摘要:傳統(tǒng)易切削黃銅多為含鉛黃銅, 如: HPb59-1、HPb63-3 等廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造中。這種含鉛黃銅零部件報(bào)廢后, 將以各種形式污染環(huán)境。近年來(lái), 隨著環(huán)保呼聲的不斷高漲, 無(wú)鉛易切削黃銅的研制成為必然。然而黃銅的耐蝕性能是極其重要的使用性能, 也是本試驗(yàn)?zāi)芊駪?yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)所面臨的問(wèn)題。本文詳細(xì)闡述了所制易切削黃銅的抗脫鋅能力有較大提高及其原因。

關(guān)鍵詞: 易切削; 黃銅; 脫鋅中圖分類(lèi)號(hào): TG146.1+1; TG291 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1001- 4977 ( 2006) 05- 0516- 03

黃銅的耐蝕性能是極其重要的使用性能。黃銅在大氣及低速、干燥、純凈的蒸汽中腐蝕極微, 在純凈淡水中腐蝕速度不大, 在海水中腐蝕速度略有增加,但在含O2、CO2、H2S、SO2、NH3等氣體的水溶液中,腐蝕速度劇增。黃銅的腐蝕主要有兩種形式, 即脫鋅腐蝕和應(yīng)力腐蝕。而應(yīng)力腐蝕我們可以通過(guò)去應(yīng)力退火來(lái)消除。黃銅在含氧的中性鹽類(lèi)水溶液中, 發(fā)生脫鋅的機(jī)理目前根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展, 普遍認(rèn)為有: 再沉積機(jī)制[1], 雙空位機(jī)理[2- 3], 滲流機(jī)制[4], 國(guó)內(nèi)外不少文獻(xiàn)報(bào)道[5- 7], 在黃銅中加入砷、硼等合金元素, 可不同程度地防止α黃銅的脫鋅腐蝕, 并對(duì)其機(jī)理作了大量研究, 但關(guān)于(α+β)兩相黃銅或含有γ相的黃銅的脫鋅腐蝕研究甚少。為此我們進(jìn)行了探索性研究。

1.試驗(yàn)方法及設(shè)備

在鉛黃銅HPb59- 1合金的基礎(chǔ)上以Bi代Pb, 并加入一定量的稀土, 進(jìn)行合金成分控制試驗(yàn)。得出了***佳的Bi、稀土添加量。通過(guò)熔煉、鑄造、檢驗(yàn)后, 進(jìn)行熱擠、拉伸、退火等, 得到性能指標(biāo)符合要求的無(wú)鉛黃銅棒。具體工藝流程: 配 料- 熔 煉- 分 析- 鑄 造- 擠壓- 檢驗(yàn)- 拉伸- 矯直- 切割試樣- 脫鋅試驗(yàn)/耐磨試驗(yàn)。

主要設(shè)備: 50 kg工頻爐、3 000 k N擠壓機(jī)、300k N拉伸機(jī)、箱式退火爐、矯直機(jī)、恒溫水浴缸、線切割機(jī)、耐磨機(jī)、X熒光 分析 儀 、neophot-21金 相 顯 微鏡。

2.試驗(yàn)過(guò)程

2.1 合金成分

在X熒光分析儀下分析本實(shí)驗(yàn)得到的易切削黃銅棒成分如表1所示。

2.2 脫鋅試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

將擠壓- 拉伸后的試樣, 在線切割機(jī)上均勻的加工成為直徑Φ12 mm、高(h)10 mm的柱狀試樣。經(jīng)打

磨、拋光, 使表面光滑、規(guī)則。脫鋅腐蝕的試樣要先鑲樣, 然后打磨、拋光。脫鋅腐蝕實(shí)驗(yàn)采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[8]在恒溫水浴缸中進(jìn)行。將試樣垂直放入裝有標(biāo)準(zhǔn)量的1.0% Cu C12溶液的燒 杯 中(溶 液 量 與 試 樣 面 積 成 正 比 , 每 平 方 厘 米240ml), 水浴溫度為75 ℃, 腐蝕時(shí)間為24 h。試驗(yàn)設(shè)備如圖1 所示。

腐蝕完畢后, 取出試樣, 清洗、酒精清洗、吹干,置于干燥器中。若干天后, 將試樣從中心對(duì)稱(chēng)軸線處線切割開(kāi), 打磨光滑。在顯微鏡下測(cè)其腐蝕層厚度。選取易切削黃銅的部分試樣與HPb59-1、H62試樣進(jìn)行比較, 在金相顯微鏡下放大100倍后測(cè)出各試樣的腐蝕層厚度如圖2、3、4、5所示。

表2示出了圖2- 圖5易切削黃銅典型試樣的腐蝕層厚度。由表看出: ( 1) HPb59-1的抗脫鋅性能***差, 而試驗(yàn)所得易切削黃銅的抗脫鋅性能普遍較好; ( 2)加

入鉍和稀土的易切削黃銅中Zn的含量越高, 其脫鋅層越厚。

2.3 硬度耐磨試驗(yàn)結(jié)果及分析

試樣的制備: 硬度試驗(yàn)時(shí)將帶編號(hào)的樣品加工成直徑Φ12 mm、高 ( h) 10 mm的柱狀試樣。而耐磨試樣則加工成標(biāo)準(zhǔn)樣20 mm×15 mm×12 mm。試樣硬度在布氏硬度計(jì) ( 壓力=250 kg、壓頭直徑5mm) 上測(cè)量; 耐磨性測(cè)量在耐磨試驗(yàn)機(jī) ( 正壓力75kg,轉(zhuǎn)速400 r/min, 時(shí)間2 min) 上進(jìn)行, 測(cè)試樣的失重。本試驗(yàn)選取的部分試樣的硬度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3看出: ( 1) 試驗(yàn)得到的易切削Bi黃銅試樣的硬度比HPb59-1高, 約為鉛黃銅的121%～201% , 耐磨 性 能 遠(yuǎn) 大 于HPb59-1, 磨 損 量 約 為 鉛 黃 銅 的9%～40% ; ( 2) 易切削Bi黃銅試樣隨銅含量的增加耐磨性能提高。

3.作用機(jī)理分析

( 1) 黃銅中的合金元素隨腐蝕的進(jìn)行逐漸向表層擴(kuò)散, 形成新的合金化表面膜層, 即合金元素改變了氧化亞銅膜的缺陷結(jié)構(gòu)[10], 從而使銅合金有了更為完善的表面保護(hù)膜, 阻止Zn

的擴(kuò)散和流失。

( 2) Pickering和Wagner[11]提出表面的鋅首先在腐蝕過(guò)程中陽(yáng)極溶解產(chǎn)生雙空位, 然后由于濃度梯度的影響, 雙空位向合金內(nèi)部擴(kuò)散, 鋅原子向表面擴(kuò)散,從而產(chǎn)生鋅的優(yōu)先溶解。銅中雙空位在25 ℃時(shí)的擴(kuò)散率為1.310-l2cm2/s; 單空位在25 ℃時(shí)的擴(kuò)散率僅為3×10-l9cm2/s[11]。由于鉍原子填充到雙空位處, 阻礙了Zn的擴(kuò)散通道。強(qiáng)化了該黃銅(Cu-Zn合金)的晶界, 使晶界的腐蝕敏感性大大降低, 從而使脫鋅得到抑制, 耐蝕性得到提高。文獻(xiàn)[10]提出, 微量元素抑制脫鋅多是通過(guò)抑制Zn擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)的, 集中表現(xiàn)在兩個(gè)方面: 一是參與形成保護(hù)膜層, 由膜層阻止Zn的擴(kuò)散和流失;另一方面是填充到雙空位處阻礙Zn的擴(kuò)散通道

( 3) 稀土的加入可以大大細(xì)化晶粒, 從而增大了晶界面, 為Zn的擴(kuò)散增加了阻力。另一方面由于稀土元素的凈化變質(zhì)作用, 使稀土黃銅中雜質(zhì)、氣孔、疏松等減少, 從而使硬度提高

( 4) 在磨損過(guò)程中, 由于鉍彌散分布于基體中,形 成了理想的硬質(zhì)點(diǎn) ( Bi本 身 較 硬) 加 軟 基 體 組 織( α+ β) , 在磨損過(guò)程中, 當(dāng)軟基體磨損后硬質(zhì)點(diǎn)形成凸點(diǎn), 支撐著摩擦表面, 從而大幅提高材料的耐磨性。硬質(zhì)顆粒形態(tài)圓整, 有利于基體組織的較好結(jié)合, 阻止裂紋的形核和擴(kuò)展。微量稀土元素的加入也能明顯細(xì) 化 晶 粒 、 使α相 分 布 均 勻 。 根 據(jù) 磨 損 機(jī) 制 剝 層 理論[12], 這些在摩擦磨損過(guò)程中有利于釋放塑性變形產(chǎn)生的應(yīng)力, 遲緩裂紋的形核和擴(kuò)展。

( 5) 本試驗(yàn)制得的易切削黃銅的切削性能和硬度、耐磨性能都優(yōu)于傳統(tǒng)的鉛黃銅。

 來(lái)源：中國(guó)知網(wǎng)   作者：陳丙璇