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(wú)鉛材料和純銅中，使這些材料的機(jī)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(xiàng)技術(shù)的專利。

近年來(lái)，為了阻止環(huán)境惡化，比如全球變暖，對(duì)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(diǎn)

在鋁銅合金中加入碳粒子是想要增加合金的機(jī)械強(qiáng)度和延展性，這和怎么在鐵中加入碳來(lái)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量抗拉強(qiáng)度時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)加碳的合金強(qiáng)度是沒(méi)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(shuō)明純凈的合金可以通過(guò)增加碳使強(qiáng)度有很大的提高。碳的增加導(dǎo)致強(qiáng)度的增加要?dú)w功于其精細(xì)的結(jié)構(gòu)，因?yàn)楫?dāng)載荷增加時(shí)，精細(xì)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了強(qiáng)大的阻力。
圖：不加碳與加碳鋁銅合金表面組織結(jié)構(gòu)對(duì)比

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

因此，MTI為了弄清楚碳粒子是怎么影響精細(xì)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(lái)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(gè)結(jié)構(gòu)。通過(guò)分析，原來(lái)是增加的碳原子阻礙了合金機(jī)構(gòu)的增長(zhǎng)，所以導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)非常精細(xì)。
圖：電子探針微量元素分析測(cè)出的Al-5 wt.%Cu-0.3 wt. %C合金的元素顏色圖譜

由于簡(jiǎn)單的組成成分，預(yù)計(jì)生產(chǎn)成本會(huì)降低。在實(shí)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(shí)也含有其他有色金屬元素，比如鎂和錳，這些合金因?yàn)閺?fù)雜的成分導(dǎo)致生產(chǎn)困難并且成本過(guò)高，相比較來(lái)說(shuō)，加碳鋁銅合金盡管成分組成簡(jiǎn)單（僅有鋁、銅、碳），卻有著等同甚至超過(guò)其他現(xiàn)有鋁合金機(jī)械度強(qiáng)度的性能。

未來(lái)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(dòng)機(jī)部件合金。這種合金的強(qiáng)度通過(guò)添加碳而增加。MTI目前正在進(jìn)行的研究和開發(fā)進(jìn)一步推進(jìn)這一技術(shù)，針對(duì)廣泛應(yīng)用的AC2A合金，通過(guò)關(guān)注添加碳的含量和熱處理參數(shù)的最佳組合，來(lái)達(dá)到低成本、高可靠性和高強(qiáng)度的鋁合金目標(biāo)。

MTI打算利用加碳鋁銅合金的高強(qiáng)度和高延展性來(lái)取代用在加工汽車結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)度，例如鋁合金門窗、鋁合金容器和運(yùn)輸設(shè)備,如船和火車車廂等。