高锰铝青铜材料研究进展

胡柏松 马明亮 郭纯

摘要：根据国内外对高锰铝青铜材料的研究进展情况，针对研究过程中遇到的问题，特别是高锰铝青铜材料熔炼工艺的方式方法不同会引起其特性改变的问题，对其熔炼工艺、组织成分和熔炼影响因素提出了相关见解，总结了高锰铝青铜材料今后的研究发展方向及应用方向。

关键词：高锰铝青铜;材料成分;组织特性;加工成型;研究进展

0 引言

近些年来，高锰铝青铜材料应用广泛，有不少研究者对其进行了深入研究。高锰铝青铜材料不仅在力学性能上表现优异，其耐热性、耐磨性及耐腐蚀性相对于铝青铜而言也更胜一筹，其高强度、高硬度的组织性能使得该材料常被用于制造螺纹和齿轮坯料等零配件。另外，高锰铝青铜材料还具有良好的导热性和稳定的刚性，可作为一种新型模具制造材料，该材料也是大型船舶螺旋桨和阀门等耐腐蚀性配件的制作材料之一，对于促进我国海事发展具有重要意义。随着人们生产、生活对铝青铜材料的需求不断增加，普通的铝青铜材料已经不能满足发展需求，为了使铝青铜材料能得到更好地应用，人们通过对其添加含量不同的锰元素，再平衡其他微量元素的配比并结合不同的熔炼方式来改善材料的组织性能，以满足材料的刚度、强度和硬度需求，以满足各领域对高锰铝青铜材料的更高要求。

1 国内外研究进展

1.1    国内研究进展

国内对高锰铝青铜的研究，可追溯到20世纪70年代，该材料在这一时期被大量应用于铸造船用螺旋桨，不少学者通过降低铝含量及提高锰含量来抑制铝青铜的缓冷脆性。20世纪90年代初，研究人员对高锰铝青铜材料的成分和性能进行了深入探究，利用MATLAB软件，通过多元线性回归方程，建立了多种有关高锰铝青铜合金少量元素成分含量的线性相关式，以优化合金各元素成分比，使合金的应用适应性更强，更加标准化和多元化。

张飞跃等人运用正交试验设计方法，发现高锰铝青铜中锰和铝含量在中、下限度，镍和铁含量控制在2%和3%为最佳。

丛红梅等人也对高锰铝合金中的少量元素钛展开了研究，研究表明，在铝含量为7.5%～8.2%时，Ti含量取0.2%～0.25%对合金的硬度有明显的增强效果。

自21世纪以来，不少学者对高锰铝青铜的研究实现了重大突破。在前人研究的基础上查缺补漏，学者运用离心铸造等方法，进行了大量有关合金成分的分析实验，并结合智能检测、数学建模等多种方法，研究了合金成分与组织性能的基本关系。

杨大韬等人通过MATLAB软件建立了BP人工神经网络模型，在离心铸造条件下，发现合金的最佳熔炼成分满足如下关系：w（铝当量）%=w（Al）%-0.35w（Fe）%+0.34w（Ni）%+

0.19w（Mn）%。

近几年，国内学者对高锰铝青铜合金的加工工艺研究越来越多，在合金的表面防腐、增材制造等领域的研究越来越深入，对专家学者来说，此项工作仍具有挑战性。

1.2    国外研究进展

国外与国内对高锰铝青铜的研究方向不大相同，国内主要研究领域为合金的加工工艺，而国外主要研究的是合金铸造工艺。在合金铸造过程中，时效温度、固溶温度、时效时间、固溶时间为影响合金性能的4个重要参数。

Foglesong等人通过时效强化的物理模型对铝青铜的时效行为进行了模拟研究，应用各种不同的时效参数确定其变化趋势，发现效果良好。数据表明，4种不同参数对合金的性能影响也各有不同，其影响大小有如下关系：时效温度>固溶温度>时效时间>固溶时间。

第二次世界大战时期，英国海军舰艇上的螺旋桨运用铝青铜材料制作而成，随着时间的推移，螺旋桨逐渐与海水发生脱铝反应，使得现有的铝青铜材料并不满足应用需求。自1980年以来，为了使高锰铝合金材料能够更好地服务于海水作业，国外研究者不仅在合金中添加了少量元素，还对合金的表面防腐和合金摩擦性能进行了较为深入的研究。A A Ei-Meligi在铝青铜合金中添加了10%的铝和5%的镍，其表面生成的NiO薄膜用于保护合金，效果十分明显，而Sanada M L等人则使用O2激光束對合金表面进行了强化处理，使得合金的耐磨性能更加优越，磨损率也得到了降低，这对于合金的表面强化具有重要意义。

2 加工工艺

20世纪初，有专家学者对铝青铜材料进行了研究，主要体现在合金加工工艺、改善合金性能等方面。高锰铝青铜是在铝青铜熔炼过程中通过添加不同含量的锰元素来控制合金的组织性能，所以高锰铝青铜和铝青铜的熔炼工艺大抵相同。近些年来，铝青铜材料的加工工艺主要通过熔融浇注的方式实现，并添加覆盖剂来减少气孔、夹渣，还有通过增材制造“逐层累加”的方式进行加工，而无论是哪种方式都存在一些缺陷，使得高锰铝青铜材料加工工艺发展备受阻碍。

李雨蔚等人采用熔铸法制备出了不同含量Mn的铝青铜合金，通过严格控制其固溶时效和温度，改变Mn含量来探究合金的抗拉强度和屈服强度特性。

陈伟等人则通过冷金属过渡技术（CMT）制备出了Al、Ni、Mn、Fe质量分数各占比8%、2%、2%、2%的铝青铜合金材料，这种加工方法不仅要控制送丝速度、增材速度、氩气流量等，还需采用交替往复的方式增材，对机械电子设备的要求更加全面。

上述两者的加工方式不同，影响因子也有诸多不同之处。增材制造处理工艺近几年尤为盛行，避免了很多人为因素，在其离散/堆积原理的基础之上，热源（电弧、离子束、电子束、激光束等）也具有很大自由的可选择性，在未来高锰铝青铜的加工工艺上颇具发展潜力。

当然，增材制造处理工艺也存在一些问题，比如：成型零件尺寸精度不准确、加工过程中存在气孔以及熔池动态流动不易控制等，这激发了更多学者对此类问题的研究兴趣。

卜星在研究中发现，若焊枪在层与层之间能够倾斜上升，相对于垂直上升来说，成型的零件外观更平整，精度也较高。

闫峘宇运用单层单道模型通过正交实验研究了焊缝的精度问题，并且改进了单层多道模型存在的熔宽、熔高等问题，大大提高了模型与实际焊缝的契合度。

3 高锰铝青铜组织成分

高锰铝青铜合金组织性能会随着温度和成分的改变而发生变化。不同Mn含量的合金抗拉强度、屈服强度和延伸率的变化曲线如图1所示，在Mn元素质量分数达2%时，合金的屈服强度与抗拉强度达到最大，其合金的延伸率在3%之后处于稳定状态，高锰铝青铜合金中Mn、Al元素作为组织的主导成分，其含量对于组织特性的影响巨大。

纪胜如等人通过线性回归方程，探究了12种合金不同成分含量，结果表明，在高锰铝青铜中，Mn与Al元素相关性为（Al+）时较为合适。在此基础上，还需严格控制浇注温度，按照铝锰相关性确定Mn含量为12%～15%时，可使高锰铝青铜合金具有高强韧性。

2010年，杨为勤等人在探究含镍高锰铝青铜杂质影响时发现，当铝青铜合金中Mn的含量不同时，对合金的α相、β相区有很大影响，在提高Mn含量达6%以上时，β相区趋于稳定状态且不会缓冷脆化，Mn的加入不仅提高了合金的致密性，还增加了合金的强度。但是值得注意的是，Mn含量超过一定值时，可能会产生残渣，Mn含量控制在11%～15%时最佳。

通常情况下，为了提高高锰铝青铜的组织特性，会添加其他少量元素，如Ni、Fe、Co等。李元元等人研究发现，当合金中铝含量为10%时，向其添加Ti、B等元素，合金的力学性能有所提高。

在质变处理方面，Romankiewicz F等人通过实验探究了某些质变剂和复合质变剂V+B、Ti+B、Zr+B、Ca+B等对合金性能产生的积极影响。

杨为勤利用基于Orign线性回归方程建模，优化高锰铝青铜合金成分时发现，在合金中添加镍元素能够加强合金的蠕变强度，并且无镍的高锰铝青铜容易腐蚀，镍含量宜控制在2%左右，如果过多也会降低合金的组织性能，同时会降低合金的焊接性。

楚满军等人通过对比实验法，探究了锶钛硼复合微合金化对高锰铝青铜的影响，将锶、钛和硼复合微合金化的高锰铝青铜和未微合金化的高锰铝青铜进行对比发现，两种铸态高锰铝青铜的相组成没有发生改变，但是α相与K相的晶体都比之前更加细化，并且在合金硬度也明显增加，增长率约为26.8%，腐蚀效率和合金摩擦效率分别降低了约11.4%和8.4%。

因此，高锰铝青铜合金中添加少量其他元素，能够让合金的组织性能得到改善，使其更加适用于各类生产、生活的需要。同时，高锰铝青铜材料还可加入更多的未知元素，以促进其组织性能，这为学者提供了后续研究方向。

4 亟待解决的难题

经过40多年的研究与发展，高锰铝青铜的熔炼工艺一直在不断改进，熔炼工艺是能够保证合金良好质量的前提，同时也是铸造合金过程中的关键环节。大量的实验数据和研究发现，在熔炼制备高锰铝青铜实验过程中，研究者一直都关注以下4个问题：

（1）如何更简便地除去合金在熔炼过程中产生的其他气体？

（2）怎样更好地解决脱氧问题？

（3）合金中的残渣如何处理？

（4）选择怎样的处理工艺？

以上问题直接导致合金的机械性能下降、表面磨损和夹渣气孔等缺陷，结合以往的实验数据来看，针对目前这些问题均提出了不少的改进方案，但都只是尽量避免了上述现象的产生，并没有减少这些改进方案所带来的影响，所以这些问题值得更多的研究者为之探寻理想的解决方案。

自21世纪以来，不少学者专注于研究稀土元素如何对合金产生影响，通过添加稀土元素来改善合金的组织性能是他们的研究焦点，为了平衡各个元素所带来的积极效应，优化合金成分一直是研究目标，但在研究过程中遇到了一些瓶颈，例如：合金的成分优化相关式冲突，造成合金成分配比无法调节、少量研究数据不足、耗时耗力等。

5 结语

高锰铝青铜材料因其优异的特性而引起了人们的广泛关注和研究，相对于其他铝青铜合金来说，高锰铝青铜合金具备更好的耐腐蚀性、屈服强度、高强韧性和耐热性等。随着高锰铝青铜材料的不断改善与投入使用，给企业带来了明显的经济效益。一般情况下，高锰铝青铜材料适用于大部分领域，一定程度上减少了对很多稀缺金属的使用需求，符合我国资源可持续发展策略要求，相信在未来高锰铝青铜合金材料将被越来越多地应用于更多领域。

[參考文献]

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收稿日期：2020-08-14

作者简介：胡柏松（1998—），男，安徽铜陵人，研究方向：增材制造。

通信作者：郭纯（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。