連鑄鉛黃銅棒鋸切傷鋸的原因分析及預防措施

葉東皇

（安徽鑫科銅業(yè)有限公司，安徽 蕪湖 241000）

鉛黃銅是極為重要的、應用最為廣泛的一種復雜黃銅，它具有優(yōu)良切削性能、耐磨性能和較高的強度，主要用于機械工程中各種連接件、閥門、閥桿和軸承，其中熱鍛閥門坯料、制鎖業(yè)、鐘表業(yè)是三大重要市場。連鑄鉛黃銅棒成本低廉是其廣泛應用的重要前提，其合金成分中可以包容多種合金元素，且含量要求比較寬松，又為銅合金原料的綜合利用奠定了基礎。本文根據現(xiàn)場觀察及取樣分析，詳細論述連鑄鉛黃銅棒材鋸切傷鋸的原因，以及相應的控制與預防措施。

1 樣品分析

（1）宏觀觀察。分別選取客戶反饋鋸切良好和鋸切傷鋸的鉛黃銅連鑄棒樣品，合金牌號為HPb58-2，規(guī)格為Ф45×5000mm，在自動下料機SL-832D（圖1）上進行鋸切對比試驗，鋸切下來的銅片厚度均為5mm，鋸片轉速為3600r/min，鋸片為高速鋼圓盤鋸片，從鋸切聲音、刀片進給是否順暢、下料速度三個方面對鋸切不良樣和鋸切正常樣進行比較，鋸切下來的銅片表面鋸切紋路見圖2。

圖1 SL-832D型自動下

圖2 銅片表面鋸切紋路

正常樣鋸切時，鋸片進給順暢，鋸切聲音小且清脆；而不良樣鋸切時，鋸片多次出現(xiàn)卡鋸現(xiàn)象，進給不順暢，鋸切聲音大且深沉，不良樣的鋸切速度只有正常樣的一半左右。圖2可見，正常樣鋸切下來的銅片表面光滑，鋸痕不明顯，而不良樣鋸切下來的銅片表面鋸痕明顯。

（2）成分分析。采用德國斯派克LMX04直度光譜儀分別對鋸切正常樣和不良樣進行元素含量分析。不良樣和正常樣的Cu、Pb、Sn、Ni、Si等元素的含量差別不大，但是不良樣中的Fe、Al含量分別高出正常樣0.31%和0.51%。

（3）硬度分析。采用HXD-1000維氏硬度計分別對規(guī)格為Φ45mm銅棒鋸切正常樣和不良樣的維氏硬度進行測量，結果見表1，不良樣的硬度比正常樣高出37HV。

表1 HPb58-2銅棒橫截面硬度（載荷5kg）HV

（4）金相分析。對HPb58-2銅棒正常樣和不良樣分別進行截取、打磨和拋光，并采用三氯化鐵酒精溶液（配比：5gFeCl3+30ml無水酒精）對其進行腐蝕處理，采用德國蔡司4XB-TV金相顯微鏡觀察組織，金相組織。二者金相組織均為α+β+Pb（Pb以質點狀態(tài)存在）[1]，組其中白色部分為α相，黑色部分為β相，Pb質點細小，分布在晶內和晶界上。

（5）掃描電鏡分析。采用日立S-4800掃描電鏡分別對三氯化鐵酒精溶液腐蝕后的正常樣和不良樣進行觀察，電鏡照片。照片中凸起部分為α相，凹陷部分為β相，白點為Pb質點，黑色小點和花朵狀組織為析出相。正常樣和不良樣組織中均出現(xiàn)析出相，但二者形貌不一樣，正常樣中的析出相呈點狀，大小只有1μm～2μm；而不良樣中的析出相呈花朵狀，最大尺寸達到20μm～30μm。

在正常樣和不良樣組織中的析出相化學組成主要為高熔點物質Fe、Si、Cr等形成的金屬間化合物，不良樣析出相成分中，F(xiàn)e元素含量明顯高于正常樣。

2 原因分析

綜合以上分析結果，鋸切不良的銅棒存在Al、Fe雜質元素含量較高、硬度較高和析出相形貌特殊，尺寸較大的情況出現(xiàn)。Al對鉛黃銅棒鋸切效果的影響機理在于兩個方面，一是Al在Cu中有強烈的固溶強化作用，使得合金基體硬度升高；二是Al的鋅當量系數(shù)為6[2]，顯著擴大β相比例，同種材料中，β相的顯微硬度比α相大[3]，β相比例高，基體平均硬度也相應高。合金基體硬度的提高，加劇了鋸片的磨損。Fe在Cu中的溶解度隨著溫度降低而顯著減少，F(xiàn)e在Cu中的溶解度1050℃時約為3.5%，635℃時下降到0.15%，室溫溶解度幾乎為零[4]，不能溶解的Fe和一些高熔點雜質如Si、Cr等形成金屬間化合物從基體組織中析出，HPb58-2銅棒基體的硬度才140HV左右，而析出相的顯微硬度達到600HV以上，約為基體的4倍～5倍[5]，屬于硬質相。由以上分析可知，造成HPb58-2銅棒鋸切傷鋸的主要原因是雜質元素Al、Fe含量偏高，Al使得合金基體硬度升高，F(xiàn)e和Si、Cr等形成硬質相，導致鋸切時易損傷鋸片。

3 預防措施

①調整Al、Fe雜質元素含量范圍。根據大量生產統(tǒng)計數(shù)據發(fā)現(xiàn)，市場反饋難鋸切的HPb58-2銅棒，Al含量通常達到0.5%以上，F(xiàn)e含量達到0.6%以上。為此下調HPb58-2化學成分中Al、Fe含量范圍：Al≤0.4%，F(xiàn)e≤0.5%。②廢雜銅分選后投爐使用。由于連鑄鉛黃銅棒所用原材料為廢雜銅，不可避免混有一些含鋁、鐵等其他金屬材料，在熔煉時以雜質形式進入銅中，因此廢雜銅必須先分選后再投爐熔煉，特別要挑選出含鋁、含鐵材料。對于從市場回收的銅沫，可能混有鐵屑，須先通過強磁選機進行篩選出鐵屑后再投爐使用。

4 結論

①HPb58-2鉛黃銅棒鋸切傷鋸的主要原因是雜質元素Al、Fe含量偏高，Al元素使得合金基體硬度提高；Fe和Si、Cr等高熔點物質形成硬質相，加快了鋸片的磨損，使得鋸片壽命縮短。②通過有針對性地控制合金雜質元素含量，廢雜銅分選后投爐使用，可有效避免問題的出現(xiàn)。

[1]郭凱旋，銅和銅合金牌號與金相圖譜速用速查及金相檢驗技術創(chuàng)新應用指導手冊[M].北京：中國知識出版社.2005:555-556.

[2]田榮璋，王祝堂編.銅合金及其加工手冊[M].長沙：中南大學出版社.2002.5 214.

[3]洪麗華，黃銅錠冶金質量對低壓鑄件組織與性能的影響[J].福建工程學院學報，2007，5(3)：22.

[4]田榮璋，王祝堂編.銅合金及其加工手冊[M].長沙：中南大學出版社.2002.5 309.

[5]朱權利，張先滿，陳家堅，等.高強耐磨鋁黃銅（KK5）硬質點的研究[J].特種鑄造及有色合金，2010，30(3):876.