無(wú)鉛高鋅硅黃銅C68350合金組織及性能的研究

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。現(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，觀察微觀形貌特征，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臥式普通車床上進(jìn)行，刀具材料為YS8，加工方式為車外圓，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)行車削加工，其斷屑形貌如圖3所示。

圖3 車削加工的斷屑形貌

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相周圍存在應(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）工業(yè)有限公司）

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