錫含量對復(fù)雜鋁黃銅組織性能的影響

何雨星，錢斯文，龔 慶，干明珠，王海軍，高鵬飛＊

（西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621010）

黃銅是一種以銅鋅為基礎(chǔ)的合金材料，因其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能被廣泛應(yīng)用于換熱系統(tǒng)和電傳輸系統(tǒng)[1-3]。單純的銅鋅力學(xué)性能有限，加工性能差且易腐蝕。因此，往往需要向合金基體中加入某些微量元素來對其相組成等進(jìn)行調(diào)控進(jìn)而提升其力學(xué)性能和耐腐蝕性能。Al、Bi、Fe、Mg、Mn、Ni、Pb、P、Ce、Si、Sn等元素都被微量添加進(jìn)黃銅基體以達(dá)到改善合金性能的目的。Al和Si能夠使黃銅的β相區(qū)左移，提高合金的強(qiáng)度，并在合金表面形成致密的氧化膜阻止腐蝕的進(jìn)一步進(jìn)行，而在細(xì)化晶粒方面能力有限[4，5]；Mn的加入對黃銅的微觀組織影響不大，但是可以改善黃銅的機(jī)械性能并提升其對海水氯化物的耐蝕性，同時(shí)提高合金耐熱性[6]；Sn的加入除了能夠使黃銅的β相區(qū)左移外，還能夠有效促進(jìn)晶粒的細(xì)化，提升合金的抗腐蝕性能[7]；Ni則能夠有效提高α相占比，并提高黃銅抗脫鋅腐蝕開裂能力[8，9]。目前，針對某一微量元素添加量對復(fù)雜黃銅組織及性能影響的研究少，而Sn在簡單黃銅中能夠同時(shí)改善力學(xué)性能和耐腐蝕性能。因此，但是Sn含量對成分更加復(fù)雜的黃銅的力學(xué)性能及抗腐蝕性能的影響規(guī)律尚不明確。

本文結(jié)合前人的研究設(shè)計(jì)了一種更加復(fù)雜的黃銅合金成分（Cu-Zn-Al-B-P-Ce-Sn）并采用鑄造法制備了Sn添加量分別為0.005wt.%、0.01wt.%、0.015wt.%、0.02wt.%的復(fù)雜銅合金。研究了Sn含量對復(fù)雜銅合金組織及性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)所采用的原料分別包括純銅顆粒（3N）、純鋅顆粒（3N）、純鋁顆粒（3N）、純錫顆粒（3N）、銅硼中間合金、鋁鈰中間合金和銅磷中間合金。

實(shí)驗(yàn)中采用熔煉結(jié)合澆注的方式制備黃銅，熔煉過程中首先向石墨坩堝中加入全部的鋅（按總質(zhì)量配比過量3%）和部分的銅，加入的銅與鋅的質(zhì)量比為6:4，之后將坩堝置于電阻爐中。升溫，待爐內(nèi)溫度升至1050℃后保溫5分鐘并向金屬液表面加上覆蓋劑，再之后依次向金屬液中加入銅硼合金、銅磷合金、鋁鈰合金和錫，加料過程中的保溫間隔為2min，最后向金屬液中加入剩余的銅并保溫5min。澆注前向金屬液中加入一定比例的氟化鈉和冰晶石攪拌并撈渣，之后澆入到烘烤后的鋼模中凝固。合金的成分配比如表1所述。

表1 銅合金的成分配比

圖1 不同Sn含量鋁黃銅的金相組織形貌：

采用光學(xué)顯微鏡對腐蝕后的試樣的進(jìn)行了組織進(jìn)行了觀察，依次經(jīng)過粗磨、細(xì)磨、拋光和腐蝕等工序。腐蝕液為鹽酸和三氯化鐵的水溶液，具體成分為：HCl（30mL），F(xiàn)eCl3（2.0g），H2O（120mL）。使用XRD對各成分銅合金的物相組成進(jìn)行了表征。采用HV-1000顯微維氏硬度測試不同試樣的硬度值，每個(gè)試樣測試10個(gè)點(diǎn)并取測試結(jié)果的平均值。

采用萬能試驗(yàn)機(jī)對不同成分銅合金的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了測試。采用CHI660電化學(xué)工作站測定不同試樣的極化曲線，評定材料極化曲線掃描速率為2mV/s，采用三電極體系進(jìn)行測定，輔助電極為Pt電極，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），試樣作為工作電極，測試面積為10mm×10mm，溶液為3.5wt.%d的氯化鈉溶液。

2 結(jié)果與討論

圖1為不同Sn含量的復(fù)雜鋁黃銅的金相組織，可以看出合金基體為白色的α相，基體上出現(xiàn)大量黑色枝晶組織。由文獻(xiàn)可知[10，11]，該黑色枝晶狀組織為α相+β相的共析體。

隨著Sn含量的增加，復(fù)雜鋁黃銅中的黑色枝晶組織變粗。Sn含量促進(jìn)了α相+β相共析體的形成。在觀察金相形貌的基礎(chǔ)上采用XRD對不同Sn含量銅合金的物相組成進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖2所示。

可以看出，在Sn的加入量為0.005wt.%～0.02wt.%范圍內(nèi)時(shí)，銅合金的物相組成均為銅相。因此，可以推斷所有的添加元素絕大多數(shù)都固溶于銅。Sn含量對銅合金的物相組成影響不大。

圖3為不同Sn含量復(fù)雜黃銅合金的拉伸曲線，可以看出當(dāng)Sn含量由0.005wt.%增加至0.015wt.%時(shí)，銅合金的極限抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)。當(dāng)Sn含量進(jìn)一步增加至0.02wt.%時(shí)，合金的極限抗拉強(qiáng)度又有所下降。伸長率方面四個(gè)Sn含量的銅合金的伸長率均大于60%，銅合金伸長率的增加與Sn含量的關(guān)系為0.01wt.%＞0.02wt.%＞0.015wt.%＞0.005 wt.%。復(fù)雜銅合金的極限抗拉強(qiáng)度和硬度隨Sn含量的變化如圖4所示。

可以看出，隨著Sn含量的增加，合金的極限抗拉強(qiáng)度由大約305MPa逐漸增加至約452MPa，之后隨著Sn含量的進(jìn)一步增加又下降到約384MPa。

銅合金的硬度則隨著Sn含量呈遞增趨勢變化，隨著Sn含量從0.005wt.%增大至0.02wt.%，銅合金的硬度由約80HV增加至約100HV。

圖2 不同Sn含量鋁黃銅的XRD譜線

圖3 不同Sn含量鋁黃銅的拉伸曲線

圖4 不同Sn含量鋁黃銅的維氏硬度及抗拉強(qiáng)度

圖5 不同Sn含量鋁黃銅的極化曲線

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，Sn的加入能夠同時(shí)影響合金的組織、力學(xué)性能及抗腐蝕性能。

但是，隨著Sn加入量的增加，對合金組織、力學(xué)性能及抗腐蝕性能的影響規(guī)律不同。綜合Sn含量對本研究中涉及的復(fù)雜鋁黃銅微觀組織、抗拉強(qiáng)度、伸長率、硬度及抗腐蝕性能的影響，Sn添加量在0.015wt.%時(shí)合金的綜合性能最好。

不同Sn含量的復(fù)雜鋁黃銅的極化曲線如圖5所示，可以看出，所有成分的合金的自腐蝕電位均在0.2vSCE附近，因此可知Sn含量對銅合金的自腐蝕電位影響不大。但隨著Sn含量的增加銅合金的自腐蝕電流密度顯著減小，合金的抗腐蝕性能增強(qiáng)。

3 結(jié)論

本文采用實(shí)驗(yàn)手段研究了Sn含量對含有7種成分的復(fù)雜鋁黃銅的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及抗腐蝕性能的影響。Sn能夠有效影響共析相形貌，隨著錫含量的增加合金的硬度和抗腐蝕性能增大，但抗拉強(qiáng)度和伸長率則呈先增大后減小的趨勢變化。

綜合Sn含量對本文所述銅合金組織與性能的影響，0.015wt.%的Sn添加量的綜合性能更好。