隨著國民經濟和國防建設事業的迅猛發展，易燃易爆工作場地大量涌現，諸如煉油廠、井下采礦、軍工火藥生產、彈藥庫、燃料庫等。為防止火災和爆炸事故的發生，國家有關部門要求這些工作場地應采取嚴格防爆措施。然而在機械作業和設備維修中，由于摩擦撞擊產生火花易引發惡性事故，成為安全工作中十分突出的問題。據觀察，用普通工具維修設備或由于鏟車、電瓶車鏟齒沖擊裝卸物所發生的火花并不鮮見。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良的防爆性能，但價格昴貴，在熔煉過程中有毒，污染環境十分嚴重，因此使用范圍受到很大限制。同時國內沒有這種合金生產廠家［1］，所以我國的防爆工具主要靠進口或用其他材料代替。雖然國內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度和硬度，不得不加入一定量的產生火花元素鐵（Fe）和貴重元素鎳（Ni），因此降低了合金安全系數，增加了成本。近年來日本開發出了新型高強度防爆合金，在防爆合金材料研究方面取得了一定的進展。為此研究開發適合我國國情、原料立足國內、安全系數大、成本低廉的防爆合金材料就顯得十分必要。 1 研究目標 合金的機械性能要滿足一般作業要求，具有安全可靠的防爆性能，一般摩擦、撞擊無火花產生，符合Ⅱ類B級防爆標準。 1．1 原材料選用 以銅為基，采用國內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化元素。根據試驗結果，合金的機械性能隨鋁量的變化規 律是，鋁含量增加，合金的抗拉強度和屈服強度顯著提高，而延伸率δ和沖擊韌性aK明顯下降。根據防爆合金材料要求，合金要有足夠的鋁含量，對錳含量高的銅合金，為保證在鑄態下兼有高強度和韌性，鋁量應控制在5%—9%的范圍內。 錳是合金的固溶強化元素，使合金的α相和β相的比例發生變化，反映在對合金的機械性能的影響上，表現為隨著錳含量的增加，合金的強度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。同時當錳含量超過1．4%時，錳含量的變化對合金機械性能的影響已不明顯。因此合金的錳含量應在≤1．4%為宜。 鐵可以有效地細化晶粒，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晶組織，改善合金的機械性能和耐磨性能。但是過量的鐵會使組織中出現大量的富鐵化合物k相，將會降低合金的機械性能和耐磨性能。由于鐵是產生火花的元素，加入鐵過量將降低合金的防爆安全系數。因此鐵含量應限制在＜0．5%。 2 試驗結果與分析 試驗采用L9（34）正交試驗設計。因素水平見表1，實驗方案，見表2。 將試驗方案中的9組試驗分別測其抗拉強度、硬度和延伸率，以求篩選出最佳綜合機械性能的防爆合金材料。其鑄態機械性能和不同熱處理狀態對合金機械性能的影響，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760℃保溫，1h淬火的3號合金，其抗拉強度超過900MPa，硬度HRC 均接近30，延伸率在7%—9%，綜合機械性能優良，完全可滿足工具對材質機械性能的要求。 對上述合金進行金相分析可知，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械性能，可收到滿意的效果。 由于防爆合金需要考核強度、硬度、延伸率等多項指標，因此采用多指標試驗極差分析法對多項指標進行綜合評分。為使評分方法盡可能合理，按指標重要程度給以不同的“加權”，權重定為100分。因考慮到合金抗拉強度占主要地位，其滿分定為40分，而硬度和延伸率滿分定為各30分。防爆合金試驗指標按正交設計及結果統計表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。 綜合評分數值的計算方法如下： 強度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，使各指標數值都有同一數量級，計算強度指標是同減=25，硬度指標同減7；延伸率指標同減1．2。 按綜合加權評分值Yi的計算公式： Yi=ai1Yi1+ai2Yi2+…+aijYij 式中aij——系數；Yij——試驗指標。 下標ij表示第i號試驗的第j個指標。 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 試驗結果的極差分析，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械性能的主要因素順序為D（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，影響綜合機械性能的因素從主到次順序為D→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械性能的影響趨勢。 由圖2可知，應選最優因素水平序列A3、B1、C3、D3，即7% A1；1．25% Mn；0．08% RE，其他元素總量為3%，并嚴格控制除稀土以外其他各元素的含量。按這種最優搭配方案，經模擬國標GB10686-89“銅合金工具防爆性能試驗方法”旋轉摩擦式試驗裝置測試，該水平的合金防爆安全系數大，不產生火花。合金抗拉強度均超過850MPa，硬度為HRC25—30，延伸率為5%—15%。用該合金生產彈藥修配車間鏟車鏟齒及作業工具如起訂器、橇棍等。該產品自1998年4月份由北京軍區后勤部第七分部彈藥倉庫投入使用至今，機械性能一直符合要求，一般摩擦、撞擊均無火花，并已安全作業兩年有余。 4 結論 （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，具有高的強度、硬度和延伸率。經旋轉摩擦式試驗裝置測試，無火花生成，具有優良的防爆性能。 （2）該材料經適當熱處理后（760℃），其綜合機械性能可與鈹青銅媲美，其防爆安全系數高，且生產成本只是防爆鈹青銅的1/3。 （3）用該合金制作的作業工具（鏟車護齒、橇棍等），經兩年的實踐考核未出現任何問題，其性能穩定。