低镍铅锌白铜bzn9-39-10合金的研制

低镍铅锌白铜bzn9-39-10合金的研制

白铜可分为五种类型：普通白铜、铁白铜、锰白铜、锌白铜、铝白铜。其中锌白铜具有近似白银般的美丽光泽,也称为“德银”,具有良好的冷热加工性能、优良的耐腐蚀性能,是仪器、仪表、造币、工艺美术品、眼镜等行业常用的材料。近几年来我国的锌白铜材料的研究取得了一定的进展,已颁布的GB/T5234-2001规定了18种白铜,比GB5234-85新增加了4种,其中锌白铜有两种,即BZn18-18(C75200)、BZn18-26(C77000),可见与实际需要还有很大差距。为了满足我国日益增长的眼镜铰链用铅锌白铜易切削材料的需要,满足眼镜型材生产工艺的要求,拟研制的铅锌白铜不仅具有优良的冷热加工性能,而且材料的耐腐蚀性能、切削性能以及颜色等也要接近GB5234-85中铅锌白铜BZn15-24-1.5的规定,同时还要大幅降低原料成本。1锌白铜的zn含量及加工性能从Cu-Ni-Zn三元系合金的纵切面相图可知,随着Ni含量的递增,合金α相向Zn侧扩展,在扩大α相区的同时,α/α+β相界产生“歪扭”。Ni含量(质量分数,下同)为10%左右的锌白铜,当Zn含量在35%～45%时,出现α+β双相金相组织,此时合金具有较高的强度和硬度、较好的塑性、良好的冷热加工性能。在锌白铜合金中,降低Ni含量虽然会降低强度而提高塑性,但耐腐蚀性能则变差,银白色也会向黄色转变,在适当降低Ni含量,提高Zn含量或添加其他元素时,可在强度不降低或稍有提高的情况下提高塑性,有利于改善锌白铜的加工性能,减轻应力破裂倾向,改善合金颜色。因此,试验中把Ni降到7%～9%,而把Zn含量提高,以便在保持一定的强度和耐腐蚀性能的条件下,提高合金的塑性,克服应力破裂,达到“节镍”的目的。2试验条件和方法2.1中能测试铬的工艺结合眼镜型材加工工艺,合金的试验工艺如下:配料→熔炼→铸锭→铸锭车皮→加热挤压→线坯焊接→退火→拉拔(或轧制)。2.2金属加入量的确定采用200kW中频感应炉,原料采用1#电解铜、镍、锌、铅,根据熔炼配料原则,对不同成分的合金进行配科计算,确定各种金属的加入量。装料顺序为Cu+Ni→Zn→搅拌→Pb→搅拌→捞渣→浇注,熔炼温度为1180～1210℃。铸锭规格为ϕ100mm。2.3挤压机挤压铸锭经车床车削,去除夹渣、夹杂、气孔后等表面缺陷后,采用8000kN卧式挤压机将其挤压成ϕ10mm的线材。挤压条件和性能见表1。2.4材料的性能测定采用300kN液压式万能试验机测定材料的抗拉强度和伸长率,用HD-1000显微硬度计测定维氏硬度值。对选定的合金材料,取试样进行下列各项性能测定试验:①用日本岛津ASM-SX和EDA×9100扫描电子显微镜观察合金的金相组织及铅分布;②进行合金的切削性能试验;③用全浸法,比较合金的耐腐蚀性能;④拉拔后,测定不同加工率下合金的力学性能;⑤测定不同退火温度下合金的力学性能。3试验结果与讨论3.1cu含量对合金拉伸性能的影响不同铜、镍含量的合金挤压态结果和力学性能测定值见表2。从Cu-Ni-Zn系纵切剖面相图可知,A1合金为α单相铜合金。由于高温下α相呈硬态,热加工性能差,挤压困难。高温挤压后,表面裂纹多,易脆断,抗拉强度和硬度值较低,挤压工艺难以完成。在挤压工序中,硬态时的较大摩擦力导致升温剧烈,合金局部超过熔点而熔化后,挤压线坯表面产生径向裂纹。A2～A6合金为α+β双相合金,A7合金为β单相合金。随Cu含量的降低,含Zn量的增加,出现α+β双相组织。当合金中Cu含量降为44%左右时,合金转变为β单相组织,其抗拉强度度值最大而伸长率最低。由于高温下β相是软态的,挤压容易实现,故高温挤压后,线坯表面光滑,无裂纹,抗拉强度和硬度值增大,伸长率降低,热加工性能好。合金中适宜的Cu含量应使合金的相组织为α+β双相组织,其具有较高的抗拉强度和硬度,较好的伸长率,良好的冷热加工性能。因此,确定合金中铜含量以49%～52%为宜。随Ni含量的降低,合金的抗拉强度与硬度值降低,伸长率增大,但合金的颜色会发黄变差。因而合金中Ni含量以9%为宜,Ni含量过高,挤压工艺将难以完成。从表2的试验给果可以看出,随Pb含量的增加,线坯表面裂纹增加,脆性增大,抗拉强度、伸长率降低。这主要是在Cu-Ni-Zn系白铜中加入Pb,Pb沿α相晶界存在,使锌白铜产生热脆和应力破裂,导致其热加工性能变差,抗拉强度、伸长率降低。为保证挤压工艺顺利完成,合金中Pb的加入量不应高于1.2%,但如果Pb含量过低,则又会影响合金材料的切削性能,因此合金中的Pb含量以1.0%为宜,材料在保持较高的抗拉强度时,仍有较好的伸长率。3.2金相组织及晶体结构图1是BZn9-39-1.0和标样(BZn15-24-1.5进)进行金相分析,得到的金相组织及Pb分布的相片。从图1中的金相组织可以看出,BZn9-39-1.0金相组织为α+β双相组织,Pb分布在α相晶界及β相中。BZn15-24-1.5合金为α单相组织,Pb分布在α相晶界。Pb颗粒大小在0.002～0.014mm之间,分布在晶界间。通过后续加工,使Pb不断扩散,达到使Pb颗粒细小并均匀分布的目的。3.3pb含量的影响对同规格的试样,以相同时间、切削量的多少,比较合金的切削性能。变化曲线见图2。从图2中可以看出,合金材料的切削性能主要取决于Pb的含量,其他成分的变化对合金材料的切削性能影响不大。随Pb含量的增加,合金材料的切削性能变好。所研制的Pb含量为1.0%的合金材料BZn9-39.0-1.0(51Cu-9Ni-1.0Pb-39Zn)的切削性能,与Pb含量为2.0%的合金材料51Cu-9Ni-2.0Pb-38.0Zn相比,切削性能已达80%以上,能满足眼镜行业用于制造各种规格、尺寸的高档眼镜铰链型材的需要。3.4耐腐蚀性能为了测定合金的耐大气腐蚀性能,选择HPb59-1黄铜和BZn15-24-1.5铅锌白铜标样及所研制的“低镍”铅锌白铜BZn9-39-1.0在光电天平上称重后,用细尼龙线悬挂在3%浓度的NaCl溶液烧杯中,并将烧杯置于恒温水浴(35℃)内浸泡30天,中间更换溶液一次。用失重法计算平均腐蚀率和平均浸蚀率。比较研制合金材料的耐腐蚀性能。试验用合金材料为圆柱捧材,试验结果见表3。从表3可以看出,研制的“低镍”白铜材料BZn9-39.0-1.0耐腐蚀性能优于HPb59-1黄铜,但由于含Ni量降至9%,耐腐蚀性能稍逊于BZn15-24-1.5。3.5可能产生的颜色研制的“低镍”新型白铜材料BZn9-39.0-1.0的颜色为浅黄白色,该颜色用户可接受,因为用该材料生产的眼镜铰链型材,在后续处理中还需抛光、电镀等。3.6拉伸性能取挤压态的“低镍”新型白铜材料BZn9-39.0-1.0,在650℃时退火,保温1h后,用拉丝机在不同的加工率ε下拉拔并取样,用300kN液压式万能试验机测定合金材料的抗拉强度及伸长率,并用HXD-100显微硬度计测定相应的维氏硬度值。根据测定值的“散点图”,采用最小二乘法,将抗拉强度、伸长率对加工率的变化作曲线拟合,拟合方程分别为:σb=(1+ea+bε)/ea+bε(1)δ5=a1eb1ε(2)σb=(1+ea+bε)/ea+bε(1)δ5=a1eb1ε(2)式中,σb为抗拉强度,MPa;a、b、a1、b1为系数值;δ5为伸长率,%;ε为加工率,0≤ε<1,%。经计算,“低镍”合金材料BZn9-39.0-1.0的曲线拟合方程为:σb=(1+e−6.13−0.9ε)/e−6.13−0.9ε(0≤ε≤0.36)(3)δ5=0.4e−5ε(0≤ε≤0.36)(4)σb=(1+e-6.13-0.9ε)/e-6.13-0.9ε(0≤ε≤0.36)(3)δ5=0.4e-5ε(0≤ε≤0.36)(4)图3是合金材料的力学性能(σb、δ5、HV)随加工率ε的关系曲线。从图3中可以看出,随ε的增大,材料的σb、HV增大,δ5降低,即出现所谓“加工硬化”现象。研制的新型合金材料的ε可达36%以上,当ε达36%时,合金材料的σs可达636MPa以上,HV可达190以上,同时δ5不低于7%。3.7力学性能测定取研制的“低镍”白铜BZn9-39.0-1.0直径为ϕ9.32mm的硬态试样,经不同退火温度,保温1h后空冷,测定其力学性能(σb、δ5、HV)。图4为其力学性能随退火温度变化的关系曲线。从图4中可以看出,合金材料的抗拉强度及硬度值皆随退火温度的升高而降低,而δ5则随退火温度的升高而增