無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)對其進行物相分析,通過腐蝕試驗、拉伸試驗、切削試驗評價其綜合性能.結(jié)果表明同時加入Si、P元素后合金中產(chǎn)生大量細小硬質(zhì)點,可以起到類似鉛黃銅中鉛質(zhì)點的作用,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

作者簡介：許躍(1990—),男,碩士研究生,主要研究方向為電功能材料. 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：TG 113.25文獻標志碼： A

收稿日期：2014-09-16

基金項目：臺州市科技計劃項目(131KY02),浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃科技成果推廣項目(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產(chǎn)生鉛溶出現(xiàn)象而對人體健康造成較大的威脅.所以開發(fā)無鉛易切削銅合金代替鉛黃銅成為各國研究的重要課題[1].在選用替代元素時,要考慮這種元素是否在理論上對切削性能有利,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,是否會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)磷和硅對黃銅合金的切削性能較為有利,開發(fā)了質(zhì)量分數(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)用的低銅無鉛硅黃銅提供依據(jù).

1試驗

采用熔鑄法制備不同成分的鑄錠,對其鑄態(tài)組織、性能進行分析.為起到對比作用,成分設(shè)計見表1.

表1　1~4號合金化學(xué)成分的質(zhì)量分數(shù)

從4個鑄錠中線切割獲取試樣,進行研磨、拋光、腐蝕(腐蝕液FeCl3,HCl,腐蝕時間10 s).在金相顯微鏡下進行組織觀察.在SEM及EDS上進行能譜分析.在顯微硬度儀上測試硬度,設(shè)置試驗力0.98 N,保荷時間15 s.根據(jù)國標GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分室溫試驗辦法》,在Zwick拉伸試驗機上進行拉伸試驗,拉伸速率2 mm/min.根據(jù)國標GB/T10119—2008《黃銅耐脫鋅腐蝕性能的測定》進行腐蝕實驗.在C6140普通車床上進行車削加工,切削速度560 r/min,進給量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),即強烈擴大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號銅合金的金相組織

at %

圖2　65Cu-3Si-Zn合金XRD圖譜

當加入P元素時,2、4號樣除了含兩相外,還產(chǎn)生了硬質(zhì)點,如圖3所示.

圖3　2、4號樣中的硬質(zhì)點

對硬質(zhì)點進行能譜分析(表3),判斷這種黑色硬質(zhì)點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,鉛會沉淀而形成彌散的鉛顆粒.鉛有較脆而不硬的特點,故當鉛黃銅被切削時,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]從鉛黃銅的切削機理出發(fā),假設(shè)有一個黃銅合金,在基體上均勻分布著細小的點狀組織,在切削加工時細小的點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,得到的合金含α相、β相和Cu2Mg相.當Mg的質(zhì)量分數(shù)為2.4%時,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),刀具行進過程中遇到脆性Cu2Mg相時,易在此區(qū)域萌生裂紋,進而擴展成為斷屑點,從而使切屑更加細小,改善切削性能.肖來榮[7]在研究無鉛易切削鉍銻黃銅的組織與性能時,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號合金硬質(zhì)點化學(xué)成分的質(zhì)量分數(shù)

擴展,使切屑很快斷裂而不連續(xù)長大,減小切屑的尺寸,從而提高了無鉛鉍銻黃銅的切削性能.本試驗得到的硬質(zhì)點,就起到斷屑作用.

2.2抗拉強度與硬度

對4種合金進行拉伸試驗和顯微硬度測試,結(jié)果見表4.可見3、4號合金硬度遠遠小于1、2號合金,伸長率遠遠大于1、2號合金,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號合金組織中過量較大的γ相對合金的力學(xué)性能有惡化的作用[8],而具有較好塑性α相的產(chǎn)生進一步提高了3、4號合金材料的塑性.

表4　合金的硬度、抗拉強度和伸長率

2.3切削性能

圖4為經(jīng)車削加工時得到的切屑.2號合金切屑明顯小于1號,4號合金明顯小于3號,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,主要是組織中細小的硬質(zhì)點發(fā)揮了作用. 對比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,當降低Si含量,材料由脆性材料變?yōu)樗苄圆牧系耐瑫r切削性能也有了較大改善.

2.4耐腐蝕性能

1~4號試樣腐蝕照片和腐蝕深度分別見圖5、表5.對比1號和3號、2號和4號,可知當Si含量提高時,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],故本試驗中1號合金的腐蝕深度小于3號.對比1號和2號、3號和4號,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號合金車削加工時的切屑

圖5　1~4號試樣腐蝕照片

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)量分數(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) 黃銅中同時添加一定量的Si、P元素,可使基體上產(chǎn)生大量細小硬質(zhì)點,這些硬質(zhì)點可以起到類似鉛黃銅中鉛質(zhì)點的作用,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.

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