隨著國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展，易燃易爆工作場地大量涌現(xiàn)，諸如煉油廠、井下采礦、軍工火藥生產(chǎn)、彈藥庫、燃料庫等。為防止火災(zāi)和爆炸事故的發(fā)生，國家有關(guān)部門要求這些工作場地應(yīng)采取嚴(yán)格防爆措施。然而在機(jī)械作業(yè)和設(shè)備維修中，由于摩擦撞擊產(chǎn)生火花易引發(fā)惡性事故，成為安全工作中十分突出的問題。據(jù)觀察，用普通工具維修設(shè)備或由于鏟車、電瓶車鏟齒沖擊裝卸物所發(fā)生的火花并不鮮見。因此防范措施亟待完善。為消除重大隱患，易燃易爆場合急需大量防爆合金零部件、卡具和維修工具等。 過去常用的防爆工具雖然具有優(yōu)良的防爆性能，但價格昴貴，在熔煉過程中有毒，污染環(huán)境十分嚴(yán)重，因此使用范圍受到很大限制。同時國內(nèi)沒有這種合金生產(chǎn)廠家［1］，所以我國的防爆工具主要靠進(jìn)口或用其他材料代替。雖然國內(nèi)曾有人用鋁青銅或錫磷青銅制作防爆工具［1，2］，但其性能不僅相差較多，而且為保證具有一定的強(qiáng)度和硬度，不得不加入一定量的產(chǎn)生火花元素鐵（Fe）和貴重元素鎳（Ni），因此降低了合金安全系數(shù)，增加了成本。近年來日本開發(fā)出了新型高強(qiáng)度防爆合金，在防爆合金材料研究方面取得了一定的進(jìn)展。為此研究開發(fā)適合我國國情、原料立足國內(nèi)、安全系數(shù)大、成本低廉的防爆合金材料就顯得十分必要。 1 研究目標(biāo) 合金的機(jī)械性能要滿足一般作業(yè)要求，具有安全可靠的防爆性能，一般摩擦、撞擊無火花產(chǎn)生，符合Ⅱ類B級防爆標(biāo)準(zhǔn)。 1．1 原材料選用 以銅為基，采用國內(nèi)資源豐富價格低廉的鋁、錳為主要添加元素，盡量少加或不加引起火花元素鐵以及貴重金屬鎳等。 1．2 主要元素對合金性能的影響 鋁是合金中主要的固溶強(qiáng)化元素。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，合金的機(jī)械性能隨鋁量的變化規(guī) 律是，鋁含量增加，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度顯著提高，而延伸率δ和沖擊韌性aK明顯下降。根據(jù)防爆合金材料要求，合金要有足夠的鋁含量，對錳含量高的銅合金，為保證在鑄態(tài)下兼有高強(qiáng)度和韌性，鋁量應(yīng)控制在5%—9%的范圍內(nèi)。 錳是合金的固溶強(qiáng)化元素，使合金的α相和β相的比例發(fā)生變化，反映在對合金的機(jī)械性能的影響上，表現(xiàn)為隨著錳含量的增加，合金的強(qiáng)度σHRC均有提高，而延伸率δ、對面收縮率φ和沖擊韌性aK均有下降趨勢。同時當(dāng)錳含量超過1．4%時，錳含量的變化對合金機(jī)械性能的影響已不明顯。因此合金的錳含量應(yīng)在≤1．4%為宜。 鐵可以有效地細(xì)化晶粒，加入量在2%時，可使合金凝固范圍變窄并因具有形成柱狀晶傾向而獲得細(xì)晶組織，改善合金的機(jī)械性能和耐磨性能。但是過量的鐵會使組織中出現(xiàn)大量的富鐵化合物k相，將會降低合金的機(jī)械性能和耐磨性能。由于鐵是產(chǎn)生火花的元素，加入鐵過量將降低合金的防爆安全系數(shù)。因此鐵含量應(yīng)限制在＜0．5%。 2 試驗(yàn)結(jié)果與分析 試驗(yàn)采用L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計。因素水平見表1，實(shí)驗(yàn)方案，見表2。 將試驗(yàn)方案中的9組試驗(yàn)分別測其抗拉強(qiáng)度、硬度和延伸率，以求篩選出最佳綜合機(jī)械性能的防爆合金材料。其鑄態(tài)機(jī)械性能和不同熱處理狀態(tài)對合金機(jī)械性能的影響，如圖1（1#—9#合金）所示（圖中所有合金熱處理方案均為保溫1h淬火） 由圖1中各合金比較可知，經(jīng)760℃保溫，1h淬火的3號合金，其抗拉強(qiáng)度超過900MPa，硬度HRC 均接近30，延伸率在7%—9%，綜合機(jī)械性能優(yōu)良，完全可滿足工具對材質(zhì)機(jī)械性能的要求。 對上述合金進(jìn)行金相分析可知，其組織為α相8%+β相15%+k相5%。在研究過程中，利用控制金相組織中各相比例來確定最佳機(jī)械性能，可收到滿意的效果。 由于防爆合金需要考核強(qiáng)度、硬度、延伸率等多項指標(biāo)，因此采用多指標(biāo)試驗(yàn)極差分析法對多項指標(biāo)進(jìn)行綜合評分。為使評分方法盡可能合理，按指標(biāo)重要程度給以不同的“加權(quán)”，權(quán)重定為100分。因考慮到合金抗拉強(qiáng)度占主要地位，其滿分定為40分，而硬度和延伸率滿分定為各30分。防爆合金試驗(yàn)指標(biāo)按正交設(shè)計及結(jié)果統(tǒng)計表L9（34）評價，如表3所示。 注：Yi1為δb/MPa×10；Yi2為HRC；Yi3為δ/%；Yi4為綜合評分。 綜合評分?jǐn)?shù)值的計算方法如下： 強(qiáng)度δb/MPa×10 k1=85．7－25．6=60．1 硬度HRC k2=27．2－7．1=20．1 延伸率/δ k3=19．8－1．25=18．55 利用下式計算aij（aij=分值/k值） ai1=40/60．1=0．67 ai2=30/20．1=1．49 ai3=30/18．55=1．62 為使計算不出錯，使各指標(biāo)數(shù)值都有同一數(shù)量級，計算強(qiáng)度指標(biāo)是同減=25，硬度指標(biāo)同減7；延伸率指標(biāo)同減1．2。 按綜合加權(quán)評分值Yi的計算公式： Yi=ai1Yi1+ai2Yi2+…+aijYij 式中aij——系數(shù)；Yij——試驗(yàn)指標(biāo)。 下標(biāo)ij表示第i號試驗(yàn)的第j個指標(biāo)。 Y1=0．67×28．2+1．49×7．4+1．62×5．8=39．3 Y2=．67×16．3+1．49×17+1．62×0．05=36．3 …… Y9=0．67×0．6+1．49×19．6+1．62×1=31．2 試驗(yàn)結(jié)果的極差分析，如表4所示。 從表4中各因素的極差值可見，影響防爆合金綜合機(jī)械性能的主要因素順序?yàn)镈（R=19．5）、A（18．4）、C（18．2），而B因素影響最小。通過極差控制各因素水平，可有效控制合金性能。由極差值還可看出，影響綜合機(jī)械性能的因素從主到次順序?yàn)镈→A→C→B。為選擇各影響因素水平，圖2顯示了各因素水平對防爆合金材料機(jī)械性能的影響趨勢。 由圖2可知，應(yīng)選最優(yōu)因素水平序列A3、B1、C3、D3，即7% A1；1．25% Mn；0．08% RE，其他元素總量為3%，并嚴(yán)格控制除稀土以外其他各元素的含量。按這種最優(yōu)搭配方案，經(jīng)模擬國標(biāo)GB10686-89“銅合金工具防爆性能試驗(yàn)方法”旋轉(zhuǎn)摩擦式試驗(yàn)裝置測試，該水平的合金防爆安全系數(shù)大，不產(chǎn)生火花。合金抗拉強(qiáng)度均超過850MPa，硬度為HRC25—30，延伸率為5%—15%。用該合金生產(chǎn)彈藥修配車間鏟車鏟齒及作業(yè)工具如起訂器、橇棍等。該產(chǎn)品自1998年4月份由北京軍區(qū)后勤部第七分部彈藥倉庫投入使用至今，機(jī)械性能一直符合要求，一般摩擦、撞擊均無火花，并已安全作業(yè)兩年有余。 4 結(jié)論 （1）以銅為基添加5%—7% A1；1．25%—1．45% Mn；0．04%—0．08% RE，及Σ（Mo、Ti、Co）≤1%—3%的合金，具有高的強(qiáng)度、硬度和延伸率。經(jīng)旋轉(zhuǎn)摩擦式試驗(yàn)裝置測試，無火花生成，具有優(yōu)良的防爆性能。 （2）該材料經(jīng)適當(dāng)熱處理后（760℃），其綜合機(jī)械性能可與鈹青銅媲美，其防爆安全系數(shù)高，且生產(chǎn)成本只是防爆鈹青銅的1/3。 （3）用該合金制作的作業(yè)工具（鏟車護(hù)齒、橇棍等），經(jīng)兩年的實(shí)踐考核未出現(xiàn)任何問題，其性能穩(wěn)定。