低鎳鉛鋅白銅bzn9-39-10合金的研制

低鎳鉛鋅白銅bzn9-39-10合金的研制

白銅可分為五種類型：普通白銅、鐵白銅、錳白銅、鋅白銅、鋁白銅。其中鋅白銅具有近似白銀般的美麗光澤,也稱為“德銀”,具有良好的冷熱加工性能、優(yōu)良的耐腐蝕性能,是儀器、儀表、造幣、工藝美術(shù)品、眼鏡等行業(yè)常用的材料。近幾年來我國的鋅白銅材料的研究取得了一定的進(jìn)展,已頒布的GB/T5234-2001規(guī)定了18種白銅,比GB5234-85新增加了4種,其中鋅白銅有兩種,即BZn18-18(C75200)、BZn18-26(C77000),可見與實(shí)際需要還有很大差距。為了滿足我國日益增長的眼鏡鉸鏈用鉛鋅白銅易切削材料的需要,滿足眼鏡型材生產(chǎn)工藝的要求,擬研制的鉛鋅白銅不僅具有優(yōu)良的冷熱加工性能,而且材料的耐腐蝕性能、切削性能以及顏色等也要接近GB5234-85中鉛鋅白銅BZn15-24-1.5的規(guī)定,同時還要大幅降低原料成本。1鋅白銅的zn含量及加工性能從Cu-Ni-Zn三元系合金的縱切面相圖可知,隨著Ni含量的遞增,合金α相向Zn側(cè)擴(kuò)展,在擴(kuò)大α相區(qū)的同時,α/α+β相界產(chǎn)生“歪扭”。Ni含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)為10%左右的鋅白銅,當(dāng)Zn含量在35%～45%時,出現(xiàn)α+β雙相金相組織,此時合金具有較高的強(qiáng)度和硬度、較好的塑性、良好的冷熱加工性能。在鋅白銅合金中,降低Ni含量雖然會降低強(qiáng)度而提高塑性,但耐腐蝕性能則變差,銀白色也會向黃色轉(zhuǎn)變,在適當(dāng)降低Ni含量,提高Zn含量或添加其他元素時,可在強(qiáng)度不降低或稍有提高的情況下提高塑性,有利于改善鋅白銅的加工性能,減輕應(yīng)力破裂傾向,改善合金顏色。因此,試驗(yàn)中把Ni降到7%～9%,而把Zn含量提高,以便在保持一定的強(qiáng)度和耐腐蝕性能的條件下,提高合金的塑性,克服應(yīng)力破裂,達(dá)到“節(jié)鎳”的目的。2試驗(yàn)條件和方法2.1中能測試鉻的工藝結(jié)合眼鏡型材加工工藝,合金的試驗(yàn)工藝如下:配料→熔煉→鑄錠→鑄錠車皮→加熱擠壓→線坯焊接→退火→拉拔(或軋制)。2.2金屬加入量的確定采用200kW中頻感應(yīng)爐,原料采用1#電解銅、鎳、鋅、鉛,根據(jù)熔煉配料原則,對不同成分的合金進(jìn)行配科計(jì)算,確定各種金屬的加入量。裝料順序?yàn)镃u+Ni→Zn→攪拌→Pb→攪拌→撈渣→澆注,熔煉溫度為1180～1210℃。鑄錠規(guī)格為?100mm。2.3擠壓機(jī)擠壓鑄錠經(jīng)車床車削,去除夾渣、夾雜、氣孔后等表面缺陷后,采用8000kN臥式擠壓機(jī)將其擠壓成?10mm的線材。擠壓條件和性能見表1。2.4材料的性能測定采用300kN液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)測定材料的抗拉強(qiáng)度和伸長率,用HD-1000顯微硬度計(jì)測定維氏硬度值。對選定的合金材料,取試樣進(jìn)行下列各項(xiàng)性能測定試驗(yàn):①用日本島津ASM-SX和EDA×9100掃描電子顯微鏡觀察合金的金相組織及鉛分布;②進(jìn)行合金的切削性能試驗(yàn);③用全浸法,比較合金的耐腐蝕性能;④拉拔后,測定不同加工率下合金的力學(xué)性能;⑤測定不同退火溫度下合金的力學(xué)性能。3試驗(yàn)結(jié)果與討論3.1cu含量對合金拉伸性能的影響不同銅、鎳含量的合金擠壓態(tài)結(jié)果和力學(xué)性能測定值見表2。從Cu-Ni-Zn系縱切剖面相圖可知,A1合金為α單相銅合金。由于高溫下α相呈硬態(tài),熱加工性能差,擠壓困難。高溫擠壓后,表面裂紋多,易脆斷,抗拉強(qiáng)度和硬度值較低,擠壓工藝難以完成。在擠壓工序中,硬態(tài)時的較大摩擦力導(dǎo)致升溫劇烈,合金局部超過熔點(diǎn)而熔化后,擠壓線坯表面產(chǎn)生徑向裂紋。A2～A6合金為α+β雙相合金,A7合金為β單相合金。隨Cu含量的降低,含Zn量的增加,出現(xiàn)α+β雙相組織。當(dāng)合金中Cu含量降為44%左右時,合金轉(zhuǎn)變?yōu)棣聠蜗嘟M織,其抗拉強(qiáng)度度值最大而伸長率最低。由于高溫下β相是軟態(tài)的,擠壓容易實(shí)現(xiàn),故高溫擠壓后,線坯表面光滑,無裂紋,抗拉強(qiáng)度和硬度值增大,伸長率降低,熱加工性能好。合金中適宜的Cu含量應(yīng)使合金的相組織為α+β雙相組織,其具有較高的抗拉強(qiáng)度和硬度,較好的伸長率,良好的冷熱加工性能。因此,確定合金中銅含量以49%～52%為宜。隨Ni含量的降低,合金的抗拉強(qiáng)度與硬度值降低,伸長率增大,但合金的顏色會發(fā)黃變差。因而合金中Ni含量以9%為宜,Ni含量過高,擠壓工藝將難以完成。從表2的試驗(yàn)給果可以看出,隨Pb含量的增加,線坯表面裂紋增加,脆性增大,抗拉強(qiáng)度、伸長率降低。這主要是在Cu-Ni-Zn系白銅中加入Pb,Pb沿α相晶界存在,使鋅白銅產(chǎn)生熱脆和應(yīng)力破裂,導(dǎo)致其熱加工性能變差,抗拉強(qiáng)度、伸長率降低。為保證擠壓工藝順利完成,合金中Pb的加入量不應(yīng)高于1.2%,但如果Pb含量過低,則又會影響合金材料的切削性能,因此合金中的Pb含量以1.0%為宜,材料在保持較高的抗拉強(qiáng)度時,仍有較好的伸長率。3.2金相組織及晶體結(jié)構(gòu)圖1是BZn9-39-1.0和標(biāo)樣(BZn15-24-1.5進(jìn))進(jìn)行金相分析,得到的金相組織及Pb分布的相片。從圖1中的金相組織可以看出,BZn9-39-1.0金相組織為α+β雙相組織,Pb分布在α相晶界及β相中。BZn15-24-1.5合金為α單相組織,Pb分布在α相晶界。Pb顆粒大小在0.002～0.014mm之間,分布在晶界間。通過后續(xù)加工,使Pb不斷擴(kuò)散,達(dá)到使Pb顆粒細(xì)小并均勻分布的目的。3.3pb含量的影響對同規(guī)格的試樣,以相同時間、切削量的多少,比較合金的切削性能。變化曲線見圖2。從圖2中可以看出,合金材料的切削性能主要取決于Pb的含量,其他成分的變化對合金材料的切削性能影響不大。隨Pb含量的增加,合金材料的切削性能變好。所研制的Pb含量為1.0%的合金材料BZn9-39.0-1.0(51Cu-9Ni-1.0Pb-39Zn)的切削性能,與Pb含量為2.0%的合金材料51Cu-9Ni-2.0Pb-38.0Zn相比,切削性能已達(dá)80%以上,能滿足眼鏡行業(yè)用于制造各種規(guī)格、尺寸的高檔眼鏡鉸鏈型材的需要。3.4耐腐蝕性能為了測定合金的耐大氣腐蝕性能,選擇HPb59-1黃銅和BZn15-24-1.5鉛鋅白銅標(biāo)樣及所研制的“低鎳”鉛鋅白銅BZn9-39-1.0在光電天平上稱重后,用細(xì)尼龍線懸掛在3%濃度的NaCl溶液燒杯中,并將燒杯置于恒溫水浴(35℃)內(nèi)浸泡30天,中間更換溶液一次。用失重法計(jì)算平均腐蝕率和平均浸蝕率。比較研制合金材料的耐腐蝕性能。試驗(yàn)用合金材料為圓柱捧材,試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可以看出,研制的“低鎳”白銅材料BZn9-39.0-1.0耐腐蝕性能優(yōu)于HPb59-1黃銅,但由于含Ni量降至9%,耐腐蝕性能稍遜于BZn15-24-1.5。3.5可能產(chǎn)生的顏色研制的“低鎳”新型白銅材料BZn9-39.0-1.0的顏色為淺黃白色,該顏色用戶可接受,因?yàn)橛迷摬牧仙a(chǎn)的眼鏡鉸鏈型材,在后續(xù)處理中還需拋光、電鍍等。3.6拉伸性能取擠壓態(tài)的“低鎳”新型白銅材料BZn9-39.0-1.0,在650℃時退火,保溫1h后,用拉絲機(jī)在不同的加工率ε下拉拔并取樣,用300kN液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)測定合金材料的抗拉強(qiáng)度及伸長率,并用HXD-100顯微硬度計(jì)測定相應(yīng)的維氏硬度值。根據(jù)測定值的“散點(diǎn)圖”,采用最小二乘法,將抗拉強(qiáng)度、伸長率對加工率的變化作曲線擬合,擬合方程分別為:σb=(1+ea+bε)/ea+bε(1)δ5=a1eb1ε(2)σb=(1+ea+bε)/ea+bε(1)δ5=a1eb1ε(2)式中,σb為抗拉強(qiáng)度,MPa;a、b、a1、b1為系數(shù)值;δ5為伸長率,%;ε為加工率,0≤ε<1,%。經(jīng)計(jì)算,“低鎳”合金材料BZn9-39.0-1.0的曲線擬合方程為:σb=(1+e?6.13?0.9ε)/e?6.13?0.9ε(0≤ε≤0.36)(3)δ5=0.4e?5ε(0≤ε≤0.36)(4)σb=(1+e-6.13-0.9ε)/e-6.13-0.9ε(0≤ε≤0.36)(3)δ5=0.4e-5ε(0≤ε≤0.36)(4)圖3是合金材料的力學(xué)性能(σb、δ5、HV)隨加工率ε的關(guān)系曲線。從圖3中可以看出,隨ε的增大,材料的σb、HV增大,δ5降低,即出現(xiàn)所謂“加工硬化”現(xiàn)象。研制的新型合金材料的ε可達(dá)36%以上,當(dāng)ε達(dá)36%時,合金材料的σs可達(dá)636MPa以上,HV可達(dá)190以上,同時δ5不低于7%。3.7力學(xué)性能測定取研制的“低鎳”白銅BZn9-39.0-1.0直徑為?9.32mm的硬態(tài)試樣,經(jīng)不同退火溫度,保溫1h后空冷,測定其力學(xué)性能(σb、δ5、HV)。圖4為其力學(xué)性能隨退火溫度變化的關(guān)系曲線。從圖4中可以看出,合金材料的抗拉強(qiáng)度及硬度值皆隨退火溫度的升高而降低,而δ5則隨退火溫度的升高而增