精密結(jié)構(gòu)件用鉛黃銅的性能研究*

梁夢媛，靳 磊※，凌 真，肖 平

（1.飛亞達精密科技股份有限公司，廣東 深圳 518057；2.深圳市飛亞達科技發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518107）

0 引言

鉛黃銅具有優(yōu)良的力學(xué)性能、減磨性能、切削性能和冷加工性能，機械加工后零件精度高、表面質(zhì)量好[1-2]。因此，精密結(jié)構(gòu)件常常采用鉛黃銅制造，特別是尺寸小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的手表機心零件，比如機心夾板、條盒輪、外夾等零件加工精度要求更高、功能性強，其原材料大多是加工性能優(yōu)良的鉛黃銅。這些零件中，主夾板的結(jié)構(gòu)形狀變化最多、最復(fù)雜加工難度最大[3]，許多機心零件均安裝在主夾板上運行，是機心的關(guān)鍵零部件。

在手表行業(yè)，瑞士鉛黃銅性能最佳，日本鉛黃銅其次。而相比之下，中國鉛黃銅質(zhì)量水平相對較低、性能較差，在加工過程中易產(chǎn)生變形，出現(xiàn)尺寸偏差大、表面粗糙、刀具損耗大等問題。因此，國內(nèi)外手表機心廠大多采用進口鉛黃銅。瑞士吉爾格在1978年對精密機械和鐘表用易切削鉛黃銅的加工性能進行了研究和論述，并用其機械性能進行了加工性能的經(jīng)驗評估[4]；曹家治等在研究中發(fā)現(xiàn)，鉛黃銅的加工性能與其力學(xué)性能、殘余內(nèi)應(yīng)力、金相組織等均有相關(guān)性[5]。但關(guān)于國產(chǎn)鉛黃銅加工性能差的原因分析和改善方向探討的研究資料很少，且絕大部分為20 世紀的數(shù)據(jù)結(jié)果。隨著時代技術(shù)的發(fā)展，國產(chǎn)鉛黃銅原材料的生產(chǎn)設(shè)備、處理工藝[6]以及質(zhì)量不斷變化，早期的一些數(shù)據(jù)經(jīng)驗和分析方法已不再適用，需要重新驗證和改進，新的數(shù)據(jù)結(jié)論與經(jīng)驗也待發(fā)掘。

本文依據(jù)手表行業(yè)對機心零件的性能需求，通過金相、拉伸、氨熏和夾板加工驗證試驗，對國產(chǎn)鉛黃銅原材料性能、組織、檢測方法等進行了研究，分析比較了瑞士、日本、國產(chǎn)鉛黃銅的力學(xué)性能、殘余內(nèi)應(yīng)力、金相組織，并研究了材料性能對加工性能的影響，并確認了相關(guān)參數(shù)的適用范圍，為改善國產(chǎn)鉛黃銅材料生產(chǎn)質(zhì)量、擴大應(yīng)用市場提供方向和理論依據(jù)。

1 實驗方案

實驗材料中，瑞士鉛黃銅牌號為60A，日本鉛黃銅牌號為C3603，國產(chǎn)鉛黃銅是采購自上海浦東某銅業(yè)公司的改良型HPb60-2。

1.1 金相組織實驗

采用ZXQ-5型號半自動金相鑲樣機和AutoMet300型號半自動研磨拋光機，將瑞士鉛黃銅、日本鉛黃銅和國產(chǎn)鉛黃銅取樣、封樣并拋磨，在光學(xué)顯微鏡下觀察其金相組織。

1.2 殘余內(nèi)應(yīng)力測試與熱處理工藝探索

殘余應(yīng)力的測試采用兩種方案進行對比：一種是傳統(tǒng)方案，即依照國標GB/T 10567.2—2007，氨熏實驗法可檢測鉛黃銅內(nèi)部殘余內(nèi)應(yīng)力，其原理是銅合金在腐蝕環(huán)境和內(nèi)在殘余應(yīng)力的共同作用下會產(chǎn)生裂紋并擴展[7]，因此材料表面的裂紋代表了材料的殘余內(nèi)應(yīng)力。

GB/T 10567.2—2007 中采用的試劑是氫氧化鈉、硝酸或者硫酸，采購困難繁瑣、操作危險系數(shù)高，且實驗后如若裂紋細小則難以觀察。本文設(shè)計了改良方案，將試劑改為除油液、除蠟劑和銅合金拋光劑。實驗過程為：將樣品放入除油液和除蠟劑中清洗，再放入銅合金拋光劑中酸洗，吹干后懸掛于裝有氨水的干燥器中，封蓋氨熏4 h，取出再次清洗、酸洗并吹干，最后噴涂裂紋顯示劑觀察樣品表面裂紋數(shù)量與分布。

熱處理在QSH-1200M-2040T 型號馬弗爐中進行，加熱至270 ℃保溫4 h，再隨爐冷卻。

1.3 力學(xué)性能測試

將不同批次上海某公司生產(chǎn)的鉛黃銅，依據(jù)標準GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，采用CMT4304 微機控制電子萬能試驗機測量其抗拉強度和伸長率。

1.4 加工驗證實驗

加工驗證實驗中采用Willemin 401型號CNC，將鉛黃銅加工成一款手表機心主夾板，其中刀具采用國產(chǎn)鎢鋼刀，刀具直徑1～2 mm，設(shè)定轉(zhuǎn)速為12 000～18 000 r/min，進給速率為3 000～5 000 mm/min，切深0.1～0.3 mm。用V-12B型號投影儀和千分尺測試主夾板的孔徑和臺階高度。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 金相組織對比分析

鉛黃銅的易切削性主要來源于元素鉛，鉛在黃銅中極少固溶，多以獨立相存在，呈游離質(zhì)點分布在晶界或晶內(nèi)，既有潤滑作用，又能使切屑呈崩碎狀，可提高黃銅的切削性和耐磨性[8]。3 個國家鉛黃銅的金相組織檢測結(jié)果如圖3 所示，圖中的黑色顆粒狀組織經(jīng)能譜儀鑒定為鉛相。由圖1 對比可知，瑞士鉛黃銅中鉛相分布最為彌散均勻、尺寸小，平均尺寸約為8μm；日本鉛黃銅中鉛相分布較為集中，平均尺寸約為12 μm，個別鉛相尺寸較大，最大可達30μm 以上；國產(chǎn)鉛黃銅中鉛相分布更為集中，平均尺寸約為20μm，最大可達近40μm。

圖1 不同產(chǎn)地鉛黃銅的金相圖

由此可知，從金相組織方面來看，加工性能優(yōu)良的精密結(jié)構(gòu)件用鉛黃銅，其鉛相應(yīng)尺寸細小均勻、分布彌散，平均尺寸不超過15 μm。分析原因認為，細小彌散的鉛相在鉛黃銅加工時首先能促進斷屑、形成短屑、易于清除，有利于生產(chǎn)效率的提高；其次鉛相均勻也有利于材料整體組織均勻，加工時刀具振動小，刀具損耗?。蛔詈髷嘈疾灰渍尺B，可使零件毛刺減少、表面質(zhì)量提高。

為驗證上述結(jié)論，對3 種產(chǎn)地鉛黃銅進行機加工驗證實驗，并觀察其加工過程。結(jié)果如表1 所示，瑞士鉛黃銅在加工過程中刀具振動最小、損耗最小、零件表面毛刺最少；國產(chǎn)鉛黃銅刀具振動和損耗較大、零件表面毛刺最多，印證了上述結(jié)論。

表1 三國產(chǎn)地鉛黃銅主夾板試加工對比實驗結(jié)果

2.2 殘余內(nèi)應(yīng)力分析

金屬原材料在鍛造、機械加工、熱處理等過程會因不均勻塑性變形或相變都可能產(chǎn)生殘余應(yīng)力，當(dāng)金屬內(nèi)部殘余應(yīng)力平衡時，金屬組織性能較好；當(dāng)金屬內(nèi)部殘余應(yīng)力失衡時，金屬內(nèi)應(yīng)力發(fā)生釋放并產(chǎn)生變形[9]。手表機心用鉛黃銅大多為薄板，在生產(chǎn)過程中經(jīng)歷了多道加工形變，極有可能在板材中積累了大量殘余內(nèi)應(yīng)力，為避免機械加工后的零件變形，在機械加工前，對板材進行殘余內(nèi)應(yīng)力測試是十分重要的。對于高精度機械手表，甚至要求能對板材中殘留的微量殘余內(nèi)應(yīng)力進行測試。

用傳統(tǒng)和改良后的氨熏實驗法測試國產(chǎn)鉛黃銅原材料樣品，結(jié)果如圖2所示。由圖可知，對于國產(chǎn)鉛黃銅，經(jīng)過傳統(tǒng)的氨熏實驗，樣品表面無明顯裂紋出現(xiàn)；而經(jīng)改良后的氨熏實驗法，表面出現(xiàn)多條細小的裂紋，證明改良后的氨熏實驗法可更為清晰準確地判別出材料內(nèi)部存在的微量殘余內(nèi)應(yīng)力。

圖2 國產(chǎn)鉛黃銅原材料氨熏實驗結(jié)果

大量殘余內(nèi)應(yīng)力在材料機加工時釋放，會導(dǎo)致形變，精度大大下降，工業(yè)上一般采用自然時效的方式，將材料長期放置后再使用。自然時效耗時長，不利于生產(chǎn)效率的提高，本文采用低溫退火的方法消除國產(chǎn)鉛黃銅殘余內(nèi)應(yīng)力。將國產(chǎn)鉛黃銅退火后，用改良后的氨熏實驗法檢測效果，結(jié)果如圖3 所示，樣品表面無任何裂紋，說明退火后國產(chǎn)鉛黃銅的殘余內(nèi)應(yīng)力已消除。

圖3 低溫退火后國產(chǎn)鉛黃銅氨熏實驗結(jié)果

2.3 力學(xué)性能測試分析

瑞士吉爾格在對易切削鉛黃銅的加工性能研究和評估時，將鉛黃銅制成拉伸樣棒、測試其力學(xué)性能參數(shù)，同時對材料進行了加工實驗數(shù)據(jù)收集和對比分析，得出以下結(jié)論：抗拉強度Rm與伸長率A的比值Rm/A可用來評估手表機心用鉛黃銅的加工性能，當(dāng)比值處在范圍5～8.5時，其加工性能良好[4]。但歷經(jīng)40 多年的發(fā)展，鉛黃銅原材料不斷改進，當(dāng)代精密零件的要求也越來越高，同時力學(xué)性能檢測的樣品形狀尺寸、檢測標準和檢測設(shè)備也大不相同，因此該結(jié)論需要重新檢驗和修正。

不同產(chǎn)地鉛黃銅的抗拉強度和伸長率進行測試，結(jié)果如表2所示。由表2可知，不同產(chǎn)地鉛黃銅的抗拉強度和伸長率比值差異大，結(jié)合不同產(chǎn)地鉛黃銅的加工性能差異，也從側(cè)面論證了鉛黃銅的加工性能與其抗拉強度與伸長率的比值Rm/A有關(guān)。

表2 不同產(chǎn)地手表機心用鉛黃銅的抗拉強度和伸長率

3 應(yīng)用加工驗證結(jié)果

為驗證上述去應(yīng)力退火工藝對鉛黃銅加工性能的優(yōu)化作用，以及探討鉛黃銅的加工性能與其抗拉強度與伸長率的比值Rm/A的數(shù)據(jù)關(guān)系，進行了鉛黃銅應(yīng)用加工實驗。

圖4 是退火和未退火的實驗結(jié)果，圖中每一個點代表一個主夾板的對應(yīng)尺寸，圖中紅色實線代表尺寸公差范圍上限，紅色虛線代表尺寸公差下限。由圖可知，低溫退火后的鉛黃銅主夾板尺寸合格率高達70%以上，而未低溫退火后的鉛黃銅主夾板尺寸合格率僅為30%～40%。相比未低溫退火的鉛黃銅，低溫退火后的鉛黃銅主夾板尺寸分布更為集中、合格率更高。實驗結(jié)果驗證了低溫退火工藝對鉛黃銅加工性能的優(yōu)化作用。

圖4 兩種熱處理狀態(tài)的國產(chǎn)鉛黃銅主夾板尺寸對比

測試不同批次、相同工藝規(guī)格的國產(chǎn)鉛黃銅抗拉強度與伸長率，并進行上述加工驗證實驗，計算主夾板合格率，結(jié)果如圖5所示。由圖可知，鉛黃銅的主夾板加工合格率確與抗拉強度與伸長率的比值Rm/A有關(guān)，為保證主夾板加工合格率在60%以上，鉛黃銅抗拉強度與伸長率的比值Rm/A應(yīng)在15～35 MPa/%之內(nèi)。

圖5 國產(chǎn)鉛黃銅主夾板合格率隨比值Rm/A變化

4 結(jié)束語

本文通過對比分析不同產(chǎn)地的精密結(jié)構(gòu)件用鉛黃銅的金相組織、力學(xué)性能和機加工效果，優(yōu)化鉛黃銅殘余內(nèi)應(yīng)力檢測方法并驗證效果，得出以下結(jié)論。

（1）為保證手表機心用鉛黃銅具有良好的加工性能，材料的金相組織中，鉛相應(yīng)尺寸細小均勻、分布彌散，鉛相的平均尺寸不超過15μm。

（2）在氨熏實驗法中，將除油液、除蠟劑和銅合金拋光劑替代強酸強堿試劑，并且用裂紋顯示劑顯現(xiàn)裂紋，可以清晰、便捷地檢測精密結(jié)構(gòu)件用鉛黃銅是否具有殘余內(nèi)應(yīng)力，同時降低實驗危險。馬弗爐中加熱至270 ℃保溫4 h后隨爐冷卻，可去除材料的殘余內(nèi)應(yīng)力。

（3）手表機心用鉛黃銅材料的加工性能，與鉛黃銅材料抗拉強度與伸長率的比值Rm/A有關(guān)；當(dāng)Rm/A在15～35 MPa/%之內(nèi)，鉛黃銅加工性能良好。