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

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

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際的使用要求,迫使材料設(shè)計人員根據(jù)不同的特殊需求來設(shè)計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)計包括材料成分的設(shè)計與加工工藝的設(shè)計以及熱處理制度的設(shè)

計。

2.強化原理

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

2.1固溶強化

固溶強化就是固溶體中的溶質(zhì)原子與運動位錯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“尺寸錯配”參數(shù)表示。當(dāng)存在尺寸錯配時,其與位錯的交互作用能是因局部晶體點陣發(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—尺寸錯配參數(shù)

由式(1)可見,超彈性作用力與尺寸錯配參數(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“模量錯配”參數(shù)來表示。當(dāng)存在模量錯配時,由于位錯應(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—位錯與溶質(zhì)原子的介彈性作

用能

η—剪切模量錯配參數(shù)

X—體積模量錯配參數(shù)

Ws—剪切能密度

Wd—膨脹能密度

Ψ—原子體積

位錯與溶質(zhì)原子的介彈性交互作用能與剪切模量錯配參數(shù)、體積模量錯配參數(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)生了固溶強化的效果。

2.2顆粒強化

位錯與冶金障礙的相互作用,產(chǎn)生了兩相合金的高強度。一般來講,沉淀析出的質(zhì)點是***有效的障礙物。與位錯發(fā)生交互作用的顆?？梢苑譃辄c狀障礙物和延性障礙物。點狀障礙物與位錯發(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)與位錯發(fā)生交互作用。另外,

顆粒還可根據(jù)位錯的掃過方式劃分,位錯可切過的顆粒稱為弱障礙物,不可切過的稱之為強障礙物。這樣就產(chǎn)生了兩種機制,即切過機制和繞過機制。當(dāng)有顆粒存在時,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運動受到顆粒的阻力。在基體與質(zhì)點的界面上存在

τmax=μb2r　　　　　　　(3)

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

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

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)計過程中不僅要考慮高強度,還要考慮其耐磨性、耐沖擊性等要求。復(fù)雜黃銅在使用中,摩擦方式實際為金屬塊相互滑過而造成的磨損。兩個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)點自基體脫落并存在于摩擦面,產(chǎn)生類似于滾動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

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。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動位錯產(chǎn)生形變時,彈性應(yīng)力場與運動位錯發(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,增強了基體的強度,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。因為Al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,抑制退火時再結(jié)晶晶粒長大,提高合金強度。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,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,這一點與文獻(xiàn)〔2〕中所指出的強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)生變形時對位錯的運動起到一定的阻攔,使位錯線必須攀越顆粒才能向前運動,增強了材料的流變應(yīng)力。另一方面又可在磨損過程中從基體脫落,滯留于兩個摩擦面之間,產(chǎn)生滾動摩擦作用,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。因為Mn5Si3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,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,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)計合金時應(yīng)有一個控制的上限。Al顯著縮小α相區(qū)。

因此,在設(shè)計合金的相組織時,要將以上幾個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,組織強化質(zhì)點細(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)行加熱時保溫時間過長,使得強化顆粒發(fā)育較大,約為10μm。在隨后的變形中位錯攀越顆粒的阻力加大,運動位錯只有拖曳著顆粒一起進(jìn)行局部運動。當(dāng)位錯線上拖曳的顆粒達(dá)到一定數(shù)目時,位錯線彎曲增大,其張力也隨之增大。當(dāng)位錯線的張力達(dá)到一定值時,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。在位錯線身后留下一串鏈狀的顆粒分布,這條鏈狀的質(zhì)點分布實際是多條位錯線的共同效果。為了說明熱處理制度對合金組織的重要性,下面做了一組實驗來證實這個問題。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、空冷,此時基體為β相,顏色較淺的塊狀或柳葉狀的為α相,硬化顆粒此時已從基體中沉淀析出并呈均勻、彌散分布。此種情況下各項性能指標(biāo)均較好, HB可達(dá)193 kg/mm2。特別要注意的是α相中也有強化顆粒的存在,說明固溶元素及強化質(zhì)點對α相也起到了強化作用。

(2)選取HAl 67- 5- 3- 1合金,加熱至900℃、保溫半小時、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狀的鉛相,較大的塊狀為γ相。因為來不及進(jìn)行β※α轉(zhuǎn)變,在高溫時的β相全部保留至室溫。這就使得此時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,緩慢冷卻至室溫冷卻時間24 h,當(dāng)合金長時間緩慢冷卻時,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)小的強化質(zhì)點已發(fā)育成為大塊的顆粒,這就使得合金失去了按強化合金設(shè)計的初衷。

5.結(jié)論

復(fù)雜黃銅的設(shè)計是根據(jù)工程材料對各項性能指標(biāo)的要求進(jìn)行的。產(chǎn)生固溶強化作用的元素的選擇及含量、顆粒強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)計是一個系統(tǒng)工程,對每個環(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