无铅锑黄铜的制备及组织性能研究

论文摘要

铅黄铜具有良好的机械性能和切削性能,广泛应用在电子电讯、家电、饮用水工程、玩具、汽车、机械、仪表制造等领域,但由于铅是一种对环境和人体危害作用巨大的元素,所以以无毒的物质代替铅,使其达到易切削的目的,这将会产生巨大的社会效益和经济效益。采用锑元素作为铅黄铜的替代元素,通过添加稀土元素和钛元素等晶粒细化剂对合金进行了处理,利用正交实验优化合金成分配比,研制出了无铅锑黄铜;制定了合理的热处理工艺和轧制工艺,成功制备出了锑黄铜板材;借助差热分析（DTA）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、电子能谱仪（EDS）等手段,研究了锑含量对黄铜组织性能的影响,并测定锑黄铜的抗拉强度、脱锌腐蚀性能及切削性能;探讨了无铅锑黄铜的热轧工艺,研究了无铅锑黄铜合金中的金属化合物相,并对其易切削机理进行了初步探讨。通过研究,得出如下结论:（1）锑含量是影响合金综合性能的主要因素,其次是Ce含量,而Ti含量则影响很小;随着锑含量的增加,合金的抗拉强度下降,合金的脱锌层厚度减小,特别是当锑含量大于1.2%时,合金抗拉强度急剧下降;而当锑含量小于0.5%时,合金脱锌层厚度大于445μm,比HPb59-1铅黄铜的脱锌性能还差;而合金的切削性能则只与合金中锑含量有关,含锑量越高,合金切削性能越好;通过对比合理的无铅锑黄铜的成分为（wt%）:57-59Cu,0.8Sb,0.4Ce,0.3Ti;（2）锑主要以金属间化合物形式存在于合金中,铸态时存在于α和β相内,合金热轧后,主要分布于α和β相的相界处;合金热轧后断口为延性断口,退火后主要为沿晶断裂;合金中的第二相粒子为富Cu颗粒,结合DSC分析和热力学计算以及衍射斑标定可知合金中的第二相粒子为金属间化合物Cu2Sb相;Cu2Sb相为简单四方结构,晶格常数为a=b=0.3990nm,c=0.6020nm,属于P4/nmm空间群;（3）经750℃下保温1小时,开坯温度不低于720℃,终轧温度不低于600℃,采用8道次热轧,合金的最大道次加工率应小于40%,合金板材的加工率大于70%时进行30min中间退火处理,消除了轧制过程中的加工硬化现象,通过控制合金中Cu、Zn元素的含量和β相的数量,避免了热轧过程中的裂边;（4）无铅锑黄铜的抗拉强度为461.7 MPa,屈服强度为213.3MPa,延伸率为15.67%:合金在3.5%中性NaCl溶液中的腐蚀性能好,合金的抗脱锌腐蚀性能良好,纵向和横向的平均脱锌层厚度分别为295.4μm和214.7μm,优于铅黄铜HPb59-1;无铅锑黄铜的切屑为碎片状,它的内表面呈光滑状,切削过程较平稳,波动较小,加工表面光滑,表面粗糙度较小,其切削性能与铅黄铜HPb59-1相当,可以替代铅黄铜,具有可行性:（5）无铅锑黄铜的切削机理主要为:合金中第二相与基体的交界处存在着微小的间隙空间,说明基体与第二相质点并没有紧密结合,可以认为在合金基体上存在着大量的微小空洞,在这些微小空洞中填充的是脆而不硬的金属间化合物Cu2Sb相;合金中第二相的存在割断了基体的连续性,成为应力集中源,产生所谓的“切口效应”,在这些区域容易产生应力集中以及位错的增殖和运动,切削过程中这些位错在刀刃所施加的剪应力的作用下,在材料表层内部扩展、延伸,由刀尖附近向切削层扩展,产生切削阵面,切削层材料发生塑性变形,最终形成切屑并沿前刀面流出。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1.研究背景
• 1.2.黄铜合金的组织形态与性能
• 1.2.1 普通黄铜
• 1.2.2 特殊黄铜
• 1.3 合金元素对黄铜性能的影响
• 1.3.1 铅对黄铜的影响
• 1.3.2 硅对黄铜的影响
• 1.3.3 铝对黄铜的影响
• 1.3.4 锰对黄铜的影响
• 1.3.5 铁对黄铜的影响
• 1.3.6 镍对黄铜的影响
• 1.3.7 硼对黄铜的影响
• 1.3.8 钛对黄铜的影响
• 1.4 稀土元素的影响
• 1.4.1 稀土在铜及铜基合金中的脱气除杂作用
• 1.4.2 稀土对铜及铜基合金显微结构的影响
• 1.4.3 稀土对铜及铜基合金机械性能的影响
• 1.4.4 稀土对铜及铜基合金加工性能的影响
• 1.5 材料的切削性能
• 1.5.1 评定材料切削加工性的主要指标
• 1.5.2 影响材料切削加工性的因素
• 1.6 无铅易切削铜合金国内外研究现状
• 1.6.1 以铋代铅的易切削铜合金
• 1.6.2 以硅代铅的易切削铜合金
• 1.6.3 以石墨代铅的易切削铜合金
• 1.6.4 以镁代铅的易切削铜合金
• 1.6.5 以锑代铅的易切削铜合金
• 1.7 无铅锑黄铜热轧工艺研究
• 1.7.1 锭坯的加热
• 1.7.2 热轧压下制度
• 1.8 本课题的目的和意义
• 第二章 试验过程及方法
• 2.1 合金元素的选择
• 2.2 合金成分的确定
• 2.3 实验过程
• 2.3.1 实验流程
• 2.3.2 熔炼与铸造
• 2.3.3 均匀化退火
• 2.3.4 热轧
• 2.3.5 消除应力退火
• 2.4 合金性能检测
• 2.4.1 硬度检测
• 2.4.2 静力拉伸实验
• 2.4.3 电化学腐蚀
• 2.4.4 脱锌腐蚀
• 2.4.5 切削实验
• 2.5 实验分析
• 2.5.1 差热分析
• 2.5.2 X射线衍射分析
• 2.5.3 扫描电镜分析
• 2.5.4 透射电镜分析
• 2.5.5 能谱分析
• 2.5.6 金相分析
• 第三章 无铅锑黄铜组织结构研究
• 3.1 合金成分设计
• 3.1.1 正交实验设计
• 3.1.2 正交实验结果及分析
• 3.1.3 回归方程的检验
• 3.1.4 合金成分确定
• 3.2 显微组织分析
• 3.2.1 合金铸态显微组织分析
• 3.2.2 合金均匀化退火后显微组织分析
• 3.2.3 合金热轧后显微组织分析
• 3.2.4 合金退火后显微组织分析
• 3.2.5 合金断口扫描分析
• 3.2.6 合金中金属间化合物相的确定
• 3.3 本章小结
• 第四章 无铅锑黄铜轧制工艺研究
• 4.1 合金热轧工艺的确定
• 4.1.1 合金开坯温度的确定
• 4.1.2 合金保温时间的确定
• 4.1.3 热轧压下制度
• 4.1.4 热轧道次加工率的分配制度
• 4.2 合金热轧工艺
• 4.3 分析与讨论
• 4.3.1 合金热轧终了温度对合金热轧性能的影响
• 4.3.2 合金相组成和锌含量对合金热轧性能的影响
• 4.3.3 均匀化退火对合金热轧性能的影响
• 4.3.4 添加元素对合金热轧性能的影响
• 4.3.5 热轧开始温度和热轧道次加工率的分配
• 4.4 本章小结
• 第五章 无铅锑黄铜相关性能及切削机理的研究
• 5.1 无铅锑黄铜性能检测
• 5.1.1 无铅锑黄铜力学性能
• 5.1.2 无铅锑黄铜电化学腐蚀性能
• 5.1.3 无铅锑黄铜脱锌腐蚀性能
• 5.1.4 无铅锑黄铜切削性能
• 5.2 金属的切削运动
• 5.3 铅黄铜的切削机理
• 5.4 无铅锑黄铜切削机理的初步探讨
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 读研期间发表的学术论文