含Bi易切削變形Zn-Al合金顯微組織與性能

林高用 ，孫利平，曾菊花，王莉

(1.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2.中南大學(xué) 有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

在有色金屬中鋅的礦物儲(chǔ)量、產(chǎn)量和用量?jī)H次于鋁和銅，居第3位[1?2]。隨著我國有色金屬工業(yè)的快速發(fā)展，我國銅資源短缺與銅消費(fèi)量增長(zhǎng)的矛盾日益加劇，加速開發(fā)銅及銅合金替代材料，以滿足現(xiàn)代工業(yè)的需求，成為材料工作者的共識(shí)[2?5]。我國鋅資源不但儲(chǔ)量多，居世界前列，品位也高[6]。鋅合金具有熔點(diǎn)低、鑄造性能好、力學(xué)性能優(yōu)異、生產(chǎn)工藝流程短、能耗小等優(yōu)點(diǎn)，是部分銅合金的理想替代材料，成為目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[7?12]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，鋅合金已形成鑄造鋅合金和變形鋅合金兩大系列。變形鋅合金的典型代表為 Zn-Al和 Zn-Cu-Ti合金。Zn-Cu-Ti合金是目前使用較多的變形鋅合金，可用來制作拉鏈、千層鎖和日用五金等，但由于其綜合性能較低，應(yīng)用范圍有很大局限；而Zn-Al合金具有許多優(yōu)異的性能，如熔點(diǎn)低、熔煉耗能少，生產(chǎn)效率高，力學(xué)性能良好等，目前已相繼發(fā)展了幾個(gè)成分的Zn-Al 合金(ZnAl15，ZnAl10-1，ZnAl10-5，ZnAl0.2-4和ZnAl14-1)作為黃銅的代用品[2]。但變形Zn-Al合金，尤其是接近共晶成分的Zn-Al合金，在切削加工時(shí)通常會(huì)遇到較大困難，在自動(dòng)車床和儀表車床上切削加工效率低，排屑不暢，易黏刀，易斷刀，加工件表面不光潔等，限制了變形Zn-Al合金的應(yīng)用[13]。因此，研究開發(fā)出一種既具有優(yōu)良切削性能，又具有良好力學(xué)性能的變形Zn-Al合金，實(shí)現(xiàn)對(duì)已有易切削鉛黃銅的替代具有重要意義。一般可通過添加Pb，Sn和Bi等低熔點(diǎn)元素來提高合金的切削性能[14]，并通過添加適量的Al，Cu，Mg和Ti等合金元素提高Zn合金的力學(xué)性能與成形性能[2,15?16]。目前，還沒有關(guān)于易切削變形 Zn-Al-Bi合金組織與性能的研究報(bào)道。本文作者通過較系統(tǒng)的試驗(yàn)，對(duì)自行配制的無鉛含Bi易切削變形Zn-Al合金鑄態(tài)、擠壓態(tài)的組織與性能進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

本文所用試驗(yàn)材料是自行配制的含 Bi易切削變形Zn-Al合金。按照表1所示的合金成分進(jìn)行配料，在工頻感應(yīng)爐內(nèi)熔煉；熔煉過程中，Bi以純金屬加入，Ti以Cu-Ti中間合金加入，Mn以Al-Mn中間合金加入。將鑄錠鋸尾、車皮后在3 150 kN立式擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓，擠壓工藝參數(shù)為：模具、擠壓筒預(yù)熱溫度200℃，鑄錠加熱溫度250～260 ℃；擠壓比λ=18.8。

表1 試驗(yàn)合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table1 Chemical compositions of experimental alloys%

采用 POLYVAR?MET型金相顯微鏡觀察鑄錠金相組織；將合金擠壓態(tài)按GB/T 228—2002制成拉伸試樣，在CSS?44100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為2 mm/min；利用Sirion200場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察合金微觀組織；在DJ?CL?1三向線性放大器/CD6140A機(jī)床上對(duì)合金擠壓態(tài)進(jìn)行切削力測(cè)試，并對(duì)合金鑄態(tài)、擠壓態(tài)車屑形貌進(jìn)行對(duì)比觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

合金擠壓態(tài)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。從表2可以看出：未加Mn和Ti的0號(hào)合金抗拉強(qiáng)度為351 MPa，伸長(zhǎng)率為 18%，雖比 1號(hào)合金抗拉強(qiáng)度低 12 MPa，但伸長(zhǎng)率高5%，表現(xiàn)出較好的綜合性能。2號(hào)合金抗拉強(qiáng)度最高，為368 MPa，但伸長(zhǎng)率僅為7%，其塑性較差。3號(hào)合金強(qiáng)度最低，為345 MPa，伸長(zhǎng)率和1號(hào)合金的相同，為13%。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，0號(hào)合金和1號(hào)合金表現(xiàn)出了較好的綜合力學(xué)性能，不但有較好的塑性，抗拉強(qiáng)度也達(dá)到350 MPa以上，能滿足替代部分銅合金的要求[6]。

表2 擠壓態(tài)Zn-Al-Bi合金力學(xué)性能Table2 Mechanical properties of extruded Zn-Al-Bi alloys

2.2 合金鑄態(tài)金相組織

對(duì)合金鑄態(tài)進(jìn)行金相組織觀察，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出：未添加Ti合金元素的0號(hào)合金鑄態(tài)金相組織呈樹枝狀，而添加了Ti的1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)合金鑄態(tài)組織枝晶被打破，晶粒明顯細(xì)化，表明 Ti能對(duì) Zn-Al合金晶粒產(chǎn)生明顯細(xì)化作用，這與文獻(xiàn)[2, 7]的結(jié)果是一致的。從圖1還可以看出：2號(hào)合金金相組織中存在大而不規(guī)則的相，結(jié)合室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，該相對(duì)Zn-Al合金的塑性可能產(chǎn)生明顯惡化作用。

2.3 掃描電鏡觀察

0號(hào)、1號(hào)和2號(hào)合金鑄態(tài)及擠壓態(tài)的SEM微觀組織如圖2所示，其中圖2(a)～(c)所示為合金鑄態(tài)微觀組織，圖2(d)～(f)所示為合金擠壓態(tài)微觀組織。從圖2(a)～(c)可以看出：未添加 Ti的 0號(hào)合金鑄態(tài)組織呈枝狀(見圖2(a))；而添加了Ti的1號(hào)合金鑄態(tài)組織枝晶被打破，晶粒明顯細(xì)化(見圖2(b))；2號(hào)合金鑄態(tài)組織中存在大而不規(guī)則的相(見圖2(c))，這與合金鑄態(tài)金相組織結(jié)果是一致的。此外，通過背散射電子掃描電鏡還可以觀察到，合金中Bi的分布為均勻細(xì)小的粒子(如圖2中高亮的白色相)，正是由于低熔點(diǎn)Bi相的彌散分布，改善了試制 Zn-Al合金的切削性能。從圖2(d)～(f)可以看出：擠壓后合金組織均勻細(xì)小。未添加Ti的0號(hào)合金鑄態(tài)組織枝晶被打破，組織細(xì)小均勻，Bi相彌散分布(圖2(d))，因此，其擠壓態(tài)力學(xué)性能及切削性能都較好。添加了Mn，Ti和Bi的1號(hào)試樣擠壓態(tài)組織均勻細(xì)小，富 Mn相和 Bi相彌散分布(圖2(e))。2號(hào)合金擠壓鑄態(tài)組織中存在大而不規(guī)則的塊狀相(圖2(f)中的黑色相)，根據(jù)表1合金力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，2號(hào)合金塑性明顯低于0號(hào)和1號(hào)合金的塑性，這可能是由于2號(hào)合金中大而不規(guī)則的塊狀相為脆性相。因此，本文作者認(rèn)為：加Ti雖然能明顯細(xì)化Zn-Al合金鑄態(tài)組織，但由于變形Zn-Al合金經(jīng)過擠壓成形，組織已經(jīng)非常細(xì)小，因此，不添加Ti的0號(hào)合金其組織與性能已經(jīng)能夠滿足要求。此外，Mn的加入對(duì)于提高變形Zn-Al的力學(xué)性能作用不明顯。

圖1 Zn-Al-Bi合金鑄態(tài)顯微組織(OM)Fig.1 Optical micrographs of as-cast Zn-Al-Bi alloys

2號(hào)合金鑄態(tài)組織微區(qū)成分分析結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：2號(hào)合金的鑄態(tài)組織包含了5種不同的相：η-Zn基體相(A點(diǎn))、初生α相(B點(diǎn))、共晶α+η相(C點(diǎn))、Mn富集的化合物(D點(diǎn))和微量的Bi相(E點(diǎn))。η-Zn基體相是以Zn為基，固溶有微量Al和Mn的固溶體(如圖3(b)所示)，為密排六方晶體結(jié)構(gòu)；初生 α相是以Al為基，固溶有大量Zn、微量Mn的固溶體(見圖3(c))，為面心立方晶體結(jié)構(gòu)；共晶α+η相由η固溶體和α固溶體共同組成(見圖3(d))；Mn富集的化合物呈塊狀或其他不規(guī)則形狀分布(見圖3(e))；微量的 Bi相以點(diǎn)狀彌散分布在η-Zn基體相、初生α相、共晶α+η相和Mn富集的化合物上(見圖3(f))，正是由于低熔點(diǎn)的Bi相在合金中彌散分布，在合金切削時(shí)起到斷屑作用，從而提高了變形Zn-Al合金的切削性能。

2.4 切削性能

試制易切削變形鋅合金擠壓態(tài)切削力測(cè)試是在DJ?CL?1三向線性放大器/CD6140A機(jī)床上進(jìn)行的，測(cè)試結(jié)果如表3所示。三向切削力是在固定切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量的情況下獲得的，進(jìn)行比較時(shí)主要針對(duì)切向力。從表3可知：0號(hào)合金切向力平均值最低，為42.30 N；1號(hào)合金切向力平均值最高，為48.03 N；2號(hào)和3號(hào)合金切向力平均值比1號(hào)合金的稍低，分別為47.28 N和46.51 N。以上結(jié)果表明：未添加Mn和Ti，添加0.3% Bi的0號(hào)合金切削性能最好，其切削力最低；添加了Mn和Ti的1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)合金隨著Bi含量的增加，切削力下降，切削性能有所提高。

圖2 Zn-Al-Bi合金SEM背散射電子像Fig.2 SEM back-scattered electron images of Zn-Al-Bi alloys

0號(hào)合金鑄態(tài)及擠壓態(tài)車屑形貌如圖4所示。從圖4可以看出：合金鑄態(tài)、擠壓態(tài)車加工時(shí)易斷屑，車屑均呈直條狀，且車屑較細(xì)小，其切削性能好。

表3 擠壓態(tài)Zn-Al-Bi合金切削力測(cè)量結(jié)果Table3 Cutting force measurements of extruded Zn-Al-Bi alloys

圖3 2號(hào)合金鑄態(tài)背散射電子像及能譜分析結(jié)果Fig.3 Back-scattered electron image and EDS analyses results of as-cast alloy 2

圖4 0號(hào)合金車屑形貌Fig.4 Photos of cuttings of alloy 0

2.5 電鍍預(yù)處理和電鍍?cè)囼?yàn)結(jié)果

Zn-Al合金存在一定的晶間腐蝕傾向，目前合金實(shí)際應(yīng)用時(shí)采用電鍍保護(hù)，以提高合金耐腐蝕性能，因此，試制的Zn-Al-Bi合金需能夠?qū)崿F(xiàn)電鍍。Bi雖能明顯提高Zn-Al合金的切削性能，但是實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)其對(duì)合金電鍍性能產(chǎn)生了不良影響，Bi可能導(dǎo)致變形Zn-Al合金電鍍起泡。通過對(duì)試制的含Bi易切削變形Zn-Al合金進(jìn)行電鍍預(yù)處理及電鍍?cè)囼?yàn)，得出以下主要試驗(yàn)結(jié)果：

(1)將0號(hào)、1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)合金擠壓態(tài)試樣進(jìn)行電鍍預(yù)處理，Bi含量較少的0號(hào)、1號(hào)合金不起泡，而2號(hào)、3號(hào)試樣起泡，表明Bi含量較高的Zn-Al合金，容易起泡，如圖5所示。

(2)對(duì)2號(hào)合金擠壓態(tài)和車加工態(tài)分別進(jìn)行電鍍，電鍍結(jié)果見圖6。由圖6可以看出：經(jīng)過車加工后的試樣電鍍起泡程度明顯降低。

含Bi易切削變形Zn-Al合金電鍍起泡主要與Bi含量、制品表面光潔度等因素有關(guān)，Bi含量超過0.5%時(shí)，合金易電鍍起泡。綜合比較發(fā)現(xiàn)：本文試制的含0.3%Bi的0號(hào)合金不但具有良好的切削性能和綜合力學(xué)性能，電鍍也不易發(fā)生起泡，能夠滿足使用要求，可作為部分銅合金替代材料，用于軸承、連接件、五金和家電等結(jié)構(gòu)件。

圖5 Zn-Al-Bi合金擠壓態(tài)試樣電鍍預(yù)處理后照片F(xiàn)ig.5 Photos of extrusion Zn-Al-Bi alloys after plating pretreatment

圖6 2號(hào)合金電鍍?cè)囼?yàn)試樣照片F(xiàn)ig.6 Photos of alloy 2 after plating

3 結(jié)論

(1)低熔點(diǎn)的Bi相在Zn-Al合金中以針狀彌散分布，在機(jī)加工時(shí)起到斷屑作用，改善了Zn-Al合金的切削性能。

(2)Bi含量超過0.5%時(shí)，Bi對(duì)Zn-Al合金電鍍性能產(chǎn)生不良影響，因此，易切削Zn-Al合金中Bi含量不宜超過0.5%。

(3)自行配制的 Zn-10%Al-0.3%Bi-0.75%Cu-0.03%Mg合金，切削性能良好，抗拉強(qiáng)度達(dá)到 351 MPa，伸長(zhǎng)率為18%，電鍍不易起泡，表現(xiàn)出較好的綜合性能，可作為部分銅合金替代材料，用于軸承、連接件、五金、家電等結(jié)構(gòu)件。

[1]包小波, 黃其興.世界鋅技術(shù)經(jīng)濟(jì)[M].北京: 冶金工業(yè)出版社, 1996: 143?248.BAO Xiao-bo, HUANG Qi-xing.Zinc technical economics in the world[M].Beijing: Metallurgical Industry Press, 1996:143?248.

[2]孫連超, 田榮璋.鋅及鋅合金物理冶金學(xué)[M].長(zhǎng)沙: 中南工業(yè)大學(xué)出版社, 1994: 11?20.SUN Lian-chao, TIAN Rong-zhang.Physical metallurgy of zinc and Zn-alloy[M].Changsha: Central South University of Technology Press, 1994: 11?20.

[3]Prasad B K.Influence of some material and experimental parameters on the sliding wear behaviour of a zinc-based alloy,its composite and a bronze[J].Wear, 2003, 254(1/2): 35?46.

[4]耿浩然, 王守仁, 王艷.鑄造鋅、銅合金[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2006: 9?20.GENG Hao-ran, WANG Shou-ren, WANG Yan.Casting zinc and copper alloys[M].Beijing: Metallurgical Industry Press, 2006:9?20.

[5]林高用, 鄭小燕, 周佳, 等.一種鋅基合金熱變形行為的試驗(yàn)?zāi)M[J].機(jī)械工程材料, 2007, 31(7): 60?62.LIN Gao-yong, ZHENG Xiao-yan, ZHOU Jia, et al.Thermocompression behavior of a zinc based alloy[J].Materials for Mechanical Engineering, 2007, 31(7): 60?62.

[6]黃伯云, 李成功, 石力開, 等.中國材料工程大典[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2006: 431?455.HUANG Bo-yun, LI Cheng-gong, SHI Li-kai, et al.The material engineering tome of China[M].Beijing: Chemistry Industry Press, 2006: 431?455.

[7]蔡強(qiáng).鋅合金[M].長(zhǎng)沙: 中南工業(yè)大學(xué)出版社, 1987:102?170.CAI Qiang.Zinc alloy[M].Changsha: Central South University of Technology, 1987: 102?170.

[8]Savakan T, Hekimolu A P, Purcek G.Effect of copper content on the mechanical and sliding wear properties of monotectoid-based zinc-aluminium-copper alloys[J].Tribology International, 2004,37(1): 45?50.

[9]Zhang F, Vincent G, Sha Y H, et al.Experimental and simulation textures in an asymmetrically rolled zinc alloy sheet[J].Scripta Materialia, 2004, 50(7): 1011?1015.

[10]林高用, 鄭小燕, 曾菊花, 等.鋅基合金擠壓型材的組織與性能[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2008, 39(2): 246?250.LIN Gao-yong, ZHENG Xiao-yan, ZENG Ju-hua, et al.Microstructure and properties of extruded profiles of zinc-based alloys[J].Journal of Central South University: Science and Technology, 2008, 39(2): 246?250.

[11]琚宏昌.4×60 m回轉(zhuǎn)窯托輪軸瓦應(yīng)用鋅合金替代銅合金的可行性研究[J].安陽大學(xué)學(xué)報(bào), 2003(3): 10?14.JU Hong-chang.The studies of Zn-alloy replacing Cu-alloy as supporting wheel axle bush material of 4×60 m rotating kiln[J].Journal of Anyang University, 2003(3): 10?14.

[12]Nilsson A, Gabrielson P, Stahl J E.Zinc-alloys as tool materials in short-run sheet-metal forming processes: Experimental analysis of three different zinc-alloys[J].Journal of Materials Processing Technology, 2002, 125/126(9): 806?813.

[13]林高用, 肖弦, 鄭小燕.鋅合金切削性能的研究[J].礦冶工程,2006, 25(5): 68?70.LIN Gao-yong, XIAO Xian, ZHENG Xiao-yan.Study on the cutting property of Zn-alloy[J].Mining and Metallurgical Engineering, 2006, 25(5): 68?70.

[14]陳日曜.金屬切削原理[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1992:132?170.CHEN Ri-yao.Principle of metal cutting[M].Beijing: China Machine Press, 1992: 132?170.

[15]張忠明, 王錦程, 徐東輝, 等.鋁、銅、鎂對(duì)鑄態(tài)鋅基合金組織和阻尼性能的影響[J].中國有色金屬學(xué)報(bào), 1999, 9(1): 1?6.ZHANG Zhong-ming, WANG Jing-cheng, XU Dong-hui, et al.Effects of Al, Cu, Mg on the microstructure and damping properties of cast zinc-based alloys[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 1999, 9(1): 1?6.

[16]LI Yuan-yuan, Ngai T L, XIA Wei, et al.Effects of Mn content on the tribological behaviors of Zn-27%A1-2%Cu alloy[J].Wear,1996, 198(1/2): 129?135.