铝青铜QA19-4的性能分析

铝青铜QA19-4具有许多优良的性能,在机械行业中起着重要的作用。尤其含铝量约10%时机械强度最高,且能通过热处理进一步强化,故QAl9-4可得到较高的强度、硬度、耐磨性、冲击无火花等优良性能。该材料已在抽油井光杆密封装置和阀门上得到了广泛应用,结果表明,QAl9-4耐磨、耐腐蚀,且对光杆及其密封填料、阀杆等具有良好的保护作用,提高了产品的使用寿命。 铝青铜在机械制造中常用作结构材料,是主要以铜-铝系为基的合金。仅由铜、铝元素构成的是二元铝青铜,为了改善某些性能,常在二元铝青铜中添加铁、锰、镍等元素形成多元铝青铜。由于大规模的工业化生产和研究的进一步深入,铝青铜已成为现代工业中应用及其广泛的一种新型铜合金[1]。 铝青铜具有许多优良的性能,主要表现在:(1)具有很高的强度、硬度和耐磨性；(2)具有良好的抗蚀性；(3)在冲击作用下不会产生火花；(4)具有优良的导热系数和稳定的刚度；(5)具有形状记忆效应；(6)价格相对便宜,可代替部分昂贵金属材料(如锡青铜、不锈钢、镍基合金等)。正是由于铝青铜所具有的优良特性,越来越受到人们的青睐,在机械行业中起着重要的作用。 1 性能分析: QAl9-4是铝青铜中重要的一种,它具有良好的机械强度、减磨性、耐蚀性和耐寒冷性。 1.1 QAl9-4的组成成分与机械性能 含铝量对铝青铜的机械性能有很大的影响(图1)[2],铝含量小于5%时,强度很低,大于7%～8%时,塑性急剧下降；铝含量为5%～7%时,塑性好,适于冷加工；含铝10%左右时强度最高。 由铝青铜QAl9-4的组成成分与机械性能与含铝量对铝青铜机械性能的影响(图1)可知,QAl9-4在铝青铜系列材料中机械强度最好,塑性较差,故QAl9-4具有较高的耐磨性,在室温下不易冷变形。QAl9-4能通过热处理强化进一步提高机械强度,其强化原理是利用淬火获得类 似钢的马氏体的介稳定组织。QAl9-4的高温强度及耐高温氧化力甚佳,虽加热至900 °C亦不生銹(表面生成Al2O3保护膜),且300 °C时尚有可观的机械强度。铝青铜中加入铁能细化晶粒和延伸再结晶速度,能显著提高铝青铜的强度、硬度和耐磨性。此外,QAl9-4亦具有良好的耐寒冷、冲击时无火花等优点,是防爆产品的良好选择。 1.2 铝青铜QAl9-4的可加工性 由(图1)可知,QAl9-4的塑性较低,不适合于冷加工。从铜-铝合金相图可以看出,铝青铜QAl9-4的结晶温度范围非常小,只有10 ℃～30 ℃,它具有良好的流动性,形成晶内偏析和分散缩孔的倾向小,易于获得质地致密的铸件,不足之处是铝青铜QAl9-4具有较大的收缩比,最大可达到2.3%～2.4%。 铝青铜QAl9-4的塑性低且随温度的变化而变化(图2),在200 ℃～600 ℃温度范围内具有低脆性区,不宜进行塑性变形,但在700 ℃～900 ℃高温下具有良好的塑性,可锻性很好。 1.3 铝青铜QAl9-4的强化 QAl9-4的强化手段主要有固溶强化、细晶强化、时效强化等。固溶强化即将合金加热到能使Al等合金元素全部或最大限度的溶入铜基体中形成饱和或过饱和固溶体后,淬火至室温得到过饱和固溶体的工艺过程。这种过饱和固溶体在室温或较高温度下将发生分解而析出第二相,这种析出可使合金的强度、硬度显著增加,这就是时效强化。固溶与时效往往配合使用来改善铝青铜合金性能。张伟文等对含铝9%的铝青铜合金的固溶与时效处理进行了优化研究,确定出最佳热处理工艺为850 ℃,保温1 h,水淬,350 ℃时效1 h,空冷。 2 应用案例 2.1 在光杆密封装置上作为扶正机构 由于铝青铜优良的机械性能,在抽油井光杆密封装置上作为扶正机构进行了应用[3]。扶正套位于调偏接头上部,具有对进入密封器主体后的光杆进行扶正调偏、保护光杆和密封壳体的作用。它具有的良好耐磨性、耐腐蚀性、较高的强度以及良好的热涨性和较低的硬度,特别是由于具有良好的热涨性和较低的硬度,使其能够承受较大的负荷和具有良好的耐磨性,对光杆具有良好的扶正和保护作用,避免划伤光杆。现场试验表明,抽油杆对扶正装置大负荷的抗、磨时,铝青铜扶正套却磨损很少,且光杆无磨损痕迹。这对延长密封盘根寿命,保护光杆具有很好的效果,使得盘根更换周期延长了3～4倍,大幅降低了原油跑帽漏,清理了井场。 2.2 在阀门上作为阀杆螺母 阀杆螺母位于阀门顶端,与手轮相连,内连丝杠,作为闸板或阀瓣开关的导向机构,控制阀杆行程。要求其具有较高的强度、耐磨性和耐腐蚀性能[4]。然QAl9-4恰好符合上述要求,已在明杆闸阀或截止阀 上作为阀杆螺母使用。应用结果表明,在胜利油田的野外输油管线上,安装了由QAl9-4制作的阀杆螺母的阀门,相比45#阀杆螺母寿命提高了4倍,且阀杆与阀杆螺母间不易锈蚀,保护了光杆,延长了阀门的使用寿命。 3 结语 QAl9-4铝青铜在机械制造业中具有重要的作用,可通过强化处理得到良好的机械性能,是良好的防爆、耐磨和耐腐蚀材料。