（材料学专业论文）无铅锑黄铜的制备及组织性能研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 铅黄铜具有良好的机械性能和切削性能，广泛应用在电子电讯、 家电、饮用水工程、玩具、汽车、机械、仪表制造等领域，但由于铅 是一种对环境和人体危害作用巨大的元素，所以以无毒的物质代替 铅，使其达到易切削的目的，这将会产生巨大的社会效益和经济效益。 采用锑元素作为铅黄铜的替代元素，通过添加稀土元素和钛元素 等晶粒细化剂对合金进行了处理，利用正交实验优化合金成分配比， 研制出了无锻锑黄铜；制定了合理的热处理工艺和轧制工艺，成功制 备出了锑黄铜板材；借助差热分析( d t a ) 、x 射线衍射( m ) 、扫 描电子显微镜( s e m ) 、透射电子显微镜( 疆m ) 、电子能谱仪( 嚣d s ) 等手段，研究了锑含量对黄铜组织性能的影响，并测定锑黄铜的抗拉 强度、脱锌腐蚀性能及切削性能；探讨了无铅锑黄铜的热轧工艺，研 究了无铅锑黄铜合金中的金属化合物相，并对其易切削机理进行了初 步探讨。通过研究，得出如下结论： ( 1 ) 锑含量是影响合金综合性能的主要因素，其次是c e 含量， 而t i 含量则影响很小；随着锑含量的增加，合金的抗拉强度下降， 合金的脱锌层厚度减小，特别是当锑含量大于1 2 时，合金抗拉强 度急剧下降；而当锑含量小于0 5 时，合金脱锌层厚度大于4 4 5 1 a m ， 比h p b 5 9 1 铅黄铜的脱锌性能还差；而合金的切削性能则只与合金中 锑含量有关，含锑量越高，合金切削性能越好；通过对比合理的无铅 锑黄铜的成分为( 喇： ：5 7 5 9 c u ，0 8 s b ，0 4 c e ，0 3 t i ； ( 2 ) 锑主要以金属闻化会物形式存在于合金中，铸态时存在于 a 和p 相内，合金热轧后，主要分布于i d c 和d 相的相界处；合金热轧 后断口为延性断口，退火后主要为沿晶断裂；合金中的第二相粒子为 富c u 颗粒，结合d s c 分析和热力学计算以及衍射斑标定可知合金中 的第二相粒子为金属间化合物c u 2 s b 相；c u 2 s b 相为简单四方结构， 晶格常数为a = b = 0 3 9 9 0 n m ，e = 0 6 0 2 0 n m ，属于p 4 n m m 空间群； ( 3 ) 经7 5 0 下保温l 小时，开坯温度不低于7 2 0 ，终轧温度不 低于6 0 0 ，采用8 道次热转，合金的最大道次加工率应小于4 0 ，合 金板材的加工率大于7 0 时进行3 0 m i n 中间退火处理，消除了轧制过 程中的加工硬化现象，通过控制合金中c u 、z n 元素的含量和1 3 相的 孛毒大学硬士学位论文 摘要 数量，避免了热轧过程中的裂边； ( 4 ) 无铅锑黄铜的抗拉强度为4 6 1 。7m p a ，屈服强度为2 1 3 3 m p a ，延伸率为1 5 6 7 ；合金在3 5 中性n a c l 溶液中的腐蚀性能 好，合金的抗脱锌腐蚀性能良好，纵向和横向的平均脱锌层厚度分别 为2 9 5 4g m 和2 1 4 7 l a m ，优予铅黄铜h p b 5 9 1 ；无铅锑黄铜的切屑为 碎片状，它的内表面呈光滑状，切削过程较平稳，波动较小，加工表 面光滑，表面粗糙度较小，其切削性能与铅黄铜h p b 5 9 ，l 相当，可以 替代铅黄铜，具有可行性； 。 ( 5 ) 无铅锑黄铜的切削机理主要为：合金中第二相与基体的交 界处存在着微小的间隙空间，说明基体与第二相质点并没有紧密结 合，可以认为在合金基体上存在着大量的微小空洞，在这些微小空洞 中填充的是脆而不硬的金属间化合物c u 2 s b 相；合金中第二相的存在 割断了基体的连续性，成为应力集中源，产生所谓的“切躁效应 ， 在这些区域容易产生应力集中以及位错的增殖和运动，切削过程中这 些位错在刀刃所施加的剪应力的作用下，在材料表层内部扩展、延伸， 由刀尖附近向切削层扩展，产生切削阵面，切削层材料发生塑性变形， 最终形成切屑并沿前刀面流出口 关键词：无铅黄铜，锑，组织性能，中间相，热轧工艺，切削 机理 l l 中青天学硕士学位论文a b s 瞰c f a b s t r a c t l e a db r a s sa l l o y sa r ea p p l i e di nv a r i o u sf i e l d s s u c ha sh o u s e h o l d e l e c t r i c a la p p l i a n c e s ，e l e c t r i ct e l e c o m m u n i c a t i o n s ，p o t a b l ew a t e rs y s t e m ， t o y s ，a u t o m o t i v e s ，m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r e sa n dd e v i c em a n u f a c t u r e s 。 d u et oi t se x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dc u r i n g p r o p e r t i e s ，b u tp bi s ak i 耐o fe l e m e n th a r m f u lt oe n v i r o n m e n ta n dh u m a nb e i n g 。s oi tw i l l b r i n ge n o r m o u ss o c i a lb e n e f i ta n de c o n o m i cb e n e f i tt or e p l a c ep bu s i n g i n n o c u o u se l e m e n t sa n dr e a c hi t sc u t t i n gp r o p e r t i e s s bi su s e dt or e p l a c ep bi nt h i sw o r ka n dr a r ee a r t he l e m e n t sa n dt i i sa d d e dt or e f i n et h eg r a i n s 。o r t h o g o n a le x p e r i m e n ti su s e dt oo p t i m i z e t h ec o n t e n t so fa l l o yc o m p o n e n t s ，a n dan e wk i n do fn o n l e a d e ds b b r a s s i sd e v e l o p ；a f t e rr a t i o n a la n n e a l i n ga n dr o l l i n gs c h e d u l e t h es b b r a s s b r o a d sa r ep r e p a r e ds u c c e s s f u l l y t h et e s tm e t h o d so fd 弘，x 捌d ，s e m ， t e ma n de d sw e r eu s e d t h ei n f l u e n c eo fd i f 梵r e n tc o n t e n t ss bo nt h e m i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e sw a ss t u d i e d ，a n dt e s t e dt h et e n s i l e - s t r e n g t h ， t h er e s i s t a n c eo fd e z i n c i f i c a t i o na n dt h ec u t t i n gp r o p e r t y 弧er o l l i n g s c h e d u l ea n dt h ei n t e r m e d i a t ep h a s e sw e r es t u d i e d a n dt h em e c h a n i c so f s b b r a s sw a sd i s c u s s e d t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w i n g s ： ( 1 ) t h ec o n t e n to fs bi st h em a j o rf a c t o rt o a f f e c tt h es y s t h e s i s p r o p e r t i e so fa l l o y s ，t h es e c o n di sc ea n dt h el a s ti st i t h et e n s i l e s t r e n g t hw a sr e d u c e da n dt h ed e p t ho fd e z i n c i f y i n gl a y e rw a sr e d u c e d w i t ht h er a i s i n go fs b ，e s p e c i a l l yw h e nt h ec o n t e n to fs bw a so v e r 薹2 ， t h et e n s i l e s t r e n g t hr e d u c e sr a p i d l y ；b u tw h e ni tw a sl e s st h a n0 。5 。t h e d e p t hr e a c h e s4 4 51 a m ，i ti sw o r s et h a n 船b 5 9 1 ；t h ec u r i n gp r o p e r t yo f a l l o yi u s td e p e n do n 也ec o n t e n to fs b ，t h em o r et h eb e a e r a n dt h e r e a s o n a b l ec o n t e n t so fa l l o yi s ( w t ) ：5 7 5 9 c u ，0 8 s b ，0 4 c e ，0 3 t i ； ( 2 ) n l es bm a i n l ye x i s t sa si n t e r m e t a l l i c si na l l o y , a n di td i s t r i b u t e d o n 仅p h a s ea n dpp h a s ei ni n g o t sa n do np h a s eb o u n d a r yb e t w e e nap h a s e a n d1 3p h a s ea f t e rr o l l i n g ；弧ef r a c t u r e so ft h er o l l i n ga l l o yi sd u c t i l em a d a f t e ra n n e a l i n gi si n t e r c r y s t a l l i n ec r a c k i n g ；1 1 1 es e c o n dp h a s e si na l l o y s a r er i c hi nc u ，a n di tc a nr e g a r da sc u 2 s bp h a s ea f t e rt h ea n a l y s i so fd t a ， 也ec a l c u l a t i o no f t h e r m o d y n a m i c sa n dt h ec a l i b r a t i o no f d i f f r a c t i o ns p o t s i t ss t r u c t u r ec a nd e s c r i b ea ss i m p l et e t r a g o n a l ，a n dt h el a t t i c ep a r a m e t e ri s 珏l 串巍大学颈学位论文a 轻s 善r a c 彳 a = b = o 3 9 9 0 n m ，c = 0 6 0 2 0 n m ，b e l o n g i n gp 4 n m ms p a c eg r o u p ( 3 ) a f t e rt h ea n n e a l i n go f7 5 0 。c a b o u tlh ，t h eb e g i n n i n gr o l l i n g t e m p e r a t u r ew a sn o t1 e s st h a n7 2 0 a n dt h ef i n i s h i n gt e m p e r a t u r ew a s n o tl e s st h a n6 0 0 a n du s i n g8p a s s e s t h em a xr e d u c t i o ni np a s ss h o u l d b el e s st h a n4 0 ，w h e nt h et o t a lw o r k i n gr a t e sr e a c h e s7 9 。i ts h o u l d t a k ei n t e r p r o c e s sa t7 5 0 a b o u t3 0 m i nt or e d u c et h ew o r k - h a r d e n i n g , a n di tc a ni m p r o v et h eu l t i m a t er o l l i n gp r o p e r t i e st h r o u g hc o n t r o l l i n gt h e c o n t e n t so fc ua n dz n ，a l s ot h eq u a n t i t yo f1 3p h a s e ，a n da v o i d i n gt h e c r a c k sb e t w e e nr o l l i n g ； ( 4 ) 1 1 1 et e n s i l es t r e n g t h ，y i e l ds t r e n g t ha n de l o n g a t i o np e r c e n t a g eo f s b b r a s si s4 6 1 7 n 豫氖2 1 3 。3 泰耋p aa n d1 5 6 7 r e s p e c t i v e l y t l 艟r e s i s t a n c e o fc o r r o s i o ni n3 5 n a c ls o l u t i o ni sg o o d 。m a di ts h o w se x c e l l e n t d e z i n c i f i c a t i o nc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dt h ea v e r a g ed e p t ho fl o n g i t u d i n a l s e c t i o na n dl a t e r a is e c t i o ni sa b o u t2 9 5 4 p m2l4 7 b mr e s p e c t i v e l y ；t h e c u r l n g so fu n l e a d e ds b - b r a s sw e r et i n y , a n di t si n n e rs u r f a c ew a ss m o o t h 。 t h ec u r i n gc o u p eo fu n l e a d e ds b - b r a s sw a ss t a b l ea n df l u c t u a t i o nw a s s l i g h t l y , t h ec u r i n gs u r f a c ew a ss m o o t ha n dt h er o u g h n e s so fs u r f a c ew a s v e r ys m a l l 。w ec a nc o n s i d e ri t sb e r e rt h a nh p b 5 9 - lb a s i c a l l y , a n di tc a l l 扭k et h ep l a c eo f 船b 5 9 1 ： ( 5 ) t h em a i n l yc u r i n gm e c h a n i c so fs b 。b r a s si s ：t h e r ew e r es m a l l s p a c e sb e t w e e nt h es e c o n d 两a s e sa n dt h eb a s e ，i tc a nc o n s i d e r e d 毫h 激 t h e r ew e r ep l e n t yo ft i n yh o l e si na l l o ya n dt h o s eh o l ew e r ef i l l e dw i t ht h e f r a n g i b l eb u tn o th a r dc u 2 s bp h a s e s ，a n dt h ee x i s t e n c eo ft h es e c o n d p h a s ew i l lc u t o f ft h ec o n t i n u o u so fa l l o y , i tw i l lb e c o m e 馕es t r e s sm i s e r a n dr e s u l tt h en o t c he f f e c t 。i ti se a s yt of o r mt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o na n d t h er e p r o d u c t i o na n dm o v e m e n to fd i s l o c a t i o n s t h ed i s l o c a t i o n sd i f f u s e i n t ot h ei n n e ro fa l t o yu n d e rt h ef o r c eo fs h e a rs t r e s so fc u r i n g a n di tw i l l f o r man e wc u r i n gf a c e ，t h e nt h ec u t t i n gl a yo c c u r r sp l a s t i cy i e l d ，a n dt h e c u t t i n g sf a l ld o w na l o n gt h er a k ef a c e k e yw o r d s ：n o n l e a d e db r a s s ，s t i b i u m ，s t r u c t u r ea n dp r o p e r t y , i n t e r m e d i a t e 曲a s e ，r o l l i n gp r o c e s s ，c u r i n gm e c h a n i c s 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：盒瑙日期：j 塑坠年月卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：逢谜导师签名叠坠日期：且年月旦日 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 研究背景 第一章文献综述 铜是人类历史上应用最早的金属，也是至今应用最广泛的金属之| 玎。纯铜 有很多的特点，魏优良导电性、导热性，它的导电导热性仅次于银而居第二位 2 1 。 此外纯铜还具有化学稳定性高、抗蚀性好、无磁性、塑性变形能力高的特点，但 其强度低，导电、导熟性能、弹性、切削性能远远满足不了工业的发展要求，如 近年来，电动机、发电视等电器设备由于绝缘材料耐蚀性的提高，正在努力提高 金属材料的允许使用温度；又如，利用铜及铜合金在极低温超导现象的核聚变发 电装置等尖端技术及日常生活中不可缺少的液化丙烷气( 液化温度2 8 8 k ) 、液化 天然气( 液化温度l l l k ) 的液化技术等都要求材料具有良好的极低温性能，因 此，要求进一步提高铜的性能，其基本途径是透过舍金化及辅之以热处理来实现。 黄铜具有优秀的塑性加工性能和比纯铜高的强度和塑性，还有较高的导电 性及导热性，是有色金属中应用最广泛的合金材料之一，广泛应用于电工、热工、 化工、仪表、造船、机械制造等工业部门掰。简单的c u - z n 合金称二元黄铜或普 通黄铜，加入砧、s n 、拍、s i 等第三种元素的黄铜称特殊黄铜或多元黄铜。 铅黄铜具有优良的机械性能和切削性能，能满足自动车床加工制造各种零 部件的要求，因此锚黄铜广泛应用到电子电讯、家电、饮用水工程、航空航天、 玩具、汽车、交通、五金装饰、机械、仪表制造等领域 4 - 7 1 。 铅是一种有害元素，可对人体造成各种危害：损伤大脑中枢及周围神经系统； 破坏造血系统，阻碍血红紊的合成，导致贫血；影响消化系统功能；抑制免疫系 统功能等 8 - 1 0 l 。目前民用及工业供水系统的铜合金管件通常都是采用c 8 4 4 0 0 与 c 8 3 6 0 0 铜合金铸造焉成的，c 8 4 4 0 0 铜会金含铅量为7 ，c 8 3 6 0 0 含铅量为5 ， 这两种铜合金管件所含的铅，在供水过程中会部分地溶解于水中，导致水中的铅 含量在5 0 m g l 以_ l ：，因而美国环境保护局对饮用水的铅含量做了明确规定，要 求粥以上家庭的饮用承的铅含量从现在5 0 m g l 降低到1 5 m g l 。因此，开展铅 黄铜的替代研究显德龙为追切和重要。 我国的铅黄铜产量每年约18 2 1 6 3 万吨，再加上乡镇企业和个体户生产的来 列入统计的部分，投放于社会的铅黄铜数量远不止上面这统计吨位。铅黄铜如 h p b 5 9 - 1 、h p b 5 9 2 、h p b 6 3 3 等器件报废之后，往往作为垃圾被丢弃，这也热 剧了铅黄铜对环境的污染【l 。随着世界循环经济和生态环保及人类健康事业的发 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 展，人们越来越注意到铅毒的影响，欧盟、美国、日本、中国等医疗机构均已做 出了铅对人类环境造成不可逆转的危害的报告。欧盟2 0 0 2 年2 月1 3 日公布了 w e e e 和r o l l s 指令，限制和禁止使用含铅金属材料【1 2 , 1 3 】。因而研制无铅易切削 黄铜已成为材料工作者亟待解决的课题1 1 4 6 1 。 以无毒或低毒害物质代替铅，是减少铅污染的主要途径1 1 7 1 。为了减少铅黄 铜对环境的污染，必须采用不含铅的易切削黄铜。但是不含铅的一般黄铜，其切 削性能差，不能满足精密机械加工的要求。无铅易切削黄铜就是通过改良黄铜成 分设计，适当地加入其它少量无毒害的元素代替铅的功能，使其达到易切削的目 的，既满足工业上的需要又保护了生态环境，因而本课题的研究将有着重大的社 会意义和经济意义。 1 2 黄铜合金的组织形态与性能 以铜和锌为主要成分的合金称为黄铜。黄铜可分为两类：普通黄铜和特殊 黄铜。普通黄铜是铜和锌的二元合金，特殊黄铜是指添加了铝、硅、锰等元素的 多元复杂黄铜合金。 1 2 1 普通黄铜 温度c 1 0 il - d ：n 重 | u 吣 u、 l l ” 毫 兮 i l 氐 a 、 昼 | ；汰 1 卜 1a 。八 6 一 触 1 l 蝴 。 y 、 、 5 5 8 1 掳l 乞 |，r 。夕 ； 一p l i 1 ： l l 01 02 d 4 0 5 07 01 0 0 c u 2 ， 2 l l 图l lc u z n 二元合金相图1 5 ，1 抛o i 2 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 工业上应用的黄铜含z n 量至多为4 6 ，图1 1 为c u - z n - - 元合金相图【5 , 1 s - 2 0 。 由图可知c u - z n 合金中有六个固溶体相：伐、p ( 或p 相) 、b6 、t 1 和相。但 是，在合金的癜用藏匿内只涉及攫窝1 3 ( 或1 3 相) 两相( 在铸造条件下有时也会 出现7 相) 。黄铜按其组织可以分为三种：识黄铜，叶8 ( 或叶b 相) 黄铜和p ( 或 b ) 黄铜。c u z n 合金中的其余四种固溶体相在工业上无实用价值。 铲洳溶于铜中的固溶体，具有与铜相同的晶格( 西心立方) ，随含z n 量 的增加出紫变黄，质软恧塑性大，铸态下呈树枝状或钟状，退火蜃呈多边形晶粒。 岬相是以金属间化合物c u z n 为基的固溶体，是由a 相和熔融金属进行 的包晶反应( 9 0 2 ) 所产生的体心立方结构的电子化合物，强度和硬度比q 相 大，但常温下塑性比伐相小。高温下的相有极好的塑性，对变形就越有利。研 究表明，相的数量与铜含量有关，势相比垃穗更容易被腐蚀，故在显微镜下呈 暗色。单相d 黄铜，在铸态下呈粗大的多边形晶粒组织。 b l 邛为p 相的有序化转变相，硬度和脆性比b 相大，不能进行冷加工，具 有优良的热加工性麓。多相是壶相在4 5 6 - - 4 6 8 时有序化转交焉褥到的。 h 相是以金属闻化合物c u s z n s 为基的固溶体，呈灰色，质硬而脆，在 黄铜组织中出现丫相时严重影响机械性能，在生产中应设法避免。 在铸造条件下e l j 于冷却速度较快，合金组织不完全与相图相符，如含3 2 孙 的黄镉，不是单由疆相组成，两是由a + i 3 ( 或a + 1 3 ) 组成；工业黄铜压含量小 于5 0 ，因而成为1 3 相组成的黄铜，即使在冷却速度较慢的时候也会出现丫相。 因此，铸造黄铜件时应严格控制配料和工艺过程，防止该相的生成。 1 2 2 特殊黄铜 特殊黄铜是在普通黄铜中添加m n 、s i 、a i 、s b 、f e 等元素中的一种或几种， 根据主要添加元素命名为锰黄铜、硅黄铜、铝黄铜和锑黄铜等。 表i 1 合金元素的锌 - 3 量1 5 , 1 9 1 。 在普通黄铜中加入合金元素，便使c u - z n 相图的a 及a + 1 3 区域的相界线左 移或右移，但是加入l 合金元素所起的作用并不和加入1 z n 所起的作用样， 每一元素都有自己的替代当量，称为锌当量。表1 1 为一些元素的锌当量值i s , 1 9 1 。 锌的计算含量的经验公式如下： a l = ( a + t q ) ( a + b + 墨q ) x 1 0 0 ( 1 ) 3 孛毒大学硬圭学位论文第一掌文献综述 a l 为锌的计算含量，a 为锌的实际含量，b 为铜的实际含量，t 为合金元素的含量， q 为会金元素的锌当量。 利用c u - z n 二元合金相图和锌当量预测合金组织和性能时方法简便，是一 种近似估计，合金元素含量不高时可以应用( 质量分数不大于2 7 ) ，元素含 量高，锌当量系数大的元素误差较大，此时可应用三元相图等湓截面图估算材料 组织f 卯。 普通黄铜中加入m n 、s i 、a i 、s b 、f e 等合金元素，多半溶于a 和b 相中， 合金组织并不发生根本性的改变，只是与增加了锌时的情况一样，改变a 和睁 相的比值，面各种性能财与单纯增加了锌时相比有很大的不同。当合金元素的加 入量超过定的限度时，也会产生薪相，但它们多半以独立的小质点分布在伐 和p 基体中，合金性能主要由伐和b 相决定，如表1 2 所示。 表l 一2o 【和相含量与合金力学拨能的关刻5 1 ( 1 ) 馐和的相对比值：a 和b 相的相对比值对合金的机械性能有较大影 响。当合金由单相q 相组成时，合金一般具有较好的塑性和韧性，但其切削性能 较差；当基体由1 0 0 3 相组成时合金具有最大的强度，但这时塑性较低，且1 3 相的耐蚀性能不如瑾相高，因此在传统黄铜中为获得较好的合金综合性能般要 求岱相所占比例为2 p 3 0 。 ( 2 ) 仅和b 相的尺寸、形状及分布：( 叶b ) 两相黄铜的组织特征主要由仅 和圣的酉分含量决定，若岱相占的比例很大，则在a 相晶粒的交界处夹杂着p 相；若b 相占较大比例，伐相一般以针状均匀分布于1 3 相基体中。1 3 相一般为多 边形晶粒，晶粒愈细，强度愈高。a 相最好以针状均匀分布在基体中，粗大的针 状和块状以及沿晶界网络分布都是不利的。 鎏1 2 为c u - z n 合金机械性能与压含量的关系图，从图孛可以看出，铸态 黄铜的机械性能主要由含z n 量决定，随着含z n 量的增加，黄铜的强度和塑性 同时增加，z n 含量增加到3 2 ，6 达极大值；z n 含量再增加超越a 相区，6 值 急剧降低，但还继续升高，在计圣与多相区交界处达极大值；z n 含量大于4 5 ， 进入相区后，锡和5 同时开始急剧降低，在和黟。q 相区达到极小值。由此 4 孛离天学骥圣学餐论文第一章文簸综逯 可知，岱相塑性最高，芬相次之，y 相剃麓脆一些。 蹲1 - 2c u - z n 合金机械牲能与孙舍薰瞬美系侉奎聪 3 台金元素对黄铜性畿的影响 舞了挺赢黄锕鲶辫镶注麓、概辘蛙熬或讶黻熬王装麓，在= 元蓑镶孛麓天少 量酶铅、锡、猛、铁、凝、镰等合金嚣素，嬲褥多嚣微含金化特殊黄铜1 5 矧，卷 添加合金元素对其组织和性能影响如下： 1 3 锚对黄铜的影响f 5 捌 铅在毡黄铜中的溶解度小于0 0 3 ，故在伐黄铜中必须限制其含量( 不得 超遵0 钙) ，甭则将发生熬臆现蒙。毽在两相( 酣节) 黄铜孛，锫酶含爨哥戳媾 热，并不产叟热赡，这是蠢必嚣糨黄镊褒铸造络基宠戚时，尽管镫在基翔形残薄 膜，但在冷却过程中多榴转交为( 酣多) ，加热时( 酣多) 又转变为彝穗，经过这 种重结晶后，铅质点大部分转移到酯粒内部，因而在双相黄锕中，铅对合金加工 毪熊酶熊害律耀大大减弱，舍镑量越多酶黄镧，竞诲酶含镊量越大，在含4 0 z n 豹黄钢中擞入l 2 p b 两以键切属容易脱落，鼓嚣露挺毫含金的翱王性； 。3 + 2 穗对黄镳豹影晌 5 2 4 1 辍的锌豢量系数是l 蛰，使c u - z n 糯豳豹鍪耀界线太大左秽，爱此熬入少量 的硅就能提高合金的强度和硬度。当含量超过4 时由于析出大量的y 相，使台 金流动性降低；s i 也能降低液裙线温度，使合金的液相线与固相线水平躐离减少， 馕铸磐缀织致密；它遵霹在铸件表露生成受绕薄膜，提鑫黄锶戆耐蚀楼戆，在 黄铡中娃和铁或锰共存时是有害杂矮，这是因为在含有铁或锾的黄铜巾，当s i ：s 孛瘩大学赣士学徒谂文第一豢文簸综述 含量超过o 1 时便生成f e s i 或m n s s i 3 ，分布在晶粒周界使合金脆化。 3 3 铝对黄铜的影晌i s i s , 2 6 锱的锌当量系数为6 ，使c u ，孙相图的相界线向左移，缩小。及o 【+ b 区域， 键篌缀织孛照现警，菡藏，锱能提高强度耧硬度蔼降低燮性，铝是黄铜的强 纯元素，翔缝适当的选择镧与铝舱配魄，并控铡舍垒的冷却速度，使之楚子鍪 l - l 中接近b q 区边界的? 棚区时，合金具有最大的强度。烈可在铸件表碰形成 a 1 2 0 3 薄膜，因稀提高铸件的耐蚀性能和表面光洁度；另外在熔炼过程中a l 还 爵数减少强麓蒸发。鼹既，熔炼铝黄镶黻井靛其它特殊黄铺对也常常燕入少量 的铝，如熔炼锰黄铜是搬入o ，s 4 的铝，烈还霹以提懿合金鳇滚动性。 1 。3 4 锰对黄铜的影响( 5 2 鞭秣 m n 鳇镩当基系数是e ，s ，数慰黄铜的组织无太大影穗，健m n 是黄镧簿羹要 强化元素，加入少量m n 便能显著提高黄铜的机械性能和对海水氯化物及过热蒸 气前耐蚀性能，嗣时提高耐热畿毹。在铅黄铜中加入一定量的m n ，可有效地改 饕黄铜鹣甥黼性麓；m n 笺稳定含铝黄锶孛辩参鞠，减少铝键便褫露警耱蘸佟雳， 因此可以在少许降低塑性鳇情况下提离铝黄铜的强度和硬度；它在缝钢中的豳溶 度很高，在室温下可达到2 0 ，但c u 和m n 量分别超过6 1 和4 时，在低于 3 7 5 c 的温度下m n 在1 3 稿酶雷溶度下降，蹬现富锰酌节穗，使合金性质变环。 掰激单纯靛锰黄镶，其含锰量鞋不超邀2 隽宣。 3 。5 铁对黄镶的影鸱f 5 2 懿 羚在鼗耀鹫溶体申鳃溶解囊廷霄0 1 - 0 2 ，超过姥毽便与怒生成就合辏 f e z n 2 颗粒，首先从合金液相中柝如成必晶核，细化含金组织。& 也可以推迟含 金再结晶过程，阻碍晶粒长大。和m n 、s i 或a l 同时加入效果更好，但含f e 鬟多时，富铁耜避多，降低合金辩蚀性能，般认隽缨优黄铜蕴织所需要酌最低 食铁鬟是0 ，7 - 1 ，不降低耐蚀缝簸的最嵩黢量兔3 。 1 ，3 。6 镍对黄铜的影鞠l 测 镰戆提高黄镶鳇飒戳装能巍抗缓蠛缝，镰黄镶懿脱簿麓秀及窿力腐镶簇舞 小。镍也能扩大伐相区，故两相黄铜添加适量镍后可转变为单相黄铜。另外，在 多元徽合金化铅黄铜中也常添加微量稀土元素，对其铸态组织、冷、热加工性能 翥定影稍。 中南大学硕士学位论文 第一孽文献综述 1 3 7 硼对黄铜的影响【5 ，2 9 1 各种黄铜在铸造凝固中一般都形成粗大的柱状晶和等轴晶，微蹙b 可有效 地变质细化h p b 5 9 1 黄铜铸锭组织 3 0 - 3 3 1 。章爱生、徐鹏等弹l 研究发现 0 0 0 0 1 - 4 ) 0 0 1 的硼具有显著细化变震效果，馒发达的柱状磊转化为3 0 - - , 5 0 瓣m 的 等轴晶；离温( 6 8 0 x 4 0 m i n ) 组织显示，添加微量硼的铸态细化变质组织在高 温有较好的热稳定性，对a b 转变影响较小。但过量硼的添加，将减缓”p 转交，提高转变温度，从而影响热加工性能，为此，硼添加量应小予0 0 0 1 。 3 8 钛对黄铜的影晌f 5 3 5 l 文献表明0 6 - 4 h ，微量的钛对钢、铝合金、铜合金等有细化晶粒，改善塑性 的作用。鬣是强碳化物形成元素，它和n 、o 、c 都有极强的亲和力。弧与c 形 成的碳化物结合力极强、极稳定、不易分解，只有当加热温度达1 0 0 0 以上时， 才开始缓慢地溶入固溶体中，在未溶入前，t i c 微粒有阻止晶粒长大粗化的作用。 弧是极活泼的金属元素，能与c u 和c 生成难溶的碳纯物质点，富集于铜的晶界 处，阻止铜的晶粒粗化，减少粗大柱状晶和树枝状组织的生成，可减少偏析降低 带状组织级别。 l 。4 稀元素的影响 稀土是化学性质较活泼的金属元素，能与许多元素发生相互作用。研究表 明，稀土在铜及铜基合金能起脱气除杂、改变显微结构、改善机械加工性麓、提 高耐腐蚀和耐磨性能的作用。 4 。l 稀土在铜及铜基合金中的脱气除杂作| 胃 铜及铜合金常含有气体杂质如氧、氢、硫等，这些杂质对于材料的加工性 能有不良的影响。稀士与这些元素有较强的亲和力。稀土与氧能形成稳定的稀土 氧化物。稀土氧化物漂浮于铜液之上可以除去。热力学研究结果表明镧、铈、镨、 钕具有较好的脱氧能力。稀土元素畿和铜液中溶解的氢原予反应生成稳定的稀土 氢化物，防止了氢的危害。铈和钇在铜液中具有脱硫作用，大约加入0 。2 8 的铈 对硫的净化能力最强【4 2 1 。铜液中的其他一些有害杂质如铅、铋等，在铜中溶解一 度不大，对于铜的加工性能有害田l 。稀土元素能与这些物质生成难熔的金属间 化合物或稀土亿合物，消除鑫界上的有害杂质，改善了热轧性能。 毒。2 稀对钢及铜基合金显微结构的影响 稀主对于显微结构的影响主要体现在能细化晶粒和改变杂质分布。缨忧晶 ? 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 粒主要是稀土元素具有抑制晶粒长大的作用，其基本原理是由于稀土离子半径比 铜离子半径要大，由于热力学的作用而富集在晶界中，合金以枝状方式生长，产 生较多的结晶中心，从而使晶粒细化，实验和生产也证明了这种结果。 稀土元素可以改变铜及铜合金中杂质的分布及形态。可以与杂质形成金属 间化合物或稀土化合物，使杂质成弥散状态，可消除合金中的条块状的杂质，提 高合金的机械加工性能。或者通过减少低熔点杂质的数量，改善热处理性能【4 4 1 。 合金中稀土元素的含量适量时，可明显地细化z l 2 0 3 合金晶粒的同时，也改善 了合金的机械性能。稀土元素含量为0 0 8 , 4 ) 1 0 时，合金的各项性能较好【4 5 1 。 1 4 3 稀土对铜及铜基合金机械性能的影响 纯铜中添加稀土，可明显提高纯铜的强度和硬度，增强热稳定性，并具有 较好的高温、常温塑性。混合稀土可以阻碍退火过程中晶粒长大。 在铅黄铜中添加稀土可提高高温塑性，加热温度上限可由7 8 0 提高到8 3 0 ，混合稀土加入量为0 0 3 , - 4 ) 0 6 ( 质量分数) 时，即可较明显地细化合金的 晶粒，同时稀土的加入使铜合金的机械性能明显改善【拍l 。当混合稀土金属量增 加到0 0 6 ( 质量分数) 时，铸态试样抗拉强度提高2 8 ，延伸率提高5 ，退 火试样抗拉强度提高4 7 ，延伸率提高1 3 5 。在铅黄铜h p b 5 9 1 中添加 o 0 5 o 0 3 l a 或c e ，可使其强度、硬度有所提高，但常温延伸率并不降低；在 铅黄铜中添加微量稀土可显著提高其高温延伸率，可使其疲劳破坏时裂纹扩展速 度减慢，提高疲劳寿命【4 刀。 不同稀土含量对铜合金硬度也有影响，当稀土加入量增加时，铜合金的硬 度( k g c m 2 ) 可从6 6 增加到6 9 ，然后硬度增加趋于平缓 4 8 1 ，其原因在于稀土和 铜形成金属间化合物。这些金属间化合物粒子较硬，分布于基体中，成为位错运 动的阻力；随着稀土含量增加，粒子数增多，对位错运动的阻力增大，合金被强 化的程度增加，因此合金的硬度增加。 在铍青铜q b e z 合金中加入0 1 的稀土，可提高其抗拉强度、弹性极限、 高温硬度等性能，并可使合金中含p 相减少，明显抑制晶界反应。在锡青铜中添 加铈，可使其位错密度增高，且出现较小的孪晶块以及形成含c e 、p b 的化合物， 从而提高其强度和硬度。 适量稀土可同时提高电极线铜合金的高温延伸率和高温强度。在含铬的铜 合金电极线中加入稀土，其高温强度进一步提高，高温延伸率得以改善。在汽车 散热器专用铜合金中添加稀土后晶粒细化一倍，并有较多弥散析出相提高了强度 和硬度，软化温度提高到4 0 0 c i 删。 8 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 4 4 稀土对铜及铜基合金加工性能的影响 在铜合金中加入适量稀土金属，可提高流动性3 0 , - - 4 0 。不同种类的铜合金， 其流动性提高程度不同，健过量稀土会降低流动性能，使铸件表面不光洁，断面 上产生分散缩孔。稀土元素能使铸锭柱状鑫区的宽度减小，晶粒细化。 在铅黄铜添加定量的稀土元素，可大大改善其切削加工性能，可显著地 降低表面粗糙度、毛刺和刀具磨损。铅含量对切削性能的影响较大，稀土元素主 要起细化铅粒并促进更多铅粒存在于p 相内，也有减小柱状晶区宽度的作用，从 恧改善了切削加工性。 添加稀土使铜及其合金中的有害杂质( p b 、b i 等) 从易熔共晶状态转变为 高熔点化含物，因此可明显改善铜及其合金的压力加工性能。添加微量稀土可显 著提高铅黄铜的高温延伸率，改善热加工牲能，减轻或消除热轧开裂现象。其募 因据认为在于细化晶粒，减少或消除柱状晶，促进高温时6 相转变，与铅形成高 熔点化合物等作用。 在c u s n 合金含有少量的稀土( y 、c e 或h o ) ，可大幅地改善7 0 0 c 以上温 度的延展性，原因是由于稀元素抑制晶界预先氧纯，导致晶赛强度高。在黄锈 h 6 8 中加入稀土元素，可消除因p b 造成的热脆性。在含n i 、z n 的铝青铜中， 固溶状态下的h o 能改善其冷加工性能，并使之成为可热处理强化合金。在一种 黄铜中加入铈镧合金，其冷轧压下率可提高，退火温度眈一般含等量锌的黄铜提 高l 。 在铝铜合金中加入混合稀土变质，改变了合金的凝固结晶特性，并使金属净 化，气体和夹杂物减少，表面张力降低，从而使其流动性提高，线收缩热裂倾向 和显微缩裂倾向下降，特剐是混合稀土加入量为0 2 时，可使合金完全变质，获 褥最佳的铸造性能【5 0 l 。在z l 2 0 4 合金中添加微量的富c e 混合稀土，可明显提高合 金铸造性能，稀土的加入量以0 3 o 5 为宜，以骨骼状的金属闻化合物的形式分 布予晶间1 5 n 。富c e 混合稀土能不同程度地提高合金的流动性和降低合金的热裂 倾向性，明显地提赢合金的铸造性能。合金流动性的提高和热裂倾向性的降低， 主要是由于稀土的加入使合金在凝固过程中枝晶细化，在凝固后期枝晶的联生增 强f s 2 l 。 1 。5 材料的切削性能i 螂7 j 材料的切削加工性是指材料被切削的难易程度。这是个总的概念，切削条 件或切削方式不同，对切割加工牲会提出不同的要求。例如褪加工时希望单位时 间的金属切除量要多，假定切削层截面积变化不大，就可以比较刀具相同耐用度 奎 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 时的切削速度，速度越高，加工