新型铝青铜合金的组织与性能研究

2018-10-12杨春秀向朝建陈忠平

有色金属加工 2018年5期

杨春秀, 向朝建，陈忠平，张曦

(中铝材料应用研究院有限公司，江苏苏州215026)

铝青铜具有良好的机械性能、加工性能和耐海水腐蚀性能，被广泛应用在海洋工程结构件中，如螺旋桨、泵用叶片、紧固件、海水管件、消防龙头和阀等[1-3]。铝青铜是固溶强化、形变强化和析出强化相结合的合金，可通过控制变形及热处理工艺来控制析出相的相貌、大小和分布，以获得强度与塑性的综合平衡。国内外开展了大量复杂铝青铜的研究工作，这些研究主要分为两大类，即铸造铝青铜[4-6]和加工铝青铜的研究。目前国外对铸造镍铝青铜合金的耐腐蚀、耐摩擦等性能研究较深入，国内的研究仅集中在耐腐蚀性能方面。加工铝青铜的研究主要集中在合金成分[7-9]、微观组织[10-13]、加工工艺[14-15]、力学和耐磨性能[16-18]、耐腐蚀性能[19-23]等领域。国内针对变形镍铝青铜的工艺、组织和性能的研究很少。本文研究了一种新型镍铝青铜合金不同退火工艺对合金管材显微组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响规律，获得了综合性能较好的退火工艺参数。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验选用高纯电解铜为原料，采用带有氮气保护的中频感应炉熔炼合金。合金中的铁、锰、镍和铬均以中间合金的形式加入，铝以单质的形式加入。用半连续铸造机铸造合金圆锭，铸锭尺寸为Ф128mm×1200mm。铸锭经960℃保温2h，在800T双动挤压机上热挤至Ф60mm×7mm管坯，之后进行粗拉、中间退火、精拉和成品退火，最终获得规格为Ф25mm×2mm的退火态管材。试验制备出的新型铝青铜合金试样的化学成分(质量分数，%)为，Al 7.05，Fe 2.02，Mn 1.95，Ni 2.05，Cr 0.05，Cu 余量。

1.2 试验方法

试验获得的新型铝青铜合金试样其显微组织采用NIKON EPIPHOT 200型金相显微镜和HRTEM-2010F型高分辨透射电子显微镜观察。金相试样的侵蚀剂为三氯化铁盐酸溶液(30ml HCl+10gFeCl3+120mlH2O)；HRTEM试样采用HNO3∶CH3OH=1∶3电解液在-2℃下双喷减薄，电压为25V；双喷试样在Gaton Doumill离子减薄仪上减薄0.5h，透射电子显微镜加速电压为200kV。试样的拉伸试验在CSS-44100型电子试验机上进行，拉伸速度为1mm/min，按照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》的要求制备标准试样，每组试样取3片测试。按照JB/T6074-92《腐蚀试样的制备、清洗和评定》和GB 10124-88《金属材料试验室均匀腐蚀全浸试验方法》，测试合金的年化腐蚀速率。

2 试验结果

2.1 不同退火温度下铝青铜管材的力学性能

为了获得新型铝青铜合金管材合理的成品退火工艺，对新合金管材进行成品退火后，检测其力学性能。试验选用均匀设计表的使用表(偏差0.1445，2因素8水平)，退火工艺和合金性能见表1和图1。

表1 新型铝青铜管材退火工艺均匀设计表及退火后的力学性能

图1 新型铝青铜管材力学性能-退火工艺关系曲线Fig.1 Relationship curve between mechanical properties and annealing process of a new type of aluminium bronze pipe

从图1可以发现，在400℃～500℃之间保温1h～8h退火，铝青铜合金管材的抗拉强度都保持着较高水平，抗拉强度接近890MPa，屈服强度接近750MPa；此时管材的延伸率却很低，在1.7%附近有较小波动，至退火温度650℃左右急速上升。退火温度约550℃时，抗拉强度开始陡降，在750℃时，管材的抗拉强度、屈服强度均开始以较大坡度下降至最低，延伸率达到最高。

2.2 不同退火温度下铝青铜管材耐海水腐蚀性能

对退火工艺分别为， 600℃×1h、650℃×1h、700℃×1h、750℃×1h的管材进行全浸均匀腐蚀，腐蚀时间为63d，铝青铜合金管材的耐海水腐蚀性能结果见表2。从表2可以看出，650℃×1h和700℃×1h两种退火工艺制度下，铝青铜合金管材的耐海水腐蚀性能较低，分别为0.0125mm/a和0.0127mm/a。

表2 新型铝青铜管材退火工艺及退火后的耐海水腐蚀性能

2.3 不同退火温度下铝青铜管材的显微组织

对退火工艺分别为，600℃×1h、650℃×1h、700℃×1h、750℃×1h的管材进行外观组织观察，结果如图2所示。

图2 不同退火温度下铝青铜管材典型的显微组织Fig.2 Typical microstructure of aluminum bronze tubes at different annealing temperatures

图2为不同退火温度下铝青铜管材典型的显微组织，可以看出，图2(a)管材经600℃×1h退火后，在变形纤维基础上开始出现细小再结晶晶芽，管材已经开始再结晶，微观组织与变形组织有明显不同，晶粒间相互侵食、吞噬，使得轧制方向略有模糊，此时正是铝青铜管材强度降低、塑性增强加快的时期。图2(b)中合金组织发生完全再结晶，但生成晶粒尺寸细小、均匀；图2(c)则显示退火温度到达700℃时，晶粒已经明显长大，晶界非常清晰；图2(d)可看出在750℃晶粒粗化且尺寸差异大。

3 讨论与分析

3.1 退火温度对组织和性能影响

从不同退火温度组织可以发现，在400℃～500℃之间保温1h～8h退火，铝青铜合金管材的抗拉强度都保持着较高水平，抗拉强度接近890MPa，屈服强度接近750MPa；此时管材的延伸率低，在1.7%附近有较小波动，至退火温度650℃左右急速上升。从图2(a)金相照片可知，650℃以下合金管材的显微组织为典型的变形纤维组织，变形方向纹路清晰，管材此时强度高但延伸性能、耐腐蚀性能均较低。

退火温度约550℃时，抗拉强度开始陡降，于600℃附近处出现拐点。在750℃时，管材的抗拉强度、屈服强度均开始以较大坡度下降至最低，延伸率达到最高，说明此时晶粒成长较快，这亦可由图2(d)的显微组织图片上得到证实。同时750℃退火后晶粒尺寸在10μm左右，说明合金退火温度仍在可接受范围，未出现晶粒粗化。由于耐海水腐蚀铜管制造成品时需要进行扩口或压扁等加工，晶粒粗大在加工时会使制品出现开裂，影响制品表面质量和工程安装，故退火温度不宜超过750℃。由表2可知，在700℃附近退火后新型铝青铜合金管材的年化腐蚀速率为最小值0.0125mm/a，且750℃退火时新型铝青铜合金管材的年化腐蚀速率有一定提高，达到0.0150mm/a，降低了合金的耐海水腐蚀性能，这也说明退火温度应在700℃以内。

当退火温度达到750℃时，抗拉强度随退火温度升高而稳中略有上升；伸长率则出现一次较大波动，于750℃附近达到最大值(38.6%)，显示出良好的塑性。图2(d)显示的是经750℃×1h退火后合金管材的显微组织情况，其晶粒比650℃×1h退火试样的显著增加，呈现明显等轴状，方向性不明显。

3.2 析出相对性能影响

铝青铜管材冷变形的组织产生加工硬化，保留了形变时形成的亚晶、位错，这种形变强化过程使晶体内部产生滑移，随着变形程度的增大，晶粒及晶间物质沿变形方向拉长，最后形成纤维组织，同时晶粒破碎，空位、位错大量增加，如图3所示，亚胞晶界尚不清晰，晶内位错纠缠密集，组织处于一种不稳定状态。

图3 挤压态铝青铜管材电镜照片Fig.3 Electron microscopic photographs of extruded aluminium bronze pipe

此时，金属由于吸收了部分变形能，以空位、位错等形式储存起来，而处于高能量状态，具有自动恢复到低能量状态的倾向，因室温下金属的原子扩散能力很小这种不稳定状态不会发生明显变化，但退火时随着温度的升高，将会发生回复和再结晶。

当加热温度较低(低于600℃)时，冷变形组织主要发生回复，回复过程表现为形成亚晶组织的多边形化过程，此时随着温度的升高，亚晶尺寸逐渐增大，位错缠结逐渐消失，出现鲜明的亚晶界；温度继续升高及时间延长，某些亚晶粗化，形成再结晶核心，直至再结晶，同时合金中K相化合物析出，析出相均匀细小，弥散分布在α基体上，如图4(a)(b)所示，这与宋德军等人的研究结果一致[24]。

图4 新型铝青铜管材成品退火处理后析出相形貌Fig.4 Morphology of precipitated phases after annealing of a new type of aluminium bronze pipe

不完全软化退火样品的组织是变形的纤维组织基体上有再结晶晶核及再结晶晶粒出现；铝青铜管材成品退火是软化退火，其退火后内部组织应该是由再结晶组织和大量细小、均匀、弥散分布的K相组成，退火制度的确定应该保证管材在加热过程中完全发生回复直至形成再结晶晶粒，但是要控制在再结晶晶粒长大之前；这时再结晶晶粒细小、致密，均匀分布，管材的力学性能和工艺性能最佳。新型铝青铜合金为Cu-Al系复杂合金，其退火属于高温退火，主要是为消除应力和得到软态组织，其特点是在高温退火时已经发生完全再结晶，本文作者期望经高温退火后能兼具优异的强度和塑性，以便于后续进行压扁和扩口等成形加工。为此必须选择相应的某一退火温度区间，使得在其区间内能够满足抗拉强度与屈服强度的下降斜率小于伸长率上升的斜率，且二者都必须保持在一个相对较高的水平。由图1可以得出，在600℃～700℃区间，新型铝青铜合金管材抗拉强度与屈服强度下降减缓而伸长率上升较快，是较好的退火温度区间。考虑到制品变形不均匀性，变形程度小的局部区域再结晶终了温度偏高，所以退火温度下限应以略高于600℃为好，且由于从650℃到750℃之间合金年化腐蚀速率上升较明显，一定程度上影响了管材的耐海水腐蚀性能，因此，最佳退火温度区间应定为650℃附近。在此温度退火，铝青铜管材的综合性能较为优越。