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錫含量對(duì)復(fù)雜鋁黃銅組織性能的影響

發(fā)布時(shí)間:2021-05-08點(diǎn)擊:2256

摘要 :本文設(shè)計(jì)了由 Cu、Zn、Al、B、P、Ce、Sn 等 7 種元素組成的復(fù)雜鋁黃,并考察了不同 Sn 含量對(duì)該復(fù)雜鋁黃組織及性能的影響。結(jié)果表明,隨著 Sn 含量的增加,合金組織中的共析相的寬度明顯增加,但是 Sn 含量對(duì)合金的物相組成影響不大。隨著 Sn 含量的增加合金的抗拉強(qiáng)度呈先升高后下降趨勢(shì)而硬度和抗腐蝕性能則呈增大趨勢(shì)變化。

關(guān)鍵詞 :復(fù)雜黃銅 ;錫含量 ;鑄造 ;力學(xué)性能 ;耐腐蝕性

中圖分類(lèi)號(hào) TG146.11     文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A      文章編號(hào) :1002-5065(2021)02-0035-3

黃銅是一種以銅鋅為基礎(chǔ)的合金材料,因其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能被廣泛應(yīng)用于換熱系統(tǒng)和電傳輸系統(tǒng)[1-3]。單純的銅鋅力學(xué)性能有限,加工性能差且易腐蝕。因此,往往需要向合金基體中加入某些微量元素來(lái)對(duì)其相組成等進(jìn)行調(diào)控進(jìn)而提升其力學(xué)性能和耐腐蝕性能。Al、Bi、Fe、Mg、Mn、Ni、Pb、P、Ce、Si、Sn 等元素都被微量添加進(jìn)黃銅基體以達(dá)到改善合金性能的目的。Al 和 Si 能夠使黃的 β 相區(qū)左移,提高合金的強(qiáng)度,并在合金表面形成致密的氧化膜阻止腐蝕的進(jìn)一步進(jìn)行,而在細(xì)化晶粒方面能力有限[4,5];Mn 的加入對(duì)黃銅的微觀組織影響不大,但是可以改善黃銅的機(jī)械性能并提升其對(duì)海水氯化物的耐蝕性,同時(shí)提高合金耐熱性[6];Sn 的加入除了能夠使黃銅的 β 相區(qū)左移外,還能夠有效促進(jìn)晶粒的細(xì)化,提升合金的抗腐蝕性能[7];Ni 則能夠有效提高 α 相占比,并提高黃銅抗脫鋅腐蝕開(kāi)裂能力[8,9]。目前,針對(duì)某一微量元素添加量對(duì)復(fù)雜黃銅組織及性能影響的研究少,而 Sn 在簡(jiǎn)單黃中能夠同時(shí)改善力學(xué)性能和耐腐蝕性能。因此,但是 Sn含量對(duì)成分更加復(fù)雜的黃銅的力學(xué)性能及抗腐蝕性能的影響規(guī)律尚不明確。

本文結(jié)合前人的研究設(shè)計(jì)了一種更加復(fù)雜的黃銅合金成分(Cu-Zn-Al-B-P-Ce-Sn)并采用鑄造法制備了 Sn 添加量 分 別 為 0.005wt.%、0.01wt.%、0.015wt.%、0.02wt.%的復(fù)雜銅合金。研究了 Sn 含量對(duì)復(fù)雜銅合金組織及性能的影響規(guī)律。

1.實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)所采用的原料分別包括純銅顆粒(3N)、純鋅顆粒(3N)、純鋁顆粒(3N)、純錫顆粒(3N)、銅硼中間合金、鋁鈰中間合金和銅磷中間合金。

實(shí)驗(yàn)中采用熔煉結(jié)合澆注的方式制備黃銅,熔煉過(guò)程中首先向石墨坩堝中加入全部的鋅(按總質(zhì)量配比過(guò)量 3%)和部分的銅,加入的銅與鋅的質(zhì)量比為 6:4,之后將坩堝置于電阻爐中。升溫,待爐內(nèi)溫度升至 1050℃后保溫 5 分鐘并向金屬液表面加上覆蓋劑,再之后依次向金屬液中加入銅硼合金、銅磷合金、鋁鈰合金和錫,加料過(guò)程中的保溫間隔為 2min,***后向金屬液中加入剩余的銅并保溫 5min。澆注前向金屬液中加入一定比例的氟化鈉和冰晶石攪拌并撈渣,之后澆入到烘烤后的鋼模中凝固。合金的成分配比如表 1 所述。

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采用光學(xué)顯微鏡對(duì)腐蝕后的試樣的進(jìn)行了組織進(jìn)行了觀察,依次經(jīng)過(guò)粗磨、細(xì)磨、拋光和腐蝕等工序。腐蝕液為鹽酸和三氯化鐵的水溶液,具體成分為 HCl(30m L),F(xiàn)e Cl3(2.0g),H2O(120m L)。使用 XRD 對(duì)各成分銅合金的物相組成進(jìn)行了表征。采用 HV-1000 顯微維氏硬度測(cè)試不同試樣的硬度值,每個(gè)試樣測(cè)試 10 個(gè)點(diǎn)并取測(cè)試結(jié)果的平均值。

采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同成分銅合金的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試。采用 CHI660 電化學(xué)工作站測(cè)定不同試樣的極化曲線,評(píng)定材料極化曲線掃描速率為 2m V/s,采用三電極體系進(jìn)行測(cè)定,輔助電極為 Pt 電極,參比電極為飽和甘汞電極(SCE),試樣作為工作電極,測(cè)試面積為 10mm×10mm,溶液為 3.5wt.%d 的氯化鈉溶液。

2.結(jié)果與討論

1 為不同 Sn 含量的復(fù)雜鋁黃的金相組織,可以看出合金基體為白色的 α 相,基體上出現(xiàn)大量黑色枝晶組織。由文獻(xiàn)可知[10,11],該黑色枝晶狀組織為 α 相 +β 相的共析體。

隨著 Sn 含量的增加,復(fù)雜鋁黃銅中的黑色枝晶組織變粗。Sn 含量促進(jìn)了 α 相 +β 相共析體的形成。在觀察金相形貌的基礎(chǔ)上采用 XRD 對(duì)不同 Sn 含量銅合金的物相組成進(jìn)行了分析,結(jié)果如圖 2 所示。

可以看出,在 Sn 的加入量為 0.005wt.%~0.02wt.% 范圍內(nèi)時(shí),銅合金的物相組成均為銅相。因此,可以推斷所有的添加元素絕大多數(shù)都固溶于銅。Sn 含量對(duì)銅合金的物相組成影響不大。

3 為不同 Sn 含量復(fù)雜黃銅合金的拉伸曲線,可以看出當(dāng) Sn 含量由 0.005wt.% 增加至 0.015wt.% 時(shí),銅合金的極限抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)。當(dāng) Sn 含量進(jìn)一步增加至 0.02wt.% 時(shí),合金的極限抗拉強(qiáng)度又有所下降。伸長(zhǎng)率方面四個(gè) Sn 含量的銅合金的伸長(zhǎng)率均大于 60%,銅合金伸長(zhǎng)率的增加與 Sn含 量 的 關(guān) 系 為 0.01wt.%>0.02wt.%>0.015wt.%>0.005wt.%。復(fù)雜銅合金的極限抗拉強(qiáng)度和硬度隨 Sn 含量的變化如圖 4 所示。

可以看出,隨著 Sn 含量的增加,合金的極限抗拉強(qiáng)度由大約 305MPa 逐漸增加至約 452MPa,之后隨著 Sn 含量的進(jìn)一步增加又下降到約 384MPa。

銅合金的硬度則隨著 Sn 含量呈遞增趨勢(shì)變化,隨著 Sn含量從 0.005wt.% 增大至 0.02wt.%,銅合金的硬度由約80HV 增加至約 100HV。

 

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綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,Sn 的加入能夠同時(shí)影響合金的組織、力學(xué)性能及抗腐蝕性能。

但是,隨著 Sn 加入量的增加,對(duì)合金組織、力學(xué)性能及抗腐蝕性能的影響規(guī)律不同。綜合 Sn 含量對(duì)本研究中涉及的復(fù)雜鋁黃微觀組織、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、硬度及抗腐蝕性能的影響,Sn 添加量在 0.015wt.% 時(shí)合金的綜合性能***好。

不同 Sn 含量的復(fù)雜鋁黃的極化曲線如圖 5 所示,可以看出,所有成分的合金的自腐蝕電位均在 0.2v SCE 附近,因此可知 Sn 含量對(duì)銅合金的自腐蝕電位影響不大。但隨著Sn 含量的增加銅合金的自腐蝕電流密度顯著減小,合金的抗腐蝕性能增強(qiáng)。

3.結(jié)論

本文采用實(shí)驗(yàn)手段研究了 Sn 含量對(duì)含有 7 種成分的復(fù)雜鋁黃銅的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及抗腐蝕性能的影響。Sn 能夠有效影響共析相形貌,隨著錫含量的增加合金的硬度和抗腐蝕性能增大,但抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率則呈先增大后減小的趨勢(shì)變化。

綜合 Sn 含量對(duì)本文所述合金組織與性能的影響,0.015wt.% 的 Sn 添加量的綜合性能更好。

來(lái)源:中國(guó)知網(wǎng)  作者:何雨星



 


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