Mg對再生鉛黃銅C3604合金組織及性能影響

向朝建，李華清，朱莎霜，陳忠平，張 曦，楊東超

(1.上海交通大學，上海200240；2.蘇州有色金屬研究院有限公司，江蘇蘇州215026；3.寧波長振銅業(yè)有限公司，浙江寧波315470 )

?

Mg對再生鉛黃銅C3604合金組織及性能影響

向朝建1，2，李華清2，朱莎霜3，陳忠平2，張 曦2，楊東超3

(1.上海交通大學，上海200240；2.蘇州有色金屬研究院有限公司，江蘇蘇州215026；3.寧波長振銅業(yè)有限公司，浙江寧波315470 )

文章針對廢雜黃銅直接重熔制備鉛黃銅C3604合金，精煉時采用金屬鎂對合金熔體進行變質(zhì)處理，研究了金屬鎂對再生鉛黃銅C3604合金組織及性能影響。結(jié)果表明，廢雜銅重熔制備C3604合金熔體中，Mg元素與Sn、Si、Fe及Al等雜質(zhì)元素結(jié)合，形成Mg2Sn相及富含Sn、Pb、Mg、Si和Al元素的多元素聚集顆粒相；Mg元素還與Pb元素結(jié)合，使Pb顆粒相數(shù)量減少，其含量不宜過高而使Pb相數(shù)量減少，Mg元素含量為0.28wt%時C3604合金形貌組織理想，且產(chǎn)品切削性能較好。

廢雜銅再生；鉛黃銅；鎂；組織；切削性

我國銅資源匱乏，廢雜銅的再生利用可彌補銅資源的不足[1-2]。廢雜銅再生制備黃銅的方式主要為直接重熔精煉，大噸位電爐熔煉-潛液轉(zhuǎn)流-多流多頭水平連鑄黃銅棒技術(shù)[3-4]。直接重熔精煉是一種高效、環(huán)保、低能耗、短流程的廢銅再生利用技術(shù)，正逐漸成為廢銅再生利用的主要方法[5]。廢雜黃銅中Cu、Zn、Pb元素為易切削黃銅制品的有益元素，同時還大量存在Sn、Fe、Al、Si、Bi、Te等有害元素[6-7]，在精煉不嚴格的情況下，會降低再生鉛黃銅制品的綜合性能。開發(fā)低成本、高效的熔劑及變質(zhì)劑，提高鉛黃銅產(chǎn)品的綜合性能，是目前再生銅生產(chǎn)領(lǐng)域競相研究熱點。

目前，專業(yè)針對廢雜銅重熔精煉研制的高效精煉劑和變質(zhì)劑還較少，尤其采用資源豐富、成本低廉的鎂作為再生鉛黃銅合金變質(zhì)處理的研究缺乏。鎂能部分固溶于銅，且與銅形成金屬間化合物。適量的銅鎂金屬間化合物彌散分布于銅合金中，能在不降低銅合金加工成形性的前提下，使銅合金獲得良好的切削性能[8]。目前， 黃勁松[9-12]等人做了關(guān)于易切削鎂黃銅的相關(guān)研究。同時，鎂元素活潑，易與Sn、Si、Al等元素發(fā)生反應形成中間化合物。因此，本文主要針對廢雜黃銅直接重熔制備鉛黃銅C3604合金，精煉時采用金屬鎂對合金熔體進行變質(zhì)處理的情況，系統(tǒng)研究了金屬鎂對再生鉛黃銅C3604合金組織及性能影響，探索了Mg元素對Sn、Fe、Si、Al等雜質(zhì)元素副作用的抑制效果，尤其對Fe、Sn元素含量均較高時，對降低Sn元素對鉛黃銅C3604合金切削性能的影響。

1 試驗材料與方法

試驗合金成分見表1，1#～5#為Mg元素含量不同的試驗合金，6#合金為廢雜黃銅原始成分。試驗設(shè)備為中頻感應爐，合金制備采用廢雜銅、純鉛、純鋅和銅鎂中間合金為原料。熔煉過程為，將廢雜銅裝爐覆蓋熔化后，按照C3604合金牌號，添加純鉛、純鋅調(diào)整成分，再添加銅鎂中間合金進行變質(zhì)處理，靜置后澆鑄，鑄錠尺寸為Φ105mm×400mm。鑄錠在650℃保溫后擠壓至Φ10mm、拉伸及退火，成品退火后變形量15%制成Φ6.5mm成品，進行性能測試。

合金的化學成分檢測采用IRIS Intrepid XSP等離子體發(fā)射光譜儀分析。拉伸檢測采用CSS-44100型萬能試驗機。硬度測試使用HVS-1000型顯微硬度計，每個試樣測量次數(shù)不少于5次并取其平均值。顯微組織形貌觀察采用NIKON EPIPHOT 200型顯微鏡，侵蝕劑采用FeCl3+HCl+酒精溶液。采用JSM-6480掃描電子顯微鏡(配備EDS、WDS、EBSD)觀察微觀組織。切屑形貌在奧林巴斯體視顯微鏡SZ61TR上測量、觀察。

表1 實驗合金的化學成分(wt.%)Tab.1 Chemical composition of tested alloys

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 組織分析

2.1.1 Mg元素對鑄態(tài)組織影響

鎂部分固溶于銅，且與銅能結(jié)合形成金屬間化合物。室溫下Mg在銅中的固溶度約為1wt.%，為使添加的Mg元素發(fā)揮變質(zhì)處理作用，又避免大量析出，降低合金塑性，添加的Mg元素小于0.6wt.%。圖1為C3604合金熔體中添加不同含量Mg元素進行變質(zhì)處理的鑄態(tài)組織。從圖1中可以看出，圖1(a)中α相晶粒為團狀，晶界清晰且圓滑，隨著Mg元素添加量的增加，α相晶粒變得細長，且晶界逐漸模糊，尖端變得更加銳利，鑄態(tài)α相的比例減少，而α相的比例增加；黑色Pb相顆粒隨著Mg元素添加量的增加更加細小、彌散。文獻[13]報道，黃銅中添加Mg元素后，合金α→β相轉(zhuǎn)變溫度及合金熔點隨Mg元素含量的增加呈下降趨勢。具有高熔點的α相凝固過程中向低熔點的β相內(nèi)部延伸，同時Pb相顆粒在晶內(nèi)的分布增加。

(a)1#合金；(b)2#合金；(c)3#合金；(d)4#合金；(e)5#合金 圖1 C3604合金鑄態(tài)組織 Fig.1 Micrographs showing as-cast microstructure of C3604 alloy

2.1.2 Mg元素對成品態(tài)組織影響

鑄錠經(jīng)加熱擠壓、拉拔、退火，制成Φ6.5mm棒材，成品態(tài)金相組織見圖2。

從圖2可以看出，Mg元素含量極少時(圖2(a))，合金內(nèi)部組織主要為α+β相，且兩相含量比例接近；隨著Mg元素含量增加，β相含量逐漸減少，且逐步轉(zhuǎn)變成顆粒相，Pb顆粒相也更加細小彌散。

圖3為合金在掃描電鏡下形貌。通過與圖(a)、(b)對比可看出，圖3(a)1#合金中Mg元素含量較低(0.09wt%)，Pb相顆粒明顯，但尺寸偏差較大，圖3(b)5#合金中Mg元素含量較高(0.52wt%)，Pb相不明顯，取而代之以黑色細小顆粒相，且尺寸相差不大。試樣經(jīng)侵蝕后，圖3(c)1#合金中Pb主要分布于晶界，而圖3(d)5#合金除晶界分布外，在α、β兩相內(nèi)部均有顆粒相分布。對5#合金內(nèi)顆粒相進行能譜分析(表2)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，黑色球形顆粒相主要分布于α相晶內(nèi)，其中除Cu、Zn元素外，還富含Mg、Sn元素，經(jīng)分析其為Mg2Sn相；灰色長條形相主要分布于β相晶內(nèi)，其中富含Sn、Pb、Mg、Fe和Si元素，為多種元素的聚集相；灰色球形顆粒相也主要分布于β相晶內(nèi)，其中富含Sn、Pb、Mg、Si和Al元素，也為多元素聚集相。能譜分析結(jié)果表明，廢雜銅重熔制備的C3604合金中添加Mg元素后，Mg元素與熔體中的Sn、Fe、Si及Al等雜質(zhì)元素結(jié)合形成分散顆粒相，同時，Mg元素還與Pb元素結(jié)合，使Pb顆粒相數(shù)量減少。

(a)1#合金；(b)2#合金；(c)3#合金；(d)4#合金；(e)5#合金圖2 C3604合金成品態(tài)組織 Fig.2 Micrographs showing microstructure of C3604 alloy

(a)、(c)1#合金；(b)、(d)、(e)5#合金；(a)、(b)試樣未侵蝕；(c)、(d)、(e)試樣侵蝕圖3 C3604合金SEM形貌Fig.3 SEM images of C3604 alloy

為了改善合金的切削性能，Mg元素含量不宜過高而使Pb相數(shù)量減少。經(jīng)電鏡分析，3#合金中Mg元素含量為0.28wt%，其形貌組織較為理想，電鏡形貌照片見圖4，基體內(nèi)Pb顆粒相未減少，且Mg元素與熔體中的雜質(zhì)元素形成了細小分散的黑色顆粒相，這種細小球形顆粒相有助于切削性的改善[14-15]。

2.2 力學性能

合金鑄錠在650℃擠壓至Φ10mm、拉伸及熱處理，成品退火后變形量15%，制成Φ6.5mm成品，力學性能結(jié)果見圖5。從圖5中可以看出，從1#合金至5#合金，Mg元素含量由0.09 wt%增加至0.52wt%，成品線材抗拉強度和維氏硬度隨Mg元素含量增加而增加，延伸率隨Mg元素含量增加而減少。這是由于添加Mg元素后，在合金中形成彌散顆粒相，對合金有強化效果。

表2 5#合金能譜分析結(jié)果Tab.2 EDS-measured composition of Alloy 5#

2.3 合金切削性能

鉛黃銅棒常用于自動機床和鉆床，對斷屑要求比較高，因為長條切屑的繞纏將使自動機床無法繼續(xù)工作，鉆通孔時，也不希望在孔的出口邊緣有很大的毛刺，因此，對工件材料的斷屑性能提出了一定的要求。本文將C3604合金成品Φ6.5mm棒在機床車削加工，通過銅屑情況，檢驗合金切削性能(圖6)。考察指標為切削線速度、切削深度和進給量。實驗選擇的切削條件為，進給量0.2mm/r，切削線速度l0m/min，切削深度0.5mm。

(a)試樣未侵蝕；(b)試樣侵蝕；(c)、(d)為顆粒相a、b的能譜分析結(jié)果圖4 3#合金SEM形貌Fig.4 SEM images of Alloy 3#

(a)抗拉強度；(b)延伸率；(c)維氏硬度圖5 C3604合金力學性能Fig.5 Mechanical properties of C3604 alloy

從圖6可以看出，圖6(a)1#合金切屑形貌為小方片狀；圖6(b)、(c)2#、3#合金的切屑細長， 呈短針狀；圖6(d)、(e)4#、5#合金的切屑為片狀和 C型屑， 其內(nèi)表面呈光滑狀，外表面呈毛茸茸狀。從切屑形狀及尺寸的大小可以看出，2#、3#合金的切削性能較好，其中3#合金的切削性能更好，即Mg元素含量為0.28wt%時，對廢雜銅直接重熔制備的C3604合金變質(zhì)處理效果較好，制備的合金產(chǎn)品切削性能也較好。

(a)1#合金；(b)2#合金；(c)3#合金；(d)4#合金；(e)5#合金圖6 切屑宏觀形貌Fig.6 Morphologies of chips

3 結(jié)論

(1)廢雜銅重熔制備的C3604合金中添加Mg元素變質(zhì)處理，Mg元素與Sn、Si、Fe及Al等雜質(zhì)元素結(jié)合，形成Mg2Sn相及富含Sn、Pb、Mg、Si和Al元素的多元素聚集顆粒相；

(2) Mg元素與Pb元素結(jié)合，使Pb顆粒相數(shù)量減少，故其含量不宜過高，Mg元素含量為0.28wt%，其形貌組織較為理想；

(3)Mg元素含量為0.28wt%時，對廢雜銅直接重熔制備的C3604合金產(chǎn)品切削性能較好。

[1] 張?zhí)戽?，陳曉東，唐維學，等. 廢雜銅的回收與利用[J]. 廣東化工， 2009， 36(6)： 133-134， 262.

[2] 王 沖，朱學云，熊振坤. 我國廢雜銅的再生利用現(xiàn)狀及展望[J]. 中國資源綜合利用， 2009， 27(7)： 9-10.

[3] 岳旭東，陳淑英，常國威. 水平連鑄鉛黃銅鑄錠凝固組織的分析和控制[J]. 特種鑄造及有色合金， 2011， 31(6)： 547-549.

[4] 陳淑英，岳旭東，常國威. 廢雜銅再生黃銅水平連鑄坯的表面裂紋[J]. 特種鑄造及有色合金， 2011， 31(4)： 353-356， 397-398.

[5] 中南大學. 一種精煉廢雜銅的高稀土含量中間合金精煉劑及其制備和應用： 中國， 200910043041.8[P]. 2009-8-26.

[6] 王金祥. 低品位廢雜銅再生綜合利用技術(shù)研究[J]. 資源再生， 2012， 9： 54-56.

[7] 李龍山. 雜銅的再生精煉[J]. 工藝研究， 1988， 4： 24-29.

[8] 黃勁松，彭超群，章四琪，等. 無鉛易切削銅合金[J]. 中國有色金屬學報， 2006， 19(9)： 1486-1493.

[9] 中南大學. 一種無鉛易切削鎂硅黃銅： 中國， 200910042723.7 [P]. 2009.07.22.

[10] 中南大學. 一種無鉛易切削鎂石墨黃銅： 中國， 200810030409.2 [P]. 2008.07.09

[11] 中南大學. 一種無鉛易切削鎂黃銅及其制造方法： 中國， 201310448821.7 [P]. 2014.01.01.

[12] 黃勁松，彭超群，章四琪，等. 無鉛易切削鎂黃銅的組織與性能[J]. 材料科學與工程學報， 2006， 24(6)： 854-857，886.

[13] 張路懷，肖來榮，姜媛媛，等. 鎂對銅鋅合金α→β相轉(zhuǎn)變的影響[J]. 特種鑄造及有色合金， 2009， 29(12)： 1078， 1169-1171.

[14] 肖來榮，張路懷，劉彥，等. 鎂黃銅的組織與性能研究[J]. 材料工程， 2010， 9： 10-14.

[15] 朱權(quán)利，李微，周建仁，等. 鎂對磷鈣無鉛黃銅組織和性能的影響[J]. 特種鑄造及有色合金， 2012， 32(6)： 580-583.

Effect of Mg on Microstructure and Properties of C3604 Alloy Produced from Brass Scrap

XIANG ChaojianI1, 2, LI Huaqing2, ZHU Shashuang3, CHEN Zhongping2, ZHANG Xi2, YANG Dongchao3

(1. Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. Suzhou Institute for Non-Ferrous Metals Research Co., Ltd.,Suzhou 215026, China;3. Ningbo Changzhen Copper Co., Ltd., Ningbo 315470, China)

When producing C3604 alloy by remelting brass scrap, Mg can be applied to modify the properties of remelted scrap. The paper studied the effect of Mg on microstructure and properties of alloy C3604. The result showed that Mg in combination with impurity elements including Sn, Si, Fe and Al formed the Mg2Sn phase as well as multi-element particle aggregation phase containing Sn, Pb, Mg, Si and Al; the amount of Pb particle phase decreased due to Mg combining with Pb, and a large excess of Mg should be avoided; getting ideal morphology and good machinability was to keep Mg content at 0.28wt %

brass scrap recycling; leaded brass; magnesium; microstructure; machinability

2015-05-18

江蘇省銅合金材料工程技術(shù)研究中心企業(yè)合作項目(K1219004)

向朝建(1981-)，男，工程師。

TG146.1+1

A

1671-6795(2015)05-0023-05