近日，日本金屬科技有限公司（Metal and Technology Inc.---MTI）成功將碳粒子加入到了無鉛材料和純銅中，使這些材料的機械性能得到了提升。這份工作是由日本筑波大學(xué)退休教授KenichiOhshima 和Shirogane公司（MTI公司合作伙伴）合作完成的，現(xiàn)在MTI已經(jīng)獲得了此項技術(shù)的專利。

    近年來，為了阻止環(huán)境惡化，比如全球變暖，對研發(fā)新型結(jié)構(gòu)材料非常急迫。而加碳鋁銅合金的成功研發(fā)，將有助于降低汽車和火車車身的重量，以節(jié)省能量、降低成本，減少二氧化碳的排放量。

    加碳鋁銅合金的結(jié)構(gòu)和特點

    在鋁銅合金中加入碳粒子是想要增加合金的機械強度和延展性，這和怎么在鐵中加入碳來提升碳鋼性能的原理是一樣的。

   碳的增加也提高了抗腐蝕性能。用萬能試驗機測量抗拉強度時，他們發(fā)現(xiàn)加碳的合金強度是沒有加碳合金的兩倍，比較采用的材料是硬鋁合金A2017，這是典型的鋁合金。這種結(jié)果說明純凈的合金可以通過增加碳使強度有很大的提高。碳的增加導(dǎo)致強度的增加要歸功于其精細的結(jié)構(gòu)，因為當(dāng)載荷增加時，精細的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了強大的阻力。

    圖：不加碳與加碳鋁銅合金表面組織結(jié)構(gòu)對比

    上圖中不難看出，加碳鋁銅合金有著更精細的組織結(jié)構(gòu)，并出現(xiàn)灰色的加強結(jié)構(gòu)區(qū)域。

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    因此，MTI為了弄清楚碳粒子是怎么影響精細結(jié)構(gòu)的，他們采用X射線微量元素分析制作每一種元素的顏色圖表來判斷carbon-added Al-5 wt. %Cu-0.3 wt. %C合合金的碳元素分布規(guī)律。他們發(fā)現(xiàn)碳粒子非常均勻的分布貫穿整個結(jié)構(gòu)。通過分析，原來是增加的碳原子阻礙了合金機構(gòu)的增長，所以導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)非常精細。

    圖：電子探針微量元素分析測出的Al-5 wt.%Cu-0.3 wt. %C合金的元素顏色圖譜

 由于簡單的組成成分，預(yù)計生產(chǎn)成本會降低。在實際應(yīng)用中幾乎所有的鋁合金比如硬鋁合金（A2017）和AC2A都含有銅，但是同時也含有其他有色金屬元素，比如鎂和錳，這些合金因為復(fù)雜的成分導(dǎo)致生產(chǎn)困難并且成本過高，相比較來說，加碳鋁銅合金盡管成分組成簡單（僅有鋁、銅、碳），卻有著等同甚至超過其他現(xiàn)有鋁合金機械度強度的性能。

   未來的發(fā)展方向和前景

   MTI的碳添加技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到AC2A合金上，這種常被用于制作發(fā)動機部件合金。這種合金的強度通過添加碳而增加。MTI目前正在進行的研究和開發(fā)進一步推進這一技術(shù)，針對廣泛應(yīng)用的AC2A合金，通過關(guān)注添加碳的含量和熱處理參數(shù)的最佳組合，來達到低成本、高可靠性和高強度的鋁合金目標(biāo)。

   MTI打算利用加碳鋁銅合金的高強度和高延展性來取代用在加工汽車結(jié)構(gòu)和發(fā)動機部件的鋁合金促使重量的減輕。此外，我們也瞄準(zhǔn)了利用加碳鋁銅合金為廣泛的非汽車領(lǐng)域增加強度，例如鋁合金門窗、鋁合金容器和運輸設(shè)備，如船和火車車廂等。

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