无铅磷钙黄铜组织与性能研究

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铅黄铜由于具有一系列优良的特性,已被广泛应用于各个领域。但这类材料容易发生铅的析出,对环境和人体健康造成威胁。环保型易切削黄铜的研究已成为世界有色金属研究的热点,研究开发出无铅易切削黄铜将会产生巨大的社会效益和经济效益。采用P、Ca元素替代Pb,利用正交试验判断P、Ca等对合金综合性能的影响,在此基础上进一步优化合金成分,于中频感应炉制备出无铅磷钙黄铜铸锭,并制定了合理的熔铸工艺;借助光学金相显微镜、X射线衍射仪、差示扫描量热分析仪、扫描电子显微镜、电子能谱仪、电子万能试验机、卧式车床等手段,系统研究了P、Ca对黄铜组织演变、力学、热学、切削及耐脱锌腐蚀等性能的影响;同时,还研究了磷钙黄铜合金中的金属间化合物,并通过对切屑形貌的观察和分析,结合切削力学及Griffith脆性断裂等理论对其切削机理进行了一定的探索。通过研究,得出以下主要结论:(1)成功制备出无铅磷钙黄铜材料,其力学、耐脱锌腐蚀性能适中,从切屑的尺寸和形貌上判断,磷钙黄铜的切削性能与HPb59-1相当。无铅磷钙黄铜替代含铅黄铜,具有可行性。(2) P是影响黄铜综合性能的主要因素,其次是Ca,P和Ca的加入量增大时,合金的塑性下降,而硬度则上升,当加入0.6%P和0.5%Ca时,黄铜合金力学性能优良,并显示出较好的切削性能。优化的无铅易切削磷钙黄铜合金的主要成分的质量分数为:57-60%Cu,40%Zn,0.7%P,0.5%Ca,此时,合金的抗拉强度为362.7MPa,延伸率为15.0%,硬度为105.0HB,脱锌腐蚀深度为321.9μm。(3) P、Ca显著改变了黄铜的组织与性能,使得磷钙黄铜的组织由ɑ相、β相和沿晶界、相界分布的含Cu、Zn、P、Ca等元素的金属间化合物颗粒组成,并且P和Ca使得合金在加热过程中的相变温度发生改变。(4)无铅磷钙黄铜的切削机理为:沿晶界分布的金属间化合物,割断了基体组织的连续性,当剪切带经过小于临界尺寸的第二相颗粒时,颗粒发生断裂,而经过大于临界尺寸的颗粒时,将促使基体发生沿晶断裂,甚至有部分颗粒在切削加工过程中脱落或者熔化。这都使得剪切滑移变得容易,从而剪切带向自由表面扩展,造成切屑断裂,从而提高了切削性能。
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