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无铅易切削铋黄铜的制备及腐蚀、切削性能研究

2020-12-06阅读(840)

无铅易切削铋黄铜的制备及腐蚀、切削性能研究

论文摘要

以制备一种新型的无铅易切削铋黄铜合金为目的,以替代现有应用广泛的易切削铅黄铜。采用熔铸挤压的方法制备了易切削铋黄铜棒材,利用XRD、金相显微镜、扫描电镜、动电位极化和交流阻抗等方法研究添加Ti、Al、Ce对铋黄铜的微观组织及耐蚀性的影响。并利用电子万能试验机、金属切削机床等仪器测试了材料的力学性能和切削性能,着重研究了合金的腐蚀过程和切削机理,得出如下研究结果:1)Ce对Cu-Zn-Bi合金铸态组织的细化作用明显,Al对合金加工后的组织具有一定的细化作用。添加了Al的铋黄铜的抗拉强度、屈服强度较Cu-Zn-Bi、Cu-Zn-Bi-Ce和Cu-Zn-Bi-Ti高,合金的塑性较好。2)Cu-Zn-Bi合金中铋主要以薄膜状存在合金中,而Al、Ce的添加使得Bi的反润湿效应明显,添加了Ti、Al、Ce后,薄膜状的铋减少,主要以颗粒状存在于合金中。Cu-Zn-Bi和Cu-Zn-Bi-Al的平均脱锌层厚度在300μm左右,而Cu-Zn-Bi-Ce的耐腐蚀性能较差,脱锌层的平均厚度大于1000μm。3)分别研究了Cu-Zn-Bi和Cu-Zn-Bi-Al合金在1.0%CuCl2溶液中的微观腐蚀形貌,发现挤压态合金的腐蚀表面存在一定的微裂纹,分析了腐蚀表面裂纹形成的微观机制,认为其主要是腐蚀过程和样品中的拉应力共同作用的结果。测量其在1.0%CuCl2溶液中的开路电位,分别为-40.72mV和-144.67mV。4)研究了Cu-Zn-Bi和Cu-Zn-Bi-Al合金在1.0%CuCl2溶液中不同浸泡时间的交流阻抗图谱,分析表面膜形成过程,得到腐蚀的等效电路图。由腐蚀过程可知,其表面膜在腐蚀6h前形成,6h后被溶液中的Cl-侵蚀,表面膜破坏。Cu-Zn-Bi-Al合金中的表面膜先于Cu-Zn-Bi中的表面膜形成,Al的加入有利于合金中保护膜的生成。5)根据脱锌层厚度计算了添加不同合金元素的铋黄铜中锌的扩散系数,其扩散系数的数量级在10-10～10-9之间,Cu-Zn-Bi-Al的扩散系数较Cu-Zn-Bi的小,而Cu-Zn-Bi的扩散系数较Cu-Zn-Bi-Ce的小。6)Cu-Zn-Bi-Ti合金中,随着铋含量的增加,合金的切削性能提高;Cu-Zn-Bi-Al的切屑细小,呈针状,三向切削力均小于HPb59-1,切削性能优异;Cu-Zn-Bi-Ce的切屑主要呈螺旋状和小片状,但其切削力较HPb59-1有所增大。7)研究了切削热对变形区的影响,发现切削变形时,在铋颗粒中产生的热应力,在温度变化很小时已经超过了铋颗粒的屈服应力,使铋颗粒发生变形。并应用Griffith的断裂理论计算了断屑时铋颗粒的临界尺寸,计算得到只要铋颗粒的尺寸达到0.3446μm时,切屑发生断裂。8)所制备的Cu-Zn-Bi-Al合金具有较高的强度、塑性,耐腐蚀性能良好,并具备优异的切削性能,达到了预期的性能指标,可以替代现有的广泛应用的铅黄铜,具有一定的应用前景。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 目录
  • 第一章 文献综述
  • 1.1 黄铜的基本性质
  • 1.1.1 普通黄铜的组织结构及性能
  • 1.1.2 复杂黄铜
  • 1.2 铅黄铜及无铅易切削黄铜的研究现状
  • 1.2.1 铅黄铜的组织及性能
  • 1.2.2 无铅易切削黄铜的研究现状
  • 1.3 材料的切削加工性及其影响因素
  • 1.3.1 工件材料的切削加工性
  • 1.3.2 衡量切削加工性的指标
  • 1.3.3 影响切削加工性的因素
  • 1.3.4 合金元素对切削性能的影响
  • 1.4 黄铜的腐蚀
  • 1.4.1 黄铜的脱锌机理
  • 1.4.2 合金元素对脱锌性能的影响
  • 1.5 本课题研究的目的及意义
  • 第二章 实验过程及方法
  • 2.1 替代元素和实验方案的确定
  • 2.1.1 替代元素及合金成分的确定
  • 2.1.2 合金的成分设计
  • 2.2 合金的制备
  • 2.2.1 实验方案及流程
  • 2.2.2 熔炼
  • 2.2.3 热挤压
  • 2.2.4 退火
  • 2.3 合金性能检测
  • 2.3.1 合金的力学性能
  • 2.3.2 合金的硬度
  • 2.3.3 耐腐蚀性能检测
  • 2.3.4 切削性能检测
  • 2.4 测试手段
  • 第三章 Bi、Al和Ce对铋黄铜合金组织和力学性能的影响
  • 3.1 铋含量对铋黄铜显微组织和力学性能的影响
  • 3.1.1 铋黄铜的微观组织和力学性能
  • 3.1.2 退火态的力学性能
  • 3.2 Al、Ce对铋黄铜显微组织和力学性能的影响
  • 3.2.1 铸态的微观组织
  • 3.2.2 挤压态的微观组织和力学性能
  • 3.2.3 退火态的微观组织和力学性能
  • 3.3 小结
  • 第四章 铋黄铜腐蚀性能的研究
  • 4.1 Bi、Al、Ce对脱锌层厚度的影响
  • 4.1.1 铋含量对脱锌层厚度的影响
  • 4.1.2 Al、Ce对脱锌层厚度的影响
  • 4.2 腐蚀的电化学分析
  • 4.2.1 腐蚀表面的SEM分析
  • 4.2.2 极化曲线分析
  • 4.2.3 交流阻抗分析
  • 4.3 腐蚀过程中锌的扩散
  • 4.4 小结
  • 第五章 铋黄铜切削性能的研究
  • 5.1 铋黄铜切削性能的研究
  • 5.1.1 铋含量对切削性能的影响
  • 5.1.2 Al、Ce对切削性能的影响
  • 5.2 合金元素及切削参数对切削性能的影响
  • 5.2.1 不同的合金元素对切削力和切屑的影响
  • 5.2.2 切削速度和进给量对切削力和切屑的影响
  • 5.3 变形区的热应力分析
  • 5.4 含铋黄铜的Griffith脆性断裂理论
  • 5.5 小结
  • 第六章 结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 硕士学习期间发表的学术论文

    • 相关论文文献

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