新型鋁青銅合金的組織與性能研究

楊春秀, 向朝建，陳忠平，張 曦

(中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，江蘇 蘇州215026)

鋁青銅具有良好的機(jī)械性能、加工性能和耐海水腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用在海洋工程結(jié)構(gòu)件中，如螺旋槳、泵用葉片、緊固件、海水管件、消防龍頭和閥等[1-3]。鋁青銅是固溶強(qiáng)化、形變強(qiáng)化和析出強(qiáng)化相結(jié)合的合金，可通過控制變形及熱處理工藝來控制析出相的相貌、大小和分布，以獲得強(qiáng)度與塑性的綜合平衡。國內(nèi)外開展了大量復(fù)雜鋁青銅的研究工作，這些研究主要分為兩大類，即鑄造鋁青銅[4-6]和加工鋁青銅的研究。目前國外對鑄造鎳鋁青銅合金的耐腐蝕、耐摩擦等性能研究較深入，國內(nèi)的研究僅集中在耐腐蝕性能方面。加工鋁青銅的研究主要集中在合金成分[7-9]、微觀組織[10-13]、加工工藝[14-15]、力學(xué)和耐磨性能[16-18]、耐腐蝕性能[19-23]等領(lǐng)域。國內(nèi)針對變形鎳鋁青銅的工藝、組織和性能的研究很少。本文研究了一種新型鎳鋁青銅合金不同退火工藝對合金管材顯微組織、力學(xué)性能和耐腐蝕性能的影響規(guī)律，獲得了綜合性能較好的退火工藝參數(shù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用高純電解銅為原料，采用帶有氮氣保護(hù)的中頻感應(yīng)爐熔煉合金。合金中的鐵、錳、鎳和鉻均以中間合金的形式加入，鋁以單質(zhì)的形式加入。用半連續(xù)鑄造機(jī)鑄造合金圓錠，鑄錠尺寸為Ф128mm×1200mm。鑄錠經(jīng)960℃保溫2h，在800T雙動擠壓機(jī)上熱擠至Ф60mm×7mm管坯，之后進(jìn)行粗拉、中間退火、精拉和成品退火，最終獲得規(guī)格為Ф25mm×2mm的退火態(tài)管材。試驗制備出的新型鋁青銅合金試樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Al 7.05，F(xiàn)e 2.02，Mn 1.95，Ni 2.05，Cr 0.05，Cu 余量。

1.2 試驗方法

試驗獲得的新型鋁青銅合金試樣其顯微組織采用NIKON EPIPHOT 200型金相顯微鏡和HRTEM-2010F型高分辨透射電子顯微鏡觀察。金相試樣的侵蝕劑為三氯化鐵鹽酸溶液(30ml HCl+10gFeCl3+120mlH2O)；HRTEM試樣采用HNO3∶CH3OH=1∶3電解液在-2℃下雙噴減薄，電壓為25V；雙噴試樣在Gaton Doumill離子減薄儀上減薄0.5h，透射電子顯微鏡加速電壓為200kV。試樣的拉伸試驗在CSS-44100型電子試驗機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度為1mm/min，按照GB/T228-2002《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》的要求制備標(biāo)準(zhǔn)試樣，每組試樣取3片測試。按照J(rèn)B/T6074-92《腐蝕試樣的制備、清洗和評定》和GB 10124-88《金屬材料試驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》，測試合金的年化腐蝕速率。

2 試驗結(jié)果

2.1 不同退火溫度下鋁青銅管材的力學(xué)性能

為了獲得新型鋁青銅合金管材合理的成品退火工藝，對新合金管材進(jìn)行成品退火后，檢測其力學(xué)性能。試驗選用均勻設(shè)計表的使用表(偏差0.1445，2因素8水平)，退火工藝和合金性能見表1和圖1。

表1 新型鋁青銅管材退火工藝均勻設(shè)計表及退火后的力學(xué)性能

圖1 新型鋁青銅管材力學(xué)性能-退火工藝關(guān)系曲線Fig.1 Relationship curve between mechanical properties and annealing process of a new type of aluminium bronze pipe

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，在400℃～500℃之間保溫1h～8h退火，鋁青銅合金管材的抗拉強(qiáng)度都保持著較高水平，抗拉強(qiáng)度接近890MPa，屈服強(qiáng)度接近750MPa；此時管材的延伸率卻很低，在1.7%附近有較小波動，至退火溫度650℃左右急速上升。退火溫度約550℃時，抗拉強(qiáng)度開始陡降，在750℃時，管材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均開始以較大坡度下降至最低，延伸率達(dá)到最高。

2.2 不同退火溫度下鋁青銅管材耐海水腐蝕性能

對退火工藝分別為， 600℃×1h、650℃×1h、700℃×1h、750℃×1h的管材進(jìn)行全浸均勻腐蝕，腐蝕時間為63d，鋁青銅合金管材的耐海水腐蝕性能結(jié)果見表2。從表2可以看出，650℃×1h和700℃×1h兩種退火工藝制度下，鋁青銅合金管材的耐海水腐蝕性能較低，分別為0.0125mm/a和0.0127mm/a。

表2 新型鋁青銅管材退火工藝及退火后的耐海水腐蝕性能

2.3 不同退火溫度下鋁青銅管材的顯微組織

對退火工藝分別為，600℃×1h、650℃×1h、700℃×1h、750℃×1h的管材進(jìn)行外觀組織觀察，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同退火溫度下鋁青銅管材典型的顯微組織Fig.2 Typical microstructure of aluminum bronze tubes at different annealing temperatures

圖2為不同退火溫度下鋁青銅管材典型的顯微組織，可以看出，圖2(a)管材經(jīng)600℃×1h退火后，在變形纖維基礎(chǔ)上開始出現(xiàn)細(xì)小再結(jié)晶晶芽，管材已經(jīng)開始再結(jié)晶，微觀組織與變形組織有明顯不同，晶粒間相互侵食、吞噬，使得軋制方向略有模糊，此時正是鋁青銅管材強(qiáng)度降低、塑性增強(qiáng)加快的時期。圖2(b)中合金組織發(fā)生完全再結(jié)晶，但生成晶粒尺寸細(xì)小、均勻；圖2(c)則顯示退火溫度到達(dá)700℃時，晶粒已經(jīng)明顯長大，晶界非常清晰；圖2(d)可看出在750℃晶粒粗化且尺寸差異大。

3 討論與分析

3.1 退火溫度對組織和性能影響

從不同退火溫度組織可以發(fā)現(xiàn)，在400℃～500℃之間保溫1h～8h退火，鋁青銅合金管材的抗拉強(qiáng)度都保持著較高水平，抗拉強(qiáng)度接近890MPa，屈服強(qiáng)度接近750MPa；此時管材的延伸率低，在1.7%附近有較小波動，至退火溫度650℃左右急速上升。從圖2(a)金相照片可知，650℃以下合金管材的顯微組織為典型的變形纖維組織，變形方向紋路清晰，管材此時強(qiáng)度高但延伸性能、耐腐蝕性能均較低。

退火溫度約550℃時，抗拉強(qiáng)度開始陡降，于600℃附近處出現(xiàn)拐點。在750℃時，管材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均開始以較大坡度下降至最低，延伸率達(dá)到最高，說明此時晶粒成長較快，這亦可由圖2(d)的顯微組織圖片上得到證實。同時750℃退火后晶粒尺寸在10μm左右，說明合金退火溫度仍在可接受范圍，未出現(xiàn)晶粒粗化。由于耐海水腐蝕銅管制造成品時需要進(jìn)行擴(kuò)口或壓扁等加工，晶粒粗大在加工時會使制品出現(xiàn)開裂，影響制品表面質(zhì)量和工程安裝，故退火溫度不宜超過750℃。由表2可知，在700℃附近退火后新型鋁青銅合金管材的年化腐蝕速率為最小值0.0125mm/a，且750℃退火時新型鋁青銅合金管材的年化腐蝕速率有一定提高，達(dá)到0.0150mm/a，降低了合金的耐海水腐蝕性能，這也說明退火溫度應(yīng)在700℃以內(nèi)。

當(dāng)退火溫度達(dá)到750℃時，抗拉強(qiáng)度隨退火溫度升高而穩(wěn)中略有上升；伸長率則出現(xiàn)一次較大波動，于750℃附近達(dá)到最大值(38.6%)，顯示出良好的塑性。圖2(d)顯示的是經(jīng)750℃×1h退火后合金管材的顯微組織情況，其晶粒比650℃×1h退火試樣的顯著增加，呈現(xiàn)明顯等軸狀，方向性不明顯。

3.2 析出相對性能影響

鋁青銅管材冷變形的組織產(chǎn)生加工硬化，保留了形變時形成的亞晶、位錯，這種形變強(qiáng)化過程使晶體內(nèi)部產(chǎn)生滑移，隨著變形程度的增大，晶粒及晶間物質(zhì)沿變形方向拉長，最后形成纖維組織，同時晶粒破碎，空位、位錯大量增加，如圖3所示，亞胞晶界尚不清晰，晶內(nèi)位錯糾纏密集，組織處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 擠壓態(tài)鋁青銅管材電鏡照片F(xiàn)ig.3 Electron microscopic photographs of extruded aluminium bronze pipe

此時，金屬由于吸收了部分變形能，以空位、位錯等形式儲存起來，而處于高能量狀態(tài)，具有自動恢復(fù)到低能量狀態(tài)的傾向，因室溫下金屬的原子擴(kuò)散能力很小這種不穩(wěn)定狀態(tài)不會發(fā)生明顯變化，但退火時隨著溫度的升高，將會發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶。

當(dāng)加熱溫度較低(低于600℃)時，冷變形組織主要發(fā)生回復(fù)，回復(fù)過程表現(xiàn)為形成亞晶組織的多邊形化過程，此時隨著溫度的升高，亞晶尺寸逐漸增大，位錯纏結(jié)逐漸消失，出現(xiàn)鮮明的亞晶界；溫度繼續(xù)升高及時間延長，某些亞晶粗化，形成再結(jié)晶核心，直至再結(jié)晶，同時合金中K相化合物析出，析出相均勻細(xì)小，彌散分布在α基體上，如圖4(a)(b)所示，這與宋德軍等人的研究結(jié)果一致[24]。

圖4 新型鋁青銅管材成品退火處理后析出相形貌Fig.4 Morphology of precipitated phases after annealing of a new type of aluminium bronze pipe

不完全軟化退火樣品的組織是變形的纖維組織基體上有再結(jié)晶晶核及再結(jié)晶晶粒出現(xiàn)；鋁青銅管材成品退火是軟化退火，其退火后內(nèi)部組織應(yīng)該是由再結(jié)晶組織和大量細(xì)小、均勻、彌散分布的K相組成，退火制度的確定應(yīng)該保證管材在加熱過程中完全發(fā)生回復(fù)直至形成再結(jié)晶晶粒，但是要控制在再結(jié)晶晶粒長大之前；這時再結(jié)晶晶粒細(xì)小、致密，均勻分布，管材的力學(xué)性能和工藝性能最佳。新型鋁青銅合金為Cu-Al系復(fù)雜合金，其退火屬于高溫退火，主要是為消除應(yīng)力和得到軟態(tài)組織，其特點是在高溫退火時已經(jīng)發(fā)生完全再結(jié)晶，本文作者期望經(jīng)高溫退火后能兼具優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性，以便于后續(xù)進(jìn)行壓扁和擴(kuò)口等成形加工。為此必須選擇相應(yīng)的某一退火溫度區(qū)間，使得在其區(qū)間內(nèi)能夠滿足抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的下降斜率小于伸長率上升的斜率，且二者都必須保持在一個相對較高的水平。由圖1可以得出，在600℃～700℃區(qū)間，新型鋁青銅合金管材抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度下降減緩而伸長率上升較快，是較好的退火溫度區(qū)間?？紤]到制品變形不均勻性，變形程度小的局部區(qū)域再結(jié)晶終了溫度偏高，所以退火溫度下限應(yīng)以略高于600℃為好，且由于從650℃到750℃之間合金年化腐蝕速率上升較明顯，一定程度上影響了管材的耐海水腐蝕性能，因此，最佳退火溫度區(qū)間應(yīng)定為650℃附近。在此溫度退火，鋁青銅管材的綜合性能較為優(yōu)越。

4 結(jié)論

采用半連續(xù)鑄造-擠壓-拉拔的方法制備的新型鋁青銅合金管材，并進(jìn)行了顯微組織、力學(xué)性能和耐腐蝕性能的測試與分析，得到以下結(jié)論：

1)新型鋁青銅合金微觀組織為單相α基體，析出相為K相化合物，且K相均勻、細(xì)小，彌散分布在α基體上；

2)新型鋁青銅合金管材具有較佳綜合性能的退火溫度為650℃～700℃；

3)新型鋁青銅合金管材的最佳綜合性能為，年化腐蝕速率為0.0125mm/a，抗拉強(qiáng)度為682MPa，屈服強(qiáng)度為420MPa，延伸率為30.8%。