铝青铜是作为结构材料最值得关注以及在现代工业中应用最为广泛的一种铜合金，因强度高，硬度高，韧性好以及具有良好的耐磨性，耐蚀性，并广泛应用于制作高载和高速运转的耐蚀耐磨部件，如齿轮，阀门以及大型船用螺旋桨等。其在大气、海水、碳酸及大多数有机酸中具有比黄铜和锡青铜更高的耐蚀性，冲击时不发生火花等特性。但是铝青铜铜的体积收缩率比锡青铜大，铸件内部易产生难熔的氧化铝，难于钎焊，在过热蒸汽中不稳定。铝青铜价格便宜，可以成为一些昂贵金属材料的部分替代品，如替代锡青铜、不锈钢、镍基合金等。国内常用的铝青铜牌号及其应用如表1所示。

 

  表1 国内常用的铝青铜牌号及其应用

 

最初把铝青铜作为螺旋桨材料使用的，是第二次世界大战中的英国海军。由于在高速鱼雷艇上使用了飞机用的发动机，螺旋桨的转速非常高，用高强度黄铜制造的螺旋桨，产生了严重的空泡腐蚀和腐蚀疲劳，甚至难以维持一个航次，不时出现脱锌、龟裂和折断事故。为了解决这一间题，他们选用力学性能、耐蚀性和抗空泡腐蚀性更优异的铝青铜，获得了良好的效果。

 

 

  图1 Cu-Al二元相图

 

  铝是铝青铜最主要的合金元素。根据额外添加其他合金元素与否，铝青铜分为简单铝青铜，即二元Cu-Al合金和复杂铝青铜，即以铜铝为基，添加Fe,Ni, Mn,Zn等元素的多元铜合金。铝青铜有良好的铸造性能。从Cu-Al二元合金相图（图1）上可以看出，铝含量小于7.4%（无特殊说明，均指质量分数）时，所有的铝青铜合金在固态均是单一的α相固溶体，合金塑性较好，加工成形性好。铝含量在7.4%-9.4%之间时，在1036℃-565℃时温度范围内组织均是α+β双相组织，但是由于铸造过程中不可能理想的缓慢冷却速度，因此β不能完全转化为α，残余的β相会随着温度降低，发生共析转变，即β→α+γ2,γ2是一种以Cu9Al4为基的固溶体，是一种具有体心立方晶格的硬脆相，它的析出将降低合金的塑性，但会使合金的强度，硬度增加。此外，由于其与合金中α相组织上成分上的巨大差异，在腐蚀性介质中会因电位差异而形成电偶，因此会严重影响铝青铜的腐蚀性能。铝含量在9.4%-15.6%间的铝青铜合金从高温缓慢冷却到565℃时发生β→α+γ2,组织呈片层状。铝含量在9.4%-11.8%间的亚共析铝青铜在快速冷却过程中β相发生无扩散相变，会形成针状β‘相和马氏体组织。含铝量大于11.8%的过共析铝青铜组织变化顺序为由最初的β相固溶体转变为β1有序固溶体，然后随合金中铝含量的增加再转变成β’马氏体，β‘+γ’混合物或针状β‘马氏体。当铝含量大于9.4%时，铝青铜合金淬火后组织主要为β’马氏体。由于β‘相的硬度和强度均高于α相，因此可以应用在对铝青铜有耐磨性要求的构件制造中。此外，β’相是一种亚稳定组织，对其进行不同温度回火时，可以得到不同的组织。铝含量大于11.8%的过共析铝青铜是一种典型的固溶强化合金，在实际生产中经常采用热处理法对此合金进行强化。铝青铜可以通过热处理进行强化，强化原理是通过淬火获得马氏体的介稳定组织，从而使合金强化。

 

  镍铝青铜

 

  关于铝青铜的优异性能早在1910年间就已发现，但当时铸造技术不甚发达，如熔炼时易吸氢、浇注时氧化物的大量卷入等，推迟了它的实用化。此外，在金相组织方面也存在上述问题，这就是，高强度的铝青铜本来应该由α+β组成，但由于β相一经缓冷就会引起β→α+γ2的共析转变而脆化，使力学性能和耐蚀性能变坏。虽然在冷却速度大的情况下会阻止这一转变，但对于大型螺旋桨（冷却速度较慢）却难以避免，因此必须用调整成分的方法来防止这一转变。实际应用上有两种途径：一、加入多量的锰，推迟β相的共析转变，这样，在室温下可得到稳定的α+β组织，这就是高锰铝青铜；二、加入多量的镍，使α/α+β相的溶解限向铝侧移动，避免β相存在，从而在α相内生成细小的弥散的K相，这就是高强度镍铝青铜。

 

  镍铝青铜具有优异的机械性能，腐蚀性能以及耐空蚀性能，是船舶螺旋桨的重要选材之一。用镍铝青铜制作的螺旋桨的转动惯量比之前的黄铜螺旋桨降低15%-19%,在同等船用发动机的功率下，提高了螺旋桨的承载能力。镍铝青铜的抗拉强度和腐蚀疲劳强度比高强度黄铜高。如果把螺旋桨设计的容许应力设为4.69 MPa以上（高强度黄铜约是4.09 MPa），则叶片厚度可以减薄8%-10%,由于其密度比高强度黄铜小10%,如果两者同时考虑，则可使其重量减轻15%,同时提高螺旋桨的效率20%,这样可以减少轴系上的轴承磨耗，节省了材料、维修费用以及燃料损耗等。表2是世界各国镍铝青铜螺旋桨材料的化学成分、机械性能和腐蚀疲劳强度以及其与黄铜和Mn-Cu合金的对比情况。镍铝青铜腐蚀疲劳强度以及抗空蚀性能优于高强度黄铜，因此使得螺旋桨桨叶表面粗化缓慢。镍铝青铜无应力腐蚀倾向，腐蚀疲劳强度大概是高强度黄铜的2倍，抗空蚀性能相比于高强度黄铜约提高2-3倍。镍铝青铜在污染海水中的脱成分腐蚀程度低于高强度黄铜。但是镍铝青铜螺旋桨的造价比高强度黄铜增加25%-30%,但是它有更长的使用寿命以及更高的可靠性，据文献，高强度黄铜螺旋桨使用年限约10年，镍铝青铜螺旋桨使用寿命可达17-20年，综合考虑还是镍铝青铜螺旋桨比较合算。

 

  表2 世界各国镍铝青铜螺旋桨材料的化学成分、机械性能和腐蚀疲劳强度以及其与黄铜和Mn-Cu合金的对比情况

 

  镍铝青铜含有9-12% Al,6% Fe, 6% Ni, 1% Mn.中国船级社对镍铝青铜船用螺旋桨铸件的成分做了详细规定，要求Cu 77-82,Al 7-11,Mn 0.5-4,Fe 2.0-6.0,Ni 3.0-6.0,Sn 0.1,Pb 0.03,力学性能σb≥500MPa,σp0.2≥245MPa,延伸率不小于14%.合金成分中的Ni和Fe避免了简单Cu-Al二元合金在565℃时发生的共析转变β→α+γ2,因此无缓冷脆化现象。Fe能细化晶粒的作用，但是过多的Fe则会影响合金的耐蚀性，Ni有利于提高耐蚀性以及防止厚大铸件的缓冷脆性。Mn可以提高镍铝青铜的熔体流动性。为了抑制会选相腐蚀的γ‘’相的生成，Mn的含量不要超过1.3%.合金元素含量的微小差异会造成金相组织上的变化。图2为镍铝青铜在铸造过程中的组织转变图。

 

 

  图2 镍铝青铜在铸造过程中的组织转变图

 

  在1030℃以上，为单一的β相组织，随着温度的降低，会转变为魏氏体的α相。在930℃时，κⅡ会在β的相界处析出。温度降至860℃时发生共析转变，即β→α+κⅢ。随着温度的进一步降低，κⅣ会在α基体内析出。其中，κⅡ和κⅣ相都是基于Fe3Al的金属间化合物，κⅡ呈花朵状或者球状，尺寸较大，分布在α相界处，κⅣ尺寸非常小，往往在1 μm以下。κⅢ是片层状的，基于NiAl的金属间化合物。当合金中Fe的含量超过5%时，会有另外一种κⅠ相析出，其与κⅡ有着类似的形状以及成分，同样分布在α相界上。由于螺旋桨多为大型铸件，这样镍铝青铜铸件在一些位置处会由于冷却速度过快，β相来不及完全转化为α和κ，因此一些残余的β相，被称作β‘相保留在了组织中。β’一般呈马氏体形态。典型的铸造组织形貌见图3.