無鉛磷鈣黃銅的組織與性能研究

黃磊

摘要：在工業生產中鉛黃銅被廣泛應用，由于鉛黃銅本身的優良特性，化工專業領域中該方面的研究比較多。鉛黃銅容易發生鉛的析出，鉛元素對環境和人類的健康有一定的危害。研究人員采用磷、鈣元素代替鉛元素，對合金成分進行優化，在實際的化學研究中判斷該種無鉛磷鈣黃銅合金的力學、耐脫鋅腐蝕性都比較適中?；诖耍疚膶o鉛磷鈣黃銅的組織以及性能進行研究。

關鍵詞：無鉛磷鈣黃銅；組織；性能；研究

在機械制造工業金屬材料加工中，很多零件的加工幾何精度比較高，如在汽車工業、精密儀表工業等行業，一方面需要考慮零件的加工精度，另一方面需要考慮零件加工的成本，在實際的零件加工環節中保障材料性能的基礎上提高零件的切削加工性能。

1 磷鈣黃銅生成實驗

在磷鈣黃銅生成實驗中，主要的實驗原料有電解銅、工業純鋅錠、P-Cu合金（P含量在14%左右）。對熔鑄爐進行檢驗，確保以上合金能夠實現燒鑄；對燒鑄溫度進行合理控制，對以上材料使用熔鑄工藝制備無鉛磷鈣黃銅，以便對該合金進行力學性能實驗、電鏡掃描以及能譜分析。在實際的實驗中，主要的設備有250kg中頻感應爐、微機控制電子萬能試驗機、INCAX-act能譜儀、自行研制的恒溫水槽、顯微鏡等。

2 磷鈣黃銅顯微組織分析

2.1 金相組織分析

對磷鈣黃銅的顯微組織進行分析，在放大了的金相組織分析中，放大倍數為500，從顯微鏡下觀察到的金相組織如圖1所示，合金鑄態組織成分并不單一，主要由亮白色。相、灰色的β相組成，與這兩相在同一界面上存在類似的球狀顆粒。在磷鈣合金凝固時，能從液相中析出β相；當溫度發生變化時，開始從β相中析出α相，溫度逐漸降低時析出的α相逐漸增加，伴隨著β相逐漸減小。在實際的實驗環節中，冷速比較快，兩個金相之間的擴散不充分，不能達到一定的平衡。當溫度低至456℃時，該二相進行有序轉變，β相與α相結合，并形成了α+β相為主的兩相組織。合金中的P、Ca增加時，合金內部的第二相顆粒逐漸增加。

2.2 SEM組織分析

對1-6號試樣SEM照片進行分析，該六組照片與金相照片進行對比，β與α相的清晰度更高；在1-3號試樣中當P含量逐漸增加時，α相也逐漸增加，但是伴隨著β相減小。在5號試樣中，P、Ca含量增加時，第二相顆粒比較多。在6號試樣中，α相出現了細密的連續網狀Cu-P等中間合金共晶組織，該共晶組織為金屬與非金屬的層片結構，在實際連接上比較紊亂。這種紊亂是由于鋅被逐漸燒損，α相與β相也比較混亂。為了避免這種情況，首先需要嚴格控制實驗的溫度。磷鈣黃銅的SEM組織圖譜如圖2所示。

在黃銅中加入其他元素時，可以認為其他元素將黃銅中的鋅元素取代，因此可以發現鋅在β相與α相之間的溶解度發生變化。

在進行物相分析時，在試樣4-6中添加磷與鈣，可能產生的合金種類增加。對產生的合金種類進行X射線衍射分析，發現磷鈣黃銅成分主要由α相（Cu0.61、Zn0.39）和β相（Cu、Zn）組成。在試樣4中并沒有發現新的相產生。隨著P含量的增多，研究人員能夠從試樣5的衍射譜中觀察到，新的衍射峰出現；同樣去觀察試樣6號，該型號試樣的峰值更加明顯。5號和6號試樣出現的衍射峰位置相同，在多個實驗中可推測出合金中存在Cu3P相。

3 無鉛磷鈣黃銅性能分析

3.1 力學性能

對磷鈣黃銅合金的性能進行分析，在其力學性能方面取六組不同P含量的合金，研究力學性能。合金的力學性能指標分別為硬度（HB）、抗拉強度（MPa）、延伸度（%）。在正常情況下，磷鈣黃銅能呈現出比較好的力學性能。當P含量逐漸增加時，合金的硬度逐漸增加，同時意味著其塑性比較低。當P含量一直增加，最終增加到15時，將會出現一定的脆性。

3.2 切削性能

將以無鉛磷鈣黃銅取代鉛黃銅，需要對合金的切削性能進行分析，在P含量不同的情況下其切削性能不同。一般情況下，對切削性能進行判斷，可以直接通過斷屑進行判斷。由于金屬材質的原因，切屑表面比較光亮，斷屑痕跡比較明顯。分別對1-6試樣進行觀察，在5號試樣中其切屑呈現的形狀為C型，切屑比較小，并且其實際的尺寸、形態與鉛黃銅HPb59-1的切屑比較相似，而5號試樣的性能參數分別為硬度（HB）105.0、抗拉強度（MPa）362.7、延伸度（%）15.0。與其他類型相比，5號試樣的磷鈣黃銅試樣的切削性能最佳。

4 結論

綜上所述，鉛黃銅在實際的零件切削以及生產中應用較多，但由于鉛元素有毒，零件中會析出鉛，因此在實際的精密零件生產中將磷、鈣元素加入，取代鉛元素，能達到同樣的合金性能。因此，本文對無鉛磷鈣黃銅的組織與性能進行分析。在磷鈣黃銅顯微組織分析中，分別對金相組織、SEM組織進行研究，并分別從力學性能與切削性能等角度探討無鉛磷鈣黃銅的性能。