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        無(wú)鉛高鋅硅黃銅C68350合金組織及性能的研究

        2015-01-06 01:17:06丁寅
        廈門(mén)科技 2015年2期
        關(guān)鍵詞:切削性能無(wú)鉛黃銅

        丁寅

        無(wú)鉛高鋅硅黃銅C68350合金組織及性能的研究

        丁寅

        傳統(tǒng)鉛黃銅因切削性能優(yōu)良、生產(chǎn)成本低、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。但由于鉛元素對(duì)人體極為有害,可損害人體骨髓造血系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng),其污染危害已引起高度重視[1-3]。美國(guó)、歐盟、日本等發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體已立法,對(duì)飲用水系統(tǒng)、管道配件、玩具及家用電器等產(chǎn)品中的鉛含量提出了嚴(yán)格的限制。如2010年開(kāi)始實(shí)施的美國(guó)加州《AB1953法案》和歐盟的RoHS指令都對(duì)鉛的含量做出了明確規(guī)定,鉛黃銅被無(wú)鉛環(huán)保黃銅取代,是一個(gè)必然的趨勢(shì)[4-5]。

        鉍黃銅作為最先替代鉛黃銅的無(wú)鉛銅合金已在發(fā)達(dá)國(guó)家占有很大市場(chǎng),但因其原材料成本高,焊接性能差,易產(chǎn)生熱脆和冷脆等原因而限制其廣泛應(yīng)用。硅黃銅因焊接性能優(yōu)異,且無(wú)需添加價(jià)格昂貴的金屬,而備受青睞[6]。以C69300為代表的硅黃銅,成型及加工等綜合性能優(yōu)越,但因其銅含量高(75%左右),原材料成本非常高,并不適合大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。

        目前本公司已研發(fā)成功了高鋅硅黃銅合金[7]并在生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用,鍛造用高鋅硅黃銅切削性能雖不如C69300及有鉛銅,但其在原材料成本上具有較大優(yōu)勢(shì)(銅含量在59%-64%),且該合金熱成型、拋光性能優(yōu)異,切削性能明顯優(yōu)于簡(jiǎn)單黃銅。路達(dá)高鋅硅黃銅于2009年1月順利通過(guò)了中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)的科技成果鑒定,于2009年6月在美國(guó)銅業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)(CDA)成功注冊(cè)了鍛造用銅合金牌號(hào)C68350?,F(xiàn)以C68350合金為例,研究無(wú)鉛高鋅硅黃銅的組織和性能。

        試驗(yàn)材料及方法

        研究所用的材料無(wú)鉛高鋅硅黃銅C68350是經(jīng)過(guò)水平連鑄成型而成,其化學(xué)成分范圍見(jiàn)表1。

        表1 C68350硅黃銅的化學(xué)成分(wt/%)

        采用LEICA DM4000M金相顯微鏡觀(guān)察顯微組織,用401 MVD型數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量顯微硬度。用HITACHI S-3400N掃描電鏡,觀(guān)察微觀(guān)形貌特征,并用該系統(tǒng)中的能譜儀對(duì)合金的化學(xué)成分定性分析。拉伸實(shí)驗(yàn)采用WDW-100E型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī),布氏硬度測(cè)試采用HB 3000C電子布氏硬度計(jì)。

        切削試驗(yàn)在CW6163A臥式普通車(chē)床上進(jìn)行,刀具材料為YS8,加工方式為車(chē)外圓,樣品規(guī)格為Φ30×200mm,切削速度為150m/min,轉(zhuǎn)速為1600r/min,背吃刀量1.5mm,進(jìn)給量0.15mm/r。

        鐓粗試驗(yàn)在YD32-200液壓機(jī)上進(jìn)行,測(cè)試在660℃、690℃、730℃、760℃的不同溫度下的試驗(yàn)樣品壓至最大后的鐓粗率,樣品規(guī)格為Φ29× 40mm。

        結(jié)果與分析

        1.顯微組織

        硅黃銅C68350的光學(xué)顯微組織如圖1所示。從圖1可以看出硅黃銅C68350的基體組織主要都是由塊狀及長(zhǎng)條狀的α相及β相組成。圖1b中可看到除α和β相外,還有少量γ相存在,為考察Si元素在 C68350硅黃銅各相中的分布,對(duì)C68350硅黃銅各相進(jìn)行能譜分析。

        圖1 硅黃銅C68350的顯微組織(a.100x;b.500x)

        圖2為C68350合金中Si元素的面掃描結(jié)果,由圖可知Si元素分布于各相內(nèi)及其晶界,表2為α相、β相及γ相的能譜分析結(jié)果,γ相中Si元素含量最高,其次為β相,α相中Si元素含量很低,低于能譜儀的檢出限,因β相的數(shù)量較γ相多,可以說(shuō)Si元素主要分布在β相中。

        圖2 C68350合金中Si元素的面掃描結(jié)果

        表2 α、β和γ相能譜分析結(jié)果

        Si元素主要分布在β相中,主要是由于Si的原子半徑比銅的原子半徑大[8],若Si固溶于面心立方最密堆積結(jié)構(gòu)的α相中,則需要克服較大的原子間作用力,并引起很大晶格畸變;而β相為體心立方結(jié)構(gòu),其四面體間隙和八面體間隙都較大,Si可以較容易固溶于其中[9]。

        2.切削性能

        衡量切削性能的好壞指標(biāo)很多,主要有單位切削力、刀具耐用度、加工面的光亮度以及碎屑形狀,本實(shí)驗(yàn)采用碎屑的形狀來(lái)衡量合金的切削性能。將易切削鉛黃銅HPb59-1、簡(jiǎn)單黃銅CuZn40及硅黃銅C68350試樣在同等條件下進(jìn)行車(chē)削加工,其斷屑形貌如圖3所示。

        圖3 車(chē)削加工的斷屑形貌

        從圖3可以看出,HPb59-1的斷屑呈細(xì)小短針狀,簡(jiǎn)單黃銅CuZn40的斷屑為長(zhǎng)卷屑,而高鋅硅黃銅C68350的斷屑為細(xì)小的短卷屑和扇形屑??芍狢68350合金雖較有鉛銅HPb59-1難斷屑,但較簡(jiǎn)單黃銅CuZn40更易斷屑,進(jìn)而可知C68350合金切削性能較有鉛銅HPb59-1差,但明顯優(yōu)于簡(jiǎn)單黃銅CuZn40。

        C68350硅黃銅的切削性能與硅在合金中的分布密切相關(guān)。由掃描分析結(jié)果可知Si主要分布在β相中,Si固溶于β相中,使β相變脆,當(dāng)切削過(guò)程中刀具遇到β相時(shí),切屑很容易斷裂。另外,C68350硅黃銅中分布有少量硬脆的γ相,含Si量高的γ相周?chē)嬖趹?yīng)力集中區(qū)域。刀具與γ相遇時(shí),其應(yīng)力集中程度增加,切屑會(huì)更易斷裂,且γ相在剪切應(yīng)力的作用下易于破碎,應(yīng)力集中易萌生裂紋并促進(jìn)裂紋擴(kuò)展,從而使切屑很快斷裂[10],所以β相及γ相在很大程度上改善了C68350硅黃銅的切削性能,使其切削性能明顯優(yōu)于簡(jiǎn)單黃銅。

        3.力學(xué)性能

        表3為高鋅硅黃銅C68350與鉛黃銅HPb59-1和簡(jiǎn)單黃銅CuZn40的力學(xué)性能,可以看出,C68350的抗拉強(qiáng)度及硬度較HPb59-1和CuZn40的更高,其斷后伸長(zhǎng)率較有鉛銅HPb59-1高20%。

        表3 C68350、HPb59-1和CuZn40的力學(xué)性能

        表4為C68350與CuZn40合金中α相和β相的顯微硬度,表中數(shù)值為測(cè)試5點(diǎn)顯微硬度的平均值。從表4中可以看出C68350與CuZn40的α相硬度相近,而C68350的β相比CuZn40的硬度明顯要高,這主要是因?yàn)镃68350中的Si主要固溶于β相中,增加了β相的硬度,這也是C68350合金的布氏硬度比CuZn40高的主要原因。

        4.成型和拋光性能

        HPb59-1、C68350和 CuZn40三種合金在660℃-760℃不同溫度下的進(jìn)行鐓粗試驗(yàn)。在同批實(shí)驗(yàn)中,有鉛銅HPb59-1及簡(jiǎn)單黃銅CuZn40在低溫660℃和690℃下存在不同程度的開(kāi)裂,最大鐓粗率分別為82.5%和80.0%。而C68350合金在不同溫度下試樣外表面均光滑無(wú)裂紋,最大鐓粗率為85.0%。由試驗(yàn)可知,C68350合金鍛造性能較有鉛銅HPb59-1和簡(jiǎn)單黃銅CuZn40更優(yōu)異。

        C68350合金的熱成型性能優(yōu)異,主要與該合金中β相的比例較大有關(guān)。在高鋅黃銅中添加鋅當(dāng)量為10的Si元素后,可使α相區(qū)縮小,從而使得具有良好高溫成型性能的β相的比例增大。而合金中的少量γ相在改善切削性能的同時(shí),又不會(huì)影響其高溫成型性能。因此C68350合金具有優(yōu)異的熱成型性能。

        C68350合金的拋光性能優(yōu)異主要是因?yàn)楹辖鹩捕容^高,不易過(guò)燒。采用C68350成型的水龍頭及其零配件,其一次成型良品率在99%以上,一次拋光良品率達(dá)95%以上。

        結(jié)論

        1.C68350硅黃銅的顯微組織由α相、β相、少量的γ相組成,Si元素主要分布于β相中。

        2.C68350力學(xué)性能優(yōu)異,抗拉強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率均高于有鉛銅HPb59-1,C68350中β相硬度高于簡(jiǎn)單黃銅CuZn40,從而使得其抗拉強(qiáng)度及硬度均高于簡(jiǎn)單黃銅CuZn40。

        3.固溶大量Si的β相及少量的γ相保證了C68350良好的切削性能和優(yōu)異的熱成型性能。

        4.C68350硅黃銅的原材料成本明顯低于C69300,與有鉛銅相當(dāng),焊接性能優(yōu)于無(wú)鉛鉍黃銅,切削性能及熱成型性能優(yōu)于簡(jiǎn)單黃銅,是一種綜合性能較好的無(wú)鉛黃銅產(chǎn)品。

        (作者單位:路達(dá)(廈門(mén))工業(yè)有限公司)

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