錫含量對復雜鋁黃銅組織性能的影響

何雨星，錢斯文，龔 慶，干明珠，王海軍，高鵬飛＊

（西南科技大學材料科學與工程學院，四川 綿陽 621010）

黃銅是一種以銅鋅為基礎的合金材料，因其優異的力學性能、耐腐蝕性能和優良的導電、導熱性能被廣泛應用于換熱系統和電傳輸系統[1-3]。單純的銅鋅力學性能有限，加工性能差且易腐蝕。因此，往往需要向合金基體中加入某些微量元素來對其相組成等進行調控進而提升其力學性能和耐腐蝕性能。Al、Bi、Fe、Mg、Mn、Ni、Pb、P、Ce、Si、Sn等元素都被微量添加進黃銅基體以達到改善合金性能的目的。Al和Si能夠使黃銅的β相區左移，提高合金的強度，并在合金表面形成致密的氧化膜阻止腐蝕的進一步進行，而在細化晶粒方面能力有限[4，5]；Mn的加入對黃銅的微觀組織影響不大，但是可以改善黃銅的機械性能并提升其對海水氯化物的耐蝕性，同時提高合金耐熱性[6]；Sn的加入除了能夠使黃銅的β相區左移外，還能夠有效促進晶粒的細化，提升合金的抗腐蝕性能[7]；Ni則能夠有效提高α相占比，并提高黃銅抗脫鋅腐蝕開裂能力[8，9]。目前，針對某一微量元素添加量對復雜黃銅組織及性能影響的研究少，而Sn在簡單黃銅中能夠同時改善力學性能和耐腐蝕性能。因此，但是Sn含量對成分更加復雜的黃銅的力學性能及抗腐蝕性能的影響規律尚不明確。

本文結合前人的研究設計了一種更加復雜的黃銅合金成分（Cu-Zn-Al-B-P-Ce-Sn）并采用鑄造法制備了Sn添加量分別為0.005wt.%、0.01wt.%、0.015wt.%、0.02wt.%的復雜銅合金。研究了Sn含量對復雜銅合金組織及性能的影響規律。

1 實驗方法

本實驗所采用的原料分別包括純銅顆粒（3N）、純鋅顆粒（3N）、純鋁顆粒（3N）、純錫顆粒（3N）、銅硼中間合金、鋁鈰中間合金和銅磷中間合金。

實驗中采用熔煉結合澆注的方式制備黃銅，熔煉過程中首先向石墨坩堝中加入全部的鋅（按總質量配比過量3%）和部分的銅，加入的銅與鋅的質量比為6:4，之后將坩堝置于電阻爐中。升溫，待爐內溫度升至1050℃后保溫5分鐘并向金屬液表面加上覆蓋劑，再之后依次向金屬液中加入銅硼合金、銅磷合金、鋁鈰合金和錫，加料過程中的保溫間隔為2min，最后向金屬液中加入剩余的銅并保溫5min。澆注前向金屬液中加入一定比例的氟化鈉和冰晶石攪拌并撈渣，之后澆入到烘烤后的鋼模中凝固。合金的成分配比如表1所述。

表1 銅合金的成分配比

圖1 不同Sn含量鋁黃銅的金相組織形貌：

采用光學顯微鏡對腐蝕后的試樣的進行了組織進行了觀察，依次經過粗磨、細磨、拋光和腐蝕等工序。腐蝕液為鹽酸和三氯化鐵的水溶液，具體成分為：HCl（30mL），FeCl3（2.0g），H2O（120mL）。使用XRD對各成分銅合金的物相組成進行了表征。采用HV-1000顯微維氏硬度測試不同試樣的硬度值，每個試樣測試10個點并取測試結果的平均值。

采用萬能試驗機對不同成分銅合金的抗拉強度進行了測試。采用CHI660電化學工作站測定不同試樣的極化曲線，評定材料極化曲線掃描速率為2mV/s，采用三電極體系進行測定，輔助電極為Pt電極，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），試樣作為工作電極，測試面積為10mm×10mm，溶液為3.5wt.%d的氯化鈉溶液。

2 結果與討論

圖1為不同Sn含量的復雜鋁黃銅的金相組織，可以看出合金基體為白色的α相，基體上出現大量黑色枝晶組織。由文獻可知[10，11]，該黑色枝晶狀組織為α相+β相的共析體。

隨著Sn含量的增加，復雜鋁黃銅中的黑色枝晶組織變粗。Sn含量促進了α相+β相共析體的形成。在觀察金相形貌的基礎上采用XRD對不同Sn含量銅合金的物相組成進行了分析，結果如圖2所示。

可以看出，在Sn的加入量為0.005wt.%～0.02wt.%范圍內時，銅合金的物相組成均為銅相。因此，可以推斷所有的添加元素絕大多數都固溶于銅。Sn含量對銅合金的物相組成影響不大。

圖3為不同Sn含量復雜黃銅合金的拉伸曲線，可以看出當Sn含量由0.005wt.%增加至0.015wt.%時，銅合金的極限抗拉強度增強。當Sn含量進一步增加至0.02wt.%時，合金的極限抗拉強度又有所下降。伸長率方面四個Sn含量的銅合金的伸長率均大于60%，銅合金伸長率的增加與Sn含量的關系為0.01wt.%＞0.02wt.%＞0.015wt.%＞0.005 wt.%。復雜銅合金的極限抗拉強度和硬度隨Sn含量的變化如圖4所示。

可以看出，隨著Sn含量的增加，合金的極限抗拉強度由大約305MPa逐漸增加至約452MPa，之后隨著Sn含量的進一步增加又下降到約384MPa。

銅合金的硬度則隨著Sn含量呈遞增趨勢變化，隨著Sn含量從0.005wt.%增大至0.02wt.%，銅合金的硬度由約80HV增加至約100HV。

圖2 不同Sn含量鋁黃銅的XRD譜線

圖3 不同Sn含量鋁黃銅的拉伸曲線

圖4 不同Sn含量鋁黃銅的維氏硬度及抗拉強度

圖5 不同Sn含量鋁黃銅的極化曲線

綜合上述實驗結果可知，Sn的加入能夠同時影響合金的組織、力學性能及抗腐蝕性能。

但是，隨著Sn加入量的增加，對合金組織、力學性能及抗腐蝕性能的影響規律不同。綜合Sn含量對本研究中涉及的復雜鋁黃銅微觀組織、抗拉強度、伸長率、硬度及抗腐蝕性能的影響，Sn添加量在0.015wt.%時合金的綜合性能最好。

不同Sn含量的復雜鋁黃銅的極化曲線如圖5所示，可以看出，所有成分的合金的自腐蝕電位均在0.2vSCE附近，因此可知Sn含量對銅合金的自腐蝕電位影響不大。但隨著Sn含量的增加銅合金的自腐蝕電流密度顯著減小，合金的抗腐蝕性能增強。

3 結論

本文采用實驗手段研究了Sn含量對含有7種成分的復雜鋁黃銅的組織結構、力學性能及抗腐蝕性能的影響。Sn能夠有效影響共析相形貌，隨著錫含量的增加合金的硬度和抗腐蝕性能增大，但抗拉強度和伸長率則呈先增大后減小的趨勢變化。

綜合Sn含量對本文所述銅合金組織與性能的影響，0.015wt.%的Sn添加量的綜合性能更好。