合金碳强度

碳添加技术——提高合金的强度和延展性

近日，日本金属科技有限公司（MetalandTechnologyInc.---MTI）成功将碳粒子加入...

近日，日本金属科技有限公司（Metal and Technology Inc.---MTI）成功将碳粒子加入到了无铅材料和纯铜中，使这些材料的机械性能得到了提升。这份工作是由日本筑波大学退休教授 KenichiOhshima 和Shirogane公司（MTI公司合作伙伴）合作完成的，现在MTI已经获得了此项技术的专利。

近年来，为了阻止环境恶化，比如全球变暖，对研发新型结构材料非常急迫。而加碳铝铜合金的成功研发，将有助于降低汽车和火车车身的重量，以节省能量、降低成本，减少二氧化碳的排放量。

加碳铝铜合金的结构和特点

在铝铜合金中加入碳粒子是想要增加合金的机械强度和延展性，这和怎么在铁中加入碳来提升碳钢性能的原理是一样的。

碳的增加也提高了抗腐蚀性能。用万能试验机测量抗拉强度时，他们发现加碳的合金强度是没有加碳合金的两倍，比较采用的材料是硬铝合金A2017，这是典型的铝合金。这种结果说明纯净的合金可以通过增加碳使强度有很大的提高。碳的增加导致强度的增加要归功于其精细的结构，因为当载荷增加时，精细的结构产生了强大的阻力。

图：不加碳与加碳铝铜合金表面组织结构对比

上图中不难看出，加碳铝铜合金有着更精细的组织结构，并出现灰色的加强结构区域。因此，MTI为了弄清楚碳粒子是怎么影响精细结构的，他们采用X射线微量元素分析制作每一种元素的颜色图表来判断carbon-added Al-5 wt. %Cu-0.3 wt. %C合合金的碳元素分布规律。他们发现碳粒子非常均匀的分布贯穿整个结构。通过分析，原来是增加的碳原子阻碍了合金机构的增长，所以导致了结构非常精细。

图：电子探针微量元素分析测出的Al-5 wt.%Cu-0.3 wt. %C合金的元素颜色图谱

由于简单的组成成分，预计生产成本会降低。在实际应用中几乎所有的铝合金比如硬铝合金（A2017）和AC2A都含有铜，但是同时也含有其他有色金属元素，比如镁和锰，这些合金因为复杂的成分导致生产困难并且成本过高，相比较来说，加碳铝铜合金尽管成分组成简单（仅有铝、铜、碳），却有着等同甚至超过其他现有铝合金机械度强度的性能。

未来的发展方向和前景

MTI的碳添加技术已经成功应用到AC2A合金上，这种常被用于制作发动机部件合金。这种合金的强度通过添加碳而增加。MTI目前正在进行的研究和开发进一步推进这一技术，针对广泛应用的AC2A合金，通过关注添加碳的含量和热处理参数的最佳组合，来达到低成本、高可靠性和高强度的铝合金目标。

MTI打算利用加碳铝铜合金的高强度和高延展性来取代用在加工汽车结构和发动机部件的铝合金促使重量的减轻。此外，我们也瞄准了利用加碳铝铜合金为广泛的非汽车领域增加强度，例如铝合金门窗、铝合金容器和运输设备,如船和火车车厢等。