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整圈、觸頭等要求使用高強度鑄銅CuAl11Fe6Ni6材料,其性能指標要滿足: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,其性能指標都低于上述要求。因此,沒有現存的國標材料可以直接采用,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。國外標準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,其化學成分如表1。

2 初步試驗

參考表1中的化學成分,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,結果如表2。

表2所示的試驗結果說明,在化學成分都符合標準中相應材料牌號的情況下,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,所以在鑄造工藝不穩定或不合理的情況下,進行化學成分試驗研究是無法達到預期效果的,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,對提高鑄件質量,減少鑄造缺陷,具有重要的作用。金屬型鑄造可細化晶粒(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小晶粒的辦法。細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;d為平均晶粒直徑。細化晶粒的突出優點是在提高強度的同時可以提高材料的塑性。這是由于晶粒細化后,材料變形時晶界處位錯塞積所造成的應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較大的變形量。細化晶粒也正是由于這一優點而得到了廣泛應用。另外,澆冒口的位置和方向對于鑄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晶粒的細化和盡量避免鑄造缺陷的出現。

表1 化學成分的參考%

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,數據如表3。

表3所示試驗結果表明: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、化學交互作用等。在適當的溫度下進行固溶處理是合金獲得良好性能的關鍵工藝。

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,但只穩定地存在于565℃以上的溫度,當溫度降至565℃以下時,β相發生共析轉變而形成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%的鋁青銅應具有單相α組織;鋁的含量在9%～12%時應具有α+(α+γ2)組織;而鋁的含量＞12%時,應具有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變情況有所不同。為了進一步改善鑄造鋁青銅的力學性能,也不應忽視其他輔助強化元素及雜質元素的影響作用。

鋁青銅中Fe有3方面的作用,即細化晶粒、提高耐磨性和消除“緩冷脆性”。Fe含量超過4%時,則出現Al3Fe化合物(又稱K相)呈顆粒狀,此時Fe可以起到變質作用細化晶粒,可以顯著減輕合金因“自發退火”而變脆的傾向。含鐵量進一步增加會有針狀Al3Fe析出,降低合金的力學性能。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也能細化晶粒,能夠擴大鑄造鋁青銅的α相區,提高鋁青銅的強度、硬度、熱穩定性和耐蝕性。在復雜的高鋁青銅中同時加入Fe、Ni會有很高的綜合力學性能。

以上述有關理論和標準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,所得數據如表4。

從表4所列試驗結果可見,在工藝方法合適的前提下,當化學成分中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接近要求數值。

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果

5 化學成分的優選

從化學成分初選試驗結果(表4)中,也可以看出:其機械性能指標只是接近要求值,況且在批量生產的波動過程中還不夠穩定,因此有必要對化學成分進行優化。有關理論指出,在Cu-Al-Ni-Fe鋁青銅中出現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。只有當鐵鎳含量大致相同時,K相以細粒狀析出,這樣合金能得到較高的力學性能。另外,適當提高Al含量,可以提高材料的合金化程度,從而提高合金的強度。

根據上述理論的指導,試驗結果如表5。

根據表5試驗數據,并對比表4所示的結果,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,材料的力學性能最高;而當Al含量降低并且Fe、Ni含量有一定差距時,材料的力學性能要下降。與前述理論吻合。因此在生產中要控制鋁含量、鐵鎳含量及相互比例,同時要嚴格控制其他雜質元素的含量,即可獲得較為滿意的力學性能。

6 CuAl11Fe6Ni6鑄銅件批量生產的結果驗證

批量生產中典型高強度鑄銅件觸頭和調整圈的實際測試結果如表6。表中數據顯示,CuAl11Fe6Ni6材料批量產品的測試指標完全滿足了設計的使用性能要求。

表5 CuAl11Fe6Ni6化學成分的優選試驗結果

表6 批量驗證結果

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

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

[3] 魏華勝主編.鑄造工程基礎[M].北京:機械工業出版社,2002.

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