高锰铝青铜合金的微合金化与性能初步研究

摘要

高锰铝青铜是在普通铝青铜的基础上，加入锰元素以进一步提高其强度且不降低其塑性而形成的一类合金，它具有优良的力学、抗蚀与耐磨性能，是综合性能优良的工程材料，被广泛应用于机械、飞机和汽车制造业、船舶和海洋工业、铁道和机车工程以及建筑工业等高应力条件下工作的耐磨件。本文针对高锰铝青铜合金的微合金化和铸造工艺进行了研究探索，对其组织结构、硬度、耐磨性以及耐腐蚀性进行了研究。所取得的创新成果如下:
　　 锶微合金化铸态高锰铝青铜(Cu-11.63Mn-7.06Al-3.36Fe-1.87Ni-0.029Sr)与未微合金化铸态高锰铝青铜(Cu-12.05Mn-7.08Al-3.23Fe-2.04Ni)相比，其相组成未发生变化，仍由基体α相+K相组成，但由于锶元素的变质作用，使其晶粒变的较细，K相体积变小且分布更加均匀。K相的弥散强化作用使其硬度由169.7HV提高到191HV，抗拉强度由586.84MPa提高到608.55MPa，且具有更高的抗均匀腐蚀性能和电化学腐蚀性能(在3.5％NaCl水溶液下腐蚀速率分别降低5.3％和10.5％)。合金硬度的提高，Sr的净化熔体作用等使得该合金的摩擦系数降低10.6％，耐磨性提高。
　　 钪、锆和锶复合微合金化的铸态高锰铝青铜(Cu-12.18Mn-7.46Al-2.99Fe-1.85Ni-0.029Sr-0.045Zr-0.034Sc)与未微合金化的铸态高锰铝青铜(Cu-12.05Mn-7.08A1-3.23Fe-2.04Ni)相比，由于微合金元素Sc、Zr的细化晶粒和抑制晶粒长大的作用，其α相和K相均明显细化，且K相分布更加均匀。组织细化以及K相的弥散强化使得该合金硬度由169.7HV提高到248.2HV，抗拉强度由586.84MPa提高到757.49MPa，且使其具有更高的抗均匀腐蚀性能和电化学腐蚀性能（在3.5％NaCl水溶液下腐蚀速率分别降低8％和11％）。合金硬度的提高、Sc的细化铸锭晶粒作用以及Sr的净化熔体作用等使得合金的摩擦系数降低17％，耐磨性提高。
　　 钛、硼和锶复合微合金化的铸态高锰铝青铜(Cu-11.81Mn-7.01Al-3.81Fe-1.76Ni-0.029Sr-0.045Ti-0.0095B)与未微合金化的铸态高锰铝青铜(Cu-12.05Mn-7.08A1-3.23Fe-2.04Ni)相比，其相组成未发生变化，仍由基体α相+K相组成，但由于Ti、B形成的TiB2等高熔点物相的非均质形核作用，该合金α相和K相均明显细化，且K相分布更加均匀。组织细化、Ti的固溶强化作用以及K相的弥散强化作用使该合金的硬度由169.7HV提高到215.1HV，抗拉强度由586.84MPa提高到742.17MPa，且使其具有更高的抗均匀腐蚀性能和电化学腐蚀性能（在3.5％NaCl水溶液下腐蚀速率分别降低5.6％和11.4％）。合金硬度和机械强度的提高以及Sr的净化熔体作用使合金的摩擦系数降低9.5％，耐磨性提高。
　　 本文的研究成果为高锰铝青铜的微合金化提供了几种效果较好的方案，为改善高锰铝青铜合金性能提供了理论的技术依据。