硅黄铜熔体电脉冲处理

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1、摘 要铅黄铜是一种应用广泛的合金,但是由于铅具有很大的危害作用,因此要制造无污染的新型黄铜。研究表明硅元素可以有效代替铅元素,但其切削性能的改善尚需进一步研究。本文对硅黄铜熔体进行了电脉冲处理,通过改变脉冲电压和脉冲频率,并进行固溶时效处理,分析固溶时效后的相的形态、尺寸和分布。同时结合不同参数试样的基体硬度变化,初步分析了电脉冲熔体处理与固溶时效工艺对硅黄铜最终组织的影响。并利用扫描电镜,对不同参数下试样进行检测,研究了不同固溶时效工艺参数对硅黄铜中相的形态、尺寸和分布的影响。结果表明,电脉冲处理对硅黄铜材料的组织和性能有一定的影响。电脉冲熔体处理加速了硅黄铜时效的进程,时效的时间缩短了2h

2、。固溶时效后的相得到了细化,分布均匀,显微硬度呈波动性变化。本实验结果对电脉冲处理技术与固溶时效处理技术改善硅黄铜切削性具有一定意义。关键词：硅黄铜；电脉冲处理；固溶时效处理；显微硬度；晶粒细化AbstractLead brass is a widely used alloy, but since lead has a great harm, thus to create pollution-free new brass. Research shows that silicon can effectively replace the lead element, but its cutting

3、performance improvement still need further research.This paper adopts the electric pulse melt treatment technology applied in silicon brass material, by changing the pulse voltage and pulse frequency. After solid solution and aging treatment, analysis after solid solution and aging treatment on morp

4、hology, size and distribution; and comparing different parameters the average strength of the substrate, a preliminary analysis of solid solution and aging and electrical pulses to the silicon brass mechanism. And the use of scanning electron microscopy, with different parameters of different sample

5、s were detected, solid solution and aging treatment parameters have certain effects on the silicon brassphase structure, morphology, size and distribution.The results show that, the electric pulse treatment on Microstructure and properties of silicon brass material has certain effect. Electric pulse

6、 melt treatment accelerated the silicon brass aging process, aging and shorten the time of 2h. After solid solution and aging treatment of phase got refining, distribution, micro hardness fluctuation. The experimental results of electrical pulse technology and solid solution and aging treatment tech

7、nology for improving silicon brass cutting has a certain significance.Keywords:Silicon brass; Electric Pulse Modification; Solid solution and aging treatment; Micro hardness; Grain refinement目 录摘要I目录III第1章绪论11.1 课题研究背景及国外研究现状11.1.1课题研究背景11.1.2国外研究现状21.2 黄铜材料的发展历史及其工作特点41.2.1黄铜材料的发展历史41.2.2黄铜合金材料的成分、

8、优缺点和工作特点41.3 电脉冲处理技术概述71.3.1电脉冲处理技术的研究进展71.3.2脉冲处理技术的作用机理71.3.3脉冲电流处理对金属凝固组织的影响91.3.4液相线温度以上电脉冲处理101.3.5液固两相区电脉冲处理111.3.6固溶时效处理121.4 电脉冲处理技术的发展前景131.5 选题的目的和本文研究容与创新点131.5.1选题的目的131.5.2 本文研究的容131.5.3创新点14第2章实验容与方法152.1 实验材料与设备152.1.1实验材料152.1.2实验设备152.2 实验过程与方法152.2.1浇注温度的选择162.2.2铸件的制备162.2.3金相试样制备

9、与组织观察17第3章实验结果与分析193.1 硅黄铜微观组织及其硬度对比分析193.2 相对硅黄铜性能的影响233.2.1 相的概述233.2.2 相的组织形貌233.3 显微硬度分析243.3.1不同热处理后硬度参数243.4 小结25第4章结论26参考文献27致31附录A 译文32附录B 英文材料4043 / 47第1章绪论1.1课题研究背景及国外研究现状1.1.1课题研究背景铅黄铜以优良的冷热加工性能、极好的切削性能和自润滑性等特点,而被广泛地应用于制造各种形状的机加工零部件,在整个铜行业中占有较大的比例,是世界上公认的重要基础材料1-3,广泛应用于供水系统、五金件、手表零件、电子器件、

10、汽车零件、制冷设备、家电以及轮船、飞机等。含铅黄铜之所以具有优良的切削性能,是由于铅质点能起到断屑作用,且具有润滑效果。大多数方法均采用添加某种元素作为变质剂来达到改善铅黄铜组织中Pb质点的尺寸、形态和分布,进而达到改善铅黄铜的切削性能和力学性能的目的4-14。但变质剂的加入同时也给铅黄铜合金造成污染,为后续的再利用带来很大的麻烦。本实验采用电脉冲处理技术,通过改变脉冲参数对铅黄铜熔体进行处理,改善铅黄铜组织中铅质点的尺寸、形态和分布,达到相近或优于变质剂处理的组织和性能。但是,医学研究表明15-26,铅对人体造血和神经系统特别是儿童的肾及其他器官损害较大。随着人们对环境和健康要求的提高,越来

11、越多的国家和地区重视到环境和健康问题。因此,各国政府相继出台了对铅使用的限制令27,严格限制和禁止铅黄铜的使用28。如,20XX7月1日,由国家标准委和卫生部联合发布的生活饮用水卫生标准GB 5749-2006强制性国家标准和13项生活饮用水卫生检验国家标准将正式实施；美国的加利福尼亚州发布AB1953号法令,从20XX1月1日起,使铅黄铜在该州永久退出卫浴/管道市场等29,30。研制低成本无铅易切削黄铜将会对社会和经济带来很大效益。基于以上的机理人们先后开发了无铅易切削铋黄铜31-33、镁黄铜34,35、硅黄铜36、锑镁黄铜等一系列合金来替代铅黄铜。因此,考虑以硅等元素代替铅,并减少铜的含量

12、,得到金相组织为的两相合金。通过电脉冲处理技术设法使第二相质点相细化且弥散分布,以起到类似铅的断屑作用。本文拟利用电脉冲技术对黄铜熔体进行处理,从合金凝固组织的研究入手,将研制的试样进行切削加工,并将其切屑与铅黄铜的切屑进行比较,测得该易切削黄铜的切削性能指标。同时研究黄铜切削性能与第二相相的组织形态、分布、数量、性质之间联系,从本质上探求电脉冲处理的机理,从而为电脉冲熔体处理技术提供坚实的理论基础。1.1.2国外研究现状普通黄铜的组织结构黄铜铜锌合金包括铜一锌二元合金和铜锌中加其它组元的多元合金。黄铜有良好的工艺性能、机械性能和耐蚀性,有的还有：较高的导电性及导热性,是有色金属中应用最广的合

13、金材料之一。广泛应用于电力、热工、化工、仪表、造船机械制造等工业部门。而且,绝大部分的黄铜都有悠久的生产历史,生产工艺也相当成熟。锌大量固溶于铜,在铜-锌系中,固态下分别具有一定围的、等六个相36,如图2-1所示。图2-1 Cu-Zn合金相图黄铜的机械性能与其相结构密切相关。现阶段,工业上应用的黄铜,含锌量一般不超过46%,故金相组织只涉及和两相。当锌含量较高时,铸态组织中会出现相。过去认为相的出现会使合金的机械性能变差,但近年来高锌黄铜的研制说明经过适当的变质处理37,可改变相的分布及其形状甚至其性能。各相性能如下：Zn溶于Cu中的固溶体,具有与铜相同的晶格面心立方,随含锌量的增加由紫变黄,

14、质软而塑性大,铸态下呈树枝状或针状,退火后呈多边形晶粒组织。：以电子化合物CuZn为基的固溶体,具有体心立方晶格,灰黄色,强度和硬度比。相大,塑性比相小,但比相具有高的高温塑性38。相比相容易被腐蚀,故在显微镜下呈暗色。：为相的有序化转变相,其硬度比相稍大一些。：以电子化合物为基的固溶体,呈淡黄色,铸态下质硬而脆,在传统黄铜中作为不利相予以避免,各相的结构特征如表2-1所示39,40。表2-1 Cu-Zn合金各相的结构特征锌含量原子相名称电子化合物晶格类型分子式价电子比原子数0-38面心立方45-49CuZn3/2无序体心立方有序体心立方55-66Cu5Zn821/13复杂立方74.5-75.

15、4CuZn37/4有序体心立方77-86CuZn37/4密集六方98-100密集六方表2-2简单黄铜按相组织分类组织分类含锌围不同状态下的室温组织特征-黄铜36铸造状态：铸态下的高倍组织,显枝晶偏析,枝轴部分含铜高,难浸蚀,发亮。枝间部分含锌高,易浸蚀,发黑。含锌高的黄铜,在生产条件下,由于冷却速度快,铸态下常出现不平衡组织,铸态组织中常出现少量相,加工和退火状态：带双晶的等轴晶粒,晶粒大小与冷加工率及退火温度时间无关。+黄铜36-46.5铸造状态：呈针状析出,平行于晶粒的111方向,而且冷却速度愈大,愈细愈长。在侵蚀的当时,呈亮色,呈黑色。-黄铜46.5-49铸态下显示出晶粒,只用作焊料。目

16、前,国外在高性能黄铜领域的研制力量主要集中在产业界,它们凭借先进的生产工艺和试验条件,通过合金成分调整、工艺调整等手段积极地进行新。1.2 黄铜材料的发展历史及其工作特点1.2.1黄铜材料的发展历史传统黄铜中的铜含量一般都较高,多为单相或两相黄铜。为了满足国民生产的要求,我国每年要进口大量的电解铜,所以在某些特殊性能要求的黄铜中或制品中都应设法减少铜含量,以求降低成本和合理利用资源。近年来我国材料工作者己在低铜高锌合金领域作了大量的研究41, 42。但由于锌含量的继续升高必然使黄铜的组织转变为单相或两相,相硬而脆,且多以星花状分布于相基体上,严重地影响黄铜的机械性能及压力加工性能。为有效地改善

17、相的形状和分布,多采用变质处理的方法43。采用适当的变质剂和科学的变质工艺,不仅能够使相呈细碎点状分布于基体上,而且能够有效地减低其硬度和体积分数,对锌当量在50%左右的高锌黄铜性能得以改善,大大提高其切削性能、热加工等性能。传统工业上普遍使用的易切削黄铜均为含铅黄铜,由于铅黄铜具有极好的切削性能,它广泛地被应用于多种制造行业中。由于铅黄铜中含有对人体有极大危害的重金属,研制无铅易切削黄铜已成为材料工作者亟待解决的课题。以无毒或低毒害物质代替铅,是减少铅污染的主要途径。为了减少多种制造业中铅黄铜报废后丢弃对环境造成的污染,必须采用不含铅的易切削黄铜。但是不含铅的一般黄铜,其切削性能极差,不适满

18、足精密机械加工的要求。无铅易切削黄铜就是通过改良黄铜中的成分组成,适当加入其它少量无毒害的元素代替铅的功能,使其达到易切削的目的,即满足工业的需要又保护了生态环境。1.2.2黄铜合金材料的成分、优缺点和工作特点传统工业上普遍使用的易切削黄铜均为含铅黄铜,黄铜具有良好的机械性能、耐蚀性能、导电和导热以及工艺性能,还具有较低的价格和色泽美丽的外观,因此广泛应用到电子电讯、家电、饮用水工程、航空航天、五金装饰、机械、仪表等领域。普通铅黄铜显微组织是由铜锌固溶体相和相组成基体,铅以单质相呈黑色的点状或球状分布于基体上,由于铅元素对人体极为有害可损害人体骨髓,造血系统和神经系统。随着生产的发展和社会现代

19、化建设的进行,污染物的排放己使环境日趋恶化,直接或间接地对各种生物造成了威胁,并给人类健康造成了极大的危害。就环境污染物而言,重金属尤为严重。重金属排入环境后不易除去,而是在环境中长期累积,极易对生物和人体产生毒性作用,其中以锡、汞、铅、砷、铬毒性最大。目前,它们的污染危害已成为全世界重大的环境问题而引起高度重视。这些污染物己对污染区人体健康构成极大威胁。为此,研究及防治环境中重金属元素的污染危害十分重要。铅是自然界分布很广的元素,地壳中含量为0.0016%当铅加热到400-450 时,即有一定数量的铅蒸气逸出。由于高温时铅及其化合物的挥发量较大,铅蒸气可形成高分散度的气溶胶状态而污染环境。铅

20、通过水土壤植物人体,危害到人体的成长发育,而铅对人体危害主要通过消化道和呼吸道进入,铅可与体一系列蛋白质酶等官能团结合,干扰机体许多方面的生化和生理活动,最终损害骨髓造血系统和神经系统。当前,由于铅的价格较廉,产量大,并且具有优良的特性,所以被广泛应用于有色金属行业之中。由于铜是人类使用最早的金属材料之一,最早的铜生产就伴随着铅污染。铅是一种对神经系统有害的重金属元素。铅中毒危害很大,尤其是对儿童、老人和免疫系统差的人。由于儿童的身体抵抗力较弱,身高刚好在铅浓度最高的围等原因,儿童受铅污染的危害更严重。中国微量元素铅研究会的专家指出,铅中毒对儿童大脑的损害是永久性的,中国儿童健康的头号威胁是铅

21、中毒。目前铅对环境的污染随着人类活动以及工业的发展而日趋加重。因此,在工业生产上必须控制各种含铅制品的铅含量,以控制铅对环境的污染程度。用无铅许多国家已在研究降低铅污染方面做了大量工作。黄铜中的合金元素及作用：硅：1、Si的锌当量是10,使Cu-Zn状态图的相区大大左移,因此加入少量的Si就能提高合金的强度和硬度。当含Si量超过钱时由于析出大量的相,使合金流动性降低；2、降低液相线温度,使合金的液相线与固相线水平距离减少,使铸件组织致密；3、在铸件表面生成SiO2薄膜,提高黄铜的耐蚀性能；4、在黄铜中硅和铁或锰共存时是有害杂质。这是因为在含有铁或锰的黄铜中当Si量超过0.1%时便生成FeSi或

22、瓶Mn5Si3分布在晶粒周界使合金脆化。铝：1、铝的锌当量为6,使Cu-Zn状态图的相区移向铜侧,缩小及+区域,促使组织中出现+,应此,铝能提高强度和硬度而降低塑性。铝是黄铜的强化元素,如能适当的选择铜与铝的配比,并控制合金的冷却速度,使之处于图中接近+区边界的相区时,合金具有最大的强度；2、Al在铸件表面形成Al2O3薄膜,因而提高铸件的耐蚀性能和表面光洁度,另外在熔炼过程中还可以减少Zn的挥发。应此,熔炼铝黄铜以外的其它特殊黄铜时也常常加入少量的铝。如熔炼锰黄铜是加入0.5%-1%的铝。A1还可以提高合金的流动性。锰：1、Mn的锌当量系数是0.5,故对黄铜的组织无太大影响,但Mn是黄铜的重

23、要强化元素,加入少量Mn便能显著提高黄铜的机械性能和对海水氯化物及过热蒸气的耐蚀性能,同时提高耐热性能。在铅黄铜中加入一定量的Mn,可有效地改善黄铜的切削性能；2、Mn能稳定含铝黄铜中的相,减少铝促使析出相的作用,因此可以在少许降低塑性的情况下提高铝黄铜的强度和硬度；3、锰在纯铜中的固溶度很高,在室温下可达到20%,但Cu和Mn量分别超过61%和4%时,在低于375 的温度下Mn在相的固溶度下降,出现富锰的相,使合金性质变坏。所以单纯的锰黄铜,其含锰量以不超过2%为宜。铁：1、Fe在相固溶体中的溶解度只有0.1-2%,超过此值便与Zn生成化合物FeZn2颗粒,首先从合金液相中析出成为晶核,细化

24、合金组织；2、Fe也可以推迟合金再结晶过程,阻碍晶粒长大。Fe和Mn、Si或Al同时加入效果更好,但含Fe量多时,富铁相过多,降低合金耐蚀性能,一般认为细化黄铜组织所需要的最低含铁量为0.7-1%,不降低耐蚀性能的最高限量为3%。1.3 电脉冲处理技术概述近20年来,电脉冲作为一种新型的改善金属材料组织性能的方法,其应用领域非常广泛。目前,各国学者分别在合金凝固的液相区、凝固过程中、固相区、金属的退火加工过程中、纳米晶化、材料仿生及对钢材损伤的恢复作用等。虽然他用于材料加工已有很长的时间,但是其作用机理仍不是很清楚。因此,了解和掌握电脉冲作用下材料微观结构的演变是非常重要的。1.3.1电脉冲处

25、理技术的研究进展早期的电脉冲处理研究主要集中于低温合金Pb-Sn。20世纪90年代初,Nakada等44对Sn-15wt%Pb合金的凝固组织中初生相的形貌特征与脉冲电流作用时间的关系进行了研究,发现在合金凝固的起始阶段施加脉冲电流可使凝固组织中的初生相由树枝状变为球状,而在凝固过程的后半段施加脉冲电流,初生相仍为树枝状。另外,研究还发现初生相的形貌不仅与脉冲电流的初始峰值电压有关,还与合金液中的固相分数及冷却速度有关。建明等45对Pb-60wt%Sn的研究得到了同样的结果,并发现大电容、低电压电路所产生的脉冲电流可使初生相球化,共晶团沿电极方向伸长；而小电容,高电压电路产生的脉冲电流虽不能改变

26、初生相的树枝状特征,但可以减小共晶体的片间距,共晶体的层片均沿电极方向生长。Barnak等46研究了脉冲电流对Pb-60wt%Sn和Pb-63wt%Sn合金共晶凝固组织的影响,研究发现随电流密度的增加,过冷度增大,电流增加一个数量级,共晶团尺寸将会减小一个数量级。鄢红春等47对Sn-10wt%Pb亚共晶合金的凝固过程进行了脉冲电流处理,从凝固开始到结束共放电30次,粗大的富Sn树枝状初晶细化成近球状结构。1.3.2脉冲处理技术的作用机理人们对电脉冲处理技术在金属凝固组织的作用机理方面仍处于初步研究阶段,尚无清晰、系统的认识,甚至其对具体材料的作用机制看法也颇为不一。主要有以下几种电脉冲处理细化

27、金属凝固组织的作用机理。1、脉冲电流对形核率的影响借助经典的均匀形核理论和连续介质电动力学理论导出了脉冲压力与脉冲电流之间及形核率N与脉冲压力p之间的关系： 式中：a1、a2、a3、a4为参数常量。由式可见,形核率N存在一个极大值。这是由于脉冲压力p很大时,原子的扩散受到了抑制,不利于成核所致。荣山47给出了金属凝固形核率I和电流密度j的关系式： 式中：A是与温度无关的常数,D是载流介质的扩散系数,W0是未加电脉冲时金属液形核势垒,K1是与金属材料相关的常数,V是所形成的晶核体积,=-1,0、n分别是无序介质和所形成的晶核的电导率,k为Boltzmann常数,T0为未加电脉冲时的形核温度。可知

28、,电流密度越高,凝固形核率越大。唐勇35根据RC充放电电路中电流和电压的关系,推导出了形核率和脉冲电压的关系： 式中：c1、c2、是和脉冲电路、金属物性、金属液中晶核大小以及分布相关的比例常数,且c1和c2均为正数。可以看出,在其他凝固条件不变的情况下,金属凝固的形核率与脉冲电流密度和脉冲电压的平方呈指数增长关系,可以通过增加脉冲电流的电流密度或脉冲电压来提高金属在凝固时的形核率,实现凝固组织的细化。2、脉冲电流对电磁作用力的影响何树先等进行了高密度脉冲电流对工业常用铝合金A356凝固组织的影响研究,发现高密度脉冲电流细化凝固组织的主要原因在于电脉冲在金属熔体中所产生的电磁力。研究认为在电脉冲

29、过程中产生电磁力使金属熔体压缩、振荡,金属熔体振荡又促使新形成的枝晶晶核从型壁游离,进入金属熔体中,而型壁处又会形成新的晶核,如此反复,就会提高金属熔体的形核率,使金属的凝固组织得以细化。单位面积上所产生的最大电磁力为48：式中：0为真空磁导率,I为通过熔体试样的最大电流,a为试样半径。另外,当电脉冲在熔体中所产生的电磁力不足以粉碎已有的树枝晶组织时,电脉冲可以起到干扰金属原子的正常迁移规律、减慢枝晶生长速度的作用,从而达到细化凝固组织的目的,但不能改变已有凝固组织的形貌。3、电脉冲能量对团簇理论的影响所谓团簇就是在液态金属中存在着相对稳定的近程原子集团或分子集团团簇,处于一定尺寸围的团簇在液

30、态金属的结晶过程中可以成为晶体形核的晶胚。在液态金属体系的胶体模型中,晶胚被假设为球形,其部为均匀的正电荷,外层为电荷密度均匀分布的外电层,这些小尺度的晶胚要成为稳定存在的晶核,就必须与其周围的原子结合而长大。但在液态金属中,晶胚周围的原子要与晶胚结合,必须克服其结合的位垒。脉冲电场作为一种外来的能量,可使晶胚的外电层发生畸变,降低原子与晶胚结合的位垒,促进周围原子与晶胚的结合,通过外电场的反复施加和撤消,使晶胚不断地重组和长大。当外电场完全撤消时,大尺度的晶胚就可以成为结晶的核心,从而起到细化凝固组织的作用。4、电脉冲对过冷度的影响訾炳涛等通过对高密度脉冲电流影响2024铝合金凝固组织的研究

31、得出,在高密度脉冲电流作用下的形核率为： 式中：DL为液体扩散系数,a为跃迁距离,LS为液固界面能,f为不同种类晶核的形状因子,H为凝固焓变,T为过冷度。T=T0+TP,T0为不存在脉冲电场时正常冷却的过冷度,TP为由高密度脉冲电流作用下产生的磁场压力使熔体被反复地压缩而带来的附加过冷度。从形核率的公式可以看出,T增加了TP,形核率N由于高密度脉冲电流产生的附加过冷度作用而增大。Barnak等测定了合金凝固过程中的过冷度,结果表明,电脉冲处理可使合金的过冷度增大913,由此认为电脉冲处理有利于形核速率的提高,从而实现铸态组织的细化。5、脉冲电流对Jouler热效应和Peltier热效应的影响电

32、流通过金属熔体时,会导致电流通过区域熔体的温度发生变化。因为液体金属的电导率比同材质的固体金属小很多,所以脉冲电流优先选择通过固相,使固相产生的热效应大于相邻的液相,这可促进降低固液界面处的温度梯度,甚至导致固液界面上粗大的枝晶固相重熔为游离晶核,从而细化凝固组织。而且电流通过金属熔体时会增加液相的对流,使金属熔体中的温度场和溶质场均匀化,抑制枝状晶的择优生长,促进金属初生相的均匀生长,使凝固组织细化。1.3.3脉冲电流处理对金属凝固组织的影响自日本原子能研究所的Nakada等49首先研究了大密度脉冲电流对过共晶Sn-Pb合金凝固过程的作用以来,许多国外学者在不同处理温度下对多种材料施加了不同

33、参数的脉冲电流,从细化材料凝固组织、改善相组成等方面入手,分别得出了脉冲电流对其所选金属凝固组织的影响规律。1.3.4液相线温度以上电脉冲处理王建中等50将脉冲电流作用于熔点以上尚未凝固时的A1-5.0%Cu合金熔体时,发现：铸锭凝固后,柱状晶区缩小、等轴晶区扩大,晶粒得到很大程度的细化。同时认为,处理后的合金液,具有良好的抗孕育衰退能力。而唐勇等51对熔点以上的9Cr2MoV钢液施加脉冲电流时,却发现电脉冲改善钢液凝固组织的效果存在衰退现象如图1-1,并得出,电脉冲处理时间与凝固组织中柱状晶长度的曲线关系,如图1-2所示。图1-1电脉冲处理对9Cr2MoV钢液组织影响图1-2电脉冲处理时间对

34、9Cr2MoV钢柱状晶长度的影响丽云等52在760下对ZL101合金进行电脉冲处理实验,对比所得凝固组织与变质过的凝固组织时,发现当脉冲处理电压为300V,处理时间为120s,脉冲频率为15Hz时,其所得的ZL101合金的凝固组织,局部呈现类似Na和Sr变质的特征,认为电脉冲对合金液有一定的变质效果。1.3.5液固两相区电脉冲处理脉冲电流作用于Al、Al合金时,在细化晶粒方面：金辉、宇等53研究了不同电压下脉冲电流对纯铝凝固组织的影响,得出：电流密度和脉冲频率对脉冲电流处理效果的影响都很显著,在一定围,脉冲电流密度越大、脉冲频率越高越有利于金属凝固组织的细化。万刚、武保林等54在Zn-42%

35、Al二元合金的定向凝固过程中施加脉冲电流处理,系统地研究脉冲电流的大小、频率对Zn-42% Al合金定向凝固组织的影响规律。发现：脉冲电流作用下的Zn-42%Al合金凝固组织随着脉冲电流强度的增加,组织的细化效果越明显；而且脉冲电流对Zn-42%Al合金凝固组织的细化效果对应一个电磁振荡频率的临界值,频率过高反而不利于细化。在改善组织方面：何树先等在对过共晶Al-19%Si合金施加充电电压为1500V,频率为1Hz的脉冲电流时,发现如图1-3所示：未经任何处理的试样凝固组织中含有大量的长杆状初生Si,其长宽比较大。且共晶Si尺寸较大；而经过脉冲电流处理后的凝固组织中初生Si转变为块状,长宽比显

36、著减小共晶Si呈短杆状,尺寸较小。图1-3 脉冲电流峰值与亚共晶Al-Si合金晶粒尺寸间的关系1.3.6固溶时效处理固溶热处理：将合金加热至高温单相区恒温保持,使过剩相充分溶速冷却,以得到过饱和固溶体的热处理工艺。时效处理可分为自然时效和人工时效两种自然时效是将铸件置于露天场地半年以上,便其缓缓地发生形,从而使残余应力消除或减少,人工时效是将铸件加热到550650进行去应力退火,它比自然时效节省时间,残余应力去除较为彻底。根据合金本性和用途确定采用何种时效方法。高温下工作的铝合金适宜用人工时效,室温下工作的铝合金有些采用自然时效,有些必须人工时效。从合金强化相上来分析,含有S相和CuAl2等相

37、的合金,一般采用自然时效,而需要在高温下使用或为了提高合金的屈服强度时,就需要采用人工时效来强化。比如LY11和LY12,40度以下自然时效可以得到高的强度和耐蚀性,对于150以上工作的LY12和125-250工作的LY6铆钉用合金则需要人时效。含有主要强化相为MgSi,MgZn2的T相的合金,只有采用人工时效强化,才能达到它的最高强度。对于一般铝合金,自然时效时,屈服强度稍低而耐蚀性较好,采用人工时效,合金屈服强度较高而伸长率和耐蚀性都降低。对于AlZnMgCu系合金入LC4则相反,当采用人工时效时,合金耐蚀性比自然时效好。时效处理最好在真空炉中进行,若在箱式炉中进行,为防模腔表面氧化,炉须

38、通入保护气氛,或者用氧化铝粉、石墨粉、铸铁屑,在装箱保护条件下进行时效。装箱保护加热要适当延长保温时间,否则难以达到时效效果。 1.4 电脉冲处理技术的发展前景电脉冲处理作为材料制备和性能改善的一种新方法,在材料研究中的应用比较广泛。电脉冲能细化金属的凝固组织,提高金属材料的塑性变形能力,促进非晶材料纳米晶化和金属再结晶,改善材料的综合力学性能。目前电脉冲技术离工业应用还存在较大的距离,关于电脉冲处理对液态和固态金属性能产生影响的作用机制尚不十分明确,对量化细化机制、晶格结构及晶粒取向、成分分布等还没形成共识。虽然还没有系统的理论阐述电脉冲对金属材料作用的机理,但是由于电脉冲对金属材料的诸多性

39、能都有着显著的影响,因此它在材料的性能改善方面仍然具有广泛的研究前景。但电脉冲处理技术广泛应用的前提是有无为大规模生产提供大电流的脉冲设备,目前国所能提供的数百安培的电源尚不能满足工业化生产的需要,因此迫切需要加强对相关设备的开发研究。1.5 选题的目的和本文研究容与创新点1.5.1选题的目的工业上普遍使用的易切削黄铜均为含铅黄铜HPb59-1,HPb59-2,HPb63-3,由于铅黄铜具有极好的切削性能,它广泛地被应用于多种制造行业中,如钟表、制锁、电器、通讯、打火机、玩具以及交通、农用等较大型机械中需要精密切削加工的各种小零件等。而这些器件报废之后,往往作为垃圾被丢弃,只有少量得到回收利用

40、。垃圾被焚烧时,铅蒸气散发于大气之中。由于铅黄铜中含有对人体有极大危害的重金属-铅,虽其含量不高1-3%但其排放绝对量己非小数。为了找到更好的替代品,用硅元素代替铅元素,并加电脉冲处理,本课题通过不同电压和不同频率电脉冲对硅黄铜材料进行处理,分析研究对其组织性能的影响,讨论并找到影响组织性能的因素,并为该类材料更好的在实际中应用提供依据。1.5.2 本文研究的容1、分析硅黄铜经电脉冲处理以及不同热处理的第二相组织变化。2、研究电脉冲与热处理试样的微观组织、显微硬度的变化,初步分析不同电压和不同频率电脉冲以及热处理不同时间与不同温度对硅黄铜凝固组织、高温性能的影响及作用机理。3、采用理论分析和实

41、验研究相结合的方式,对电脉冲的细化原因进行了探讨,并研究了脉冲电压和脉冲频率参数对金属凝固组织细化,缩短热处理时间及温度的影响规律,并在生产现场进行电脉冲作用下的工业试验,探索电脉冲技术的产业化应用前景。1.5.3创新点1、电脉冲熔体处理有效改善硅黄铜组织和性能； 2、采用硅代替铅,实现无铅易切削黄铜工业化生产； 3、研究黄铜固溶时效工艺,结合电脉冲处理技术,缩短黄铜的固溶时效的温度和时间,为节约能源、降低成本。第2章 实验容与方法2.1 实验材料与设备2.1.1实验材料材料：Cu 59%,Si 2.5%,Zn余量。2.1.2实验设备TGT-100型台秤、天平、高纯石墨坩埚、手锯、Th-12A

42、电阻炉、EPM-C型电脉冲发生器自行研制、硅碳棒熔炼炉、200 mm台式砂轮机、MP-2B研磨抛光机、HV-1000型显微硬度计、Axiovert-200MAT型金相显微镜,S-3000型扫描电镜。1. Electric pulse generator 2. Electrode 3.Crucible4.Al-Si-Fe Melt 5.Temperature controller 6. Thermocouple图2-1 脉冲电场处理装置示意图2.2 实验过程与方法将配制好的合金放入石墨坩埚中,在硅碳棒熔炼炉中加热到1050 熔化,经精炼、除气后,通过不同的脉冲电压、脉冲频率和脉冲时间的电脉冲进行

43、处理。实验整个实验过程由控温仪控温,脉冲电极在插入熔体前须经预热到400 。浇铸预热过的金属型,待试样凝固冷却后,经切割、研磨、抛光和浸蚀后,制成金相试样,进行显微组织观察分析。2.2.1浇注温度的选择适宜的浇注温度,不仅有利于气体和夹渣的排除及铸件的补缩,同时也有助于改善锭型壁表面质量。浇注温度过高,既加剧金属液的吸气和氧化倾向,又促使合金晶粒粗大和降低锭型的使用寿命,温度过低则易使金属液的流动性变差,这样既不利于铸件的补缩和金属液中气体及夹渣的排除,也不利于金属液在磨具中的流动。根据相图分析以及以往经验,适宜的浇注温度为1050 。所以本实验用该温度进行溶液浇注。2.2.2铸件的制备1、配

44、料；2、实验合金的熔炼在硅碳棒熔炼炉中进行。将熔炼炉升温,把石墨坩埚放入炉中预热400 ,然后将适量的Cu-Zn-Si材料放入石墨坩埚；3、将电阻炉加热升温到1050 熔化炉料,保温10min；4、然后分别对坩埚的合金熔体进行的EPM处理制成铸件,处理参数如表2-1、表2-2中所示：表2-1 相同脉冲电压和时间的电脉冲处理参数编号脉冲电压/V脉冲时间/s脉冲频率/HzA500303B500308C5003015表2-2 相同脉冲电压和时间的电脉冲处理参数编号脉冲电压/V脉冲时间/s脉冲频率/HzD1000303E1000308F100030155、将得到的样品进行固溶时效处理,具体参数如表2-

45、3、表2-4中所示：表2-3 不同温度和时间的固溶处理参数试样T/t/h数量组数原样650411EPM6503126503.513650414500315600316500417600418表2-4不同温度和时间的时效处理参数试样T/t/h数量组数原样275611EPM2754122755132756142254152504162256172506182.2.3金相试样制备与组织观察铸件制备成金相试样后分别进行磨制、抛光、腐蚀,用电子显微镜观察试样的组织及形态。实验过程如下：1、切割：用手锯将铸件纵向剖开,取适当的一部分用于微观组织观察和硬度测量；2、磨制：将用于组织观察的试样先用砂轮片磨平,

46、再分别用不用型号的砂纸依次进行磨制；3、抛光：将磨好的试样在抛光机上进行抛光,抛光时注意不能转数太高,若表面有杂质出现,应及时用酒精将杂质擦拭掉,防止在试样表面留下横竖不一的划痕；4、腐蚀：抛光结束清水冲洗酒精擦洗腐蚀液腐蚀二次清水冲洗二次酒精擦洗吹干；5、照相：用电子显微镜金相显微镜观察各试样的金相组织,并对每图加标尺；6、硬度测量：HV-1000显微硬度计进行硬度测量；7、扫描电镜：进行相组成和成分的分析。第3章 实验结果与分析3.1 硅黄铜微观组织及其硬度对比分析取各个合金试样的相同部位,用电子金相显微镜拍摄原样和经过1000V、8Hz、30s电脉冲方法处理得到的微观组织,如图3-1所示

47、。通过对微观组织的观察分析来进一步研究电脉冲处理对硅黄铜凝固组织的影响,经过分析得出了电脉冲处理的最佳工艺参数,为经过加1000 V、8 Hz、30 s处理过的试样。50m50m NO EPM EPM 1000V 30s 8Hz图 3-1原样与经过电脉冲孕育处理后的组织对比图3-1中的各图可以发现,在未处理的和经脉冲处理的情况下,试样显微组织中相形态发生显著变化,由星花状变为颗粒状。图a中的相尺寸粗大分布不均匀,并有局域集中现象,部分相呈长条状,且其长度可达到70m,部分星花状的相呈5-7个星花瓣,亦有星花状的相出现断裂成为尺度为50m 的块状。图b中星花状的相较细小且较均匀,相尺寸由未处理时

48、的50m减小为10m,为原来的1/5,且尺度较均一,几乎不存在局域聚集现象,达到了细化相的目的。不同时间固溶时效处理硅黄铜试样的微观组织如图3-2所示。50m50m275 4 h时效处理 275 5 h时效处理50m 275 6 h时效处理 图 3-2不同时间固溶时效处理后的组织图3-2是固溶时效处理不同时间下的试样的微观组织,图3-1、是在温度为275 时效时间分别为4h、5h、6h下得到的微观组织。通过对比 、 、各图并不能清楚的看出相,可能在熔炼过程中发生成分偏析,导致锌当量不足,没能达到+硅黄铜锌当量的含量,变为单相的硅黄铜,导致相没有出现。图3-3是相同温度下不同时间固溶时效处理硅黄

49、铜式样的微观组织。50m50m 250 4 h时效处理 250 6 h时效处理图 3-3温度为250 、不同时间固溶时效处理后的组织图3-3是在相同温度下经固溶时效处理试样的微观组织,图3-3、分别是经4h、6h固溶时效处理后得到的微观组织。对比图3-3、发现经4h处理的试样相分布明显均匀,且呈细小圆润的颗粒状,相的细化效果比较理想,由此可以看出经电脉冲处理后可缩短了固溶时效的时间2h。图3-4是在温度为225 下不同时间固溶时效处理硅黄铜式样的微观组织。50m50m 225 4 h时效处理 225 6 h时效处理图 3-4不同时间固溶时效处理后的组织图3-4是在相同温度下经固溶时效处理试样的

50、微观组织,图3-4、分别是经4h、6h固溶时效处理后得到的微观组织。对比图3-3、发现经4h处理的试样相分布明显均匀,图中虽然较多但分布混乱且相的大小不一致,且有局部聚集现象,部分相尺寸较大,由此可以看出经电脉冲处理后可缩短了固溶时效的时间2h。不同温度处理对硅黄铜试样的微观组织如图3-4所示。50m50m 原样275 6 h时效处理 275 6 h时效处理50m50m 250 6 h时效处理 225 6 h时效处理图 3-5不同温度固溶时效处理后的组织图3-5是固溶时效处理不同温度下的试样的微观组织,图3-1是未经电脉冲处理试样在温度为275 ,时效6h下的微观组织,、是经电脉冲处理在温度为

51、275 、250、225下得到的微观组织。通过对比各图可以看出,电脉冲处理后的试样,相可以在较低的温度下析出,细化明显。温度可降低50。图3-6是相同时间下不同温度固溶时效处理硅黄铜式样的微观组织。50m50m 225 4 h时效处理 250 4 h时效处理图 3-6相同时间、不同温度下固溶时效处理后的组织图3-6是在相同时间下经固溶时效处理试样的微观组织,图3-6、分别是经225 、250 固溶时效处理后得到的微观组织。对比图3-6、发现经225 处理的试样相分布明显均匀,且相的细化效果比较理想,由此可以看出经电脉冲处理后可缩短了固溶时效的温度。细小的相有利于硅黄铜的切削性,起到断屑的作用。

52、3.2 相对硅黄铜性能的影响3.2.1相的概述相在传统黄铜合金常被认为是不利因素,常予以避免,相是一个硬脆相,铸态下以星花状分布于基体中,严重影响黄铜的加工性能。加入硅和加电脉冲可使星花状的相转变成细粒状的相,并在相基体中均匀分布。这种细小的相在切削时可起断屑作用。基于此要提高黄铜的切削性能必然要提高相的含量,但是相的增加要消弱合金的塑性,所以、相的含量比例对材料的易切削性和塑性将产生影响。3.2.2相的组织形貌应用扫描电镜对硅黄铜试样进行扫描分析,相应扫描图片如图3-3所示： 225 4 h时效处理 250 4 h时效处理 225 6 h时效处理 250 6 h时效处理图3-3 不同温度与时

53、间处理后的SEM形貌图图3-3为试样的固溶时效形貌图。对比图a、b可明显看出,图a中相单位面积数量多,相细小且分布均匀,所以脉冲处理的试样固溶时效的温度可以的到降低。对比图a、c可明显看出,图a中相较图c中相分布更为均匀,所以脉冲处理的试样固溶时效的时间可以缩短,组织细化明显。降低了能耗,减少能源的损耗。3.3 显微硬度分析为了验证电脉冲孕育处理后能够细化晶粒,改善试样的性能,我们通过硬度这一性能来进行验证,本实验所用的硬度测量工具是HV显微硬度计。3.3.1不同热处理后硬度参数1#试样是未经电脉冲孕育处理浇注成型后进行固溶时效,2#、3#、4#、5#、6#、7#和8#试样在脉冲电压为1000

54、V、脉冲时间为30 s下,分别经脉冲频率15 Hz电脉冲处理后浇注成型后进行固溶时效。显微硬度如图3-4所示。图3-4不同固溶时效参数处理后显微硬度从图3-4可以看出,电脉冲处理后,试样的显微硬度有所变化。在脉冲电压和脉冲时间相同的情况下时,硬度呈波动性变化。也说明6号试样基体硬度最低,比较利于切削与热拔,以及后期处理,也说明显微硬度不是随脉冲频率增加而增加。3.4 小结硅黄铜材料在经脉冲电压1000 V、脉冲时间30 s、脉冲频率15 Hz的电脉冲处理后,再进行固溶时效处理硬度有所下降。电脉冲技术硅黄铜组织中的相有明显的变质作用,对熔体施加脉冲能促使相析出,一定程度上改善合金的力学性能。固溶

55、时效处理可以改变硅黄铜中相的分布,并且电脉冲处理可以降低固溶时效的温度缩短固溶时效的时间,节约了能源。第4章 结 论1、经脉冲处理后立即浇铸对Cu-Zn-Si合金材料凝固组织中的相有明显的变质作用,对熔体施加脉冲能促使硅黄铜第二相质点析出,且分布较未处理的均匀弥散,其机体组织中均匀地弥散分布着第二相质点。硅黄铜中相得到细化效果十分明显。2、硅黄铜材料在经脉冲电压1000 V、脉冲时间30 s、脉冲频率15 Hz的电脉冲处理后得到的显微硬度较未处理时的降了10-20,说明一定程度上改善了合金的力学性能；也说明电脉冲处理技术对Cu-Zn-Si材料的组织性能有明显的作用。3、电脉冲孕育处理加速了Cu

56、- Zn-Si合金材料的固溶时效的进程,缩短了固溶时效的时间2h和温度降低50 。参考文献1 斌, 建新, 丽娜, 等.硒铋黄铜中铋的铸造凝固行为研究J.特种铸造及有色合金, 2007,27:74-77.2 明, 潇. 环保健康型无铅易切削耐腐蚀低硼钙黄铜P. 中国,.7.2005, 05, 26.3 Dean M P.Lead-free brass alloys seek mew marketsJ. Foundry Management & Technology, 2002, 130: 8-9.4 丙璇, 宋婧, 钟建华. Bi黄铜易切削机理的研究J, 南方金属, 2006, 6: 32-3

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