摘要：海洋業(yè)的快速發(fā)展對海洋工程應(yīng)用材料提出越來越高的要求，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。因其遭受長期的海水沖刷腐蝕，若耐腐蝕性能沒有達(dá)到使用要求就會出現(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)用場合和國內(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)用中圖分類號：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。同時銅鎳的無限固溶使其在后期的冷熱加工中不會發(fā)生相變，所以對合金的力學(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)用場合，并總結(jié)銅鎳合金研究進(jìn)展。圖1為海上平臺系統(tǒng)，圖2為材料性能要求。

1、銅鎳合金的分類

表1是白銅合金的牌號及元素組成，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)用的場合也不同。由于其具有無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，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，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，被廣泛用于船舶主、輔機(jī)的冷卻水管、海上采油平臺的消防管路、電廠的熱交換器、濱海核電站凝汽器，海水淡化多

級閃蒸裝置的鹽水加熱器[2-4]。同時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)對東海水域海水含砂量大的問題。

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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。隨著時代發(fā)展，對儀器的精密度要求越來越高，所以對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合金對銅的熱電勢較高，故適用作交流用的精密電阻、滑動電阻、啟動、調(diào)節(jié)變壓器及電阻應(yīng)變計等[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。長久以來，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）也被稱作“德國銀”[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，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、德國杜伊斯堡、日本神戶、住友、韓國豐山和英國有色金屬研究所等[14]。目前國內(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的直徑324mm×4mm的合金管。德國生產(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)能見表3。

3.2銅鎳合金性能需求

隨著我國海洋船舶工業(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，對材料的要求也越來越高[16]。其中銅鎳合金管使用較多，艦船用銅合金冷凝管長期在高溫、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。

目前國內(nèi)由于加工設(shè)備問題，導(dǎo)致大口徑的銅管合金還無法大批量生產(chǎn)，主要依靠國外進(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)各個過程，圖中的AB線是白銅在海水中的陰極反應(yīng)過程，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)生鈍化的陽極反應(yīng)過程。可表示為：Cu=Cu++e?

（2）圖4中T1，T2，T3曲線是白銅在海水中發(fā)生鈍化的陽極反應(yīng)過程。EF線是白銅由于缺氧而發(fā)生析氫反應(yīng)過程，因此在此過程中既不發(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，但并沒有對其中的耐腐蝕機(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，此時合金的耐腐蝕性能***好。中國科學(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，闡述了不同銅鎳合金的化學(xué)成分及其應(yīng)用場合，介紹了國內(nèi)外***的銅冷凝管生產(chǎn)工廠，國內(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)展的未來趨勢，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提高銅鎳合金的耐蝕性。

來源：中國知網(wǎng)  作者：陸菁 

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