无铅高锌硅黄铜C68350合金组织及性能的研究

丁寅

无铅高锌硅黄铜C68350合金组织及性能的研究

丁寅

传统铅黄铜因切削性能优良、生产成本低、加工性能好等优点而应用广泛。但由于铅元素对人体极为有害，可损害人体骨髓造血系统和神经系统，其污染危害已引起高度重视[1-3]。美国、欧盟、日本等发达经济体已立法，对饮用水系统、管道配件、玩具及家用电器等产品中的铅含量提出了严格的限制。如2010年开始实施的美国加州《AB1953法案》和欧盟的RoHS指令都对铅的含量做出了明确规定，铅黄铜被无铅环保黄铜取代，是一个必然的趋势[4-5]。

铋黄铜作为最先替代铅黄铜的无铅铜合金已在发达国家占有很大市场，但因其原材料成本高，焊接性能差，易产生热脆和冷脆等原因而限制其广泛应用。硅黄铜因焊接性能优异，且无需添加价格昂贵的金属，而备受青睐[6]。以C69300为代表的硅黄铜，成型及加工等综合性能优越，但因其铜含量高（75%左右），原材料成本非常高，并不适合大规模生产应用。

目前本公司已研发成功了高锌硅黄铜合金[7]并在生产中大规模应用，锻造用高锌硅黄铜切削性能虽不如C69300及有铅铜，但其在原材料成本上具有较大优势（铜含量在59%-64%），且该合金热成型、抛光性能优异，切削性能明显优于简单黄铜。路达高锌硅黄铜于2009年1月顺利通过了中国有色金属工业协会的科技成果鉴定，于2009年6月在美国铜业发展协会(CDA)成功注册了锻造用铜合金牌号C68350。现以C68350合金为例，研究无铅高锌硅黄铜的组织和性能。

试验材料及方法

研究所用的材料无铅高锌硅黄铜C68350是经过水平连铸成型而成，其化学成分范围见表1。

表1 C68350硅黄铜的化学成分（wt/%）

采用LEICA DM4000M金相显微镜观察显微组织，用401 MVD型数显显微维氏硬度计测量显微硬度。用HITACHI S-3400N扫描电镜，观察微观形貌特征，并用该系统中的能谱仪对合金的化学成分定性分析。拉伸实验采用WDW-100E型万能材料试验机，布氏硬度测试采用HB 3000C电子布氏硬度计。

切削试验在CW6163A卧式普通车床上进行，刀具材料为YS8，加工方式为车外圆，样品规格为Φ30×200mm，切削速度为150m/min，转速为1600r/min，背吃刀量1.5mm，进给量0.15mm/r。

镦粗试验在YD32-200液压机上进行，测试在660℃、690℃、730℃、760℃的不同温度下的试验样品压至最大后的镦粗率，样品规格为Φ29× 40mm。

结果与分析

1.显微组织

硅黄铜C68350的光学显微组织如图1所示。从图1可以看出硅黄铜C68350的基体组织主要都是由块状及长条状的α相及β相组成。图1b中可看到除α和β相外，还有少量γ相存在，为考察Si元素在 C68350硅黄铜各相中的分布，对C68350硅黄铜各相进行能谱分析。

图1 硅黄铜C68350的显微组织（a.100x；b.500x）

图2为C68350合金中Si元素的面扫描结果，由图可知Si元素分布于各相内及其晶界，表2为α相、β相及γ相的能谱分析结果，γ相中Si元素含量最高，其次为β相，α相中Si元素含量很低，低于能谱仪的检出限，因β相的数量较γ相多，可以说Si元素主要分布在β相中。

图2 C68350合金中Si元素的面扫描结果

表2 α、β和γ相能谱分析结果

Si元素主要分布在β相中，主要是由于Si的原子半径比铜的原子半径大[8]，若Si固溶于面心立方最密堆积结构的α相中，则需要克服较大的原子间作用力，并引起很大晶格畸变；而β相为体心立方结构，其四面体间隙和八面体间隙都较大，Si可以较容易固溶于其中[9]。

2.切削性能

衡量切削性能的好坏指标很多，主要有单位切削力、刀具耐用度、加工面的光亮度以及碎屑形状，本实验采用碎屑的形状来衡量合金的切削性能。将易切削铅黄铜HPb59-1、简单黄铜CuZn40及硅黄铜C68350试样在同等条件下进行车削加工，其断屑形貌如图3所示。

图3 车削加工的断屑形貌

从图3可以看出，HPb59-1的断屑呈细小短针状，简单黄铜CuZn40的断屑为长卷屑，而高锌硅黄铜C68350的断屑为细小的短卷屑和扇形屑。可知C68350合金虽较有铅铜HPb59-1难断屑，但较简单黄铜CuZn40更易断屑，进而可知C68350合金切削性能较有铅铜HPb59-1差，但明显优于简单黄铜CuZn40。

C68350硅黄铜的切削性能与硅在合金中的分布密切相关。由扫描分析结果可知Si主要分布在β相中，Si固溶于β相中，使β相变脆，当切削过程中刀具遇到β相时，切屑很容易断裂。另外，C68350硅黄铜中分布有少量硬脆的γ相，含Si量高的γ相周围存在应力集中区域。刀具与γ相遇时，其应力集中程度增加，切屑会更易断裂，且γ相在剪切应力的作用下易于破碎，应力集中易萌生裂纹并促进裂纹扩展，从而使切屑很快断裂[10]，所以β相及γ相在很大程度上改善了C68350硅黄铜的切削性能，使其切削性能明显优于简单黄铜。

3.力学性能

表3为高锌硅黄铜C68350与铅黄铜HPb59-1和简单黄铜CuZn40的力学性能，可以看出，C68350的抗拉强度及硬度较HPb59-1和CuZn40的更高，其断后伸长率较有铅铜HPb59-1高20%。

表3 C68350、HPb59-1和CuZn40的力学性能

表4为C68350与CuZn40合金中α相和β相的显微硬度，表中数值为测试5点显微硬度的平均值。从表4中可以看出C68350与CuZn40的α相硬度相近，而C68350的β相比CuZn40的硬度明显要高，这主要是因为C68350中的Si主要固溶于β相中，增加了β相的硬度，这也是C68350合金的布氏硬度比CuZn40高的主要原因。

4.成型和抛光性能

HPb59-1、C68350和 CuZn40三种合金在660℃-760℃不同温度下的进行镦粗试验。在同批实验中，有铅铜HPb59-1及简单黄铜CuZn40在低温660℃和690℃下存在不同程度的开裂，最大镦粗率分别为82.5%和80.0%。而C68350合金在不同温度下试样外表面均光滑无裂纹，最大镦粗率为85.0%。由试验可知，C68350合金锻造性能较有铅铜HPb59-1和简单黄铜CuZn40更优异。

C68350合金的热成型性能优异，主要与该合金中β相的比例较大有关。在高锌黄铜中添加锌当量为10的Si元素后，可使α相区缩小，从而使得具有良好高温成型性能的β相的比例增大。而合金中的少量γ相在改善切削性能的同时，又不会影响其高温成型性能。因此C68350合金具有优异的热成型性能。

C68350合金的抛光性能优异主要是因为合金硬度较高，不易过烧。采用C68350成型的水龙头及其零配件，其一次成型良品率在99%以上，一次抛光良品率达95%以上。

结论

1.C68350硅黄铜的显微组织由α相、β相、少量的γ相组成，Si元素主要分布于β相中。

2.C68350力学性能优异，抗拉强度及断后伸长率均高于有铅铜HPb59-1，C68350中β相硬度高于简单黄铜CuZn40，从而使得其抗拉强度及硬度均高于简单黄铜CuZn40。

3.固溶大量Si的β相及少量的γ相保证了C68350良好的切削性能和优异的热成型性能。

4.C68350硅黄铜的原材料成本明显低于C69300，与有铅铜相当，焊接性能优于无铅铋黄铜，切削性能及热成型性能优于简单黄铜，是一种综合性能较好的无铅黄铜产品。

（作者单位：路达（厦门）工业有限公司）

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[7]许传凯，胡振青，章四琪.无铅易切削高锌硅黄铜合金及其 制 造 方 法 [P].中 国 专 利 ：200810180201.9，2008-12-02

[8]郑子樵.材料科学基础[M].长沙：中南大学出版社，2005

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