（材料学专业论文）60cuznxmg合金组织与性能研究.pdf

中南大学硕士论文摘要 摘要 铜及铜合金由于具有一系列的优良性能：电导率与热导率高、耐 腐蚀性能强、加工成型性能好、强度高等，在国民经济的各个部门获 得了广泛的应用。铅黄铜因其优异的力学性能和切削性能而广泛应 用，由于含有害元素铅，铅黄铜的应用受到极大限制，研制开发无铅 易切削黄铜是当前世界各国共同关注的焦点，已成为材料工作者的重 要研究课题。因此，论文作者采用熔铸、挤压的方法制备了c u z n m g 、 c u z n - m g - a 1 和c u z n m g - b i 系列镁黄铜合金，借助光学显微镜、 扫描电子显微镜、透射电子显微镜、差热分析仪、x 射线衍射仪以及 硬度计等手段，研究了镁对铜镁合金相转变、相组成、组织演变、熔 点的影响，分析讨论了不同镁含量的镁黄铜微观组织、力学性能、切 削性能及耐腐蚀性能，同时研究了少量铝、铋对镁黄铜微观组织、力 学性能、切削性能和耐腐蚀性能的影响，初步探讨了镁黄铜切削机理 和腐蚀机理。主要结论如下： 1 ) 针对目前广泛使用的h p b 5 9 1 铅黄铜设计了6 0 c u z n x m g 系列合金，研究了合金中p 相转变过程的微观组织演变，测量并 分析了镁含量对合金相变点和熔点的影响。结果表明：在 6 0 c u z n x m g 合金中，随着镁含量的增加，合金物相组织出现变化， 由a 相和b 相双相组织逐渐变为三相组织( 0 【相、d 相和c u 2 m g 相) 。 当镁黄铜中镁含量低于o 8 w t 时，合金由a 和b 双相组成；当镁黄 铜中镁含量大于1 6 w t 时，合金由a 、b 和c u 2 m g 三相组成。随着 镁含量的增加，合金0 【j p 相转变温度降低。随着镁含量的增加， 6 0 c u z n x m g 合金熔点呈下降趋势。 2 ) 采用熔铸挤压的工艺制备了6 0 c u - z n - x m g 合金，分析了合金 微观组织变化及其力学性能，同时研究了添加少量铝、铋对镁黄铜微 观组织及力学性能的影响。结果显示：6 0 c u z n - x m g 三元体系中，当 镁含量为1 6 w t 时，镁黄铜综合力学性能较好，晶粒较为细小，细晶 强化明显，抗拉强度较高。添加微量铋元素后，铋颗粒主要分布在p 相以及仅相与p 相交界处，合金塑性有所下降。微量铝元素的添加，可 以使镁黄铜晶粒细化，合金强度有一定提高。 3 、) 对镁黄铜系列合金的切削性能进行了测试，研究了其它因素 中南大学硕士论文摘要 对合金切削性能的影响，并初步探讨了合金的切削机理。结果表 明：6 0 c u z n x m g - - - 元体系中，随着镁含量的增加，合金切屑变 小，切削力变小，镁黄铜切削性能逐渐提高。添加铝和铋元素均使 镁黄铜切屑更加细小，切削力降低，切削性能提高，其中 6 0 c u z n 2 4 m g 一0 3 a 1 的切削性较好。切深对合金切削力影响较大， 其次是进给量，切削速度影响较小。根据g r i f f i t h 的脆性断裂理论计 算出含c u 2 m g 相颗粒的临界尺寸为0 7 0 1 a m 。 4 ) 通过分析合金的脱锌层厚度来评判镁黄铜的耐腐蚀性能，初步 研究了不同合金元素对合金腐蚀性能的影响。结果显示：在 6 0 c u z n x m g 三元合金中，随着镁含量的增加，脱锌层厚度增加，镁 黄铜耐腐蚀性能下降。添加少量铝元素的6 0 c u z n 2 4 m g - 0 3 a i 合金 耐腐蚀性能较好。 5 ) 通过优化6 0 c u z n x m g 体系中镁的含量，根据所制备合金的力 学性能、切削性能和腐蚀性能，优化镁元素含量。结果表明： 6 0 c u z n - x m g = 元体系中，添 j l ：1 2 4 w t m g 合金综合性能优良，抗拉 强度为4 9 4 3 9 m p a ，屈服强度为3 8 8 5 6 m p a ，伸长率为9 0 3 ，硬度h v 为1 3 9 5 ，切屑细小，呈碎块状，颗粒大小较为均匀，约为0 5 m m ，切 削性能较好，横向和纵向平均腐蚀深度为8 6 3 8 1 a m 和1 2 1 3 8 1 a m ( 国家 标准g b l 0 11 9 8 8 ) 。 6 ) 在最优化6 0 c u z n x m g 体系合金的基础上，对比研究了添加少 量铝元素和铋元素对所制备合金的力学性能、切削性能和腐蚀性能的 影响。结果表明：添3 h o 3 w t 铝元素的6 0 c u z n 2 4 m g 一0 3 a 1 四元合 金综合性能优异，抗拉强度为5 4 2 7 3 m p a ，屈服强度为3 7 5 2 4 m p a ， 伸长率为8 1 6 ，硬度h v 为1 5 3 ，切屑细小，呈碎块状，颗粒大小较 为均匀，约为0 4 m m ，切削性能较好，横向和纵向平均腐蚀深度为 5 8 8 o 岬和6 4 3 8 9 m ( 国家标准g b l 0 11 9 8 8 ) 。 关键词：无铅黄铜，镁黄铜，c u 2 m g ，性能 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fc o p p e ra n dc o p p e ra l l o y si sv e r ye x t e n s i v ef o r e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e 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 de 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 d d 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 d c u t t i n gp r o p e r t i e s ，b u tp bi s ak i n do fe l e m e n th a r m f u lt oe n v i r o n m e n t a n dh u m a nb e i n g ，s oi tw i l lb 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 c b e n e f i tt or e p l a c ep bu s i n gi n n o c u o u se l e m e n t sa n dr e a c hi t s c u t t i n g p r o p e r t i e s t h ep u r p o s eo ft h i ss t u d yi st od e v e l o pan e wk i n do fe a s y c u t t i n gl e a d l e s sm a g n e s i u mb r a s s ，w h i c hi st os u b s t i t u t ef o rt h ew i d e l y u s e dt o x i cl e a d e db r a s s i nt h i sw o r k ，t h ee a s yc u t t i n gm a g n e s i u mb r a s s w a sf a b r i c a t e db ym e l t i n g ，c a s t i n ga n de x t r u d i n gp r o c e s s e s t h ee f f e c to f a d d i n ga 1a n db io nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dc o r r o s i v ep r o p e r t i e sw e r e s t u d i e db yx - r a yd i f f r a c t i o n ，o p t i c a lm i c r o s c o p ea n ds c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e 1 1 1 em e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dm a c h i n a b i l i t yw e r et e s t e db y e l e c t r o nu n i v e r s a lt e s tm a c h i n ea n dm e t a ls t o c kr e m o v i n gm a c h i n e t h e f o l l o w i n gr e s u l t sw e r eo b t a i n e d ： 1 ) t h ei n f l u e n c eo fm go nm e l t i n gp o i n t ，p h a s et r a n s f o r m a t i o n t e m p e r a t u r e a n dm i c r o s t r u c t u r e d e v e l o p m e n to fa l l o y s w e r e i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，t h ea d d i t i o no fm gd e c r e a s e d t h em e l t i n gp o i n ta n dp h a s et r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r eo f0 l p ，a s w e l la sl e a d i n gt ot h e p r e c i p i t a t i o no fc u 2 m gp h a s e 2 ) t h ev a r i a t i o no fm i c r o s t r u c t u r e a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t y o f 6 0 c u - z n - x m ga l l o y sw e r es t u d i e d ，a n dt h ee f f e c to fa ia n db i w e r ea n a l y z e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a l e d ：t h eb e s tm e c h a n i c a l p r o p e r t yo f6 0 c u - z n - x m ga l l o ye x i s tw h e nt h ec o n t e n to fm gi s 1 6 w t t h ea d d i t i o no fb id e c r e a s e dt h ep l a s t i c i t yo fm g b r a s s a n dt h eg r a i ns i z eo fa s - e x t r u d e d6 0 c u z n - 2 4 m g - 0 3 a 1a l l o yw a s s m a l l e rt h a n o t h e r s t h eu l t i m a t e t e n s i l e s t r e n g t h o f 6 0 c u z n 一2 4 m 9 0 - 3 a lw a s5 4 3 3 9 m p a i i i 中南大学硕士学位论文 a b l l r a c t 3 ) 4 ) 5 ) 6 ) t h ec u t t i n g p r o p e r t i e s o f6 0 c u z n - x m g i m p r o v e dw h i l e t h e c o n t e n to f m g i n c r e a s e d t h es i z eo f c h i p s o f 6 0 c u z n 2 4 m g 0 3 a 1b e c a m es m a l l e ra n dt h ec u t t i n gf o r c e d e c r e a s e d t h er e s u l t sa l s os h o wt h es i g n i f i c a n tf a c t o r se f f e c t i n g c u t t i n gp r o p e r t i e sa r ei nt h eo r d e ro fd e p t ho fc u t ，f e e dr a t ea n d c u t t i n gs p e e d a c c o r d i n gt ot h ef r a c t u r et h e o r yo fg r i f f i t h ，t h e c r i t i c a ld i m e n s i o no fc u 2 m gw a sc a l c u l a t e d w h i c hi s0 7 0 9 m t h ec o r r o s i o nr e s i s t a n t p r o p e r t i e s o f6 0 c u - z n - x m gd e c r e a s e d w h i l et h ec o n t e n to fm gi n c r e a s e d t h ea d d i t i o no fa ia n db i i m p r o v e dt h ec o r r o s i o nr e s i s t a n tp r o p e r t i e so f6 0 c u - z n - - x m ga n d t h ed e p t ho fd e z i n c i f i c a t i o no f6 0 c u - z n 一2 4 m g - 0 3 a 1a l l o yw a s s m a l l e s t t h ec o m p r e h e n s i v ep r o p e r t yo f6 0 c u - - z n x m ga l l o yw a se x c e l l e n t w h i l et h ec o n t e n to fm gw a s2 4 w t t h et e n s i l es t r e n g t h ，y i e l d s t r e n g t he l o n g a t i o na n dh a r d n e s so fm a g n e s i u ma r e4 9 4 3 9 m p a ， 3 8 8 5 6 m p a ， 9 0 3 a n d13 9 5 h v r e s p e c t i v e l y t h e m a i n - c u t t i n g f o r c ei s35 0 n ，a n dt h ed e p t ho fd e z i n c i f i c a t i o no f l a t e r a la n dv e r t i c a li s8 6 3 8 9 ma n d1 2 1 3 8 岬r e s p e c t i v e l y b ya d d i n g a 1a n db it ot h e6 0 c u - z n - 2 4 m g a l l o y s ，t h e c o m p r e h e n s i v ep r o p e r t yo f6 0 c u - z n 一2 4 m g - 0 3 a 1a l l o yw a sf i n e t h 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 he l o n g a t i o na n dh a r d n e s so f m a g n e s i u ma r e5 4 2 7 3 m p a ，3 7 5 2 4 m p a ，8 61 a n d 15 3 h v r e s p e c t i v e l y t h em a i n - c u t t i n g - f o r c ei s 14 5 0 n ，a n dt h ed e p t ho f d e z i n c i f i c a t i o no fl a t e r a la n dv e r t i c a li s5 8 8 0 9 ma n d6 4 3 8 p r a r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：l e a d f r e eb r a s s ，m a g n e s i u mb r a s s ，c u 2 m g ，p r o p e r t i e s 1 v 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：缝衄日期：丑年甥卫日 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。 作者躲出导师签名心期：出上月生日 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 概述 第一章文献综述 铜是人类历史上应用最早的金属，也是至今应用较广泛的金属之一【l 】。纯铜 有很多的特点，如优良导电性、导热性，它的导电导热性仅次于银而居第二位【2 】。 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、导热、弹性、切削性能远远满足不了工业的发展要求。近年来， 电动机、发电机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。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1 1 1 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，其基本途径是通过合金化及辅之以热处理来实现。 黄铜具有优良的塑性加工性能、较高的强度以及较高的导电性及导热性， 是有色金属合金中应用较广泛的材料之一，主要应用于电工、热工、化工、仪表、 造船、机械制造等工业部门【3 1 。简单的铜锌合金称二元黄铜或普通黄铜，加入 a 1 、s n 、p b 、s i 等第三种元素的黄铜称特殊黄铜、复杂黄铜或多元黄铜。 铅黄铜具有优良的力学性能和切削性能，能满足自动车床加工制造各种零 部件的要求，因此铅黄铜被广泛应用于电子电讯、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 。 但铅是一种有害元素，对人体主要造成的危害有：损伤大脑中枢及周围神经 系统；破坏造血系统，阻碍血红素的合成，导致贫血；影响消化系统功能：抑制 免疫系统功能等【8 - 1 0 1 。目前民用及工业供水系统的铜合金管件通常都是采用铅黄 铜( 主要包括c 8 4 4 0 0 和c 8 3 6 0 0 合金，c 8 4 4 0 0 铜合金含铅量为7 a t ，c 8 3 6 0 0 含铅 量为5 a t ) 铸造而成的，在供水过程中合金管件所含的铅会部分溶解于水，导 致水中的铅含量在5 0 m g l 以上，因而美国环境保护局要求9 0 以上家庭的饮用水 的铅含量从现在5 0 m g l 降低3 ；1 1 5 m g l 。因此，开展铅黄铜的替代研究显得尤为 迫切和重要l l 。 我国的铅黄铜产量每年约2 0 万吨，再加上乡镇企业和个体户生产的未列入 统计的部分，投放于社会的铅黄铜数量远不止上面这一统计吨位。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，这也加 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 剧了铅黄铜对环境的污染【u l 。随着世界循环经济和生态环保及人类健康事业的发 展，人们越来越注意到铅黄铜的危害，欧盟、美国、日本、中国等医疗机构均已 做出了有关铅对人类环境造成不可逆转危害的报告。欧盟2 0 0 2 年2 月1 3 日公布 了关于报废电子电气设备指令( w e e e ) 和关于在电子电气设备中限制使 用某些有害物质指令( r o l l s 限令) ，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 4 1 6 】。 以无毒或低毒害物质代替铅黄铜中的铅元素，是减少铅污染的主要途径【r 7 1 。 但是不含铅的普通黄铜，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 普通黄铜种类及性能 黄铜包括铜普通黄铜和复杂黄铜。我国的国标中黄铜合金牌号有4 3 个，其中 普通黄铜有1o 个，复杂黄铜有3 3 个( 1 s l 。 铜锌合金固态下分别存在a 、b 、小o 、t 1 等六个相( 见图1 1 ) 。但有实 际应用研究的是含锌在5 0 以内的黄铜，共有1 0 个牌号。普通黄铜通常有0 【和p 两 种相：按组织分，普通黄铜有c t 单相黄铜( h 9 6 、h 9 0 、h 8 5 、h 8 0 、h 7 0 、h 6 8 ) 、 叶p 两相黄铜( h 6 3 、h 6 2 、h 5 9 ) 和d 单相黄铜。由于d 相黄铜锌含量在4 6 5 a t 潮 k 图卜1c u z n 合金相图【5 】 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 5 0 a t ，塑性很低只用焊料使用，故标准中没有1 3 单相黄铜的牌号。在4 5 4 4 6 8 c 有p ( 无序固溶体) j p ( 有序固溶体) 转变。 铜锌二元合金中，锌大量固溶于铜中，黄铜晶格常数与含锌量关系见图1 - 2 。 x ( c u ) a t 图1 - 2o 【黄铜晶格常数与锌含量的关系n 8 1 黄铜中的主要相的性质如下： o r , 相：z n 溶于铜中的固溶体，具有与铜相同的晶格( 面心立方) ，随含锌量 的增加颜色由紫变黄，质软而塑性大，铸态下成树枝状或针状，退火后呈多边形 晶粒组织。 b 相：以电子化合物c u 7 _ m 为基的固溶体，具有体心立方晶格，灰黄色，强度 和硬度比仅相大，塑性比0 c 相小，具有较好的高温塑性，比q 相容易被腐蚀，故在 显微镜下呈暗色。 l y 相：为1 3 相的有序化转变相，其硬度l t l 3 相稍大。 7 相：以电子化合物c u 2 z n 3 为基的固溶体，呈淡黄色，铸态下质硬而脆，在 传统黄铜中为不利因素，常予以避免。各相的结构特征如表1 1 。 表1 1c u z n 合金各相的结构特征【1 9 1 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 早期的研究认为当锌含量较高时( 高于5 0 a t ) 铸态组织中出现的丫相会使 合金的机械性能变差，但近年来高锌黄铜的研制说明经过变质处理，可改变丫相 的分布及其形态从而改善性能，具有一定的应用前景。目前，尚未发现铜锌合金 中其余三种固溶体相( 即o 、和t 1 相) 的实用价值。 普通黄铜在生产条件下按含锌量范围及组织特性分类如表1 2 所示。 表1 2 普通黄铜按相组织分类【2 0 】 物相分类含锌量a t 组织特性( 室温下) 黄铜的性能通常是指它的力学性能、物理性能、化学性能及工艺性能，黄铜 的这些性能与它化学成分、组织特征、冷加工及热处理等有着密切的关系。 、 ， 1 r a d | y 多 1 ! i 媵 ：卜 6 0 4 0 2 0 o t a t 图卜3 铸态黄铜的力学性能与含锌量及组织的关系b 1 铸态黄铜的机械性能与含锌量及组织的关系如图1 3 所示。铸态黄铜成分和 组织决定室温力学性能，含锌量的增加，改善了a 相的塑性，其强度随含锌量的 增加而增高。p 相强度更高，但在室温下呈有序状态，塑性降低。丫相在室温下硬 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 而脆，使合金硬度提高，导致合金的强度和塑性同时急剧下降。 黄铜的强度和硬度随温度的升高而下降，且( 叶b ) 黄铜比a 黄铜更易软化。 仅相黄铜塑性好，可冷热加工。两相黄铜热轧或高锌单相黄铜高温热轧均需加热 到p 相区的温度进行，因为b 相为无序固溶体，质软，同时，通过加热发生”b 转变，能使易溶杂质由晶界转入晶内，提高黄铜的高温塑性。所有黄铜在2 0 0 6 0 0 的温度范围内存在低塑性区，热加工通常不低于6 0 0 。 晶粒度是决定黄铜质量的重要指标，不同晶粒度的材料具有不同的使用功 效。晶粒愈细，材料的硬度愈高，强度愈大。同一黄铜的晶粒大小取决于其冷变 形程度、退火温度及退火时间，如果冷变形大，并在较低温度下短时间退火，可 得到较细的再结晶晶粒组织。 q 黄铜冷加工后，长期存放或在低于再结晶温度退火时，通常会出现异常硬 化现象。而且晶粒愈细，低温退火硬化愈显著。关于异常硬化现象，一般有以下 几种解释【l 川： ( 1 ) 变形合金因低温退火或长期存放，原子产生了近程有序排列和有序相、 无序相之间的共格连接，引起0 l 黄铜强化； ( 2 ) 变形的a 黄铜低温退火时锌原子上坡扩散，偏聚成b 相的核心，引起合金 强化。 ( 3 ) 形变产生空位，在低温退火时积聚起来。锌原子富集在这些缺陷区。即 产生了偏聚区与空位或位错等交互作用，使合金强化。 黄铜的物理性能与含锌量有着密切关系，含锌量增加会降低黄铜的导电、导 热性及密度，而线膨胀系数则随含锌量的增加而提高。 黄铜的耐腐蚀性能是比较重要的使用性能指标。黄铜在大气及低速、干燥、 纯净的蒸汽中腐蚀极微，在纯净淡水中腐蚀速率不大，在海水中腐蚀速率略有增 加，但在含有0 2 、c 0 2 、h 2 s 、s 0 2 、n h 3 等的气体中，腐蚀速度加剧。黄铜的腐 蚀主要有两种形式，即脱锌腐蚀和应力腐蚀。 为了避免腐蚀破裂，所有黄铜冷加工的制件均需在大约2 7 0 左右退火，这 样可以消除主要的内应力，而不致显著降低合金的力学性能，但可显著提高其抗 应力腐蚀破裂的能力【2 1 1 。在( 叶p ) 两相黄铜中加入锡或加入少量的硅，认为对 抵抗腐蚀破裂有好处【2 2 1 。 1 3 复杂黄铜种类及性能 为了提高黄铜的耐腐蚀性能、力学性能及切削性能，通常在二元黄铜中加入 少量的铅、锡、猛、铁、硅、镍等合金元素，得到多元微合金化的复杂黄铜【5 ，2 3 】， 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 常添加合金元素及其对组织和性能的影响如下： ( 1 ) 铅黄铜 5 刀】 含铅c u - z n 合金，是易于切削的黄铜，最好的易切削铅黄铜含铅约1 2 ，所加入的铅( 达3 ) 以细小的弥散的形式存在，h 5 9 黄铜的可切削性能随 着铅含量的增加，切削性能有一定的提高，不过当铅含量大于3 后，不会进一 步改善合金的可切削性能，反而会是合金的力学性能全面下降。 ( 2 ) 硅黄铜【5 2 5 】 s i 的锌当量系数是l o ，使c u z n 相图的p 相界线大大左移，因此加入少量 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7 相，使合 金流动性降低；s i 也能降低液相线温度，使合金的液相线与固相线水平距离减少， 使铸件组织致密；它也可在铸件表面生成s i 0 2 薄膜，提高黄铜的耐蚀性能，在 黄铜中硅和铁或锰共存时是有害杂质，这是因为在含有铁或锰的黄铜中，当s i 含量超过0 1 时便生成f e s i 或m n 5 s i 3 ，分布在晶粒周界使合金脆化。 ( 3 ) 铝黄铜【5 , 2 6 , 2 7 铝的锌当量系数为6 ，使c u - z n 相图的相界线向左移，缩小g t 及时p 区域， 因此，铝能提高强度和硬度而降低塑性，铝是黄铜的强化元素，如能适当的选择 铜与铝的配比，并控制合金的冷却速度，使之处于图1 1 中接近p 竹区边界的t 相区时，合金具有较大的强度。a l 可在铸件表面形成a 1 2 0 3 薄膜，因而提高铸 件的耐腐蚀性能和表面光洁度：另外在熔炼过程中a l 还可以减少z n 的蒸发。因 此，熔炼铝黄铜以外的其它特殊黄铜时也常常加入少量的铝，如熔炼锰黄铜是加 入0 5 1 的铝，砧还可以提高合金的流动性。 ( 4 ) 锰黄铜 5 ，2 6 ，2 8 】 m n 的锌当量系数是0 5 ，故对黄铜的组织无太大影响，但m n 是黄铜的重要 强化元素，加入少量m n 便能显著提高黄铜的力学性能和对海水氯化物及过热蒸 气的耐蚀性能，同时提高耐热性能。在铅黄铜中加入一定量的m n ，可有效地改 善黄铜的切削性能；m n 能稳定含铝黄铜中的p 相，减少铝促使析出7 相的作用， 因此可以在塑性降低较少的情况下提高铝黄铜的强度和硬度；它在纯铜中的固溶 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 * ( 2 的温度下m n 在p 相的固溶度下降，出现富锰的丫相，使合金性质变坏。 所以单纯的锰黄铜，其含锰量以不超过2 为宜。 ( 5 ) 铁黄铜【5 2 9 1 f e 在a 相固溶体中的溶解度只有0 1 0 2 ，超过此值便与z n 生成化合物 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 f e z n 2 颗粒，首先从合金液相中析出成为晶核，细化合金组织。f e 也可以推迟合 金再结晶过程，阻碍晶粒长大。f e 和m n 、s i 或a l 同时加入效果更好，但含f e 量多时，富铁相过多，降低合金耐蚀性能，一般认为细化黄铜组织所需要的最低 含铁量为o 7 1 ，不降低耐腐蚀性能的最高限量为3 。 ( 6 ) 镍黄铜【5 猡】 镍能提高黄铜的力学性能和抗腐蚀性能，镍黄铜的脱锌腐蚀及应力腐蚀倾 向较小。镍也可以扩大仪相区，故两相黄铜添加适量镍后可转变为单相黄铜。 ( 7 ) 硼黄铜1 5 , 3 0 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，微量b 可有效 地变质细化。如在h p b 5 9 1 黄铜添加微量b 来细化铸锭组纠3 1 。3 4 1 。章爱生、徐 鹏等【3 5 】研究发现0 0 0 0 1 , 4 ) 0 0 1 的硼具有显著细化和变质的效果，使发达的柱状 晶转化为3 0 - - , 5 0 1 m i 的等轴晶；高温( 6 8 0 ，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”b 转变影响较小。但过量硼 的添加，将减缓a _ d 转变，提高转变温度，从而影响热加工性能，为此，硼添 加量应小于0 0 0 1 。 ( 8 ) 钛黄铜【5 , 3 6 大量研究表吲3 7 4 2 】，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。t i 是强碳化物形成元素，它和n 、o 、c 都有极强的亲和力。t i 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 ( 2 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。t i 是极活泼的金属元素，能与c u 和c 生成难溶的碳化物质点，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。 1 4 铅黄铜及其切削机理 铅不固溶于铜，呈黑色质点存在于晶界上，经过压力加工，呈游离态的孤立 分布于固溶体中，有相当强的润滑与减磨作用，使合金具有极高的可加工性能， 切削易脆，工作表面光洁。 黄铜的可切削性能通常以铅黄铜c 3 6 0 0 0 ( 含5 7 9 2 c u 、2 9 5 p b 、0 0 5 f o 、 其余为z n ) 为1 0 0 。向铅黄铜中添加微量的c a 、n a 、稀土等元素可进一步提高 可切削性能【5 1 。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 双相伐+ b 铅黄铜可进行热加工，而单相a 铅黄铜一般只进行冷轧或热挤压。 向h p b 6 3 3 铅黄铜添加0 1 5 0 3 f e 、0 1 5 0 5 n i 、0 0 5 0 0 8 s n 可提高强 度，0 0 0 5 r e 可细化h p b 5 9 1 铅黄铜的铸锭晶粒，铅分布更加均匀化，热轧温度 上限由6 5 0 扩大n 8 0 0 。含0 4 a 1 的h p b 6 3 3 黄铜可在7 2 0 7 5 0 热轧。少量 a l 也可以扩大h p b 5 9 1 的半连续铸造圆锭的热加工温度范围和提高其表面质量。 铅黄铜的典型力学性能及工艺性能如表1 3 所示。p b 对铜的电导率与热导率无显 著影响，p b 严重降低c u 的高温塑性。 h p b 7 4 3 的主要用在汽车、拖拉机及一般及其上要求可切削性好的零件以及 钟表和汽车上要求可切削性好的零件。h p b 6 1 1 和h p b 6 0 3 主要用在钟表要求可 切削性极高的零件。h p b 5 9 1 和h p b 5 9 2 主要适于热压和可切削性好的零件，如 销子、螺钉、垫圈、垫片、捻子、衬套、管嘴、螺帽、底座、轴承保持器等。 铅黄铜的易切削机理可归纳为，由于铅在黄铜熔体中的溶解度很大，在铜中 的固溶度几乎为零，故在铅黄铜熔体凝固时，铅会沉淀而形成弥散的铅颗粒。铅 有较脆而不硬的特点，故当铅黄铜被切削时，这些弥散的铅颗粒易于断裂而使切 屑断裂，从而起着碎裂屑、减少粘结和焊合以及提高切削速度的作用。由于这些 弥散的铅颗粒较软，可以使刀头磨损减少到最低。由于铅颗粒的熔点较低( 铅的 熔点为3 2 7 5 ) ，从而在刀头与屑的接触局部受热而瞬间熔化( 热脆) ，这有助 于改变切屑的形状，并起到润滑工具的作用。 1 5 黄铜的切削性能 黄铜的切削性能是指黄铜被切削的难易程度，这是一个总的概念，切削条件 或切削方式不同，对切削加工提出的要求也不同。例如粗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时的 切削速度，速度越高，加工性越好；精加工时要求表面质量，容易获得高的表面 质量的，加工性就好。自动机床上对断屑要求比较高，因为长条切屑的绕缠将使 自动机床无法继续工作，因此，对在自动机床上切削的工件材料的断属性能提出 了一定的要求。在钻通孔时，不希望在孔的出口边缘有很大的毛刺，在锻铣时， 也不希望在切出边有较大的毛刺或崩缺，不容易满足该要求的材料，其加工性就 兰 4 3 - 4 7 1 z 芏。 随着科学技术的迅速发展，对黄铜使用性能的要求愈来愈高，因此，对高性 能黄铜的切削加工也就变得尤为重要，通过对黄铜切削加工性能的研究，从而找 出改善黄铜切削性能的途径。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 4 1 黄铜切削性能评定主要指标 ( 1 ) 刀具耐用度指标：刀具耐用度高低来衡量被加工材料的切削加工性好 坏。在切削普通金属材料时，用刀具耐用6 0 m i n 时允许的切削速度v 6 0 值的大小 来评定材料切削加工性的好坏，在切削难加工材料时，则用v 2 0 值的大小来评定 材料切削加工性能的好坏。在相同条件下，与v 2 0 的值越高，材料的切削性 能越好；反之，切削性能越差。 ( 2 ) 加工表面粗糙度指标：切削时容易达到加工表面粗糙度要求，切削性 能好；反之，切削性能差。 ( 3 ) 切削力指标：切削时产生切削力大，消耗功率多，切削加工性差；反 之，切削性好。 ( 4 ) 切屑尺寸指标：切削时容易控制切削的流向和折断形成细小的切屑， 切削性能好；反之，切削性能差。 不同的加工条件，适用的加工性指标也不同，例如：粗加工时采用刀具耐用 度指标或切削力指标；精加工时采用表面粗糙度指标；在自动生产线上也有用切 屑的控制指标。材料的切削加工难易程度主要决定于材料的物理、化学、力学性 能，其中包括的项目有：硬度、抗拉强度、伸长率、冲击韧性、热导率等【4 r 。 1 4 2 影响黄铜切削性能的因素 ( 1 ) 硬度和强度 一般铜合金的硬度和强度越高，则切削力越大，切削温度越高，刀具磨损越 快，故切削加工性越差。并不是工件的硬度越低，越好加工。有些金属如纯铜硬 度虽低，但塑性很好，也不好加工。硬度适中黄铜较好加工。此外，适当提高硬 度，有利于获得较好的加工表面质量。另外，切削加工时温度很高，因此工件 材料的高温硬度对其加工性有显著的影晌【4 8 1 。 在切削加工中，被切削层材料发生剧烈的塑性变形，从而发生硬化。材料经 过加工硬化后，其硬度比原始硬度提高很多，使刀具发生磨损。故加工硬化现象 严重，刀具寿命越短，即材料的加工性越差。 ( 2 ) 塑性 黄铜的塑性通常以伸长率表示。通常情况下材料的塑性越大，越难切削加工。 因为塑性大的材料，加工变形和硬化、刀具表面的冷焊现象都比较严重，不易断 屑，不易获得较好的已加工表面质量。此外，切屑与前刀面的接触长度也将加大， 使摩擦力增大。而当材料的塑性很小时，则成为脆性材料，对切削加工也有不利 的影响。 ( 3 ) 韧性 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 韧性以冲击值表示。材料的韧性越高，则切削时消耗的能量越多，切削力和 切削温度也都较高，且不易切削，故加工性较差。有些合金结构钢不仅强度高于 碳素结构钢，冲击值也较高，故较难加工。 ( 4 ) 导热性 被加工材料的导热系数越大，由切屑带走和传入工件的热量就越多，越有利 于降低切削区的温度，故切削性能较好。 ( 5 ) 其他物理机械性能及化学性质 其他物理机械性能对切削加工性也有一定的影响。如切削镁合金时，粉末状 的碎屑易氧化和燃烧。 ( 6 ) 弹性模量 弹性模量越小，在一定应力作用下弹性变形越大。在切削过程中，存在着弹 性变形。弹性模量小的工件材料，在已加工表面形成过程中弹性回复大，引起后 刀面和已加工表面之间的强烈摩擦，因此应选择较大的后角。 ( 7 ) 线膨胀系数 线膨胀系数用0 c 表示，单位是毫米毫米度。它表示工件材料热胀冷缩的性 能。它对工件的尺寸精度和切削过程有一定的影响。 对工件尺寸精度的影响：工件在切削热作用下温度将升高，因此，在刚加工 完时测量和室温时测量的尺寸不一样。在相同温度差的条件下，对高精度零件严 格控制切削温度，采用必要的控温方法，是保证产品质量的重要措旋。 对切削过程的影响：在钻孔时，膨胀系数大的工件材料，冷却后会出现孔径 比钻头尺寸小的情况。 在金属切削加工中，对影响切削加工性的诸因素不能孤立地分析，而应当全 面地进行研究。在切削加工时，找出具体加工条件下影响材料加工性的主要因素。 为了方便的找出主导因素，兼顾其他的影响因素，找出适当的解决办法f 4 3 4 8 1 。 1 4 3 合金元素对黄铜切削性能的影响 从铅黄铜的切削机理可以看出，有益于铜材切削性能的元素按其在铜中的存 在形式主要分为三类：第一类是微量固溶于铜，但与铜形成共晶的元素：如铅、 铋、硒、碲等；第二类是不固溶于铜但与铜形成化合物的元素，如：硫与氧分别 形成c u 2 s 和c u 2 0 ；第三类是部分固溶于铜、也与铜形成化合物的元素，如镁、 磷和硅等【4 9 - 5 0 1 。 ( 1 ) 铅、铋、硒和碲对切削性能的影响 第一类的四个元素是公认的对切削性能非常有益的元素，其中铅的切削效果 最好，铋次之，硒、碲过于昂贵基本没有市场。故我们着重讨论铅、铋对切削性 能的影响。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 铅是总所周知的能提高切削性能的元素，从c u - z n p b 合金在不同温度( 8 5 0 、4 0 0 、2 0 ) 下的等温截面图可知( 见图l _ 4 ) 铅几乎不固溶于c u - z n 合金，存 在于固溶体晶界处，经压力加工，呈有力状态的孤立相分布于固溶体中，有相当 强的润滑与减磨作用，使合金具有极高的可切削性能，切屑易碎，工件表面光洁。 铋与铅在黄铜熔体中的溶解度都很大，而在黄铜中的固溶度几乎为零，因此 铋黄铜在凝固时，铋也会和铅一样形成弥散的颗粒状分布，但与铅不同的是少量 的铋会以薄膜状分布在基体中。这种薄膜状的铋的分布对切削性能的影响有不利 影响，从而切削性能不如铅黄铜，这中薄膜状铋的分布是与铋和铅的表面张力大 小不同相关的。如图1 5 所示，凝固后期低熔点的铋和铅仍以液态存在于晶界， 当低熔点组元的界面张力o l c 与铜晶体界面的o c c 达到平衡时，二面角0 与表面张力 的关系为： e o s ( o 2 ) - 0 1 7 1 7 ( 1 1 ) 知糯 b 图卜4c u z n - p b 2 , 元, 相图跚1 ( a ) 8 5 0 1 2