Ca_P对黄铜合金组织与性能的影响(1)

HotWorking Technology 2010, Vol.39,No.20 热处理技术 Material &Heat Treatment 2010年 10月 易切削铅黄铜具有优良的综合性能， 被广泛应 用于供水系统等领域[1]，但这类材料在加工、使用以 及废弃的过程中容易发生铅以固态或气态的形式析 出 [2-3]，进而造成 Pb对环境的污染，危害人体健康[4-5]， 世界各国均很重视铅造成的污染和引起的危害，美 国 NSF、日本 JIS、德国 DIN50930 及欧盟 RHOS 等 都相继规定，限制和禁止铅黄铜的使用。 因此，开发 出环保型易切削黄铜成为一种必然趋势。 在一定范围内，Ca、P元素是对人体无害甚至有 益的元素，同时，其资源丰富，目前，几乎没有文献报 道这两种元素共同对黄铜切削性能的影响，因此，作 者通过正交试验，采用熔铸，系统研究了 Ca、P 对黄铜合金组织与性能的影响，为无铅易切削黄铜 的研究提供一定的理论指导。 1 实验过程 本实验采用的原料有：纯铜、工业纯锌、大块状 纯钙、纯锡、复合稀土、含磷 14%(质量分数，下同)的 P-Cu中间合金。 1.1 正交方案的确定 通过对 Cu-Ca、Cu-P相图，Ca、P都能与铜 生成金属间化合物，如其含量适中，就会在不明显降 低材料加工和使用性能的前提下，改善切削性能。 本实验主要研究 Ca， P含量对无铅黄铜组织性 能的影响， 根据铅黄铜改善切削性能的铅含量一般 不超过 3%[6]，结合相图杠杆原理， 综合分析，建立 如下正交试验方案[7]。 这是一个四因素三水平实验， 如 1所示，选用正交表 L9(34)来安排实验。 1.2 实验方法及过程 依据表 1进行 9炉的熔炼和铸造， 对每一炉试 样进行组织与性能的研究。 具体过程为： 采用一台 30kg工频感应炉熔炼黄铜合金，将配料好的电解铜 放入感应炉中，装实，加热到铜开始熔化时，再加入 锌，加入打渣剂打渣，升温到 1000℃左右，加木炭覆 盖，保温 1min后加入锡、铜稀土、P-Cu中间合金，搅 Ca、P对黄铜合金组织与性能的影响 朱权利, 张先满 (华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640) 摘 要：通过正交试验法，利用光学金相显微镜、扫描电镜及能谱仪、万能试验机及卧式车床等手段，研究了 Ca、P 对黄铜显微组织、力学性能及切削性能的影响。 结果表明：在黄铜合金中加入质量分数为 0.5%Ca和 0.6%P时，其切削 性能大致与 HPb59-1 相当，同时，合金中存在弥散分布的金属间化合物。 关键词：Ca； P； 黄铜； 切削性能； 金属间化合物 中图分类号：TG146.1+1; TG113.12 文献标识码：A 文章编号：1001-3814(2010)20-0036-03 Effects of Ca and P Content on Microstructure and Properties of Brass ZHU Quanli, ZHANG Xianman (School of Mechanical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China) Abstract： Based on the orthogonal experiment, the effects of Ca and P content onmicrostructure, mechanical and cutting properties were studied by OM, SEM, EDS, tensile and cutting test. The results indicate that, when 0.5%Ca and 0.6%P are added into brass, the cutting properties of the alloy are similar to that of HPb59-1, meanwhile, some fine intermetallic compound are found. Key words：Ca; P; brass; cutting properties; intermetallic compound 收稿日期:2010-04-20 作者简介:朱权利(1961- ),男,湖南长沙人,副研究员,硕士,主要从事金 属材料制备与成形;电话:020-32225802; E-mail:qlzhu@scut.edu.cn 表 1 正交试验方案 Tab.1 Scheme of orthogonal experiment 因素 试验号 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 9# Ca 0 0 0 0.5 0.5 0.5 1.0 1.0 1.0 P 0 0.6 1.2 0 0.6 1.2 0 0.6 1.2 Zn 34 37 40 37 40 34 40 34 37 RE 0 0.3 0.6 0.6 0 0.3 0.3 0.6 0 36 《热加工工艺》 2010年第 39卷第 20期 材料热处理技术Material &Heat Treatment下半月出版 拌均匀，随后加钙，并通氩气保护兼除气作用。 保温 10min后，再搅拌并捞渣，浇铸前进行炉前检验确定 合格后在 1030～1050℃浇铸。 用金属型模具浇铸成 楔形试块，再进行力学性能试验、金相分析、电镜扫 描、能谱分析及切削试验。 2 实验结果与分析 2.1 微观组织演变 正交试验部分试样的金相组织照片如图 1 所 示。可看出，各黄铜合金铸态组织主要由亮白色的 α 相和暗灰色 β相两相组成。和普通黄铜相比，随着 P 加入量的增大，晶粒明显细化，共晶组织增多；4#、5# 样与 3#相比，晶界更细化，同时，在 α相和 β 相两相 相界面上出现弥散分布的黑色颗粒；7#样与其他试 样相比，晶粒内的质点增多。 2.2 力学性能 正交试验各试样的拉伸试样在微机控制电子万 能试验机(型号为 CMT5105)上进行力学性能试验， 在布氏硬度计(型号为 HB-3000B)上进行硬度测试， 选用钢球压头(2d5)，加载 250 kg，负荷保持时间为 30s，结果如表 2所示。 根据合金强度指标：①直接分析：由表 2可看出 5#合金的抗拉强度达到了最大的 351.4 MPa，为最大 考核指标；②位级均值分析：由表 3 可知，最优的水 平组合为 0.5Ca0.6P， 但还需综合考虑其他性能指 标。③极差分析：极差的大小意味着该因素三个位级 相应强度差别的大小， 实验中试验因素对试验指标 的影响主次顺序为 w(p)>w(Ca)。 2.3 切削性能 切削试验在国产 C6132A1普通卧式车床上进行， 转速为 900r/min，进给量为 0.1mm/圈。 结果(见图 2) 发现，4#样切屑的尺寸细小，呈 C形，内表面光亮， 其他各试样切屑尺寸较大，断屑不明显。4#样切屑与 自制含铅黄铜 HPb59-1 的切屑相比，它们的尺寸大 小相当，形貌相似。 2.4 SEM组织分析 图 3为 4#样的 SEM组织。可知，其微观组织主 要由 α 相和 β 相组成，其中，β 相含 Zn较高，容易 被腐蚀，是图中的凹陷部分，并且在 α 相和 β 相内 存在分散的化合物颗粒。 为了对各相的成分做定性 和定量的综合分析， 在图中代表性地选择了 4个位 置进行能谱分析，结果如表 4所示。 由能谱分析结果可见，区域 1 处铜含量比较高, 为基体 α 相，并且固溶了少量的磷；区域 2 处铜、锌 原子比接近 1 ∶1，为基体 β相。区域 3处和区域 4处 为均匀分布的黑色球状物，其钙、磷的含量远高于合 金中钙、磷的平均值，这说明合金中的第二相粒子是 富钙富磷的相，能谱结果表明该化合物为铜、锌、钙、 磷组成的复杂金属间化合物。 区域 4处的化合物中 钙、磷的含量比区域 3处大，而铜、锌含量减少，区域 3 处磷、钙原子比为 1.2 ∶1，区域 4 处磷、钙原子比为 1.1 ∶1，而文献[8]显示，存在Ca2CuZn2P3、Ca3Cu2Zn2P4、 Ca4Cu3Zn2P5这三种四元化合物。 由前面所测的力学性能知， 实际的金属间化合 表 3 正交试验极差分析结果 Tab.3 The results of orthogonal experiment analysis 抗拉强度 Ⅰ Ⅱ Ⅲ K1 K2 K3 R wCa(%) 879.9 907.2 656.6 293.3 302.4 218.9 83.5 wP (%) 718.5 1002.9 722.3 239.5 334.3 240.8 94.8 抗拉强度 /MPa284.5 348.9 246.5 291.3 351.4 264.5 142.7 302.6 211.3 伸长率 (%) 45.8 18.5 1.7 23.9 16.5 7.1 1.3 33.9 0.2 布氏硬度 (HB) 69 94 125 76 99 88 99 67 112 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 9# 平组合为 0.5Ca0.6P， 但还需综合考虑其他性能指 标。③极差分析：极差的大小意味着该因素三个位级 相应强度差别的大小， 实验中试验因素对试验指标 的影响主次顺序为 w(p)>w(Ca)。 2.3 切削性能 切削试验在国产 C6132A1普通卧式车床上进行， 转速为 900r/min，进给量为 0.1mm/圈。 结果(见图 2) 发现，4#样切屑的尺寸细小，呈 C形，内表面光亮， 其他各试样切屑尺寸较大，断屑不明显。4#样切屑与 自制含铅黄铜 HPb59-1 的切屑相比，它们的尺寸大 小相当，形貌相似。 2.4 SEM组织分析 图 3为 4#样的 SEM组织。可知，其微观组织主 要由 α 相和 β 相组成，其中，β 相含 Zn较高，容易 被腐蚀，是图中的凹陷部分，并且在 α 相和 β 相内 存在分散的化合物颗粒。 为了对各相的成分做定性 和定量的综合分析， 在图中代表性地选择了 4个位 置进行能谱分析，结果如表 4所示。 由能谱分析结果可见，区域 1 处铜含量比较高, 为基体 α 相，并且固溶了少量的磷；区域 2 处铜、锌 原子比接近 1 ∶1，为基体 β相。区域 3处和区域 4处 为均匀分布的黑色球状物，其钙、磷的含量远高于合 金中钙、磷的平均值，这说明合金中的第二相粒子是 富钙富磷的相，能谱结果表明该化合物为铜、锌、钙、 磷组成的复杂金属间化合物。 区域 4处的化合物中 钙、磷的含量比区域 3处大，而铜、锌含量减少，区域 3 处磷、钙原子比为 1.2 ∶1，区域 4 处磷、钙原子比为 1.1 ∶1，而文献[8]显示，存在Ca2CuZn2P3、Ca3Cu2Zn2P4、 Ca4Cu3Zn2P5这三种四元化合物。 由前面所测的力学性能知， 实际的金属间化合 表 2 合金力学性能检测结果 Tab.2 The results of tensile and hardness test of alloys 37 HotWorking Technology 2010, Vol.39,No.20 材料热处理技术 Material &Heat Treatment 2010年 10月 物的强化效果并不明显。 一方面，是由于这些金属 间化合物颗粒大小皆为 3～5μm， 而产生显著的强 化颗粒的尺寸必须为亚微级[9]；另一方面，说明形成 的金属间化合物粒子是脆而不硬的。切削过程中，这 些脆而不硬的颗粒与刀具接触， 相当于减小了刀具 与基体的接触面积，进而减小了切削力，起到改善切 削性能的作用。同时，这些脆而不硬的第二相颗粒在 剪切力作用下易于破碎， 引发与其周围的金属基体 产生应力集中，产生所谓的“切口效应”[10]，很容易萌 发裂纹并致使扩展， 使切削很快断裂而不会连续长 大，从而改善了切削性能。 3 结论 (1) Ca、P合金元素加入到黄铜合金中，明显改 变了黄铜的显微组织及力学性能。 (2) P对黄铜合金抗拉强度的影响比 Ca大。 (3) 黄铜合金中加入 0.5%Ca和 0.6%P时，其 切削性能达到最优，从切屑大小、形貌上判断，其切 削性能大致与 HPb59-1相当。 (4) Ca、P与 Cu、Zn 等形成复杂结构的脆而不 硬的金属间化合物，从而改善了黄铜合金的切削性能。 参考文献: [1] Dean M Peters．Lead-free brass alloys seek new markets [J]． Foundry Management & Technology，2002，130(7)：8-9． [2] Notten M J M， Walraven N， Beets C J， et al．Investigating the origin of Pb pollution in a terrestrial soil-plant-snail food chain by means of Pb isotope ratios[J]．Applied Geochemistry， 2008，23(6)：1581-1593． [3] Koch S， Anterkowitsch．Free-cutting aluminium alloys with tin as substitution for lead[J]．BHM Berg und Huttenmannische Monatshefte，2008，153(7)：278-281． [4] Eisherif R M， Ismail K M， Badawy W A．Effect of Zn and Pb as alloying elements on the electrochemical behavior of brass in NaCl solutions [J]．Electrochimic Acta.，2004，49 (28)：5139-5150． [5] Nakano A， Higashiiriki K， Rochman N T．Removal of lead from brass scrap by compound-separation method[J]．Nippon Kinzoku Gakkaishi/Journal of the Japan Institute of Metals， 2005，69(2)：198-201． [6] 田荣璋，王祝堂．铜合金及其加工手册[M]．长沙：中南大学出 版社，2002．5． [7] 张路怀，肖来荣，舒学鹏，等．正交试验法在无铅黄铜成分 中的应用[J]．北京工业大学学报，2009，35(9)：1241-1246． [8] Frik L， Mewis A．Stacking variants of SrPtSb and CaAl2Si2 analogous units[J]．Anorg. 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