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(huì)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(qiáng)化或者第二相強(qiáng)化提高合金的力學(xué)性能，同時(shí)彌散分布的第二相質(zhì)點(diǎn)優(yōu)化了黃銅的加工性能[3]。由于黃銅制品在各個(gè)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(guó)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(qiáng)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(diǎn)的Pb熔化，熔化的Pb可發(fā)揮類似石墨的潤(rùn)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(huì)導(dǎo)致加工表面邊緣毛刺尺寸增大，切削力增大。文獻(xiàn)[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(shí)表面會(huì)同時(shí)受到熱應(yīng)力和位錯(cuò)應(yīng)力的耦合作用導(dǎo)致應(yīng)力集中，加強(qiáng)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(shí)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(duì)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(duì)Sn摻入量為2%的黃銅（以下簡(jiǎn)稱為2Sn黃銅）、Sn摻入量為0.5%的黃銅（以下簡(jiǎn)稱為0.5Sn黃銅）、主要摻雜元素為Sn和Fe的黃銅（以下簡(jiǎn)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(duì)比探討了摻雜元素對(duì)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(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)具有最優(yōu)切削性能的黃銅的元素?fù)诫s方案。

1試驗(yàn)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(jiǎn)易示意圖，熔煉時(shí)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(dá)到設(shè)定溫度后加入紫銅，觀察紫銅快融化時(shí)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(shí)間，經(jīng)攪拌扒渣后澆鑄。最后把鑄錠加工至長(zhǎng)度為150mm、外圓直徑為20mm的圓棒。通過ZeissSigma300型能譜儀（蔡司公司）對(duì)制成的黃銅材料進(jìn)行多點(diǎn)掃描，并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[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(jìn)行鑲嵌，然后依次用380#、500#、1000#、2000#的砂紙進(jìn)行濕式打磨至表面無明顯劃痕，再機(jī)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(jìn)行圖像采集。

1.3黃銅合金的力學(xué)性能測(cè)試

材料的拉伸試驗(yàn)在MTSTeststar810型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)（美國(guó)MTS公司）上進(jìn)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(jì)（上海高致精密有限公司）上進(jìn)行材料硬度測(cè)試。加載載荷為300g，加載時(shí)間15s，對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行10次測(cè)量并取平均值。

1.4黃銅合金的切削性能評(píng)價(jià)

切削試驗(yàn)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(cè)量設(shè)備為Kistler9257B（奇樂石公司）測(cè)力儀；切削過程實(shí)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(jìn)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(zhǎng)度達(dá)到360mm后采用二維劃線式表面粗糙度測(cè)量?jī)x沿軸向測(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(lán)色、黑色顆粒狀或棒狀。

同時(shí)，由圖4（a）、（b）可以看出，其中β相呈長(zhǎng)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(dú)特的細(xì)長(zhǎng)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(dú)特的（β+γ1）相的結(jié)構(gòu)。圖4（c）所示Sn-Fe黃銅中長(zhǎng)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(diǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)條狀及小塊狀錯(cuò)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(dú)立相的形式存在，呈游離質(zhì)點(diǎn)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(zhǎng)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(cuò)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(diǎn)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(qiáng)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(qiáng)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(cuò)移動(dòng)困難，使得抗拉強(qiáng)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(shí)少量Sn元素與基體組織形成固溶強(qiáng)化，提高了Sn黃銅的硬度。Sn-Fe黃銅的抗拉強(qiáng)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(diǎn)在晶間起到潤(rùn)滑作用；Pb黃銅的強(qiáng)度、硬度均較低，分別為H59黃銅的95%和86%，因?yàn)镻b的游離質(zhì)點(diǎn)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(qiáng)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?yàn)閾诫s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(qiáng)度、硬度都較高，故Si黃銅具有較高的硬度和抗拉強(qiáng)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(zhǎng)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(zhǎng)度測(cè)力儀所采集到的切削力波形數(shù)據(jù)，進(jìn)刀前所有力幾乎為0，在切削時(shí)產(chǎn)生Fx、Fy、Fz3個(gè)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?？梢钥闯?，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(zhǎng)條網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)獨(dú)特的（β+γ1）結(jié)構(gòu)降低了切削力。Sn-Fe黃銅由于Fe質(zhì)點(diǎn)彌散在晶體和晶界內(nèi)，細(xì)化晶粒，并阻礙了晶粒的進(jìn)一步生長(zhǎng)，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(dú)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(diǎn)受熱易融化，在切削表面起到“潤(rùn)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(qiáng)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?yàn)椋?.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(zhǎng)度達(dá)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(shí)所產(chǎn)生的熱量較高，切削溫度的上升增強(qiáng)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(shí)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(jìn)而導(dǎo)致其出現(xiàn)螺旋狀長(zhǎng)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(diǎn)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(diǎn)，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(qiáng)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(diǎn)阻礙晶粒生長(zhǎng)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(qiáng)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(dú)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(diǎn)優(yōu)化了斷屑性能。Pb游離質(zhì)點(diǎn)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(shí)還表現(xiàn)出較好的切削加工性能。