稀有金属 2008,(04),420-424 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2008.04.016
变形镍铝青铜合金的组织研究
孙现龙 许磊 叶景涛 胡伟民
中国船舶重工集团公司第七二五研究所
摘 要：
通过金相显微镜、电子扫描显微镜以及透射电子显微镜, 对变形镍铝青铜合金的管材进行退火前后组织析出K相的对比观察, 并对管材退火前后的力学性能进行对比。试验结果证明, 退火过程中合金组织内镍和铝元素析出造成K相长大, 方形含铁相消失, KⅣ相增多, 退火后合金的强度下降, 塑性提高。
关键词：
镍铝青铜 ;K相 ;方形含铁相 ;
中图分类号： TG146.15
收稿日期： 2007-11-15
Research on Microstructure of Deforming Nickel-Aluminium Braze Alloy
Abstract：
Deforming nickel-aluminium braze alloy was developed by Luoyang Ship Material Research Institute.Its microstructure was complex.Microstructure of the alloy pipe was investigated by means of metalloscopy, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy, before and after the alloy annealing the K phases precipitated in the alloy were observed and contrasted with its mechanical properties.The results showed that the precipitations of Ni and Al were responsible for the growth of K phase, iron-bearing phase with square shape vanished and KⅣ phase increased during annealing, the strength of the alloy was decreased, but the plasticity of the alloy pipe was increased after annealing.
Keyword：
nickel-aluminium bronze;k phase;iron-bearing phase with square shape;
Received： 2007-11-15
镍铝青铜就是以镍、 铁、 锰为主要合金元素的铝青铜。 镍铝青铜具有极佳的耐腐蚀性能和力学性能, 是用于船舶螺旋桨和泵、 阀以及水下紧固件的重要材料
[1 ]
。 随着工业的发展, 镍铝青铜在焊接、 防暴器材以及海水淡化等方面也得到了广泛的应用。 镍铝青铜的使用大多采用铸件, 而铸造合金往往不适合变形加工, 因此研究变形镍铝青铜合金对于促进该合金的广泛应用意义重大。
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, 国内对铸造镍铝青铜的研究也多集中在耐腐蚀性能研究方面, 在焊接、 耐磨涂层方面也有相关报道。 本文针对变形镍铝青铜合金管材组织和性能进行了深入分析, 以便从微观的角度了解该合金, 并指导其在实际生产中的应用。
1 材料及方法
采用的新型镍铝青铜合金元素为Ni, Al, Fe, Mn, 微量的Cr, 杂质含量≤0.5%, 余量为Cu。
首先铸造出成分合格的镍铝青铜合金。 然后将镍铝青铜合金锻造成合适试样, 通过旋转穿孔制作出管坯, 最后冷轧成Φ 75 mm×3.0 mm的管材。 管材在电阻炉内进行热处理, 热处理制度为: 电阻炉加热到850 ℃, 到温装炉, 保温30 min, 出炉空冷。
将热处理前后的管材进行对比观察。 首先采用OLYMPUS GX71金相显微镜对管材两种状态的组织进行了金相观察, 再采用Quanta600扫描电子显微镜及Genesis XM-2 X射线能谱仪进行观察, 并分析组织内析出相的成分。
从块状试样上切取0.5 mm薄片, 研磨到约120 μm, 冲制出Φ 3 mm圆片, 精磨到50 μm。 以5%高氯酸酒精为电解液, 在-20 ℃条件下, 双喷电解得到穿孔薄膜试样, 电解电压75 V。 采用Philips CM200 透射电镜进行透射分析, 单倾试样台 (single tilt holder) , 工作电压 (HT) 160 kV。
从镍铝青铜合金管材上取力学试样, 对比热处理前后合金管材力学性能。
2 结果及分析
2.1 合金管材微观组织分析
镍铝青铜的合金元素较多, Cu, Fe, Ni, Al各种元素可以生成很多种化合物。 因此组织十分复杂。 研究的新型合金也不例外, 其铸态组织也比较复杂 (图1) , 在晶粒间有不同形态的K相存在。 相关资料
[2 ,3 ]
显示, K相又可以分为多种 (图2) , K1 为从液相中析出的富铁相, 成分可以是从富铁相固溶体到Fe3 Al, 多呈块状或玫瑰状。 在温度降到900 ℃时, β相开始分解生成α相以及KⅡ 相和KⅢ 相, KⅡ 为NiAl基体上的富铁相, 形貌与KI 相似但体积较小, 略成球状。 KⅢ 为富镍相, 呈片层状或棒状, 多分布在晶界边缘。 随着温度的降低, 从α相中又会析出等轴KⅣ 相, 该相为富铁相, 多类似Fe3 Al结构, 形貌较小。
图1 镍铝青铜合金铸态组织
Fig.1 Cast structure of NAB alloy
图2 在Cu-Al-5Fe-5Ni青铜中各种K相的命名
Fig.2 Rules of nomenclature of k phase in Cu-Al-5Fe-5Ni
KⅠ -Fe rich, primary precipitate form melt;KⅡ -Fe rich, precipitate fromβ-phase;KⅢ -Ni rich part of eutectord structureα+KⅢ ;KⅣ -Fe rich, globular precipitate fromα;KⅤ -Fe rich, lath precipitate fromα
图3 (a) 为轧制态管材金相, 由图中可见, 析出相中颗粒较大略成球形的为KⅡ 相, 棒状的为KⅢ 相, 细小颗粒状的为KⅣ 相。 KⅡ 相受到轧制力的影响而略呈长条形, 方向与轧制方向保持一致。 KⅡ 相和KⅢ 相分布在α相基体上仍然保持着轧制的流线方向。 合金管材退火后 (图3 (b) ) , 组织内大颗粒的KⅡ 相体积减小, 分布相对密集。 小颗粒KⅣ 相明显增多, 分布较密集。 同时KⅡ 相和KⅣ 相颗粒分布的流线性消失。 可见在退火的过程中, 合金消除应力的同时在α相基体上又有新的KⅣ 相析出。
组织中析出相的形貌和性能往往会对合金管材的性能产生很大的影响, 因此析出相的研究十分必要。
2.2 合金组织电子扫描分析
通过电子扫描分析发现, 轧制态合金组织中颗粒状的析出相分布在晶界处, 大颗粒约3 μm (图4 (a) ) , 而退火态的合金组织中, 析出相体积增大, 略呈长条状 (图4 (b) ) 。 在退火后的冷却过程中, 随着合金元素的析出, 晶粒逐渐长大。 析出相的电子探针分析结果证明了该观点, 如图5～7。
由图5～7的电子探针分析结果, 可以看出, 随着析出相从小颗粒到长条状再到片状的形状变化, 析出相中的Ni, Al的含量逐渐增加。 同时, 铁的含量也逐渐增加。 由此, 我们认为析出相的长大与退火过程中合金元素的析出是紧密相关的。
图3 镍铝青铜合金管材金相显微组织
Fig.3 Metallographic microstructure of NAB alloy pipe (a) Microstructure of as-rolled pipe; (b) Microstructure of annealed condition pipe
关于镍铝青铜组织特别是铸态组织的研究已经比较广泛, 但并未建立起完整的相图
[4 ]
。 我们根据铁、 铝、 镍相互的二元相图, 从理论上分析镍铝青铜合金, 当铝的含量较高时, 温度降低到655 ℃, 铁和铝将以FeAl3 的形式析出。 随着温度降低, 又析出Al和Ni的化合物, 最后析出Fe和Ni的化合物。 因合金元素相互影响, 且分布情况不可能完全相同, 所以要了解金属间化合物真正的析出情况, 需更进一步的研究。
2.3 镍铝青铜合金组织透射电镜分析
镍铝青铜合金的K相具体成分未见相关文献介绍, 大多定义为富“X”相。 本研究中的分析结果很好地验证了这一点。 从图8 (a) 中发现铜合金基体中有大量微米量级的相, 结合上图2, 从形貌上判断该相为KⅢ 相, 其主要成分为镍, 还含有Al, Fe, Cu。 在铜合金基体内有少量含铁相存在 (图8 (b) ) , 大小约50 nm。 另外, 在铜合金内发现孪晶 (图8 (c) ) , 这就是退火孪晶, 该现象是铜合金a固溶体再结晶晶粒的重要标志。
图4 镍铝青铜合金管材电子扫描组织
Fig.4 Electron scanning microstructure of NAB alloy pipe (a) Microstructure of as-rolled pipe; (b) Microstructure of annealed condition pipe
图5 小颗粒析出相电子探针分析
Fig.5 Electron probing analysis of small particle precipitated phase
图6 长条状析出相电子探针分析
Fig.6 Electron probing analysis of stripe precipitated phase
对镍铝青铜合金退火态管材也进行了观察, 如图9。 在图9 (a) 中可以发现铜合金基体内有大量富镍Ni-Al-Fe-Cu相。 同时, 在铜合金中也发现大量细小的共格析出相 (图9 (b) ) , 其成分中Fe含量较多, 大小约20 nm。 经能谱分析, 该富铁相中以Fe3 Al为主, 而Fe3 Al的析出温度约560 ℃, 可以看出退火的过程中, α相基体析出了以Fe3 Al为主的KⅣ 相。 在退火态的铜合金基体内透射电镜观察未发现方形含铁相。
图7 片状析出相电子探针分析
Fig.7 Electron probing analysis of plate precipitated phase
图8 轧制态合金管材透射显微组织
Fig.8 Microstructure of NAB alloy as-rolled pipe analyzed by transmission electron microscope (a) Ni-Al-Fe-Cu phase; (b) Iron-bearing phase with square shape; (c) Twin in NAB alloy
图9 退火态合金管材透射显微组织
Fig.9 Microstructure of NAB alloy annealed condition pipe analyzed by transmission electron microscope (a) Ni-Al-Fe-Cu phase; (b) Coherence phase precipitated; (c) Twin in NAB alloy from matrix alloy
在管材退火后消失的方形含铁相, 其铁含量达到38%, 该相是一种在变形合金中极少见的金属间化合物, 国内外均未见报道, 其具体形成机制有待进一步研究。
3 镍铝青铜合金力学性能测试
对退火前后的管材进行力学性能测试, 结果如下表1。
由表1可以看出, 经过退火后, 镍铝青铜合金的抗拉强度和屈服强度降低, 同时合金的塑性增加, 其中屈服强度的降低幅度较大, 这是因为在退火过程中较多KⅣ 相析出, 影响了屈服强度
[5 ]
。
表1 镍铝青铜合金力学性能
Table 1 Mechanical property of NAB alloy
State
R p0.2 /MPaR m /MPaA/%
750
870
4.5
755
885
3.5
815
910
2.5
420
685
22.0
430
690
26.0
420
670
24.0
4 结 论
1. 变形镍铝青铜合金的组织比较复杂, 轧制态合金以α相+KⅡ +KⅢ 为主体, 退火态合金以α相+KⅡ + KⅣ 为主体。
2. 变形镍铝青铜合金在热处理的过程中, 随着温度降低, 合金元素镍和铝的析出造成K相长大。 退火后, 方形含铁相消失, 颗粒状的KⅣ 相析出较多。
3. 850 ℃退火使镍铝青铜合金发生再结晶, 合金强度降低, 塑性增加。
从以上研究结果可以发现, 新型镍铝青铜合金的组织主要变化是析出K相, 合金的性能很大程度上由析出K相的形状和大小等特性决定。 通过研究合金组织中的析出相变化情况, 有助于我们更好地了解该合金的性能, 制定更合理的加工工艺。
参考文献
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