摻雜元素對黃銅切削性能的影響

關(guān)鍵詞：黃銅；摻雜元素；金相組織；力學(xué)性能；切削性能

黃銅作為銅合金中最為重要的合金之一，具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱和冷熱加工性能、且有耐腐蝕和優(yōu)良的力學(xué)性能[1]。普通黃銅是主要由Cu和Zn兩種元素構(gòu)成的合金，而復(fù)雜黃銅是在普通黃銅的基礎(chǔ)上繼續(xù)加入微量的合金元素如Mn、Si、Pb、Sn、Al、Ni、Fe等[2]，這些元素會以固溶反應(yīng)或原位反應(yīng)合成第二相的形式存在于基體中，通過固溶強化或者第二相強化提高合金的力學(xué)性能，同時彌散分布的第二相質(zhì)點優(yōu)化了黃銅的加工性能[3]。由于黃銅制品在各個領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，故找到合適摻雜元素的高性能易加工黃銅成為黃銅加工領(lǐng)域的迫切需求[4]。

Sn黃銅在國際上又被稱為“海軍黃銅”[5]，Sn元素溶入銅基固溶體中，其原子和溶劑晶格中的銅原子互換，形成置換固溶體，起到固溶強化作用。隨著Sn摻入量的增加，固溶體中開始出現(xiàn)了γ1相（即CuZnSn化合物[6]），該相不利于合金塑性變形。添加了Pb元素的黃銅在切削過程產(chǎn)生的熱量較高，這些熱量可使低熔點的Pb熔化，熔化的Pb可發(fā)揮類似石墨的潤滑作用[7-8]，故Pb元素的存在顯著提高了黃銅的加工性能[9]。此外，黃銅合金中Pb元素含量的減少會導(dǎo)致加工表面邊緣毛刺尺寸增大，切削力增大。文獻[10]分別在黃銅中加入1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）、2%、3%、4%的Si元素制備硅黃銅，發(fā)現(xiàn)加入1%Si黃銅后切削力和表面粗糙度（Ra）最大，加入4%Si黃銅后切削力和表面粗糙度最小。吳維冬等[11]在黃銅中加入Mg、Sb等合金元素，形成了硬且脆的金屬間化合物顆粒。這些金屬間化合物在基體中彌散均勻析出，切削時表面會同時受到熱應(yīng)力和位錯應(yīng)力的耦合作用導(dǎo)致應(yīng)力集中，加強了斷屑性能，從而使Mg、Sb黃銅在具有更好力學(xué)性能的同時兼具與Pb黃銅相當(dāng)?shù)那邢餍阅堋?/p>

鑒于復(fù)雜黃銅的多樣性，先前的研究主要集中于同種元素不同含量摻雜黃銅切削性能的對比。然而鮮有不同類型元素?fù)诫s的黃銅在切削性能上的比較。因此，本文著重針對Sn摻入量為2%的黃銅（以下簡稱為2Sn黃銅）、Sn摻入量為0.5%的黃銅（以下簡稱為0.5Sn黃銅）、主要摻雜元素為Sn和Fe的黃銅（以下簡稱為Sn-Fe黃銅）、主要摻雜元素為Pb的Pb黃銅以及主要摻雜元素為Si的Si黃銅，對比探討了摻雜元素對復(fù)雜黃銅合金金相組織、力學(xué)性能和切削性能的影響規(guī)律，以獲得在保證黃銅機械強度的同時具有最優(yōu)切削性能的黃銅的元素?fù)诫s方案。

1試驗部分

1.1合金材料的制備

本文利用中頻感應(yīng)爐制備了6種合金材料，圖1所示為簡易示意圖，熔煉時將感應(yīng)爐溫度范圍設(shè)置為1050～1100℃。首先將中頻感應(yīng)爐先升溫預(yù)熱，達到設(shè)定溫度后加入紫銅，觀察紫銅快融化時在其表面覆蓋一層木炭，待銅完全熔化后切斷電源，保溫2min，降低溫度后加入鋅塊，保溫4min，最后加入其他摻雜元素，在1060℃下保溫5min，全部熔化后，保溫一段時間，經(jīng)攪拌扒渣后澆鑄。最后把鑄錠加工至長度為150mm、外圓直徑為20mm的圓棒。通過ZeissSigma300型能譜儀（蔡司公司）對制成的黃銅材料進行多點掃描，并結(jié)合相關(guān)文獻[12-14]，得出摻雜不同元素黃銅的化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（表1）。

1.2黃銅合金組織的表征

首先用線切割設(shè)備從鑄棒上切割一部分樣品，用環(huán)氧樹脂進行鑲嵌，然后依次用380#、500#、1000#、2000#的砂紙進行濕式打磨至表面無明顯劃痕，再機械拋光至鏡面，最后采用高氯化鐵鹽酸水溶液（9gFeCl3+30mL濃鹽酸+200mL水）腐蝕30s后用酒精沖洗后并迅速吹干，借助AxioImagerM型金相顯微鏡（蔡司公司）觀察試樣的微觀組織，并進行圖像采集。

1.3黃銅合金的力學(xué)性能測試

材料的拉伸試驗在MTSTeststar810型電子萬能材料試驗機（美國MTS公司）上進行，拉伸速度為1mm/min，拉伸試樣尺寸如圖2所示。

利用上述金相研磨后的鑲嵌試樣，在HVS-1000型小負(fù)荷Vickers硬度計（上海高致精密有限公司）上進行材料硬度測試。加載載荷為300g，加載時間15s，對每個試樣進行10次測量并取平均值。

1.4黃銅合金的切削性能評價

切削試驗在金菱C3136數(shù)控車床上開展，刀片采用山高TNMG160404-MF2TP100硬質(zhì)合金刀具。切削力測量設(shè)備為Kistler9257B（奇樂石公司）測力儀；切削過程實物圖和切削力（Fx、Fy、Fz為不同方向的切削力）方向如圖3所示。切削參數(shù)為：線速度60m/min，背吃刀量為0.5mm，進給量0.125mm/r，具體詳細(xì)切削參數(shù)見表2。每次切削完后收集并觀察黃銅合金的切屑形貌。在每根黃銅棒切削長度達到360mm后采用二維劃線式表面粗糙度測量儀沿軸向測量已切削黃銅棒圓柱面的表面粗糙度。

2結(jié)果與討論

2.1不同摻雜元素黃銅組織形貌分析

圖4所示為不同摻雜元素黃銅的金相組織，其中α相是以Cu為基體的固溶體，具有面心立方結(jié)構(gòu)，不易腐蝕，在明場下呈現(xiàn)亮白色，多為條狀或不規(guī)則塊狀，且無明顯方向性。β相是以電子化合物Cu、Zn為基體的固溶體，具有體心立方結(jié)構(gòu)，含鋅量較高且易受侵蝕，在明場下顏色較深，呈現(xiàn)出黑色或深灰色，沒有明顯晶界。第二相不易被腐蝕，呈現(xiàn)出深藍色、黑色顆粒狀或棒狀。

同時，由圖4（a）、（b）可以看出，其中β相呈長條狀分布，在β相界中分布著大量塊狀的γ1相組織。隨著Sn質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，晶粒細(xì)化，形成獨特的細(xì)長條型β相結(jié)構(gòu)，生成γ1相組織[15]，并能夠與β相共存形成這種獨特的（β+γ1）相的結(jié)構(gòu)。圖4（c）所示Sn-Fe黃銅中長條及小塊狀組織為α相，基體組織為β相組織，其間可以看到較多的第二相Fe顆粒質(zhì)點彌散分布于晶界內(nèi)。由于鐵在黃銅中溶解度極少，超過其溶解度即以富鐵相的微粒析出并作為“人工晶核”細(xì)化黃銅組織，并阻止再結(jié)晶晶粒長大，從而提高黃銅的力學(xué)性能和加工性能[16]。圖4（d）所示Pb黃銅組織中長條狀及小塊狀錯落排布的組織為α相，β相組織分布于α相之間。Pb極少固溶于銅鋅合金中，大多以獨立相的形式存在，呈游離質(zhì)點在晶粒內(nèi)部和晶界析出，有著細(xì)化晶粒的作用。圖4（e）所示為Si黃銅中的α相呈不規(guī)則長條狀和塊狀分布于基體之中，兩相的組織形態(tài)也發(fā)生較大的變化，由于Si元素含量變大，α相區(qū)縮小和β相區(qū)增大。圖4（f）所示為H59標(biāo)準(zhǔn)黃銅的金相組織結(jié)構(gòu)，其中α相呈不規(guī)則形狀，錯落散布在暗色的β相組織基體中，并有一些第二相顆粒質(zhì)點彌散分布于晶界中[17]。

2.2不同摻雜元素黃銅材料力學(xué)性能分析

圖5所示為不同摻雜元素黃銅材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線和力學(xué)性能。從圖中可以看出，不同黃銅的屈服強度（Rp0.2）范圍為132～205MPa，維氏硬度范圍為106～165HV。其中Sn元素?fù)诫s量從0.5%增加到2.0%后，黃銅合金的抗拉強度提高但延伸率下降[18]，這是由于Sn元素的摻入細(xì)化了晶粒，使晶界變多，導(dǎo)致位錯移動困難，使得抗拉強度增大。Sn元素的摻入同樣增大了β相在組織中的占比，同時少量Sn元素與基體組織形成固溶強化，提高了Sn黃銅的硬度。Sn-Fe黃銅的抗拉強度較0.5Sn黃銅下降了9%（圖5（a）），但是延伸率較好，是由于Fe第二相顆粒質(zhì)點在晶間起到潤滑作用；Pb黃銅的強度、硬度均較低，分別為H59黃銅的95%和86%，因為Pb的游離質(zhì)點細(xì)化了晶粒并在晶界析出生成大量微觀滑移面，使其具有較低的力學(xué)性能；Si黃銅的抗拉強度和硬度最高[19]，分別為H59黃銅的107.9%（圖5（a））和134%（圖5（c）），因為摻雜了Si元素的黃銅組織中β相在（α+β）相結(jié)構(gòu)中占比較大，而β相組織的強度、硬度都較高，故Si黃銅具有較高的硬度和抗拉強度[20]。

2.3不同摻雜元素黃銅切削力分析

6種不同摻雜元素的黃銅合金棒材，在每刀切削長度為45mm、切削至360mm后，每刀Fx方向的主切削力如圖6（a）所示。圖6（b）所示為每一段切削長度測力儀所采集到的切削力波形數(shù)據(jù)，進刀前所有力幾乎為0，在切削時產(chǎn)生Fx、Fy、Fz3個方向上的力，其中Fx最大，為主切削力，主切削力從大到小依次為：0.5Sn黃銅gt;2Sn黃銅gt;Sn-Fe黃銅gt;Si黃銅gt;H59黃銅gt;Pb黃銅。可以看出，2Sn黃銅的切削力小于0.5Sn黃銅，但較H59黃銅提高了37%。因Sn摻雜量增加，β相從塊狀轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅艿拈L條網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時獨特的（β+γ1）結(jié)構(gòu)降低了切削力。Sn-Fe黃銅由于Fe質(zhì)點彌散在晶體和晶界內(nèi)，細(xì)化晶粒，并阻礙了晶粒的進一步生長，有助于降低切削力，相較0.5Sn黃銅，其切削力減小了約9%。Pb黃銅中由于Pb極少固溶于銅鋅合金中，大多以獨立相形式游離于晶粒內(nèi)部和晶界，細(xì)化了晶粒。在切削過程中，Pb質(zhì)點受熱易融化，在切削表面起到“潤滑”的作用，使切削力降低，其切削力較H59黃銅減少了19%。Si黃銅的抗拉強度和硬度分別為H59黃銅的107.9%和134.1%，由于Si元素的含量較大，增大了β相的占比，故其切削力相應(yīng)增大，比H59黃銅提高了21.5%。而且Si元素主要固溶于β相中，加大了β相和α相之間的硬度差，反而更利于切削。

由圖7可見，6種材料的平均切削力在50～100N的范圍內(nèi)，不同摻雜元素材料的平均切削力的大小排序為：0.5Sn黃銅gt;2Sn黃銅gt;Sn-Fe黃銅gt;Si黃銅gt;H59黃銅gt;Pb黃銅。其中Pb摻雜黃銅合金平均切削力明顯小于其他黃銅合金。

2.4不同元素?fù)诫s黃銅切削面表面粗糙度分析

圖8展示了6種材料在切削長度達到360mm后的表面粗糙度情況。由圖可得，2Sn黃銅和0.5Sn黃銅的表面粗糙度非常接近；Si黃銅和H59黃銅的表面粗糙度要優(yōu)于其他4種材料；而Pb黃銅和Sn-Fe黃銅的表面粗糙度略高。這是由于添加了Fe和Pb元素的黃銅在切削時所產(chǎn)生的熱量較高，切削溫度的上升增強了被刀具擠壓的黃銅材料的熱軟化效應(yīng)[21]，因此導(dǎo)致其表面粗糙度的增大。

2.5不同元素?fù)诫s黃銅的切屑分析

6種不同黃銅合金在切削速度為60m/min下的宏觀切屑形貌如圖9所示。由圖可見，2Sn黃銅在切削時所產(chǎn)生的切屑整體都為C型碎屑，隨著Sn含量的減少其斷屑性能變差，這是由于相界中分布有利于斷屑的Cu、Zn、Sn脆性化合物也相應(yīng)減少，進而導(dǎo)致其出現(xiàn)螺旋狀長條切屑[22]；Sn-Fe黃銅合金的切屑整體都為C型碎屑，其中游離彌散分布的Fe質(zhì)點起到較好的斷屑作用；Pb黃銅因其晶界中存在的游離Pb質(zhì)點，切口效應(yīng)明顯，導(dǎo)致整體切屑呈細(xì)粉狀C型碎屑，無其他形貌的切屑出現(xiàn)，切屑性能好；Si黃銅中因Si元素固溶于β相使其變脆，包括相界的脆性化合物Cu9Si，在切削過程中不同軟硬相在切削力的作用下相互作用斷裂，一定程度上提高了其斷屑能力；H59黃銅中由于含有Pb元素，故整體斷屑性能較好，其切屑呈C型碎屑，形貌均勻。

3結(jié)論

（1）不同摻雜黃銅的抗拉強度依次為：Si黃銅gt;2Sn黃銅gt;H59黃銅gt;0.5Sn黃銅gt;Sn-Fe黃銅gt;Pb黃銅，Sn元素過量導(dǎo)致黃銅晶粒結(jié)構(gòu)細(xì)化并使其力學(xué)性能提高。Fe和Pb不溶于銅鋅合金，游離質(zhì)點阻礙晶粒生長并降低力學(xué)性能。由于Si元素的高含量增大了β相在（α+β）中占比，導(dǎo)致合金的抗拉強度和硬度較H59黃銅分別提高了7.9%和34.1%。

（2）不同摻雜黃銅的平均切削力依次為：0.5Sn黃銅gt;2Sn黃銅gt;Sn-Fe黃銅gt;Si黃銅gt;H59黃銅gt;Pb黃銅；2Sn黃銅獨特的（β+γ1）相晶體結(jié)構(gòu)降低了切削力，其切削力小于0.5Sn并較H59黃銅提高了37%。Sn-Fe黃銅切削力較0.5Sn減少了9%，但是Fe質(zhì)點優(yōu)化了斷屑性能。Pb游離質(zhì)點降低了合金的切削力，使切削力較H59黃銅減少了19%。Si黃銅切削力僅比H59黃銅提高了21.5%，且斷屑表現(xiàn)良好。

（3）Pb黃銅的切削加工性能較好，但是Si黃銅在力學(xué)性能較好的同時還表現(xiàn)出較好的切削加工性能。