锑黄铜的研究

细， 变得更加均匀， 基体上有弥散质点析出， 使基体 背底颜色加深， 并且合金中β相的相对 含量有所增加， 由于β相的高温塑性相对较好， 这就为后续的热轧制工 序提供了相应的组织准备； 合金经轧制后沿轧制方向 晶粒组织被拉长， 出现了比较明显的纤维组织， 并且 纤维组织有一定程度的破碎， 而且部分晶粒发生了长 大现象， 这说明合金在热轧过程时不但出现了动态回 复现象， 而且出现了明显的动态再结晶现象， 从而部 分晶粒发生了长大， 且拉长的变形组织被保留了下来。 从图４可以明显看出部分长大的呈板块状的晶粒组织， 从而进一步验证了合金在热轧过程中出现了再结晶现 象。再结晶退火后， 合金组织均匀细小， 绝大部分呈 现细小的等轴晶， 由轧制后的加工态组织变成了等轴 晶。
图 ６￣图 １０ 分 别 为 锑 黄 铜 铸 态 、 均 匀 化 退 火 态 、 热 轧 纵向、热轧横向和再 结晶退火态的ＳＥＭ照片。由 图 可见， 合金只在铸态下可观察到白色点状物或针状物， 但形状不规则， 且有轻度偏聚现象， 主要分布于α和β 相的相界以及α相内， 而在后续热处理及加工过程中却 并未发现这种析出物。为了对锑元素的分布及存在方 式进行定性分析， 分别在图中的不同的位置选点进行
屈服强度 ／ＭＰａ
伸长率 （ ％）
布氏 硬度
热轧
４６１．７２
２１３．３
１５．６７
１６５
退火
３６８．８７
１５８．２
２１．５３
１２４
２．３ 合金脱锌腐蚀性能 合 金 脱 锌 腐 蚀 试 验 采 用 ＧＢ１０１１９－８８ 标 准 在 恒 温 水
浴缸中进行。腐蚀完成后， 沿试样中间切开， 制样， 经抛光处理， 然后在ＮＥＯＰＨＯＴ２２１显微镜下测定其腐 蚀层厚度， 经过对多组试样的测定， 本试验中研制的 无铅锑黄铜 的纵向平均脱锌层厚 度约为２９５．４ μｍ， 横 向平均脱锌层厚度约为２１４．７ μｍ， 而ＨＰｂ５９－１的平均脱 锌层厚度为３６１．９ μｍ［８］， 可见本试验研制的锑黄铜的脱 锌腐蚀性能优于ＨＰｂ５９－１， 可能的原因如下： 黄铜中锌 被腐蚀后的产物疏松多孔， 这为合金的进一步腐蚀提 供了通道， 从而加速了合金的腐蚀［１４－１５］。本试验中加入 的Ｓｂ其本身的化 学稳定性比较好， 在 合金组织中Ｓｂ以 化合物形式弥散分布， 在腐蚀过程中， 随着原子的迁 移， 含Ｓｂ化合物可以 堵塞腐蚀通道， 这在一 定程度上 阻止了腐蚀过程的进行， 从而有效降低了合金的腐蚀 速率； 另外试验中添 加的稀土元素Ｃｅ和Ｔｉ都可 以 细 化 合金晶粒， 净化合金晶界， 在一定程度上降低了合金 的腐蚀速率， 从而提高了合金的抗脱锌性能。 ２．４ 切削试验
关键词： 无铅黄铜； 锑； 组织结构； 力学性能 中图分类号： ＴＧ１４６．１＋１ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００１－ ４９７７ （ ２００８） ０１－ ００５９－ ０４
Ｍｉｃｒｏｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ ａ ｎｄ Ｐ ｒｏｐｅ ｒｔｉｅ ｓ ｏｆ Ｓ ｔｉｂｉｕｍ Ｂｒａ ｓ ｓ
Ｓ ＨＵ Ｘｕｅ －ｐｅ ｎｇ， ＸＩＡＯ Ｌａ ｉ－ｒｏｎｇ， ＹＩ Ｄａ ｎ－ｑｉｎｇ， ＱＩＮ Ｊ ｉｎｇ－ｌｉ， ＺＨＡＮＧ Ｌｕ－ｈｕａ ｉ， ＺＨＡＮＧ Ｘｉ－ｍｉｎ （ Ｓ ｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａ ｔｅ ｒｉａ ｌ Ｓ ｃｉｅ ｎｃｅ ａ ｎｄ Ｅｎｇｉｎｅ ｅ ｒｉｎｇ， Ｃｅ ｎｔｒａ ｌ Ｓ ｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅ ｒｓ ｉｔｙ， Ｃｈａ ｎｇｓ ｈａ ４１００８３，
２．２ 合金力学性能
合金主要力学性能如表３所示。半硬态铅黄铜
ＨＰｂ５９－１的抗拉强度约为４７０￣５５０ ＭＰａ， 屈服强度约为
３５０ ＭＰａ， 伸长率大于７％。由表３可见， 本试验中研制
的 无 铅 锑 黄 铜 的 抗 拉 强 度 为 ４６１．７２ ＭＰａ， 伸 长 率
１５．６７％， 而屈服强度大约为２１３．３ ＭＰａ。合金的抗拉强
Ｊａｎ． ２００８ Ｖｏｌ．５７ Ｎｏ．１
铸造
ＦＯＵＮＤＲＹ
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锑黄铜组织与性能的研究
舒学鹏， 肖来荣， 易丹青， 覃静丽， 张路怀， 张喜民 （ 中南大学材料科学与工程学院， 湖南长沙 ４１００８３）
摘要： 采用熔铸、轧制的方法生产出了以锑代铅的环保型无铅易切削黄铜板材。通过ＳＥＭ、ＯＭ对锑黄铜的微观组织
表２ 无铅锑黄铜能谱分析结果／原子分数
Ｔａｂｌｅ ２ ＥＤＳ ｒ ｅｓｕｌｔｓ ｏｆ Ｓｂ－ ｂｒ ａｓｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒ ｅｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ／
Ａｔｏｍ ｆｒ ａｃｔｉｏｎ
（ ％）
位置 ａ
ｂ
ｃ
ｄ
ｅ
ｆ
ｇ
ｈ
Ｃｕ ６１．８４ ６２．２０ ６３．９７ ６１．９６ ６３．９３ ６１．５６ ６０．６７ ５８．６９
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ＦＯＵＮＤＲＹ
Ｊａｎ． ２００８ Ｖｏｌ．５７ Ｎｏ．１
粒细化剂没有均匀分布造成的； 经均匀化退火之后， 从图中可以清楚看出合金中的粗大树枝晶已经基本消 除， 合金组织主要由呈板块状的α相 （ 亮色） 和呈网状 分 布 的β相 （ 深 色） 组 成 ， 与 铸 态 组 织 相 比 ， 晶 界 变
界富集并发生偏析， 晶内也容易出现脆性化合物， 这
些因素都会降低合金的强度。而合金经退火处理后，
强度下降比较明显， 伸长率则有一定程度的提高。
表３ 无铅锑黄铜的主要力学性能
Ｔａｂｌｅ ３ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒ ｏｐｅｒ ｔｉｅｓ ｏｆ ｕｎｌｅａｄｅｄ Ｓｂ－ ｂｒ ａｓｓ
状态
抗拉强度 ／ＭＰａ
试 验， 测 定 其 抗 拉 强 度 和 伸 长 率 ， 在６９－１型 布 洛 维 光 学硬度仪上测定材料的布氏硬度； 分别在 ＰＯＬＹＶＡＲ－ＭＥＴ金 相 显 微 镜 和Ｓｅｒｎｉｒ２００型 场 发 射 扫 描 电镜下进行显微组织观察。
２ 试验结果及分析
２．１ 锑黄铜显微组织 图１￣图５分 别 为 锑 黄 铜 铸 态 、 均 匀 化 退 火 态 、 热 轧
纵向、热轧横向和再结晶退火态的金相照片。由金相 照片可以看出， 锑黄铜铸态组织中枝晶组织发达， 晶 粒相对粗大， 晶界比较宽， 这是由于在熔炼过程中晶
基金项目： 国家“十一五”重点课题支撑计划 （ ２００６ＢＲＥ０３Ｂ０２） 。收稿日期： ２００７－ １０－ ２９。 作者简介： 舒学鹏 （ １９８３－） ， 男， 河南洛阳人， 硕士研究生， 研究方向： 无铅易切削黄铜合金。Ｅ－ｍａｉｌ： ｊｘｗｓｏｎｇ０４０３＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
Ｈｕｎａ ｎ， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓ ｔｒａ ｃｔ： Ａ ｎｅ ｗ ｅ ｎｖｉｒｏｎｍｅ ｎｔａ ｌ ｆｒｉｅ ｎｄｌｙ ｆｒｅ ｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｂｒａ ｓ ｓ ｃｏｎｔａ ｉｎｉｎｇ ｓ ｔｉｂｉｕｍ ｉｎｓ ｔｅ ａ ｄ ｏｆ ｌｅ ａ ｄ ｗａ ｓ ｐｒｏｄｕｃｅ ｄ ｂｙ ｃａ ｓ ｔｉｎｇ ａ ｎｄ ｒｏｌｌｉｎｇ． Ｉｔｓ ｍｉｃｒｏｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａ ｓ ｏｂｓ ｅ ｒｖｅ ｄ ａ ｎｄ ｉｔｓ ｍｅ ｃｈａ ｎｉｃａ ｌ， ｄｅ ｚｉｎｃｉｎｇ ａ ｎｄ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｐｅ ｒｔｉｅ ｓ ｗｅ ｒｅ ｓ ｔｕｄｉｅ ｄ． Ｔｈｅ ｒｅ ｓ ｕｌｔｓ ｓ ｈｏｗｅ ｄ ｔｈａ ｔ ｓ ｔｉｂｉｕｍ， ｍａ ｉｎｌｙ ａ ｓ ｉｎｔｅ ｒｍｅ ｔａ ｌｌｉｃｓ ， ｄｉｓ ｔｒｉｂｕｔｅ ｄ ｉｎ βｐｈａ ｓ ｅ ａ ｓ ｗｅ ｌｌ ａ ｓ ａ ｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅ ｒｆａ ｃｅ ｏｆ α／βｐｈａ ｓ ｅ ． Ｔｈｅ ｔｅ ｎｓ ｉｌｅ ｓ ｔｒｅ ｎｇｔｈ， ｙｉｅ ｌｄ ｓ ｔｒｅ ｎｇｔｈ， ｅ ｌｏｎｇａ ｔｉｏｎ ｏｆ Ｓ ｂ－ｂｒａ ｓ ｓ ｉｓ ４６１．７２ ＭＰ ａ ， ２１３．３ ＭＰ ａ ａ ｎｄ １５．６７％ ， ｒｅ ｓ ｐｅ ｃｔｉｖｅ ｌｙ． Ｓ ｏ ｉｔ ｉｓ ａ ｆｅ ａ ｓ ｉｂｌｅ ｓ ｕｂｓ ｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ ＨＰ ｂ５９－１． Ｋｅ ｙ ｗｏｒｄｓ ： ｕｎｌｅ ａ ｄｅ ｄ ｂｒａ ｓ ｓ ； ｓ ｔｉｂｉｕｍ； ｍｉｃｒｏｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ ； ｍｅ ｃｈａ ｎｉｃａ ｌ ｐｒｏｐｅ ｒｔｙ
铅黄铜具有优异的切削性能和耐磨性能， 广泛应 用于如电子电器接插件、仪表零件、饮水系统的水管、 水龙头、阀门、管接头以及汽车、消防和飞机等使用 的 液 压 阀 门 等 各 种 领 域 ， 但 铅 是 一 种 有 毒 的 元 素［１－３］， 各国政府相继出台了对含铅铜合金应用的限令， 铅黄 铜的应用将面临严格的限制和挑战［４］， 因而开发无铅易 切削铜合金来替代铅黄铜已成为当今世界金属材料制 造 业 的 重 大 课 题［５－ ７］。
目前， 国外对无铅易切削黄铜的研究也刚刚开始［８－１０］。 考虑到代替铅元素的合金元素必须既要保证其切削性 能， 又要兼顾其无毒性 和市场前景， 作者使 用Ｓｂ替代 有害的Ｐｂ， 添加一定量的Ｔｉ和Ｃｅ来改善合金性能， 对 其组织和性能进行研究， 为无铅易切削黄铜的研究开 发进行初步的研究探讨。
１ 试验方法
ຫໍສະໝຸດ Baidu
度 比 半 硬 态ＨＰｂ５９－１略 小 一 些 ， 而 屈 服 强 度 却 要 低 很
多； 分析原因如下： 尽 管合金中加入的Ｓｂ有一 定的固
溶效果， 可以 部分地提高合金的强 度， 但由于Ｓｂ本身
性脆 （ Ｓｂ在合金中形成脆性化合物） ， 从而在一定程度
上制约合金强度的提高， 试验中的杂质元素容易在晶
Ｚｎ ２８．９９ ３０．０４ ３６．０３ ３４．８２ ３６．０７ ３２．０７ ３９．３３ ３８．２５
Ｓｂ ９．１７ ７．７７ － ３．２３ － ５．７４ － ３．０６
结合能谱分析可知： 合 金中锑主要以Ｃｕ－Ｚｎ－Ｓｂ三 元化合物方式存在， 铸态下锑主要分布在α相以及α和 β相的相界处； 经均匀化退火后， 合金中α相中并不含 锑， 锑主 要分 布 于β相 以 及α和β相 的 相 界 处 ； 热 轧 及 退火 后合金中的锑主 要 分 布 在β相 以 及α和β相 的 相 界 处， 这主要是由于锑在铜和锌中均有一定的固溶度， 而在合金中少量锑优先与锌形成固溶体， 并聚集在晶 界附近。在凝固过程中， 合金中首先析出β相， 随着温 度的下降， 从β相中析出以含锑化合物为形核中心的α 相， 由于凝固过程很快， 且合金中锑含量相对较少， 故铸态下锑 主要 分 布 在α相 以 及α和β相 相 界 处 ； 而 在 均匀化退火及后续的形变加工过程中， 由于合金中发 生了α→β相变过程， 含锑相则在相变过程中在晶界偏 聚， 并有部分被包裹带入β相内， 故锑元素主要分布在 β相 以 及α和β相 的 相 界 处［１１－ １３］。
１．１ 合金制备 在中频感应炉进行熔炼， 原料为２＃电解铜、纯Ｚｎ、
Ｃｕ－Ｔｉ 中 间 合 金 和 纯 Ｓｂ， 采 用 １ ２００ ℃ 加 Ｃｕ、Ｃｕ－Ｔｉ 合 金， ４５０￣５５０ ℃加Ｓｂ、Ｚｎ和Ｃｅ的方法 进行熔炼； 用铁
模铸扁锭； 并 在７００￣８５０ ℃进 行 铸 锭 均 匀 化 处 理 ， 然
铸造
舒学鹏等： 锑黄铜组织与性能的研究
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了 能 谱 分 析 ， 各 点 分 别 标 注 为ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、 ｈ。其中ａ为α相内的白色点状或针状物； ｂ为α和β相界 上的白色点状或针状物； ｄ， ｆ， ｈ分别对应为合金均匀 化退火态、热轧纵 （ 横） 向和再结晶退火态后β相内的 任一位置； ｃ， ｅ， ｇ分别对应为合金均匀化退火态、热 轧纵 （ 横） 向和再结晶退火态后α相内的任一位置， 结 果如表２所示。
后在７００￣８００ ℃进行热轧加工， 最终板材厚度约２ ｍｍ。
合金成分如表１所示。
表１ 合金成分
Ｔａｂｌｅ １ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ａｌｌｏｙ ｗＢ （ ％）
Ｃｕ
Ｓｂ
Ｔｉ
Ｃｅ
杂质
Ｚｎ
５７￣６０
０．３￣０．８
０．１￣０．３
０．２￣０．４
＜０．１
余量
１．２ 力学性能检测 在 材 料 电 子 万 能 试 验 机 ＣＳＳ－４４１００上 进 行 室 温 拉 伸
进行了分析， 并对其力学性能进行了研究。结果表明， 锑主要以金属 间 化 合 物 存 在 于β相 以 及α和β相 的 相 界 处 ； 主 要 力学性能与ＨＰｂ５９－１铅黄铜相当， 锑黄铜的抗拉强度为４６１．７２ ＭＰａ， 屈服强度为２１３．３ ＭＰａ， 伸长率为１５．６７％。研制的锑 黄铜替代铅黄铜， 具有可行性。