無(wú)鉛硅磷黃銅組織性能的研究

許躍1, 劉平1,2, 劉新寬2, 陳小紅2

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 上海200093;

2.上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海200093)

摘要：采用熔鑄法獲得65Cu-3Si-0.1P和65Cu-1Si-0.1P兩種新型無(wú)鉛黃銅,利用金相顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)對(duì)其進(jìn)行物相分析,通過腐蝕試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、切削試驗(yàn)評(píng)價(jià)其綜合性能.結(jié)果表明同時(shí)加入Si、P元素后合金中產(chǎn)生大量細(xì)小硬質(zhì)點(diǎn),可以起到類似鉛黃銅中鉛質(zhì)點(diǎn)的作用,從而改善切削加工性能;Si和P的加入亦可大大提高黃銅的耐腐蝕性能.

關(guān)鍵詞：無(wú)鉛黃銅; 硅磷黃銅; 金相組織; 切削性能

收稿日期：2014-03-03

作者簡(jiǎn)介：許躍(1990—),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)殡姽δ懿牧? E-mail: xuyuehk@163.com

通訊作者：劉平,教授,博士生導(dǎo)師. E-mail: 2669133486@qq.com

中圖分類號(hào)：TG 113.25文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

收稿日期：2014-09-16

基金項(xiàng)目：臺(tái)州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(131KY02),浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃科技成果推廣項(xiàng)目(2013R428032)

Research on Microstructures and Properties of Lead-free Silicon Phosphorus BrassXU Yue1, LIU Ping1,2, LIU Xin-kuan2, CHEN Xiao-hong2

(1.School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,

Shanghai 200093, China; 2.School of Materias Science and Engineering, University of

Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Abstract：65Cu-3Si-0.1P and 65Cu-1Si-0.1P lead-free brass were obtained through casting method.The microstructures of new alloys were analyzed by OM,SEM,XRD,and the comprehensive properties were evaluated through the tensile test,corrosion test and cutting test.The results show that many hard spots were generated as a result of the addition of Si and P,and these hard spots improved the machining performance as the lead particles do in the ordinary brass.The anti-corrosion performance can also be significantly improved under the same condition.

Keywords：lead-free brass; silicon phosphorus brass; metallographic structure; machining performance

0引言

普通鉛黃銅以其優(yōu)異的切削加工性能和抗腐蝕性能使其在現(xiàn)代工業(yè)中取得廣泛應(yīng)用.但鉛黃銅在使用中會(huì)產(chǎn)生鉛溶出現(xiàn)象而對(duì)人體健康造成較大的威脅.所以開發(fā)無(wú)鉛易切削銅合金代替鉛黃銅成為各國(guó)研究的重要課題[1].在選用替代元素時(shí),要考慮這種元素是否在理論上對(duì)切削性能有利,這包括該元素能否與銅形成共晶組織、是否固溶于銅和是否與銅形成化合物[2];另一方面要考慮在保證切削性能的同時(shí),是否會(huì)降低合金的耐腐蝕性能、力學(xué)性能等;另外還必須考慮成本因素和環(huán)保因素.在滿足以上各要求的元素中,Yasuhiro[3]在研究中發(fā)現(xiàn)磷和硅對(duì)黃銅合金的切削性能較為有利,開發(fā)了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Cu76%、Si3.0%、P0.1%、Zn為余量的硅磷系環(huán)保銅合金.但其銅含量相對(duì)較高,不利于降低成本.本文在其基礎(chǔ)上降低Cu的含量,并進(jìn)一步降低Si含量,研究其組織與性能.為開發(fā)可以推廣應(yīng)用的低銅無(wú)鉛硅黃銅提供依據(jù).

1試驗(yàn)

采用熔鑄法制備不同成分的鑄錠,對(duì)其鑄態(tài)組織、性能進(jìn)行分析.為起到對(duì)比作用,成分設(shè)計(jì)見表1.

表1　1~4號(hào)合金化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

從4個(gè)鑄錠中線切割獲取試樣,進(jìn)行研磨、拋光、腐蝕(腐蝕液FeCl3,HCl,腐蝕時(shí)間10 s).在金相顯微鏡下進(jìn)行組織觀察.在SEM及EDS上進(jìn)行能譜分析.在顯微硬度儀上測(cè)試硬度,設(shè)置試驗(yàn)力0.98 N,保荷時(shí)間15 s.根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分室溫試驗(yàn)辦法》,在Zwick拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸速率2 mm/min.根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T10119—2008《黃銅耐脫鋅腐蝕性能的測(cè)定》進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn).在C6140普通車床上進(jìn)行車削加工,切削速度560 r/min,進(jìn)給量0.229 mm/r,切削深度1 mm.通過切屑情況比較切削性能的好壞.

2結(jié)果與分析

2.1顯微組織

圖1為4種試樣放大200倍的金相照片.從圖中可以看出,65Cu-3Si-Zn合金是由不易腐蝕的A相和腐蝕后顏色較深的B相兩相組成.經(jīng)能譜分析(表2)和XRD分析(圖2),結(jié)合二元銅鋅相圖,可知為β和γ兩相,判斷A為以Cu5Zn8為基的固溶體(γ相),B為以CuZn為基的固溶體(β相).65Cu-1Si-Zn合金也是由兩相組成,降低Si含量后,由于Si的鋅當(dāng)量系數(shù)很大,使Cu-Zn系中的α/(α+β)相界顯著移向鋅側(cè),即強(qiáng)烈擴(kuò)大α相區(qū),結(jié)合能譜分析可知A為基體β相,B為α相.

圖1　1~4號(hào)銅合金的金相組織

at %

圖2　65Cu-3Si-Zn合金XRD圖譜

當(dāng)加入P元素時(shí),2、4號(hào)樣除了含兩相外,還產(chǎn)生了硬質(zhì)點(diǎn),如圖3所示.

圖3　2、4號(hào)樣中的硬質(zhì)點(diǎn)

對(duì)硬質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行能譜分析(表3),判斷這種黑色硬質(zhì)點(diǎn)是由各種元素形成的復(fù)雜化合物[4].在鉛黃銅中,由于鉛幾乎不固溶于銅,故在鉛黃銅熔體凝固時(shí),鉛會(huì)沉淀而形成彌散的鉛顆粒.鉛有較脆而不硬的特點(diǎn),故當(dāng)鉛黃銅被切削時(shí),這些彌散的鉛顆粒易于斷裂而使切屑斷裂,從而起著碎裂屑、減少黏結(jié)和焊合以及提高切削速度的作用.龐晉山等[5]從鉛黃銅的切削機(jī)理出發(fā),假設(shè)有一個(gè)黃銅合金,在基體上均勻分布著細(xì)小的點(diǎn)狀組織,在切削加工時(shí)細(xì)小的點(diǎn)可起到與鉛類似的折斷切屑的作用,其切削性能有可能與鉛黃銅相似.張路懷[6]在研究60Cu-Zn-xMg合金組織與性能時(shí),得到的合金含α相、β相和Cu2Mg相.當(dāng)Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.4%時(shí),少量的Cu2Mg相分布在β相內(nèi),β相的彌散分布使得其中的Cu2Mg相在合金內(nèi)分布均勻,切削過程中,Cu2Mg相與刀具接觸較為均勻,使切削過程更加平穩(wěn),刀具行進(jìn)過程中遇到脆性Cu2Mg相時(shí),易在此區(qū)域萌生裂紋,進(jìn)而擴(kuò)展成為斷屑點(diǎn),從而使切屑更加細(xì)小,改善切削性能.肖來榮[7]在研究無(wú)鉛易切削鉍銻黃銅的組織與性能時(shí),組織中Bi 在合金中以單質(zhì)形式存在,而Sb 則以化合物形式存在.鉍單質(zhì)顆粒及含銻化合物第二相粒子,與刀刃接觸時(shí)在剪切應(yīng)力作用下易于破碎,斷口處接觸的金屬發(fā)生應(yīng)力集中,很容易萌生裂紋并

表3　2、4號(hào)合金硬質(zhì)點(diǎn)化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

擴(kuò)展,使切屑很快斷裂而不連續(xù)長(zhǎng)大,減小切屑的尺寸,從而提高了無(wú)鉛鉍銻黃銅的切削性能.本試驗(yàn)得到的硬質(zhì)點(diǎn),就起到斷屑作用.

2.2抗拉強(qiáng)度與硬度

對(duì)4種合金進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和顯微硬度測(cè)試,結(jié)果見表4.可見3、4號(hào)合金硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1、2號(hào)合金,伸長(zhǎng)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1、2號(hào)合金,合金由脆性材料變?yōu)樗苄圆牧?這是由于Si含量的減少使γ相消失,而γ相是一種脆硬相,1、2號(hào)合金組織中過量較大的γ相對(duì)合金的力學(xué)性能有惡化的作用[8],而具有較好塑性α相的產(chǎn)生進(jìn)一步提高了3、4號(hào)合金材料的塑性.

表4　合金的硬度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率

2.3切削性能

圖4為經(jīng)車削加工時(shí)得到的切屑.2號(hào)合金切屑明顯小于1號(hào),4號(hào)合金明顯小于3號(hào),在硬度差別很小的情況下出現(xiàn)這種切削狀況的不同,說明是由微觀組織的差異造成的,主要是組織中細(xì)小的硬質(zhì)點(diǎn)發(fā)揮了作用. 對(duì)比65Cu-3Si-Zn合金和65Cu-1Si-Zn合金,65Cu-3Si-0.1P-Zn合金和65Cu-1Si-0.1P-Zn合金可知,當(dāng)降低Si含量,材料由脆性材料變?yōu)樗苄圆牧系耐瑫r(shí)切削性能也有了較大改善.

2.4耐腐蝕性能

1~4號(hào)試樣腐蝕照片和腐蝕深度分別見圖5、表5.對(duì)比1號(hào)和3號(hào)、2號(hào)和4號(hào),可知當(dāng)Si含量提高時(shí),耐腐蝕性能有較大提高,說明Si元素有利于黃銅的耐腐蝕性能.其原因是在腐蝕過程中Si和O結(jié)合生成SiO2氧化膜,阻止脫鋅層的擴(kuò)展[9],并且由于腐蝕優(yōu)先從β相開始,所以β相Si含量越高,腐蝕越慢[10],故本試驗(yàn)中1號(hào)合金的腐蝕深度小于3號(hào).對(duì)比1號(hào)和2號(hào)、3號(hào)和4號(hào),可知硅黃銅中加入P可以大大改善耐腐蝕性能.這是由于晶界處產(chǎn)生了Cu3P化合物[10],阻止了Zn的流失.65Cu-3Si-0.1P-Zn合金的腐蝕性能最好,在于其成分既添加了高含量的Si,又含有P,使得耐腐蝕性能大大改善.

圖4　1~4號(hào)合金車削加工時(shí)的切屑

圖5　1~4號(hào)試樣腐蝕照片

試樣1234平均腐蝕深度/μm714.23276.53925.41554.10

3結(jié)論

(1) 65Cu-3Si-Zn合金中Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到1%,合金組織由β+γ變?yōu)棣?β,由脆性材料變?yōu)樗苄圆牧?力學(xué)性能大大提高.

(2) 黃銅中同時(shí)添加一定量的Si、P元素,可使基體上產(chǎn)生大量細(xì)小硬質(zhì)點(diǎn),這些硬質(zhì)點(diǎn)可以起到類似鉛黃銅中鉛質(zhì)點(diǎn)的作用,從而起到斷屑作用,改善切削加工性能.65Cu-1Si-0.1P-Zn合金具有較好的切削性能,以及良好的綜合性能,可在一定程度上代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉛黃銅.

(3) Si、P元素可以改善黃銅的耐脫鋅腐蝕性能,并且Si含量越多,耐腐蝕性能越好.

參考文獻(xiàn):

[1]王碧文.環(huán)保銅合金的開發(fā)及應(yīng)用[J].世界有色金屬,2012(9):56-57.

[2]黃勁松,彭超群,章四琪,等.無(wú)鉛易切削銅合金[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2006,16(9):1486-1493.

[3]Yasuhiro T,Hiroyuki M.Effect of additive element on grain refinement of cast Cu-Zn-Si alloys[J].Journal of Japan Institute of Copper,2012,51(1):86-90.

[4]孫慧.無(wú)鉛易切削銅合金的成分設(shè)計(jì)及制備工藝研究[D].西安:西安工業(yè)大學(xué),2012.

[5]龐晉山,肖寅昕.無(wú)鉛易切削黃銅的研究[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,18(3):63-66.

[6]張路懷.60Cu-Zn-xMg合金組織與性能研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2009.

[7]肖來榮,舒學(xué)鵬,等.無(wú)鉛易切削鉍銻黃銅的組織與性能[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào),2009,40(1):117-122.

[8]梅大安.低銅無(wú)鉛硅黃銅的制備及組織性能研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2012.

[9]黃文德,張玉柱,劉文生,等.在銅中加入少量混合稀土金屬對(duì)其氧化性能的影響[J].稀土,1990,11(4):39-40.

[10]汪小霞,蘇勇,等.無(wú)鉛高鋅硅黃銅脫鋅腐蝕性能的研究[J].鑄造,2011,60(4):329-332.