易切削變形Zn-Cu-Bi合金的顯微組織與性能

孫利平, 林高用,, 王 莉, 曾菊花

(1. 中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083；2. 中南大學 有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室，長沙 410083)

易切削變形Zn-Cu-Bi合金的顯微組織與性能

孫利平1, 林高用1,2, 王 莉1, 曾菊花1

(1. 中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083；2. 中南大學 有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室，長沙 410083)

采用力學性能測試、光學顯微鏡、掃描電鏡和能譜分析技術及切削性能測試對自行研制的含 Bi易切削變形Zn-Cu合金鑄態及擠壓態的組織與性能進行研究。結果表明：Mn在Zn-Cu合金中易形成大而硬的塊狀相，對于提高鋅合金的綜合力學性能作用不明顯，且可能產生不良影響；低熔點Bi相在Zn-Cu合金中鑄態時以針狀彌散分布，擠壓態時以點狀彌散分布，改善了Zn-Cu合金的切削性能；自行配制的Zn-1.2%Cu-0.5%Bi-X合金，切削性能良好，抗拉強度達到405 MPa，伸長率為19.0%，表現出較優的綜合性能，可作為部分銅合金替代材料，用于制造軸承、連接件、五金和家電等結構件。

變形鋅合金；Bi；顯微組織；切削性能

隨著我國有色金屬工業的快速發展，銅和鎳等原材料資源短缺的矛盾日益嚴重，而我國鋅資源卻較豐富，儲量居世界前列，品位較高[1?3]。以鋅為基體加入其他元素生產的鋅合金材料價格低、能耗低、生產工藝流程短、綠色環保，是部分銅合金的理想替代品，成為目前國內外研究的熱點，被譽為 21世紀的新材料[3?6]。由于基礎研究薄弱，我國鋅基合金結構材料的開發與應用舉步維艱，使鋅的優勢資源未獲得充分利用。

鋅合金分為鑄造鋅合金金和變形鋅合金，我國目前鋅合金生產技術主要以鑄造和壓鑄為主，對于變形鋅合金生產技術的研究才剛起步，而國外許多國家，如歐盟、美國和日本等在變形鋅合金技術方面研究已經有相當成熟的技術，其變形合金材料已廣泛應用于電子通訊、家電、建筑、文具、水暖設備及汽車等領域[7?12]。變形鋅合金，尤其是接近共晶成分的 Zn-Al合金，在切削加工時通常會遇到較大困難，這是限制變形鋅合金應用的重要原因之一[13]。因此，開發出一種具有優良切削性能和力學性能的變形鋅合金，實現對已有易切削鉛黃銅的替換具有重要意義。一般可通過添加Pb、Sn和Bi等低熔點元素來提高鋅合金的切削性能。此外，添加適量Cu、Mg、Al、Ti和Mn等元素可使合金獲得良好的力學性能與成形性能[14?15]。本文作者對自行研制的含Bi易切削變形Zn-Cu合金鑄態和擠壓態的組織和性能進行研究。

1 實驗

所用試驗材料為自行配制的含 Bi易切削變形Zn-Cu合金。按照表1所列的合金成分配料，在工頻感應爐內熔煉成錠坯；熔煉過程中，Bi以純金屬加入，Ti以Cu-Ti中間合金加入，Mn以Cu-Mn中間合金加入。將鑄錠鋸尾、車皮后在3 150 kN立式擠壓機上進行擠壓，擠壓工藝參數如下：模具預熱溫度192 ℃，擠壓筒預熱溫度200 ℃，鑄錠加熱溫度250～260 ℃，擠壓比λ=18.8 (d 50 mm鑄錠→d 12 mm擠制棒材)。

表1 試驗合金的化學成分Table 1 Chemical compositions of experimental alloys (mass fraction, %)

采用 POLYVAR?MET型金相顯微鏡觀察鑄錠金相組織；將合金擠壓態按GB/T 228—2002制成拉伸試樣，在CSS?44100型電子萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為2 mm/min；在HW 187.5型布洛維硬度計上測試合金擠壓態的布氏硬度，試驗載荷為612.5 N，鋼球直徑為2.5 mm，載荷保持時間為30 s；在HVS?1000型數字顯示維氏硬度計上測試合金擠壓態不同相的顯微硬度，試驗載荷為9.8×10?2N，載荷保持時間為5 s；采用Sirion 200場發射掃描電子顯微鏡觀察合金的微觀組織及擠壓態拉伸斷口形貌；在DJ?CL?1三向線性放大器/CD6140A機床上對合金擠壓態進行切削力測試，并比較合金鑄態和擠壓態的車屑形貌。

2 結果與討論

2.1 力學性能分析及拉伸斷口形貌觀察

合金擠壓態力學性能測試結果如表2所列。從表2可以看出，合金1的屈服強度為381 MPa，抗拉強度為 428 MPa，硬度(HBS)為 98.6，均略高于合金 2的，但是其塑性遠低于合金2的，合金1的伸長率僅為3.0%，而合金2的伸長率達到19.0%。合金2表現出更優的綜合力學性能，不但具有較優的塑性，其抗拉強度也達到405 MPa，能滿足替代部分銅合金，應用于軸承、連接件、五金及家電等結構件的要求[6]。合金3的Bi含量過高，伸長率雖然達到10.0%，但其強度較低。可見，過量Bi可能對合金強度有不利影響，因此，本文作者只對合金1和2進行進一步研究。

表2 合金的力學性能Table 2 Mechanical properties of alloys

圖1所示為合金擠壓態室溫拉伸試驗后的斷口形貌。從圖1(a)可以看出，合金1的拉伸斷口無明顯韌窩，屬于脆性斷裂；而合金2的拉伸斷口有明顯韌窩，且韌窩大小較均勻(見圖 1(b))，表明其塑性較好。這與合金室溫拉伸力學性能測試結果(合金 1的塑性較差，合金2的塑性較好)相符。

圖1 試樣拉伸斷口的SEM像Fig.1 SEM images of tensile fractures of alloys: (a) Alloy 1;(b) Alloy 2

表3 合金擠壓態顯微硬度測試結果Table 3 Hardness test results of alloys after extruding

合金擠壓態試樣的顯微硬度測試結果如表 3所列。從表3可以看出，合金1的富Mn相硬度為354 HV，富Zn基體相硬度為146 HV，均略高于合金2的，這與布氏硬度測試結果是一致的。此外，從表3還可以看出，合金中富Mn相的硬度遠高于富Zn基體相的；富Mn相的硬度變化較大，而富Zn基體相的硬度比較穩定，這可能是富Mn相中Al和Zn等元素的固溶度不同造成的。

2.2 合金鑄態的金相組織觀察

圖2 Zn-Cu-Bi合金鑄態的金相組織Fig.2 Optical micrographs of as-cast Zn-Cu-Bi alloys: (a)Alloy 1; (b) Alloy 2

對合金鑄態進行金相組織觀察，其結果如圖2所示。從圖 2可以看出，合金金相組織主要包括富 Zn基體相、塊狀富Mn相及少量CuZn3化合物。合金2的富Mn相較細小(見圖2(b))，而合金1的富Mn相分布不均，且大而不規則(見圖2(a))，由于其硬而脆[3,7]，故合金1的性能反而降低，這與表2和圖1中合金1的塑性較差、室溫拉伸為脆性斷裂的結果相同。

2.3 掃描電鏡觀察

對合金1和2的鑄態及擠壓態進行背散射電子顯微觀察(BSEM)，結果如圖3所示，其中，圖3(a)和(b)為鑄態微觀組織，圖3(c)和(d)為擠壓態微觀組織。從圖3(a)和(b)可以看出，Bi在Zn-Cu合金鑄態組織中以針狀分布(見圖3中亮白色相)，合金1的組織中存在大塊的富 Mn相(見圖 3(a)中黑色相)。從圖 3(c)和(d)可以看出，擠壓后合金組織均勻、細小，鑄態組織中的針狀Bi相減少，合金擠壓態Bi相主要以點狀彌散分布，但Mn相組織仍然為較大的塊狀。綜合分析表明，Mn在Zn-Cu合金中易形成大而硬的塊狀相，對于提高鋅合金的綜合力學性能作用不明顯，且控制不當可能產生不良影響，本實驗中，Mn對合金1的塑性產生明顯惡化，而合金2中富Mn相稍細小，且分布均勻，其綜合力學性能良好。

圖3 Zn-Cu-Bi合金的背散射電子像Fig.3 Back-scattered electron images of Zn-Cu-Bi alloys: (a) As-cast alloy 1; (b) As-cast alloy 2; (c) As-extruded alloy 1;(d) As-extruded alloy 2

對合金1的鑄態組織微區進行成分分析，其結果如圖4所示。由圖4可知，合金1的鑄態組織包含4種不同的相：富Zn基體相(A點)、 富Mn過渡相(B點)、富Mn相(C點)和針狀Bi相(D點)。富Zn基體相是以Zn為基體，固溶少量Cu的固溶體(見圖4(b))，為密排六方晶體結構；富Mn過渡相是Mn部分固溶于基體形成的相(見圖 4(c))，其在 Zn-Cu合金鑄態中呈不規則形狀分布，將圖3(a)和(b)與圖3(c)和(d)對比分析發現，擠壓變形后富Mn過渡相因Mn固溶到基體而消失；富Mn相在合金中呈塊狀分布，富Mn相中還含有少量Ti(見圖4(d))，表明Ti易在富Mn相區域聚集，富Mn相硬而脆，會降低合金的伸長率；Zn-Cu合金鑄態中的Bi相(見圖4(e))呈針狀形式分布，低熔點Bi相的彌散分布在合金機加工時起到斷屑作用，從而改善鋅合金切削性能。

2.4 切削性能分析

試制易切削變形鋅合金擠壓態切削力測試在DJ?CL?1三向線性放大器/CD6140A機床上進行，測試結果如表4所列。三向切削力是在固定切削速度、進給量和背吃刀量的情況下獲得的，進行比較時主要針對切向力。從表4可以看出，合金1切向力的平均值為63.43 N，比合金2切向力的平均值68.72 N稍低，表明合金1的切削性能比合金2的稍好。合金1中Bi含量比合金2的低，但切削性能卻稍優于合金2的，表明Bi對于Zn-Cu合金切削性能的改善并非含量越高越好。

表4 合金切削力的測量結果Table 4 Cutting force measurements of alloys after extruding

圖 4 合金 1的鑄態背散射電子像及能譜分析Fig.4 Back-scattered electron image and EDS analysis of as-cast alloy 1: (a)Back-scattered electron image; (b) EDS result of point A; (c) EDS result of point B; (d) EDS result of point C; (e) EDS result of point D

合金鑄態、擠壓態車屑形貌如圖5所示。合金鑄態車屑呈直條狀，且車屑較細小(見圖 5(a)和(b))，車削后表面光亮；合金擠壓態車屑呈螺旋狀(見圖5(c)和(d))，車屑較脆，稍碰即斷，試樣車削后表面光亮。合金1和2的車屑形貌基本一致，合金2擠壓態螺旋狀車屑稍長。

通過以上分析可知，低熔點Bi相在Zn-Cu合金中鑄態時呈針狀彌散分布，擠壓態時呈點狀彌散分布，改善了Zn-Cu合金的切削性能。自行配制的合金切削性能均較好，其中，合金1的切削性能稍優于合金2的，但由于合金2的切削性能和綜合力學性能較優，因此，合金2可作為部分銅合金替代材料，用于制造軸承、連接件、五金及家電等結構件。

圖5 不同合金的車屑形貌Fig.5 Photos of cuttings of different alloys: (a) As-cast alloy 1; (b) As-cast alloy 2; (c) As-extruded alloy 1; (d) As-extruded alloy 2

3 結論

1) Mn在Zn-Cu合金中易形成大而硬的塊狀相，對于提高鋅合金的綜合力學性能作用不明顯，且控制不當可能對合金塑性產生不良影響。

2) 低熔點的 Bi相在 Zn-Cu合金中鑄態時以針狀彌散分布，擠壓態時以點狀彌散分布，在合金機加工時起到斷屑作用，改善了 Zn-Cu合金的切削性能。

3) 自行配制的 Zn-1.2%Cu-0.5%Bi-0.2%Al-0.1%Mg-0.25%Mn-0.05%Ti合金的切削性能良好，抗拉強度達到405 MPa，伸長率為19.0%，表現出較優的綜合性能，可作為部分銅合金替代材料，用于制造軸承、連接件、五金及家電等結構件。

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Microstructure and properties of free-cutting deformation Zn-Cu-Bi alloy

SUN Li-ping1, LIN Gao-yong1,2, WANG Li1, ZENG Ju-hua1
(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering,Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, China)

The microstructure and properties of self-developed Zn-Cu-Bi alloys in the cast and extruded conditions were investigated by mechanical tests, optical microscope, scanning electron microscope, energy spectrum analysis and machinability tests. The results show that Mn can easily form large and hard massive structure in the Zn-Cu alloy, which cannot improve the mechanical properties of Zn-Cu alloy obviously, and may bring worse effects. The machinability of the Zn-Cu alloy can be improved by needle dispersion distributed low-melting Bi phase in the cast condition and dot-like dispersion distributed Bi phase in the extruded condition. The self-developed Zn-1.2%Cu-0.5%Bi-X alloy is of good machinability, and the tensile strength and elongation of the alloy reach 405 MPa and 19.0%, respectively, showing good comprehensive properties. The alloy can be used to replace some copper alloys for making bearings, connectors,household appliances and other structural parts.

deformation zinc alloy; Bi; microstructure; machinability

TG146.1

A

1004-0609(2011)07-1547-07

國家“十一五”科技支撐計劃資助項目(2009BAE71B01)

2010-04-12；

2010-06-01

林高用，教授，博士；電話: 13507422779；E-mail: mater218@163.com

(編輯 陳衛萍)