仿金铜合金的研制与应用

仿金铜合金的研制与应用王碧文 王世民 王 涛(洛阳铜加工厂技术中心,洛阳471039)摘 要 研制了一种新型艺术用Cu-6Al-2Ni-0.1In 铜合金,其颜色为金黄色,有优良的耐蚀、异型铸造、压力加工和焊接性能,对其在海洋性气侯下的防腐保护作了探讨。

简单介绍了仿金铜合金在某大型雕塑上的应用。

关键词 仿金合金;异型铸造;防腐保护;雕塑分类号 T G146.11铜和铜合金具有美丽的光泽和耐蚀性,用于艺术品的制作有悠久的历史,然而古今中外用于大型雕塑的铜合金多为Cu-Sn-Zn-T b 系列。

这类合金具有优良的流动性能,雕像表面经过化学处理,可以获得古青铜色,给人以雄浑的感觉。

但随着物质文化生活的进步和审美情趣的变迁,人们越来越需要具有黄金般色泽的雕塑制品,为此采用贴金和鉴金等方法,工艺复杂,价格昂贵。

因此研制具有美丽金黄色、优良耐蚀性和良好工艺性能的仿金铜合金,对艺术事业来说,无疑是非常有益的。

1 合金的研制1.1 合金成分铜基合金中Cu-Al 系和Cu-Zn 系有美丽的金黄色,相比较而言,Cu-Al 系的耐蚀性较好;N i 元素能进一步提高Cu-Al 合金的耐蚀性。

从Cu-Al-Ni 三元相(见图1)可知,X (Al)<9.4%、X (Ni)<3%,合金处于单相区,没有第二相或化合物的析出,避免由于电极电位差异引起选择性腐蚀或点蚀等。

而且Cu-Al 合金中的Al 元素,能在合金表面形成自愈性保护膜,当保护层被破坏之后,可以迅速再生[1]。

Cu-Al 二元系中,Al 对金属的色泽发生重要的影响(图2)[2],随着Al 含量的增加,合金反射光的主波长变小,色调由红色向黄色变化。

我们对添加了Ni 和In 的铝青铜进行了进一步的试验,X (Ni)[3%的单相Cu-Al-Ni 合金颜色与Ni 含量关系不大,In 能提高合金的耐蚀性,保持合金的色泽。

用肉眼观察合金的颜色,结果列于表1。

图1 Cu-Al-Ni 合金相图(富铜角)F ig.1 Cu-Al-N i alloy phasediagram图2 A l 含量对Cu-A l 合金颜色的影响Fig.2 Influence of Al content on colour of Cu-Al alloy收稿日期:1997-11-02.王世民,工程师.洛阳铜加工厂技术中心,471039.第6卷 第3期 材 料 科 学 与 工 艺Vol.6 No.31998年9月M ATERIAL SCIENCE &TECHNOLOGYSep. 1998表1铝含量对合金颜色的影响Table1Inf luence of Al on colour alloy 合金成分X(E%)颜色Cu-7~10Al-2N i-0.1I n黄偏白Cu-4~7Al-2Ni-0.1In金黄色Cu-2~4Al-2Ni-0.1In黄偏红Cu-1~2Al-2Ni-0.1In红色在X(Al)为5%~6%、X(Ni)为1%~2%、X(In)为0.05%~0.15%成分范围内的合金具有美丽的金黄色。

本合金在不同介质中的腐蚀速率如表2所示,而且在四种条件都为均匀腐蚀,表现出较好的腐蚀形态和良好的耐蚀性。

1.2熔炼与铸造表2仿金铜合金在不同介质中的腐蚀速率Table2C orrosion rate of imitation gold alloy.s in different medium 腐蚀介质SO2气体H2S气体X(N aCl)3.5%全浸硝酸盐雾腐蚀速率(mm/a)0.0110.2640.0090.232用于大型雕塑的合金要求有良好的铸造性能。

试验得出该合金的流动性为550mm,线收缩率17j,适应于铁模、树脂砂模、半连续等多种铸造方式,可以规模生产。

中频感应电炉熔炼,木炭覆盖,浇注温度1180~1250e,异型树脂砂铸造为适应浇道漫长的需要,提高至1250~1300e用显微镜检查砂模铸造金相组织为单相A固溶体。

合金在各种铸造条件下的机械性能见表3。

表3仿金铜合金铸态机械性能Tabke3Mechanical property of imitation gold copper alloy 工艺规格R b/M pa R0.2/M pa D5(%)铁模铸造(扁锭)35mm@150mm@180mm120~150120~150\30半连续铸造(扁锭)75mm@300mm110~150110~150\30砂模铸造(板厚)10mm100~150100~150\25表4焊接工艺对焊缝质量的影响Table4Effect of welding technique on weld seam焊接工艺参数电流/A电压/V气体流量L/min成分w(%)Al Ni I n焊缝探伤合格率(%)工艺调整前1702815 4.5 1.70.0450工艺调整后2002422 6.1 1.60.0896焊丝))) 6.8 1.60.13)基体))) 5.9 1.50.10)1.3塑性加工仿金材料作为艺术用铜合金,不但要满足异型铸造产品的需要,而且要制成压力加工制品,如锻铜雕像用板材、焊接用焊丝等。

经过工艺试验,得到仿金铜塑性加工制品的工艺流程为:板材:铸锭y煤气加热920~950e y热轧y 冷却y650e退火y冷轧y2.0mm板焊丝:铸锭y煤气加热920~950e y挤压y 拉伸y650e退火(两次退火间断面收缩率[ 50%)y直径32,1.0mm焊丝(条)。

1.4焊接研究根据仿金铜合金含Al易氧化和吸气的特点,#70#材料科学与工艺第6卷选用具有保护性气氛和清除氧化膜作用的氩弧焊(M IG/TIG)设备焊接是比较合适的。

与一般结构件焊接不同的是,仿金铜合金焊接必须保证焊缝和基体颜色完全一致,因此要控制焊接时Al元素的烧损。

通过对焊丝成分和焊接工艺参数的调整,保证了焊缝的颜色,提高了焊接质量(表4)。

焊缝和热影响区显微组织检查表明,与基体相比没有发生相结构的改变,仍为单相A固溶体。

对于大型雕像,采用氩弧焊,使用直径1m m 焊丝,送丝速度60m/h,根据壁厚可选择双面焊或单面焊双面成型。

焊接接头性能见表5。

1.5表面保护仿金材料本身有较好的耐蚀性,但用于大型露天雕塑,达到长久/保光0,/防腐0的目的,进行适当的保护是必要的,有机涂层是一种有效,可行的办法。

这种有机涂层要满足以下条件:(1)透明;(2)与仿金铜不发生化学反应;(3)耐海洋性气氛浸蚀;(4)寿命长。

为此我们选择了几种耐侯性好的涂料进行了试验室、现场挂片等试验研究,结果列入表6。

试验可见,丙稀酸聚氨脂的保护效果最佳,在表5仿金材料氩弧焊接头性能Table5Property of orgon arc weld of imitation gold material部位R b/M pa R0.2/M pa D5(%)砂型铸板28514040焊缝27013035热影响区26312838表6仿金材料铸板保护试验Table6Protection experiment of imitation gold casting plate保护膜成分试验室3.5%NaCl喷雾试验普陀山现场挂片有机硅12周期后涂层大面积老化发白,基体有轻微腐蚀点出现1年后,涂层失光,出现龟裂,基体未出现腐蚀产物丙稀酸12周期后,涂层发白,基体上出现绿色腐蚀产物1年后,涂层严重老化,基体出现深绿色腐蚀产物硝基漆别涂层较薄处产生绿色腐蚀斑点半年后,大部分试样涂层未见异常,个别试样棱角处有风化现象,基体未被腐蚀丙稀酸聚氨脂34周期后,除少量位晶盐析出外,涂层外观色泽无变化1年后,涂层完态光润,基体色泽无变化注:每周期为一天,高低温循环:(35?2e)@8h,(15?2e)@16h。

此基础上,又进行了进一步的研究,最终选定如下配方:基体材料+稀释剂+铜缓蚀剂+紫外线吸收剂,基体材料为丙稀酸聚氨脂,稀释剂主要为环已酮和醋酸丁酯,苯吡三氮唑(BTA)为缓蚀剂。

2仿金材料的应用研制的仿金材料作为一种新型的艺术用铜合金,已成功地用于东海某岛20m高的观音像。

铜像由97块用仿金铜合金铸成的10mm厚的壁板拼装焊接而成,壁板通过像体内的副支架与主钢架相联接,即采用悬挂承载方式。

具体工艺如下:原型像y分块y1:1石膏模型y树脂砂型y 熔炼浇铸y清砂y打磨y预组装y组装y焊接y 表面抛光y保护铜壁板型面大而复杂,绝大多数展开面积在6m2以上,最大的16m2,而厚度仅10mm,铸造难度高。

在实际操作中采用分层浇注和熔模铸造技术,成功解决壁厚、板型控制、夹渣、冷隔、裂纹等大型异面薄壁件经常出现的缺陷,其中艺术形象要求最为严格的面部一次浇注成功,重1410kg。

壁板是依据1:1石膏像翻砂铸造的,其间存#71#第3期王碧文等:仿金铜合金的研制与应用在翻砂选型和铸造应力引起的偏差,为了纠正这些偏差,打磨后的壁板首先在制造厂内预组装,根据预组装情况进行校形,使各壁板层、块之间衔接良好。

预组装完成后拆卸运抵安装现场,现场安装自下而上逐层进行,与焊接交叉施工。

铜像的焊接兼顾结构和艺术两个方面。

焊为露天施工,环境恶劣,为保证焊接质量并把焊接产生的变形减少到最低限度,制定了装三焊一(装三层焊接第一层),先立后横(先焊立缝后焊横缝),先内后外,严格控制装配间隙和坡口形状等施焊原则。

经过打磨,抛光等工序后的铜像表面,颜色、质感一致,看不到焊缝痕迹,金黄色的铜像浑然一体,严格再现了石膏模型的艺术形象。

表面保护是铜像制作的最后一道工序,施工质量对涂层质量有至关重要的作用。

经过清洗、钝化和三遍喷涂,以仿金铜壁板本身金黄色展现于世人面前的仿金观音铜像正式完工。

铜像金光闪闪,形象完美,涂层光润丰厚,受到工程甲方的高度评价,显示出仿金铜用于大型雕塑的独特优势。

3 结 语仿金材料的研制和应用表明,Cu-6Al-2Ni -0.1In 合金具有良好的铸造性能和压力加工性能,具有美丽的金黄色泽,可使用氩弧焊接,具有较好的焊接性能,适应于露天大型铜像的建造。

参 考 文 献1 W est F G 著.铜和铜合金.陈北盈等译.湖南:长沙中南工业大学出版社,1987.179~1812 薛新民.金属颜色的测定及二元铜合金颜色变化规律.铜加工,1994,3(55):133~136Development and Application of Imitation Gold Copper AlloyWang Biw en Wang S himin Wang Tao(T echnical Centre of Luo yang Coper Wo rking Plant,Luoyang 471039)Abstract This paper introduces a new copper alloy Cu-6Al-2Ni-0.1In,w hich has the colour of gold,excellent corrosion-resistance,special casting ,processing and w elding ability.Furthermore,discusses its corrosion-proofness in marine climate and brief the application of imitation gold copper to huge statues.Key words im itation gold alloy ;special-shaped casting;corrosion-proof;statues (上接第68页)Multicomponent Cementation by Ordinary Pressure Plasmaand Application to Cylinder JacketWu Yup ing L i H uqi L i H uidong L i Yingqing(Shandong M ining and Institute,T aian 271019)Abstract The multicomponent cementation w ere brought about by ordinary pressure plasma rapid scanning on metal surface.B-Si-Ce multion-ponent cementation w ere tng aged in boron cast iron cylinder jacket.T he compositionand microstructure were observed using electron probe and metallurg ical microscope and the microhardness distribution of plasma compentation layer w as also tested by a m icrohardness tester.After contrast multicom ponent cementation w ith laser process on w earing to as cast cylinder,it is show n the for -mer is provided w ith w ell w earability and matching ability,the w ear resistant increases by 7.7%,the w earabality of matching piston increases by 4.1%,up to the standard for ex cellent products,and the in -vestment in equipment is not much,the procedure of production is steady,and the production efficiency is high.Key words Multicom ponent cementation;cylinder;plasma#72# 材 料 科 学 与 工 艺 第6卷。