铅黄铜组织和性能的改善

赵明涛, 黄张裕, 赵媛霞

(1.上海通用汽车有限公司,上海 201206; 2.上海国际港务(集团)有限公司罗泾分公司,上海 200949； 3.上海大众汽车有限公司,上海 201805)

0 前 言

铅黄铜由于具有易切削、生产成本低、冷热加工性能好以及可通过不同的铸造工艺进行生产等特点[1-3],已成为广泛使用的一种铜合金,用于电子电器接插件、仪表零件、饮水系统的水管、水龙头、阀门、管接头等,发达国家仅黄铜水管的使用率就高达90%以上.然而,铅黄铜在生产中经常会出现质量不稳定,特别是关于热处理工艺对材料组织性能的影响了解不够,在制定加工工艺时存在一定困难.为了更好地了解热处理对产品质量的影响,本文研究了热处理温度与冷却条件对产品组织性能的影响.

1 试 验

试验样品为C3604铅黄铜,规格为φ5.7 mm×300 mm,状态为Y2.样品放置于箱式电阻炉中回火,回火温度分别为300 ℃、400 ℃和500 ℃,保温3 h,保温结束后采用水冷、空冷和随炉冷三种冷却方式.在JSM-5610LV型扫描电镜上观察显微组织,用HVS-1000型数显显微硬度计测量显微硬度,载荷为0.1 kg,保载时间10 s,抗拉强度在型号为AG-I250的电子拉伸试验机上测试.

2 结果与讨论

2.1 金相组织观察

图1为不同冷却条件下合金的金相组织.

图1 合金在不同冷却条件下的金相组织Fig.1 The OM microstructure of alloys an different cooling rate

由图1可见,500 ℃回火后晶粒明显大于未回火样品,同一温度、不同冷却速度下其晶粒大小,α、β相形貌都相差不大,可见冷却速度对组织的影响不大.

2.2 SEM观察及能谱分析

图2为500 ℃回火+水冷和500 ℃回火+炉冷样品的SEM照片.从图2中可以看到,500 ℃回火+水冷样品中的β相比500 ℃回火+炉冷的粗大且含量高,即水冷的β相要比随炉缓冷的粗大，这也说明冷却速度大,β相含量高.同时,可以看到，500 ℃回火+炉冷样品中的小质点要比500 ℃回火+水冷样品多.也就是说炉冷样品基体中分布的小质点多而弥散,而水冷样品相对小质点较少,而且有些质点溶入了β相中.这些小质点可能是Pb,说明炉冷可以使Pb质点分布均匀、细小、弥散,而水冷使Pb含量减少,而且有部分溶入基体中.这是由于C3604铅黄铜在454 ℃以上时α相会部分转变为β相[4],而Pb能溶于β相,即Pb在高温下分布于β相晶粒内.因此,500 ℃下回火,Pb有部分溶于晶内,而不是分布在晶界上.当采用水冷方式时,能保留高温下合金的组织结构,β相含量高、尺寸大,Pb部分分布于β相晶粒中.

2.3 不同冷却速度对力学性能的影响

图3和图4分别为300 ℃、400 ℃和500 ℃回火温度下,不同冷却速度样品的抗拉强度和延伸率曲线.

从图3、图4中可以看到一个规律:冷却速度越快,抗拉强度越高,延伸率越大;而冷却速度越慢,抗拉强度和延伸率都会下降.在500 ℃回火温度下,水冷样品抗拉强度和延伸率比炉冷样品高3.2%和14.2%;在300 ℃回火温度下,水冷样品的抗拉强度和延伸率比炉冷样品高4.5%和33.7%.

图2 合金在不同冷却速度下组织的SEM照片Fig.2 The SEM microstructure of alloys an different cooling rate

图3 回火温度和冷却条件与抗拉强度的关系Fig.3 Temper temperature and cooling rate vs. tensile strength

图4 回火温度和冷却条件对延伸率的影响Fig.4 Temper temperature and cooling rate vs. elongation

从图3中看到,300 ℃和400 ℃回火后,抗拉强度相差不大,而在500 ℃回火后,抗拉强度急剧降低;而延伸率随着回火温度的升高,呈近似直线的上升.这说明500 ℃回火后,合金组织结构有了较大的改变；在400 ℃以下回火,合金组织变化不大.而水冷后的样品,β相强度大,硬度高,而且晶内的Pb能起固溶强化作用,从而使抗拉强度较高;而延伸率较高的原因在于,炉冷样品组织中Pb都分布在晶界上,而Pb质软,相当于晶粒之间存在空隙,晶粒之间的结合减弱,容易拉断.

图5分别为300 ℃、400 ℃和500 ℃温度回火下,各样品维氏硬度的比较.

图5 回火温度与冷却速度对样品硬度的影响Fig.5 Temper temperature and cooling rate vs. HV

由图5可以看到,不同的冷却速度对硬度的影响不大,水冷和炉冷样品硬度值相差很小.

综上所述,不同的热处理工艺对C3604铅黄铜组织性能有一定的影响,从提高切削性能的角度看,Pb分布越均匀、越弥散,并且都分布在晶界上是最好的,在车削过程中能促使晶粒快速脱落.因此,采用炉冷的方式,即缓慢冷却的方式对切削性能是有利的.

从不同回火温度对晶粒大小的影响来看,采用300 ℃或400 ℃回火,晶粒尺寸明显小于500 ℃回火.而晶粒越细,Pb分布就越弥散,所以,在留底回火中可采用低于500 ℃的回火温度.

3 结 论

(1) 冷却速度越快,β相越多、越大;冷却速度越慢,β相越少、越细小,Pb分布也越均匀、弥散.

(2) 冷却速度越快,抗拉强度和延伸率均有提高;但硬度变化不大.

(3) 500 ℃回火,晶粒长大较多,抗拉强度和硬度急剧下降;400 ℃以下回火,晶粒长大不明显,抗拉强度和硬度下降很少.

(4) 采用缓慢冷却的方式对切削性能有利.因此,生产中要采用炉冷的方式冷却,回火温度也应低于500 ℃.

参考文献:

[1] Waheed A,Ridley N.Microstructure and wear of some high Tensile brasses[J].JournalofMaterialsScience,1994,29(9):1692-1699.

[2] 田荣璋,王祝堂.铜合金及其加工手册[K].长沙:中南大学出版社,2002.

[3] 吴卫华,周浪,杨青.HPbS59-1黄铜变质细化晶粒组织的热稳定性[J].特种铸造及有色合金,2004,24(1):39-40.

[4] 钟卫佳,马可定,吴维治.铜加工技术[M].北京:冶金工业出版社,2007.