連鑄鉛黃銅棒鋸切傷鋸的原因分析及預(yù)防措施

葉東皇

（安徽鑫科銅業(yè)有限公司，安徽 蕪湖 241000）

鉛黃銅是極為重要的、應(yīng)用最為廣泛的一種復(fù)雜黃銅，它具有優(yōu)良切削性能、耐磨性能和較高的強(qiáng)度，主要用于機(jī)械工程中各種連接件、閥門、閥桿和軸承，其中熱鍛閥門坯料、制鎖業(yè)、鐘表業(yè)是三大重要市場。連鑄鉛黃銅棒成本低廉是其廣泛應(yīng)用的重要前提，其合金成分中可以包容多種合金元素，且含量要求比較寬松，又為銅合金原料的綜合利用奠定了基礎(chǔ)。本文根據(jù)現(xiàn)場觀察及取樣分析，詳細(xì)論述連鑄鉛黃銅棒材鋸切傷鋸的原因，以及相應(yīng)的控制與預(yù)防措施。

1 樣品分析

（1）宏觀觀察。分別選取客戶反饋鋸切良好和鋸切傷鋸的鉛黃銅連鑄棒樣品，合金牌號為HPb58-2，規(guī)格為Ф45×5000mm，在自動下料機(jī)SL-832D（圖1）上進(jìn)行鋸切對比試驗，鋸切下來的銅片厚度均為5mm，鋸片轉(zhuǎn)速為3600r/min，鋸片為高速鋼圓盤鋸片，從鋸切聲音、刀片進(jìn)給是否順暢、下料速度三個方面對鋸切不良樣和鋸切正常樣進(jìn)行比較，鋸切下來的銅片表面鋸切紋路見圖2。

圖1 SL-832D型自動下

圖2 銅片表面鋸切紋路

正常樣鋸切時，鋸片進(jìn)給順暢，鋸切聲音小且清脆；而不良樣鋸切時，鋸片多次出現(xiàn)卡鋸現(xiàn)象，進(jìn)給不順暢，鋸切聲音大且深沉，不良樣的鋸切速度只有正常樣的一半左右。圖2可見，正常樣鋸切下來的銅片表面光滑，鋸痕不明顯，而不良樣鋸切下來的銅片表面鋸痕明顯。

（2）成分分析。采用德國斯派克LMX04直度光譜儀分別對鋸切正常樣和不良樣進(jìn)行元素含量分析。不良樣和正常樣的Cu、Pb、Sn、Ni、Si等元素的含量差別不大，但是不良樣中的Fe、Al含量分別高出正常樣0.31%和0.51%。

（3）硬度分析。采用HXD-1000維氏硬度計分別對規(guī)格為Φ45mm銅棒鋸切正常樣和不良樣的維氏硬度進(jìn)行測量，結(jié)果見表1，不良樣的硬度比正常樣高出37HV。

表1 HPb58-2銅棒橫截面硬度（載荷5kg）HV

（4）金相分析。對HPb58-2銅棒正常樣和不良樣分別進(jìn)行截取、打磨和拋光，并采用三氯化鐵酒精溶液（配比：5gFeCl3+30ml無水酒精）對其進(jìn)行腐蝕處理，采用德國蔡司4XB-TV金相顯微鏡觀察組織，金相組織。二者金相組織均為α+β+Pb（Pb以質(zhì)點(diǎn)狀態(tài)存在）[1]，組其中白色部分為α相，黑色部分為β相，Pb質(zhì)點(diǎn)細(xì)小，分布在晶內(nèi)和晶界上。

（5）掃描電鏡分析。采用日立S-4800掃描電鏡分別對三氯化鐵酒精溶液腐蝕后的正常樣和不良樣進(jìn)行觀察，電鏡照片。照片中凸起部分為α相，凹陷部分為β相，白點(diǎn)為Pb質(zhì)點(diǎn)，黑色小點(diǎn)和花朵狀組織為析出相。正常樣和不良樣組織中均出現(xiàn)析出相，但二者形貌不一樣，正常樣中的析出相呈點(diǎn)狀，大小只有1μm～2μm；而不良樣中的析出相呈花朵狀，最大尺寸達(dá)到20μm～30μm。

在正常樣和不良樣組織中的析出相化學(xué)組成主要為高熔點(diǎn)物質(zhì)Fe、Si、Cr等形成的金屬間化合物，不良樣析出相成分中，F(xiàn)e元素含量明顯高于正常樣。

2 原因分析

綜合以上分析結(jié)果，鋸切不良的銅棒存在Al、Fe雜質(zhì)元素含量較高、硬度較高和析出相形貌特殊，尺寸較大的情況出現(xiàn)。Al對鉛黃銅棒鋸切效果的影響機(jī)理在于兩個方面，一是Al在Cu中有強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化作用，使得合金基體硬度升高；二是Al的鋅當(dāng)量系數(shù)為6[2]，顯著擴(kuò)大β相比例，同種材料中，β相的顯微硬度比α相大[3]，β相比例高，基體平均硬度也相應(yīng)高。合金基體硬度的提高，加劇了鋸片的磨損。Fe在Cu中的溶解度隨著溫度降低而顯著減少，F(xiàn)e在Cu中的溶解度1050℃時約為3.5%，635℃時下降到0.15%，室溫溶解度幾乎為零[4]，不能溶解的Fe和一些高熔點(diǎn)雜質(zhì)如Si、Cr等形成金屬間化合物從基體組織中析出，HPb58-2銅棒基體的硬度才140HV左右，而析出相的顯微硬度達(dá)到600HV以上，約為基體的4倍～5倍[5]，屬于硬質(zhì)相。由以上分析可知，造成HPb58-2銅棒鋸切傷鋸的主要原因是雜質(zhì)元素Al、Fe含量偏高，Al使得合金基體硬度升高，F(xiàn)e和Si、Cr等形成硬質(zhì)相，導(dǎo)致鋸切時易損傷鋸片。

3 預(yù)防措施

①調(diào)整Al、Fe雜質(zhì)元素含量范圍。根據(jù)大量生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，市場反饋難鋸切的HPb58-2銅棒，Al含量通常達(dá)到0.5%以上，F(xiàn)e含量達(dá)到0.6%以上。為此下調(diào)HPb58-2化學(xué)成分中Al、Fe含量范圍：Al≤0.4%，F(xiàn)e≤0.5%。②廢雜銅分選后投爐使用。由于連鑄鉛黃銅棒所用原材料為廢雜銅，不可避免混有一些含鋁、鐵等其他金屬材料，在熔煉時以雜質(zhì)形式進(jìn)入銅中，因此廢雜銅必須先分選后再投爐熔煉，特別要挑選出含鋁、含鐵材料。對于從市場回收的銅沫，可能混有鐵屑，須先通過強(qiáng)磁選機(jī)進(jìn)行篩選出鐵屑后再投爐使用。

4 結(jié)論

①HPb58-2鉛黃銅棒鋸切傷鋸的主要原因是雜質(zhì)元素Al、Fe含量偏高，Al元素使得合金基體硬度提高；Fe和Si、Cr等高熔點(diǎn)物質(zhì)形成硬質(zhì)相，加快了鋸片的磨損，使得鋸片壽命縮短。②通過有針對性地控制合金雜質(zhì)元素含量，廢雜銅分選后投爐使用，可有效避免問題的出現(xiàn)。

[1]郭凱旋，銅和銅合金牌號與金相圖譜速用速查及金相檢驗技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用指導(dǎo)手冊[M].北京：中國知識出版社.2005:555-556.

[2]田榮璋，王祝堂編.銅合金及其加工手冊[M].長沙：中南大學(xué)出版社.2002.5 214.

[3]洪麗華，黃銅錠冶金質(zhì)量對低壓鑄件組織與性能的影響[J].福建工程學(xué)院學(xué)報，2007，5(3)：22.

[4]田榮璋，王祝堂編.銅合金及其加工手冊[M].長沙：中南大學(xué)出版社.2002.5 309.

[5]朱權(quán)利，張先滿，陳家堅，等.高強(qiáng)耐磨鋁黃銅（KK5）硬質(zhì)點(diǎn)的研究[J].特種鑄造及有色合金，2010，30(3):876.