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铋黄铜及加工工艺研究
一、引言
由于铅黄铜具有优良的冷热加工性能和切削性[1],加之良好的机械物理性能,价格又低廉,
而被广泛地应用于仪器仪表、电子、电器、日用五金、供饮水系统等行业,其中以Hpb59-
1用量最大。但是,饮水系统的零部件以及其它废弃的电子、电器产品中的铅极易进入水或
土壤中,当人体摄入后会产生危害[2]。所以美国、日本、欧盟及各国都提出了相应限制和
禁止规定,即到2006年7月1日起,出口这些国家和地区的电子电器产品和水暖、五金器
材均应达到所要求铅含量[3]。故此,无铅易切削黄铜的研究正方兴未艾[4],但其加工工艺
研究甚微。
文中采用两相黄铜(α+β)中用铋代替传统易切削黄铜中的铅。控制锌当量系数在40~43%。
调整Bi含量,以不同的热加工方式,验证了设计参数的正确性。成功生产出性能优异的铋
黄铜材料,使其迅速取代铅黄铜材料的使用[5]。
二、铋黄铜合金设计
1、合金元素成分
由Cu-Zn状态图可知(见图1),Zn当量在36%以下的黄铜,退火状态下均为α单相组织,
其特征与紫铜相同。
双相黄铜的锌范围在36~46.5wt%之间。随着含锌量的增加,黄铜中出现了第二个固溶体
新相-β相。与晶体结构为面心立方的α相不同,β相为体心立方结构(CuZn电子浓度化合
物)。β相的特点是高温下塑性极好,易于热加工,而室温下则由无序的β相转变为有序固
溶体β,相(工程上称为β)。黄铜中α+β双相组织的出现是通过两种相变过程实现的。B
i与Pb同样不固溶于Cu里,均是以独立相存在,而且不影响Cu-Zn系的相区分布及各相
结构。在设计时用Bi代替Pb,首先分析Bi、Pb对黄铜的不同影响。
Pb相为面心立方晶格,晶格常数为4.949╳10-10m.Cu在Pb中或Pb在Cu的固溶度均极
小,因此,铅在铜合金中常以单质相的方式存在。
Bi相为菱方晶格,晶格常数为4.7457╳10-10m晶轴间夹角a=57°14.2。’Cu与Bi在固态
基本上均不互溶。少量Bi就会在组织中出现单独的Bi相。
铅常是颗粒状分布在晶界上的易熔共晶中,当α黄铜的含铅量大于0.03%时,黄铜在热加
工时出现热脆性,但对冷加工性能无明显影响。(α+β)两相黄铜中Pb的含量允许高一些,
因为这种合金在加热和冷却过程中,会发生固态相变(α+β=)β。可使铅大部分转移到
晶内,减少了Pb的危害性。
Bi常呈连续的脆性薄膜分布在黄铜晶界上,既产生热脆性,又产生冷脆性。对黄铜的危害
性远比Pb大得多(约为Pb的5~10倍)。其允许含量比铅小,α单相黄铜中允许的Pb、
Bi含量分别小于0.03%和0.002%。
(α+β)两相黄铜固态时有α+β,=β转变,故随着含锌量的不同H63允许含Pb0.08%;
H62允许含Pb0.2%;H59允许含Pb0.5%,而含Bi量只能允许小于0.002%。
根据对Cu-Zn状态图以及Pb、Bi在不同含Zn量黄铜中的影响,确定Bi黄铜为(α+β)双
相组织,其Zn当量在40~43%之间,而Bi黄铜进行实验,其含量比Pb略低。
2、热加工温度
由于无Cu-Zn-Bi三元相图作借鉴,设计时参考Cu-Zn-Pb三元相图进行。
由此可知,高温时全部为β相,Pb易溶入,而常温时为α+β(β,)有序固溶体,Pb不溶
入。当低于一定温度时,Pb的危害性就表现出来了。所以,当其Zn当量32%时,其组织
在高低温时均为α相,Pb均不进入相内,无法进行热加工,只有在(α+β)两相黄铜中,
并且温度在600℃以上时,无序β相存在,Pb才能进入,方可进行热加工。
(α+β)黄铜在室温下含有硬而脆的有序β,相,故强度高,塑性低。但(α+β)黄铜中的β
相在高温下比α相更容易软化。所以(α+β)黄铜要加热到β区的温度范围内加工(工程上
称为β挤压法)。对Bi黄铜铸锭要缓慢加热,并在(α+β)/β分界线以上进行热加工。
依据相图,热加工范围在600~800℃之间。过高则产
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