接觸,而延性障礙物則只在有限的距離內(nèi)與位錯(cuò)發(fā)生交互作用。另外,

顆粒還可根據(jù)位錯(cuò)的掃過方式劃分,位錯(cuò)可切過的顆粒稱為弱障礙物,不可切過的稱之為強(qiáng)障礙物。這樣就產(chǎn)生了兩種機(jī)制,即切過機(jī)制和繞過機(jī)制。當(dāng)有顆粒存在時(shí),增加了金屬的流變應(yīng)力,金屬在發(fā)生形變的過程中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到顆粒的阻力。在基體與質(zhì)點(diǎn)的界面上存在

τmax=μb2r　　　　　　　(3)

式中r為質(zhì)點(diǎn)半徑,由式(3)可發(fā)現(xiàn)***大局部應(yīng)力τmax與質(zhì)點(diǎn)半徑成反比,也就是說質(zhì)點(diǎn)半徑越小,強(qiáng)化效果越好。

通常所使用的強(qiáng)化合金中具有不同相互作用強(qiáng)度和相互作用機(jī)制的溶質(zhì)原子,引起復(fù)雜強(qiáng)化。例如固溶強(qiáng)化加質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化加位錯(cuò)強(qiáng)化。對于復(fù)雜黃銅的合金設(shè)計(jì),采用的是固溶強(qiáng)化加質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化.

2.3耐磨性

復(fù)雜黃銅在具有磨損和沖蝕的環(huán)境中使用,在合金設(shè)計(jì)過程中不僅要考慮高強(qiáng)度,還要考慮其耐磨性、耐沖擊性等要求。復(fù)雜黃銅在使用中,摩擦方式實(shí)際為金屬塊相互滑過而造成的磨損。兩個(gè)金屬塊之間的相互沖擊引起的逐漸變化稱之為“沖蝕磨損”。實(shí)踐證明,在含有軟相的基體中分布著一些硬相顆粒,是理想的耐磨材料。在磨損過程中有部分硬相質(zhì)點(diǎn)自基體脫落并存在于摩擦面,產(chǎn)生類似于滾動(dòng)摩擦的方式效果比較好。并且由于基體具有一定的韌性,就可使材料在受到?jīng)_擊時(shí)對沖擊力有所減緩。由磨損定律可知,磨損體積與材料硬度成反比。

W=kLH　　　　　　　　　　　(4)

式中: W—磨損體積; k—摩擦系數(shù);L—法向載荷, H—材料硬度。

3.合金設(shè)計(jì)

在簡單黃銅中加入Al、Mn、Ni、Fe、Si、Sn、Ti等元素,以Al為第三主元素的合金稱為復(fù)雜鋁黃銅,以Mn為第三主元素的合金稱為復(fù)雜錳黃銅。目前在工程材料中使用較廣泛的主要是以上兩種復(fù)雜黃銅,下面以復(fù)雜鋁黃銅為例說明合金的設(shè)計(jì)。在國際上應(yīng)用較多的復(fù)雜鋁黃銅如表1所示。這些合金牌號使用于不同的場合,其所具有的各項(xiàng)性能也是有著一定的差別。我國為了滿足汽車工業(yè)、航空工業(yè)對耐磨復(fù)雜鋁黃銅的需求,有關(guān)方面研制、開發(fā)出了許多新的牌號,如HAl61- 4- 3- 1、HAl63- 3- 1、HAl65- 5- 4- 3、HAl67- 5- 3- 1、H59GM、H59GM- 1等。

3.1Al元素的作用

Al為強(qiáng)化母相的有效元素。Al的原子半徑為1.43 ,大于Cu(原子半徑為1.28 )和Zn(原子半徑為1.37 )的原子半徑。Al溶入Cu- Zn合金中以置換原子的形式存在,當(dāng)Al置換了晶格中的Cu或Zn原子后,使晶體的固有應(yīng)力場的周期性在局部發(fā)生了變化,晶體的晶格發(fā)生了一定的畸

變,這樣就引起了晶體彈性應(yīng)力場發(fā)生改變。當(dāng)合金在外力作用下通過運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)產(chǎn)生形變時(shí),彈性應(yīng)力場與運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)發(fā)生交互作用,增加了合金的變形阻力,從宏觀上來看就提高了合金的強(qiáng)度。流變應(yīng)力的增加與溶質(zhì)原子的濃度成正比,稱之為“逐漸硬化”。在Cu- Zn合金中加入Al元素,還可大大地提高β相的穩(wěn)定性,增強(qiáng)了基體的強(qiáng)度,效果特別明顯。Al含量還可對α相和β相的相對比率產(chǎn)生很大影響。因?yàn)锳l可縮小α相區(qū),所以一般來講Al含量超過8%,則可降低合金的熱加工性。通常對Al含量的控制為不出現(xiàn)或少量出現(xiàn)γ相為宜.

3.2Fe、Si的作用

Fe在黃銅中的溶解度極小,超過溶解度的Fe以富鐵相微粒析出,作為“人工晶核”細(xì)化鑄錠晶粒。并且還可提高再結(jié)晶溫度,抑制退火時(shí)再結(jié)晶晶粒長大,提高合金強(qiáng)度。Si在合金中可與其它元素生成金屬間化合物。如可和Fe生成Fe3Si,和Mn生成Mn5Si3等。當(dāng)Si的含量大于2.0%時(shí),使合金脆化;小于1.0%則生成的金屬間化合物太少。

應(yīng)注意的是當(dāng)合金中形成以Fe3Si為主的富鐵相顆粒后,隨著Fe含量的增加,富鐵相顆粒的形態(tài)由粒狀※塊狀※條狀發(fā)生變化。

HAl61- 4- 3- 1合金經(jīng)加工后***終產(chǎn)品的相組織中?？煞从掣昏F相質(zhì)點(diǎn)呈細(xì)小、彌散均勻分布,形態(tài)為球狀。顆粒尺寸大約為2× 10- 1μm,這一點(diǎn)與文獻(xiàn)〔2〕中所指出的強(qiáng)化顆粒必須為彌散分布,其尺寸為亞微米級是一致的。這些細(xì)小顆粒一方面在金屬發(fā)生變形時(shí)對位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起到一定的阻攔,使位錯(cuò)線必須攀越顆粒才能向前運(yùn)動(dòng),增強(qiáng)了材料的流變應(yīng)力。另一方面又可在磨損過程中從基體脫落,滯留于兩個(gè)摩擦面之間,產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦作用,減少了合金的體積磨損,起到了耐磨作用。

3.3其它添加元素的作用

Mn在黃銅中的溶解度較大,室溫下可達(dá)4%,但在復(fù)雜黃銅中由于受其它元素的影響,其溶解度有所下降。Mn還可與Si結(jié)合,生成六方結(jié)構(gòu)的Mn5Si3,晶格參數(shù)為a= 6.9 、c= 4.8 。在鑄造產(chǎn)品中Mn5Si3為棒狀,在加工過程中被破碎成塊狀。因?yàn)镸n5Si3硬度相當(dāng)高,從而提高了合金的耐磨性。

Ni主要提高材料的抗蝕性與韌性。Ni和Al結(jié)合,可生成球狀的Ni3Al,引起明顯的沉淀硬化。但Ni具有抑制β相析出的作用,應(yīng)引起注意。

Sn能少量溶于α相及(α+ β)黃銅中,起抑制脫鋅的作用,能提高材料的抗蝕能力,改善耐磨性,但Sn可導(dǎo)致鑄錠的反偏析。

3.4α相和β的相對含量

為了保證合金不僅要具有一定的強(qiáng)度、硬度使之耐磨損;而且還要保證其能夠經(jīng)受一定的沖擊,具有一定的韌性。這就使得合金中的α相與β相的相對含量有一定的要求。有資料指出當(dāng)合金中除Cu、Zn、Al以外其它元素不變的情況下,α相與β相含量百分比為66%/33%時(shí),其性能бb為550MPa、δ10為8.0%、HB為146 kg/mm2;當(dāng)α相與β相含量百分比為27%/62%時(shí),бb為760 MPa、δ10為7.0%、HB為179 kg/mm2。由此可見,β相相對含量高的合金抗拉強(qiáng)度及硬度均高。一般為了降低材料的成本,盡可能使Zn含量高些,為了避免產(chǎn)生較多的

γ相而使材料的韌性降低, Zn的含量在設(shè)計(jì)合金時(shí)應(yīng)有一個(gè)控制的上限。Al顯著縮小α相區(qū)。

因此,在設(shè)計(jì)合金的相組織時(shí),要將以上幾個(gè)方面的因素綜合到一起考慮,并兼顧加工工藝和熱處理制度使***終獲得理想的相組織。

4.加工工藝與熱處理制度

當(dāng)合金鑄成錠坯后,加工工藝和熱處理制度的制定就成為決定材料是否合格的關(guān)鍵因素。加工工藝包括加熱溫度、加工率等。熱處理制度包括中間熱處理和***終熱處理等。所以加工工藝及熱處理制度要根據(jù)合金的成分、性能參數(shù)的要求、相組織的變化等幾個(gè)方面因素并結(jié)合相圖來制定。若加工工藝及熱處理制度制定得不合理,即使生產(chǎn)出合格的鑄錠來,***終產(chǎn)品也可能不合格。加工工藝及熱處理制度制定得合理,組織強(qiáng)化質(zhì)點(diǎn)細(xì)小、彌散,晶界上存在有少量的α相,β相中分布著少量塊狀的γ相。它的HRB> 100,具有較高的硬度。

HAl 61- 4- 3- 1合金加工工藝及熱處理制度制定得欠佳,鑄錠在加工前進(jìn)行加熱時(shí)保溫時(shí)間過長,使得強(qiáng)化顆粒發(fā)育較大,約為10μm。在隨后的變形中位錯(cuò)攀越顆粒的阻力加大,運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)只有拖曳著顆粒一起進(jìn)行局部運(yùn)動(dòng)。當(dāng)位錯(cuò)線上拖曳的顆粒達(dá)到一定數(shù)目時(shí),位錯(cuò)線彎曲增大,其張力也隨之增大。當(dāng)位錯(cuò)線的張力達(dá)到一定值時(shí),其能量已足以擺脫顆粒的釘扎,并攀越顆粒、繼續(xù)向前滑移。在位錯(cuò)線身后留下一串鏈狀的顆粒分布,這條鏈狀的質(zhì)點(diǎn)分布實(shí)際是多條位錯(cuò)線的共同效果。為了說明熱處理制度對合金組織的重要性,下面做了一組實(shí)驗(yàn)來證實(shí)這個(gè)問題。將同一成分的合金按三種不同的熱處理方式處理。

(1)選取HAl67- 5- 3- 1合金加熱至900℃、保溫半小時(shí)、空冷,此時(shí)基體為β相,顏色較淺的塊狀或柳葉狀的為α相,硬化顆粒此時(shí)已從基體中沉淀析出并呈均勻、彌散分布。此種情況下各項(xiàng)性能指標(biāo)均較好, HB可達(dá)193 kg/mm2。特別要注意的是α相中也有強(qiáng)化顆粒的存在,說明固溶元素及強(qiáng)化質(zhì)點(diǎn)對α相也起到了強(qiáng)化作用。

(2)選取HAl 67- 5- 3- 1合金,加熱至900℃、保溫半小時(shí)、水淬,水淬后的合金中,添加元素基本上已全部固溶于基體中,只是在晶界上有小點(diǎn)狀的鉛相,較大的塊狀為γ相。因?yàn)閬聿患斑M(jìn)行β※α轉(zhuǎn)變,在高溫時(shí)的β相全部保留至室溫。這就使得此時(shí)的合金雖然有著較高的硬度,但是延伸率較低,韌性比較差。

(3)選取HAl 67- 5- 3- 1合金,加熱至900℃ ,保溫半小時(shí),緩慢冷卻至室溫冷卻時(shí)間24 h,當(dāng)合金長時(shí)間緩慢冷卻時(shí),β※α轉(zhuǎn)變進(jìn)行得相當(dāng)充分,α相的含量已超過了β相,并且α相的單個(gè)體積要大得多,形成對β相的蠶食形態(tài)。固溶元素在高溫下形成的顆粒相互聚集并長大,部分呈六邊形的塊狀,還有部分成多邊形的棒狀及三角形形態(tài)。因固溶元素從基體中析出較多,并且細(xì)小的強(qiáng)化質(zhì)點(diǎn)已發(fā)育成為大塊的顆粒,這就使得合金失去了按強(qiáng)化合金設(shè)計(jì)的初衷。

5.結(jié)論

復(fù)雜黃銅的設(shè)計(jì)是根據(jù)工程材料對各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求進(jìn)行的。產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用的元素的選擇及含量、顆粒強(qiáng)化作用的元素的選擇及含量、α相及β相的相對含量、加工工藝及熱處理制度的***佳制定等因素與***終產(chǎn)品是否合格密切相關(guān)。合金的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程,對每個(gè)環(huán)節(jié)及因素應(yīng)予綜合考慮。

來源;中國知網(wǎng)   作者：郭淑梅