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新型防爆材料的研究及应用 |
| 随着国民经济和国防建设事业的迅猛发展，易燃易爆工作场地大量涌现，诸如炼油厂、井下采矿、军工火药生产、弹药库、燃料库等。为防止火灾和爆炸事故的发生，国家有关部门要求这些工作场地应采取严格防爆措施。然而在机械作业和设备维修中，由于摩擦撞击产生火花易引发恶性事故，成为安全工作中十分突出的问题。据观察，用普通工具维修设备或由于铲车、电瓶车铲齿冲击装卸物所发生的火花并不鲜见。因此防范措施亟待完善。为消除重大隐患，易燃易爆场合急需大量防爆合金零部件、卡具和维修工具等。 过去常用的防爆工具虽然具有优良的防爆性能，但价格昴贵，在熔炼过程中有毒，污染环境十分严重，因此使用范围受到很大限制。同时国内没有这种合金生产厂家［1］，所以我国的防爆工具主要靠进口或用其他材料代替。虽然国内曾有人用铝青铜或锡磷青铜制作防爆工具［1，2］，但其性能不仅相差较多，而且为保证具有一定的强度和硬度，不得不加入一定量的产生火花元素铁（Fe）和贵重元素镍（Ni），因此降低了合金安全系数，增加了成本。近年来日本开发出了新型高强度防爆合金，在防爆合金材料研究方面取得了一定的进展。为此研究开发适合我国国情、原料立足国内、安全系数大、成本低廉的防爆合金材料就显得十分必要。 1 研究目标 合金的机械性能要满足一般作业要求，具有安全可靠的防爆性能，一般摩擦、撞击无火花产生，符合Ⅱ类B级防爆标准。 1．1 原材料选用 以铜为基，采用国内资源丰富价格低廉的铝、锰为主要添加元素，尽量少加或不加引起火花元素铁以及贵重金属镍等。 1．2 主要元素对合金性能的影响 铝是合金中主要的固溶强化元素。根据试验结果，合金的机械性能随铝量的变化规 律是，铝含量增加，合金的抗拉强度和屈服强度显著提高，而延伸率δ和冲击韧性aK明显下降。根据防爆合金材料要求，合金要有足够的铝含量，对锰含量高的铜合金，为保证在铸态下兼有高强度和韧性，铝量应控制在5%—9%的范围内。 试验采用L9（34）正交试验设计。因素水平见表1，实验方案，见表2。  将试验方案中的9组试验分别测其抗拉强度、硬度和延伸率，以求筛选出最佳综合机械性能的防爆合金材料。其铸态机械性能和不同热处理状态对合金机械性能的影响，如图1（1#—9#合金）所示（图中所有合金热处理方案均为保温1h淬火） 由图1中各合金比较可知，经760℃保温，1h淬火的3号合金，其抗拉强度超过900MPa，硬度HRC 均接近30，延伸率在7%—9%，综合机械性能优良，完全可满足工具对材质机械性能的要求。 对上述合金进行金相分析可知，其组织为α相8%+β相15%+k相5%。在研究过程中，利用控制金相组织中各相比例来确定最佳机械性能，可收到满意的效果。 由于防爆合金需要考核强度、硬度、延伸率等多项指标，因此采用多指标试验极差分析法对多项指标进行综合评分。为使评分方法尽可能合理，按指标重要程度给以不同的“加权”，权重定为100分。因考虑到合金抗拉强度占主要地位，其满分定为40分，而硬度和延伸率满分定为各30分。防爆合金试验指标按正交设计及结果统计表L9（34）评价，如表3所示。  ■———强度／MPa×10 ◆———硬度／HRC ▲———延伸率／% 图1 1-9号合金铸态机械性能和热处理状态对机械性能的影响 表3 试验的正交设计  注：Yi1为δb/MPa×10；Yi2为HRC；Yi3为δ/%；Yi4为综合评分。 表4 极差分析结果  从表4中各因素的极差值可见，影响防爆合金综合机械性能的主要因素顺序为D（R=19．5）、A（18．4）、C（18．2），而B因素影响最小。通过极差控制各因素水平，可有效控制合金性能。由极差值还可看出，影响综合机械性能的因素从主到次顺序为D→A→C→B。为选择各影响因素水平，图2显示了各因素水平对防爆合金材料机械性能的影响趋势。  图2 因素水平与机械性能 由图2可知，应选最优因素水平序列A3、B1、C3、D3，即7% A1；1．25% Mn；0．08% RE，其他元素总量为3%，并严格控制除稀土以外其他各元素的含量。按这种最优搭配方案，经模拟国标GB10686-89“铜合金工具防爆性能试验方法”旋转摩擦式试验装置测试，该水平的合金防爆安全系数大，不产生火花。合金抗拉强度均超过850MPa，硬度为HRC25—30，延伸率为5%—15%。用该合金生产弹药修配车间铲车铲齿及作业工具如起订器、橇棍等。该产品自1998年4月份由北京军区后勤部第七分部弹药仓库投入使用至今，机械性能一直符合要求，一般摩擦、撞击均无火花，并已安全作业两年有余。 4 结论 （1）以铜为基添加5%—7% A1；1．25%—1．45% Mn；0．04%—0．08% RE，及Σ（Mo、Ti、Co）≤1%—3%的合金，具有高的强度、硬度和延伸率。经旋转摩擦式试验装置测试，无火花生成，具有优良的防爆性能。 （2）该材料经适当热处理后（760℃），其综合机械性能可与铍青铜媲美，其防爆安全系数高，且生产成本只是防爆铍青铜的1/3。 （3）用该合金制作的作业工具（铲车护齿、橇棍等），经两年的实践考核未出现任何问题，其性能稳定。 |