林高用 ，曾菊花，鄭小燕，楊偉，鄒艷明

(1. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；

2. 中南大學(xué) 有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

我國(guó)鋅資源不但儲(chǔ)量豐富，居世界前列，品位也高。在當(dāng)今銅資源緊張的情況下，鋅合金以其優(yōu)良的鑄造性能、力學(xué)性能以及能耗小、加工成本低等特點(diǎn)，成為一種很好的取代銅合金的材料[1]。我國(guó)從20世紀(jì)70年代末開始重點(diǎn)研究新型Zn-Al系鋅合金，相繼開發(fā)了幾個(gè)成分的 Zn-Al(ZnAl15，ZnAl10-5，ZnAl10-1，ZnAl14-1，ZnAl0.2-4)合金作為黃銅的代用品，但該系列合金因使用過程中存在嚴(yán)重的老化問題[2?4]，在許多場(chǎng)合的應(yīng)用受到限制。Zn-Cu系合金具有良好的耐腐蝕和抗老化性能，并且通過添加適量的 Mg，Al，Ti和Mn等合金元素可使其獲得良好的力學(xué)性能與成形性能，國(guó)外已實(shí)現(xiàn)該系列合金的擠壓加工[2?3]。該合金是較理想的鋅基結(jié)構(gòu)合金，但其切削性能常常不能滿足生產(chǎn)的需要，因此，其在應(yīng)用上也受到較大限制。一般可通過添加Pb，Sn和Bi等低熔點(diǎn)元素來提高鋅合金的切削性能，但低熔點(diǎn)元素的加入將大大降低合金的力學(xué)性能與成形性能，難以實(shí)現(xiàn)合金的擠壓加工。本文作者開發(fā)了一種高強(qiáng)度易切削Zn-Cu- Mg-Al-RE鋅基合金擠壓型材，其抗拉強(qiáng)度為375 MPa，伸長(zhǎng)率為 2%，已接近擬取代的 HPb59-1鉛黃銅的力學(xué)性能(σb=440 MPa，δ=3%)，但是，切削性能仍然達(dá)不到鉛黃銅的標(biāo)準(zhǔn)。影響鋅合金切削加工性能的因素除了切削工藝等外部條件外，更主要的是材料本身的顯微組織與力學(xué)性能[5]。目前，國(guó)內(nèi)還沒有關(guān)于以鋅代銅用鋅合金顯微組織與切削性能的研究報(bào)道。在此，本文作者通過系統(tǒng)試驗(yàn)，研究Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的顯微組織與切削性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文所用實(shí)驗(yàn)材料是一種自行研制的具有良好切削性能和綜合力學(xué)性能的鋅基合金，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Composition of Zn-Cu-Mg-Al-RE zinc alloy%

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將自行研制的Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅基合金鑄錠用250 t油壓擠壓機(jī)擠壓成型，擠壓鑄錠加熱溫度為350℃，擠壓速度為12 mm/min。將擠壓出的型材在250 ℃保溫30 min，空冷。在普通鉆床上用直徑為0.8 mm的鉆頭對(duì)鑄態(tài)、擠壓態(tài)和熱處理態(tài)3種狀態(tài)下的鋅基合金及HPb59-1鉛黃銅試樣進(jìn)行鉆削，鉆削過程中不加切削液和冷卻液。觀察鉆削后切屑的形貌特點(diǎn)，及鉆削過程中材料的發(fā)熱、硬度、黏結(jié)鉆頭和扭斷鉆頭等情況，以定性評(píng)價(jià)該鋅合金在不同狀態(tài)下的切削性能。鑄態(tài)試樣的物相分析在 BD/max?2500 X線衍射儀上進(jìn)行。取 3種狀態(tài)的試樣進(jìn)行金相分析，并在KYKY?2800掃描電鏡上對(duì)其切屑和HPb59-1切屑進(jìn)行掃描分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 鑄態(tài)Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的顯微組織

圖1所示為Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的X線衍射譜。經(jīng)過對(duì)衍射峰的分析可知：該合金中主要存在 3種相，即純Zn相、Mg2Zn11相和Cu4Zn相(ε相)，但并未發(fā)現(xiàn)Al和稀土(Ce和La)相，其原因是該相質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%，衍射儀檢測(cè)不到其衍射峰[6]。

圖1 鑄態(tài)Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的X線衍射譜Fig.1 XRD pattern of cast Zn-Cu-Mg-Al-RE zinc alloy

對(duì)Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的鑄態(tài)樣品進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析，組織形貌如圖2所示，其中特征點(diǎn)的能譜分析結(jié)果如表2所示。由圖2可知：該合金的鑄態(tài)組織中主要有基體相(以 B點(diǎn)為代表)、Cu4Zn相(以 A點(diǎn)為代表)、含稀土相(以 D點(diǎn)為代表)等，而晶界中形成枝晶組織。這些枝晶由具有相同成分(以 C點(diǎn)為代表的相)的富Zn相構(gòu)成，都固溶了少量的Cu，只是枝晶軸組織固溶的Cu含量比基體組織中的Cu含量略少。由 X線衍射結(jié)果可知：該合金中還存在Mg2Zn11相。張忠明等[7]發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Mg在鋅合金中的含量較高時(shí)，就形成鎂鋅化合物相，并分布在晶界，因此，推斷該枝晶軸間的組織可能是由Mg2Zn11相構(gòu)成的，晶界上的組織可能是在熔鑄冷卻過程中液相和 ε相發(fā)生共晶反應(yīng)生成的富Zn相和Mg2Zn11相。

雖然通過X線衍射未能測(cè)到稀土相的衍射峰，但是通過能譜分析可知(表2)：晶界上沿晶界分布在共晶組織內(nèi)的白色塊狀組織是由含稀土相構(gòu)成的(D點(diǎn)代表的相)。該合金中稀土的加入量超過了在該冷卻速率下稀土以固溶形式存在于合金中的量[8?9]，因而，組織中出現(xiàn)形狀為塊狀的稀土化合物，其中規(guī)則形狀(如四邊形、六邊形等)居多，形狀系數(shù)近似為1，分布在枝晶間，即共晶區(qū)域內(nèi)。稀土化合物的顯微硬度較高，約為HM 300～380 N[9]，且其尺寸細(xì)小，可釘扎晶界，通過阻礙晶界的移動(dòng)來阻止晶粒長(zhǎng)大，保持鋅合金的細(xì)晶組織[8?10]。此外，稀土化合物本身性脆易斷屑，能有效地提高合金的切削性能。

圖2 Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的鑄態(tài)組織Fig.2 Microstructure of as-cast Zn-Cu-Mg-Al-RE zinc alloy

表2 鑄態(tài)組織在不同位置的能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Results of energy spectrum analysis on different locations of microstructure of as-cast alloy %

2.2 Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金擠壓態(tài)和熱處理態(tài)顯微組織

Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金擠壓態(tài)組織如圖3(a)所示，該合金組織由Cu4Zn相和等軸的基體再結(jié)晶組織組成。當(dāng)鋅合金的再結(jié)晶溫度低于300 ℃時(shí)，很容易發(fā)生再結(jié)晶[2,11?12]；而該合金的擠壓溫度達(dá)350 ℃，加上塑性變形產(chǎn)生的溫升，合金的實(shí)際變形溫度已超過其再結(jié)晶溫度，因此，擠壓過程中合金發(fā)生了明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。熱處理態(tài)的組織如圖3(b)所示，參照文獻(xiàn)[13]，采用的熱處理工藝如下：加熱溫度為 250℃，保溫時(shí)間為30 min。由于該合金熱變形時(shí)擠壓出的型材是強(qiáng)風(fēng)冷卻，故動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不完全，材料的部分變形儲(chǔ)能被凍結(jié)住。當(dāng)合金加熱到250 ℃時(shí)，由于產(chǎn)生的能量較高，故引發(fā)合金發(fā)生明顯的二次再結(jié)晶，使晶粒細(xì)化。Ma等[11]在Zn-2.17Cu合金時(shí)效熱處理后發(fā)現(xiàn)了與ε相類似的晶內(nèi)沉淀物，說明ε相是該鋅合金時(shí)效時(shí)的析出相。大量析出的第二相對(duì)合金產(chǎn)生的硬化作用大于再結(jié)晶對(duì)合金的軟化作用，而且晶粒尺寸小于擠壓態(tài)組織的晶粒尺寸(如圖3(b)所示)，使合金的強(qiáng)度和硬度提高[2]。

圖3 Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的顯微組織Fig.3 Microstructures of Zn-Cu-Mg-Al-RE alloy

影響鋅合金切削加工性能的因素除了切削工藝等外部條件外，更主要的是材料本身的顯微組織與物理力學(xué)性能，包括晶粒粒徑、基體組織、第二相、導(dǎo)熱性能、強(qiáng)度和塑性等[5]。晶粒越小，切削性能越好；第二相呈脆性或者有較低的熔點(diǎn)時(shí)，有很強(qiáng)的斷屑能力，其在晶界及晶內(nèi)的不連續(xù)均勻分布能提高合金的切削性能[14]；金屬的塑性越好，強(qiáng)度越高，韌性就越強(qiáng)。由于其塑性變形區(qū)域擴(kuò)大，塑性變形所消耗的功增多，材料破斷前所吸收的能量越多，因此，越不容易斷屑。

鑄態(tài)Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金晶界共晶組織為枝晶組織，呈脆性；大量的稀土化合物富集在晶界，阻礙了晶粒的長(zhǎng)大，從而使晶粒細(xì)化[7?9,14]；在切削過程中，由于切削力的作用，會(huì)引起不同程度的應(yīng)力集中，而有較高硬度的稀土化合物起到應(yīng)力集中源的作用，阻礙塑性變形或位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)[15]，迫使呈脆性的稀土化合物的某些部位產(chǎn)生微裂紋，并誘發(fā)更多的顯微裂紋，從而提高斷屑能力[5]；稀土化合物呈脆性的特性也能夠減少切屑對(duì)刀刃的黏結(jié)作用。Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金鑄造態(tài)組織所具備的以上特征都有利于提高切削性能。

與鑄態(tài)相比，擠壓態(tài)和熱處理態(tài)鋅合金晶界不明顯，且晶界上的稀土也消失(如圖3所示)。這是因?yàn)榫Ы绻簿ЫM織的枝晶軸是與基體成分相同的組織，它也參與再結(jié)晶而不單獨(dú)存在。在承受很大的壓力時(shí)，呈脆性的稀土化合物相被充分破碎而分布到再結(jié)晶基體中?；诰Ы缂胺植荚诰Ы缟系南⊥粱衔飳?duì)切削性能的改善作用，可以預(yù)測(cè)：與鑄態(tài)相比，在擠壓態(tài)和熱處理態(tài)合金的切削性能會(huì)有所降低。

合金經(jīng)熱處理后，強(qiáng)度σb為408 MPa，伸長(zhǎng)率δ為 3.3%。與擠壓態(tài)合金(σb=375 MPa，δ=2%)相比，合金的強(qiáng)度、塑性均有提高，因韌性提高，其切削性能有所下降；合金組織更為均勻，切屑對(duì)刀刃的黏結(jié)作用增強(qiáng)，斷屑能力下降；沿晶界分布的脆性稀土化合物相進(jìn)一步消失，因此，可預(yù)測(cè)熱處理態(tài)合金的切削性能較擠壓態(tài)合金的切削性能低。

2.3 切削性能比較

對(duì)鑄態(tài)、擠壓態(tài)和熱處理態(tài) 3種狀態(tài)下Zn-Cu-Mg-Al-RE合金試樣進(jìn)行了鉆削實(shí)驗(yàn)，并將其和HPb59-1鉛黃銅進(jìn)行比較。切削試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，鉛黃銅和3種狀態(tài)下的Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的切屑形貌如圖4所示。

衡量金屬切削加工性能的指標(biāo)很多，大致可歸納為以下幾個(gè)方面[13]：加工質(zhì)量、刀具耐用度、單位切削力、切屑形貌等，但至今未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文重點(diǎn)研究合金本身的切削性能，所以，在切削工藝一定的情況下，主要從刀具耐用情況、切屑形貌、黏結(jié)鉆頭等幾個(gè)方面來定性比較和評(píng)價(jià)合金切削加工性能的優(yōu)劣(表3)。

HPb59-1鉛黃銅在進(jìn)行切削時(shí)，切屑大部分為碎條狀，有少部分呈粉末狀，不黏結(jié)鉆頭，合金幾乎不發(fā)熱，切削性能很好(如圖4(a)所示)。Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金在鑄態(tài)下切削時(shí)，切屑為碎條狀和片狀，發(fā)熱較嚴(yán)重，黏結(jié)鉆頭不嚴(yán)重，無扭斷鉆頭的現(xiàn)象，切削性能較好(如圖4(b)所示)。在擠壓態(tài)下，合金鉆削過程中發(fā)熱較嚴(yán)重，出現(xiàn)了切屑黏結(jié)鉆頭的現(xiàn)象，但不是很嚴(yán)重，在整個(gè)過程中也沒有出現(xiàn)扭斷鉆頭的現(xiàn)象；切屑大部分為碎條狀，也有部分為片狀，但幾乎沒有孔洞(如圖4(c)所示)。由此可知：與該成分合金鑄態(tài)試樣相比，擠壓態(tài)合金的切削性能有所下降。對(duì)熱處理態(tài)合金進(jìn)行鉆孔實(shí)驗(yàn)時(shí)，鉆頭被扭斷1根，當(dāng)鉆孔比較深時(shí)，由于鉆屑黏結(jié)鉆頭很嚴(yán)重，鉆孔過程被迫停止，切屑色澤光亮，基本上呈片狀(如圖4(d)所示)。根據(jù)鉆孔過程中的這些現(xiàn)象可知：與其鑄態(tài)和擠壓態(tài)試樣相比，熱處理后合金的切削性能有所降低。

上述切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了從鑄態(tài)、擠壓態(tài)到熱處理態(tài)，Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金切削性能呈小梯度下降的趨勢(shì)，且鑄態(tài)合金的切削性能已接近 HPb59-1鉛黃銅。

由以上分析可知：添加合金元素Cu，Mg，Al和稀土能顯著地提高鋅合金的力學(xué)性能和切削性能。本文自行研制的Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金在擠壓態(tài)下的力學(xué)性能和切削性能已經(jīng)能達(dá)到普通結(jié)構(gòu)件及衛(wèi)浴件的使用要求，但是Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金在擠壓和熱處理過程中切削性能下降的真正原因及熱處理過程中的相變規(guī)律仍需進(jìn)一步研究。

表3 HPb59-1鉛黃銅和不同狀態(tài)下的鋅合金的切削試驗(yàn)評(píng)價(jià)Table 3 Evaluation of machinability of HPb59-1 and zinc alloy under different conditions

圖4 H59-1鉛黃銅和Zn-Cu-Mg-Al-RE合金的切屑形貌Fig.4 Cutting chips of HPb59-1 and zinc alloys under different conditions

3 結(jié)論

(1) 該鋅合金鑄態(tài)組織中主要存在純 Zn相、Mg2Zn11相和Cu4Zn相(ε相)，晶間分布有白色塊狀的稀土化合物，其主要富集在晶界上，阻礙了晶粒的長(zhǎng)大，從而使晶粒細(xì)化。稀土化合物由于硬度較高，性脆易斷，有利于提高切削性能。

(2) 和鑄態(tài)組織相比，擠壓態(tài)和熱處理態(tài)的組織中晶界不明顯，稀土化合物消失，其中，熱處理組織中出現(xiàn)部分二次再結(jié)晶，晶粒細(xì)化，強(qiáng)度和塑性均有提高。合金在3種狀態(tài)下的切削性能從鑄態(tài)、擠壓態(tài)到熱處理態(tài)依次呈小梯度下降。

(3) 鑄態(tài) Zn-Cu-Mg-Al-RE鋅合金的切削性能接近HPb59-1黃銅的切削性能，能順利完成切削加工。

[1]黃伯云, 李成功, 石力開, 等. 中國(guó)材料工程大典[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2006: 1672?1692.HUANG Bo-yun, LI Cheng-gong, SHI Li-kai, et al. The material engineering tome of China[M]. Beijing: Chemistry Industry Press, 2006: 1672?1692.

[2]孫連超, 田榮璋. 鋅及鋅合金物理冶金學(xué)[M]. 長(zhǎng)沙: 中南工業(yè)大學(xué)出版社, 1994: 30?67.SHUN Lian-chao, TIAN Rong-zhang. Physical metallurgy of zinc and Zn-alloy[M]. Changsha: Central South University of Technology Press, 1994: 30?67.

[3]包小波, 黃其興. 世界鋅技術(shù)經(jīng)濟(jì)[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1996: 21?110.BAO Xiao-bo, HUANG Qi-xing. Zinc technical economics in the world[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1996:21?110.

[4]蔡強(qiáng). 鋅合金[M]. 長(zhǎng)沙: 中南工業(yè)大學(xué)出版社, 1987: 76?99.CAI Qiang. Zinc alloy[M]. Changsha: Central South University,1987: 76?99.

[5]陳日曜. 金屬切削原理[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1992:132?170.CHEN Ri-yao. Principle of metal cutting[M]. Beijing:Mechanical Industry Press, 1992: 132?170.

[6]劉艷梅, 薛定宇, 徐心和, 等. X射線在介質(zhì)中的劑量分布計(jì)算[J]. 高能物理與核物理, 2006, 30(10): 1027?1031.LIU Yan-mei, XUE Ding-yu, XU Xin-he, et al. Dose calculation of X-Ray in medium[J]. High Energy Physics and Nuclear Physics, 2006, 30(10): 1027?1031.

[7]張忠明, 王錦程, 徐東輝, 等. 鋁、銅、鎂對(duì)鑄態(tài)鋅基合金組織和阻尼性能的影響[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 1999, 9(1): 1?6.ZHANG Zhong-ming, WANG Jing-cheng, XU Dong-hui, et al.Effects of Al, Cu, Mg on the microstructure and damping properties of cast zinc-based alloys[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 1999, 9(1): 1?6.

[8]劉金水, 謝賢清, 苒冰. Ce對(duì)Zn-Al合金組織性能的影響[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 1998, 8(S1): 6?10.LIU Jin-shui, XIE Xian-qing, RAN Bing. Effects of Ce on the microstructure and properties of Zn-Al alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 1998, 8(S1): 6?10.

[9]劉政, 朱應(yīng)祿, 陳慈誥. 稀土鋅合金凝固組織與力學(xué)性能的研究[J]. 南方冶金學(xué)院學(xué)報(bào), 2002, 23(1): 23?27.LIU Zheng, ZHU Ying-lu, CHENG Ci-gao. Study on the solidification structure and mechanical properties of zinc alloy with rare earth[J]. Journal of Southern Institute of Metallurgy,2002, 23(1): 23?27.

[10]宋人英, 王興杰, 姜深, 等. 稀土在鋅合金中的作用[J]. 中國(guó)稀土學(xué)報(bào), 1995, 13(1): 449?483.SONG Ren-ying, WANG Xing-jie, JIANG Shen, et al. Effect of rare earth on the zinc alloy[J]. Journal of the Chinese Rare Earth Society, 1995, 13(1): 449?483.

[11]Ma D, Li Y, Jones H, et al. Undirectional solidification of a Zn-richZn-2.17%Cu hypo-peritectic alloy[J]. Science and Technology of Advanced Material, 2001, 1(2): 127?130.

[12]黃勁松, 彭超群, 章四琪, 等. 無鉛易切削銅合金[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2006, 16(9): 1446?1492.HUANG Jing-song, PENG Chao-qun, ZHANG Si-qi, et al. Lead free cutting copper alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2006, 16(9): 1446?1492.

[13]肖弦. 一種高強(qiáng)度易切削鋅合金擠壓型材的研制[D]. 長(zhǎng)沙:中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 2006: 15?42.XIAO Xian. The research of a high strength and free-cutting zinc alloy[D]. Changsha: Central South University. School of Materials Science and Engineering, 2006: 15?42.

[14]李隆盛. 鑄造合金及熔煉[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1989:46?71.LI Long-sheng. Casting alloy and smelting[M]. Beijing:Mechanical Industry Press, 1989: 46?71.

[15]陳明, 劉剛, 張曉暉, 等. 新型低碳硫系易切削鋼切削性能試驗(yàn)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2007, 43(9): 161?166.CHENG Ming, LIU Gang, ZHANG Xiao-hui, et al. The machinability test of the new low-sulfur free cutting steel[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2007, 43(9):161?166.