胡柏松 馬明亮 郭純

摘要：根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)高錳鋁青銅材料的研究進(jìn)展情況，針對(duì)研究過(guò)程中遇到的問(wèn)題，特別是高錳鋁青銅材料熔煉工藝的方式方法不同會(huì)引起其特性改變的問(wèn)題，對(duì)其熔煉工藝、組織成分和熔煉影響因素提出了相關(guān)見(jiàn)解，總結(jié)了高錳鋁青銅材料今后的研究發(fā)展方向及應(yīng)用方向。

關(guān)鍵詞：高錳鋁青銅;材料成分;組織特性;加工成型;研究進(jìn)展

0 引言

近些年來(lái)，高錳鋁青銅材料應(yīng)用廣泛，有不少研究者對(duì)其進(jìn)行了深入研究。高錳鋁青銅材料不僅在力學(xué)性能上表現(xiàn)優(yōu)異，其耐熱性、耐磨性及耐腐蝕性相對(duì)于鋁青銅而言也更勝一籌，其高強(qiáng)度、高硬度的組織性能使得該材料常被用于制造螺紋和齒輪坯料等零配件。另外，高錳鋁青銅材料還具有良好的導(dǎo)熱性和穩(wěn)定的剛性，可作為一種新型模具制造材料，該材料也是大型船舶螺旋槳和閥門(mén)等耐腐蝕性配件的制作材料之一，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)海事發(fā)展具有重要意義。隨著人們生產(chǎn)、生活對(duì)鋁青銅材料的需求不斷增加，普通的鋁青銅材料已經(jīng)不能滿(mǎn)足發(fā)展需求，為了使鋁青銅材料能得到更好地應(yīng)用，人們通過(guò)對(duì)其添加含量不同的錳元素，再平衡其他微量元素的配比并結(jié)合不同的熔煉方式來(lái)改善材料的組織性能，以滿(mǎn)足材料的剛度、強(qiáng)度和硬度需求，以滿(mǎn)足各領(lǐng)域?qū)Ω咤i鋁青銅材料的更高要求。

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 ? ?國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)對(duì)高錳鋁青銅的研究，可追溯到20世紀(jì)70年代，該材料在這一時(shí)期被大量應(yīng)用于鑄造船用螺旋槳，不少學(xué)者通過(guò)降低鋁含量及提高錳含量來(lái)抑制鋁青銅的緩冷脆性。20世紀(jì)90年代初，研究人員對(duì)高錳鋁青銅材料的成分和性能進(jìn)行了深入探究，利用MATLAB軟件，通過(guò)多元線性回歸方程，建立了多種有關(guān)高錳鋁青銅合金少量元素成分含量的線性相關(guān)式，以?xún)?yōu)化合金各元素成分比，使合金的應(yīng)用適應(yīng)性更強(qiáng)，更加標(biāo)準(zhǔn)化和多元化。

張飛躍等人運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，發(fā)現(xiàn)高錳鋁青銅中錳和鋁含量在中、下限度，鎳和鐵含量控制在2%和3%為最佳。

叢紅梅等人也對(duì)高錳鋁合金中的少量元素鈦展開(kāi)了研究，研究表明，在鋁含量為7.5%～8.2%時(shí)，Ti含量取0.2%～0.25%對(duì)合金的硬度有明顯的增強(qiáng)效果。

自21世紀(jì)以來(lái)，不少學(xué)者對(duì)高錳鋁青銅的研究實(shí)現(xiàn)了重大突破。在前人研究的基礎(chǔ)上查缺補(bǔ)漏，學(xué)者運(yùn)用離心鑄造等方法，進(jìn)行了大量有關(guān)合金成分的分析實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合智能檢測(cè)、數(shù)學(xué)建模等多種方法，研究了合金成分與組織性能的基本關(guān)系。

楊大韜等人通過(guò)MATLAB軟件建立了BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在離心鑄造條件下，發(fā)現(xiàn)合金的最佳熔煉成分滿(mǎn)足如下關(guān)系：w（鋁當(dāng)量）%=w（Al）%-0.35w（Fe）%+0.34w（Ni）%+

0.19w（Mn）%。

近幾年，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)高錳鋁青銅合金的加工工藝研究越來(lái)越多，在合金的表面防腐、增材制造等領(lǐng)域的研究越來(lái)越深入，對(duì)專(zhuān)家學(xué)者來(lái)說(shuō)，此項(xiàng)工作仍具有挑戰(zhàn)性。

1.2 ? ?國(guó)外研究進(jìn)展

國(guó)外與國(guó)內(nèi)對(duì)高錳鋁青銅的研究方向不大相同，國(guó)內(nèi)主要研究領(lǐng)域?yàn)楹辖鸬募庸すに?，而?guó)外主要研究的是合金鑄造工藝。在合金鑄造過(guò)程中，時(shí)效溫度、固溶溫度、時(shí)效時(shí)間、固溶時(shí)間為影響合金性能的4個(gè)重要參數(shù)。

Foglesong等人通過(guò)時(shí)效強(qiáng)化的物理模型對(duì)鋁青銅的時(shí)效行為進(jìn)行了模擬研究，應(yīng)用各種不同的時(shí)效參數(shù)確定其變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)效果良好。數(shù)據(jù)表明，4種不同參數(shù)對(duì)合金的性能影響也各有不同，其影響大小有如下關(guān)系：時(shí)效溫度>固溶溫度>時(shí)效時(shí)間>固溶時(shí)間。

第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期，英國(guó)海軍艦艇上的螺旋槳運(yùn)用鋁青銅材料制作而成，隨著時(shí)間的推移，螺旋槳逐漸與海水發(fā)生脫鋁反應(yīng)，使得現(xiàn)有的鋁青銅材料并不滿(mǎn)足應(yīng)用需求。自1980年以來(lái)，為了使高錳鋁合金材料能夠更好地服務(wù)于海水作業(yè)，國(guó)外研究者不僅在合金中添加了少量元素，還對(duì)合金的表面防腐和合金摩擦性能進(jìn)行了較為深入的研究。A A Ei-Meligi在鋁青銅合金中添加了10%的鋁和5%的鎳，其表面生成的NiO薄膜用于保護(hù)合金，效果十分明顯，而Sanada M L等人則使用O2激光束對(duì)合金表面進(jìn)行了強(qiáng)化處理，使得合金的耐磨性能更加優(yōu)越，磨損率也得到了降低，這對(duì)于合金的表面強(qiáng)化具有重要意義。

2 加工工藝

20世紀(jì)初，有專(zhuān)家學(xué)者對(duì)鋁青銅材料進(jìn)行了研究，主要體現(xiàn)在合金加工工藝、改善合金性能等方面。高錳鋁青銅是在鋁青銅熔煉過(guò)程中通過(guò)添加不同含量的錳元素來(lái)控制合金的組織性能，所以高錳鋁青銅和鋁青銅的熔煉工藝大抵相同。近些年來(lái)，鋁青銅材料的加工工藝主要通過(guò)熔融澆注的方式實(shí)現(xiàn)，并添加覆蓋劑來(lái)減少氣孔、夾渣，還有通過(guò)增材制造“逐層累加”的方式進(jìn)行加工，而無(wú)論是哪種方式都存在一些缺陷，使得高錳鋁青銅材料加工工藝發(fā)展備受阻礙。

李雨蔚等人采用熔鑄法制備出了不同含量Mn的鋁青銅合金，通過(guò)嚴(yán)格控制其固溶時(shí)效和溫度，改變Mn含量來(lái)探究合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度特性。

陳偉等人則通過(guò)冷金屬過(guò)渡技術(shù)（CMT）制備出了Al、Ni、Mn、Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)各占比8%、2%、2%、2%的鋁青銅合金材料，這種加工方法不僅要控制送絲速度、增材速度、氬氣流量等，還需采用交替往復(fù)的方式增材，對(duì)機(jī)械電子設(shè)備的要求更加全面。

上述兩者的加工方式不同，影響因子也有諸多不同之處。增材制造處理工藝近幾年尤為盛行，避免了很多人為因素，在其離散/堆積原理的基礎(chǔ)之上，熱源（電弧、離子束、電子束、激光束等）也具有很大自由的可選擇性，在未來(lái)高錳鋁青銅的加工工藝上頗具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

當(dāng)然，增材制造處理工藝也存在一些問(wèn)題，比如：成型零件尺寸精度不準(zhǔn)確、加工過(guò)程中存在氣孔以及熔池動(dòng)態(tài)流動(dòng)不易控制等，這激發(fā)了更多學(xué)者對(duì)此類(lèi)問(wèn)題的研究興趣。

卜星在研究中發(fā)現(xiàn)，若焊槍在層與層之間能夠傾斜上升，相對(duì)于垂直上升來(lái)說(shuō)，成型的零件外觀更平整，精度也較高。

閆峘宇運(yùn)用單層單道模型通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)研究了焊縫的精度問(wèn)題，并且改進(jìn)了單層多道模型存在的熔寬、熔高等問(wèn)題，大大提高了模型與實(shí)際焊縫的契合度。

3 高錳鋁青銅組織成分

高錳鋁青銅合金組織性能會(huì)隨著溫度和成分的改變而發(fā)生變化。不同Mn含量的合金抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率的變化曲線如圖1所示，在Mn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)2%時(shí)，合金的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大，其合金的延伸率在3%之后處于穩(wěn)定狀態(tài)，高錳鋁青銅合金中Mn、Al元素作為組織的主導(dǎo)成分，其含量對(duì)于組織特性的影響巨大。

紀(jì)勝如等人通過(guò)線性回歸方程，探究了12種合金不同成分含量，結(jié)果表明，在高錳鋁青銅中，Mn與Al元素相關(guān)性為（Al+）時(shí)較為合適。在此基礎(chǔ)上，還需嚴(yán)格控制澆注溫度，按照鋁錳相關(guān)性確定Mn含量為12%～15%時(shí)，可使高錳鋁青銅合金具有高強(qiáng)韌性。

2010年，楊為勤等人在探究含鎳高錳鋁青銅雜質(zhì)影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋁青銅合金中Mn的含量不同時(shí)，對(duì)合金的α相、β相區(qū)有很大影響，在提高M(jìn)n含量達(dá)6%以上時(shí)，β相區(qū)趨于穩(wěn)定狀態(tài)且不會(huì)緩冷脆化，Mn的加入不僅提高了合金的致密性，還增加了合金的強(qiáng)度。但是值得注意的是，Mn含量超過(guò)一定值時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生殘?jiān)?，Mn含量控制在11%～15%時(shí)最佳。

通常情況下，為了提高高錳鋁青銅的組織特性，會(huì)添加其他少量元素，如Ni、Fe、Co等。李元元等人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)合金中鋁含量為10%時(shí)，向其添加Ti、B等元素，合金的力學(xué)性能有所提高。

在質(zhì)變處理方面，Romankiewicz F等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了某些質(zhì)變劑和復(fù)合質(zhì)變劑V+B、Ti+B、Zr+B、Ca+B等對(duì)合金性能產(chǎn)生的積極影響。

楊為勤利用基于Orign線性回歸方程建模，優(yōu)化高錳鋁青銅合金成分時(shí)發(fā)現(xiàn)，在合金中添加鎳元素能夠加強(qiáng)合金的蠕變強(qiáng)度，并且無(wú)鎳的高錳鋁青銅容易腐蝕，鎳含量宜控制在2%左右，如果過(guò)多也會(huì)降低合金的組織性能，同時(shí)會(huì)降低合金的焊接性。

楚滿(mǎn)軍等人通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)法，探究了鍶鈦硼復(fù)合微合金化對(duì)高錳鋁青銅的影響，將鍶、鈦和硼復(fù)合微合金化的高錳鋁青銅和未微合金化的高錳鋁青銅進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種鑄態(tài)高錳鋁青銅的相組成沒(méi)有發(fā)生改變，但是α相與K相的晶體都比之前更加細(xì)化，并且在合金硬度也明顯增加，增長(zhǎng)率約為26.8%，腐蝕效率和合金摩擦效率分別降低了約11.4%和8.4%。

因此，高錳鋁青銅合金中添加少量其他元素，能夠讓合金的組織性能得到改善，使其更加適用于各類(lèi)生產(chǎn)、生活的需要。同時(shí)，高錳鋁青銅材料還可加入更多的未知元素，以促進(jìn)其組織性能，這為學(xué)者提供了后續(xù)研究方向。

4 亟待解決的難題

經(jīng)過(guò)40多年的研究與發(fā)展，高錳鋁青銅的熔煉工藝一直在不斷改進(jìn)，熔煉工藝是能夠保證合金良好質(zhì)量的前提，同時(shí)也是鑄造合金過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究發(fā)現(xiàn)，在熔煉制備高錳鋁青銅實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究者一直都關(guān)注以下4個(gè)問(wèn)題：

（1）如何更簡(jiǎn)便地除去合金在熔煉過(guò)程中產(chǎn)生的其他氣體？

（2）怎樣更好地解決脫氧問(wèn)題？

（3）合金中的殘?jiān)绾翁幚恚?/p>

（4）選擇怎樣的處理工藝？

以上問(wèn)題直接導(dǎo)致合金的機(jī)械性能下降、表面磨損和夾渣氣孔等缺陷，結(jié)合以往的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，針對(duì)目前這些問(wèn)題均提出了不少的改進(jìn)方案，但都只是盡量避免了上述現(xiàn)象的產(chǎn)生，并沒(méi)有減少這些改進(jìn)方案所帶來(lái)的影響，所以這些問(wèn)題值得更多的研究者為之探尋理想的解決方案。

自21世紀(jì)以來(lái)，不少學(xué)者專(zhuān)注于研究稀土元素如何對(duì)合金產(chǎn)生影響，通過(guò)添加稀土元素來(lái)改善合金的組織性能是他們的研究焦點(diǎn)，為了平衡各個(gè)元素所帶來(lái)的積極效應(yīng)，優(yōu)化合金成分一直是研究目標(biāo)，但在研究過(guò)程中遇到了一些瓶頸，例如：合金的成分優(yōu)化相關(guān)式?jīng)_突，造成合金成分配比無(wú)法調(diào)節(jié)、少量研究數(shù)據(jù)不足、耗時(shí)耗力等。

5 結(jié)語(yǔ)

高錳鋁青銅材料因其優(yōu)異的特性而引起了人們的廣泛關(guān)注和研究，相對(duì)于其他鋁青銅合金來(lái)說(shuō)，高錳鋁青銅合金具備更好的耐腐蝕性、屈服強(qiáng)度、高強(qiáng)韌性和耐熱性等。隨著高錳鋁青銅材料的不斷改善與投入使用，給企業(yè)帶來(lái)了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。一般情況下，高錳鋁青銅材料適用于大部分領(lǐng)域，一定程度上減少了對(duì)很多稀缺金屬的使用需求，符合我國(guó)資源可持續(xù)發(fā)展策略要求，相信在未來(lái)高錳鋁青銅合金材料將被越來(lái)越多地應(yīng)用于更多領(lǐng)域。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張飛躍，張?zhí)煊?，張金?高錳鋁青銅ZCuAl8Mn14Fe3Ni2最佳熔煉化學(xué)成分篩[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，28（6）：7-9.

[2] FOGLESONG，TRAC J.Polycrystal modeling of precipitate effects on mechanical behavior of an aluminum-copper alloy[D].Urbana-Champaign：University of Illinois，2001.

[3] EL-MELIGI A A.Corrosion behavioursof copper alloy in solutions containing Na2SO4 and NaCl with different concentrations[J].Journal Materials Science and Technology，2002，18（6）：549-551.

[4] 李雨蔚，肖來(lái)榮，章瑋，等.不同Mn含量的鋁青銅合金組織與性能[J].稀有金屬，2017，41（9）：985-991.

[5] 紀(jì)勝如，陳菁，陳慧敏.高錳鋁青銅合金強(qiáng)韌性的研究[J].特種鑄造及有色合金，1998（4）：44-46.

[6] 楚滿(mǎn)軍，許曉靜，陳樹(shù)東，等.鍶鈦硼復(fù)合微合金化鑄態(tài)高錳鋁青銅的組織與性能[J].有色金屬工程，2013，3（6）：15-18.

收稿日期：2020-08-14

作者簡(jiǎn)介：胡柏松（1998—），男，安徽銅陵人，研究方向：增材制造。

通信作者：郭純（1984—），男，安徽宿州人，博士，副教授，研究方向：表面工程、增材制造、焊接。