高強度鑄銅材料CuAl11Fe6Ni6的試驗研究

劉寶安,高 祥,胡 靜

(中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所,北京100081)

高速鐵路動車組和大功率機車中的重要鑄造零件如調(diào)整圈、觸頭等要求使用高強度鑄銅CuAl11Fe6Ni6材料,其性能指標(biāo)要滿足:抗拉強度Rm≥750 MPa;屈服強度Rp0.2≥380 MPa;A≥5%。GB 1176—87中沒有合適的牌號能與之對應(yīng),其性能指標(biāo)都低于上述要求。因此,沒有現(xiàn)存的國標(biāo)材料可以直接采用,必須對材料進行試驗研制。

1 基本分析

CuAl11Fe6Ni6材料屬于鋁青銅,其特點是強度高,銅基中加入的主要合金元素是鋁和鎳。國外標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 1982《銅及銅合金—鑄錠與鑄件》,其中表35中列出的材料GM-CuAl11Fe6Ni6,其機械性能能夠滿足要求,可作為基本參考資料,其化學(xué)成分如表1。

2 初步試驗

參考表1中的化學(xué)成分,采用熔模鑄造方法進行初步試驗,使用QSN750光譜分析儀、CMT5305電子萬能試驗機對單鑄試樣和鑄件本體進行檢測,結(jié)果如表2。

表2所示的試驗結(jié)果說明,在化學(xué)成分都符合標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)材料牌號的情況下,其機械性能可能差別還很大,并且不合格。分析其原因,這與鑄造工藝有關(guān),所以在鑄造工藝不穩(wěn)定或不合理的情況下,進行化學(xué)成分試驗研究是無法達到預(yù)期效果的,有必要先對鑄造工藝方法進行研究。

3 鑄造工藝方法的對比試驗研究

在鑄造方法上,鑄銅件及其他有色合金除了采用砂型鑄造外,還廣泛采用金屬型鑄造、熔模鑄造、離心鑄造、低壓鑄造以及石墨型鑄造等多種特種鑄造方法。在銅合金鑄造中,采用金屬型鑄造方法,以加速合金的凝固,對提高鑄件質(zhì)量,減少鑄造缺陷,具有重要的作用。金屬型鑄造可細(xì)化晶粒(特別是對于鋁青銅),減少氣孔,提高合金的機械性能和氣密性。在不具備金屬型鑄造條件的情況下,采用熔模鑄造也是可行的,而在澆鑄時可采用快速凝固措施或采用熱處理手段來獲得細(xì)小晶粒的辦法。細(xì)晶強化原理告訴我們:晶粒尺寸減小,合金強度提高。一般情況下,多晶體強度及其晶粒尺寸間關(guān)系符合Hall-Petch公式:

式中σs為多晶體的屈服強度;σi為晶格摩擦力;k為常數(shù);d為平均晶粒直徑。細(xì)化晶粒的突出優(yōu)點是在提高強度的同時可以提高材料的塑性。這是由于晶粒細(xì)化后,材料變形時晶界處位錯塞積所造成的應(yīng)力集中可以得到有效緩解,推遲了裂紋的萌生,材料斷裂前可以實現(xiàn)較大的變形量。細(xì)化晶粒也正是由于這一優(yōu)點而得到了廣泛應(yīng)用。另外,澆冒口的位置和方向?qū)τ阼T件中是否存在鑄造缺陷的影響很大。所以,在澆冒口的位置、方向及其他工藝措施的選擇上要注意實現(xiàn)晶粒的細(xì)化和盡量避免鑄造缺陷的出現(xiàn)。

表1 化學(xué)成分的參考%

表2 CuAl11Fe6Ni6材料的初步試驗

以觸頭RC64622為例,試驗對比鑄造工藝對性能的影響,數(shù)據(jù)如表3。

表3所示試驗結(jié)果表明:對于觸頭RC64622這個鑄銅件來說,采用“平放,澆注時埋在沙子里”的措施,其效果最好。因此,可選用該種工藝方法。

4 所選工藝方法的驗證及化學(xué)成分的初選

在銅中添加適量合金元素形成固溶體,合金的強度一般將得到提高。引起固溶強化的因素包括點缺陷和位錯之間的彈性交互作用、電交互作用、化學(xué)交互作用等。在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M行固溶處理是合金獲得良好性能的關(guān)鍵工藝。

在鑄造鋁青銅中,鋁是主合金元素。在Cu-Al二元合金系中存在有α、β、γ2等相。其中α相是鋁溶于銅中的固溶體,具有較高的強度和良好的塑性;β相是以電子化合物Cu3Al為基的固溶體,具有較高的強度和塑性,但只穩(wěn)定地存在于565℃以上的溫度,當(dāng)溫度降至565℃以下時,β相發(fā)生共析轉(zhuǎn)變而形成α+γ2相;γ2相是以電子化合物Cu9Al4為基的固溶體,強度低,硬而脆。在常溫下,鋁的含量＜9%的鋁青銅應(yīng)具有單相α組織;鋁的含量在9%～12%時應(yīng)具有α+(α+γ2)組織;而鋁的含量＞12%時,應(yīng)具有γ2+(α+γ2)組織。

但是在實際鑄造過程中,由于冷卻速率不同而使轉(zhuǎn)變情況有所不同。為了進一步改善鑄造鋁青銅的力學(xué)性能,也不應(yīng)忽視其他輔助強化元素及雜質(zhì)元素的影響作用。

鋁青銅中Fe有3方面的作用,即細(xì)化晶粒、提高耐磨性和消除“緩冷脆性”。Fe含量超過4%時,則出現(xiàn)Al3Fe化合物(又稱K相)呈顆粒狀,此時Fe可以起到變質(zhì)作用細(xì)化晶粒,可以顯著減輕合金因“自發(fā)退火”而變脆的傾向。含鐵量進一步增加會有針狀A(yù)l3Fe析出,降低合金的力學(xué)性能。因此鋁青銅的Fe含量不超過6.5%。Mn的作用也有3方面,即固溶強化、提高耐腐蝕性和消除“緩冷脆性”。此外,Ni也能細(xì)化晶粒,能夠擴大鑄造鋁青銅的α相區(qū),提高鋁青銅的強度、硬度、熱穩(wěn)定性和耐蝕性。在復(fù)雜的高鋁青銅中同時加入Fe、Ni會有很高的綜合力學(xué)性能。

以上述有關(guān)理論和標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 1982為參考,在選定的工藝條件下,完成觸頭RC64622的鑄造試驗,所得數(shù)據(jù)如表4。

從表4所列試驗結(jié)果可見,在工藝方法合適的前提下,當(dāng)化學(xué)成分中Ni含量6.20%～6.90%,Fe含量4.30%～4.60%,Mn含量2.12%～2.35%,Al含量9.40%～9.60%時,所得CuAl11Fe6Ni6材料鑄銅件的機械性能指標(biāo)接近要求數(shù)值。

表3 鑄銅件的鑄造工藝對其性能的影響

表4 觸頭RC64622在選定工藝條件下的試驗結(jié)果

5 化學(xué)成分的優(yōu)選

從化學(xué)成分初選試驗結(jié)果(表4)中,也可以看出:其機械性能指標(biāo)只是接近要求值,況且在批量生產(chǎn)的波動過程中還不夠穩(wěn)定,因此有必要對化學(xué)成分進行優(yōu)化。有關(guān)理論指出,在Cu-Al-Ni-Fe鋁青銅中出現(xiàn)Ni-Fe-Al相(通稱為K相),合金中的含鋁量、鐵鎳含量及相互比例都會影響K相的析出及合金性能。當(dāng)合金中含鎳量大于鐵時,K相呈層狀析出;含鐵量大于鎳時,K相以塊狀析出。只有當(dāng)鐵鎳含量大致相同時,K相以細(xì)粒狀析出,這樣合金能得到較高的力學(xué)性能。另外,適當(dāng)提高Al含量,可以提高材料的合金化程度,從而提高合金的強度。

根據(jù)上述理論的指導(dǎo),試驗結(jié)果如表5。

根據(jù)表5試驗數(shù)據(jù),并對比表4所示的結(jié)果,可以看出:Al含量相對較高,控制在10%～12%,并且Fe、Ni含量大致相同,控制在6%～7%時,材料的力學(xué)性能最高;而當(dāng)Al含量降低并且Fe、Ni含量有一定差距時,材料的力學(xué)性能要下降。與前述理論吻合。因此在生產(chǎn)中要控制鋁含量、鐵鎳含量及相互比例,同時要嚴(yán)格控制其他雜質(zhì)元素的含量,即可獲得較為滿意的力學(xué)性能。

6 CuAl11Fe6Ni6鑄銅件批量生產(chǎn)的結(jié)果驗證

批量生產(chǎn)中典型高強度鑄銅件觸頭和調(diào)整圈的實際測試結(jié)果如表6。表中數(shù)據(jù)顯示,CuAl11Fe6Ni6材料批量產(chǎn)品的測試指標(biāo)完全滿足了設(shè)計的使用性能要求。

表5 CuAl11Fe6Ni6化學(xué)成分的優(yōu)選試驗結(jié)果

表6 批量驗證結(jié)果

[1] 劉 平,趙冬梅,田保紅著.高性能銅合金及其加工技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2005.

[2] 李炯輝,林德成主編.金屬材料金相圖譜下冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[3] 魏華勝主編.鑄造工程基礎(chǔ)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[4] 陳 琦,彭兆弟主編.鑄造技術(shù)問題對策[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.