锌基合金挤压型材的组织与性能

第39卷第2期中南大学学报(自然科学版)Vol.39No.22008年4月J.Cent.SouthUniv.(ScienceandTechnology)Apr.2008锌基合金挤压型材的组织与性能林高用1,2，郑小燕1，曾菊花1，孙利平1(1.中南大学材料科学与工程学院，湖南长沙，410083；2.中南大学有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，湖南长沙，410083)摘要：对自行研制的一种锌基合金(可取代HPb59-1黄铜)的挤压型材组织与性能进行研究，并与某厂研制的一种锌基合金进行比较。结果表明：自行研制的锌基合金在挤压温度为350℃，挤压比为17.5和挤出速度为20mm/s的挤压工艺下可顺利实现挤压成形；挤压所得表链型材抗拉强度达到375MPa，切削性能良好，组织致密，表面质量好；挤压后合金组织为完全再结晶组织，其局部还出现再结晶晶粒聚集长大的现象；在人造海水中腐蚀30d后没有明显的晶间腐蚀倾向。关键词：锌基合金；挤压型材；切削性能；抗拉强度；显微组织；腐蚀中图分类号：TG146.1文献标识码：A文章编号：1672-7207(2008)02−0246−05Microstructureandpropertiesofextrudedprofilesofzinc-basedalloysLINGao-yong1,2,ZHENGXiao-yan1,ZENGJu-hua1,SUNLi-ping1(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China;2.TheKeyLaboratoryofNonferrousMetalMaterialsScienceandEngineering,MinistryofEducation,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)Abstract:Theextrudedprofile’smicrostructureandpropertiesofaself-developedzinc-basedalloywhichcanreplaceHPb59-1brasswerestudiedandcomparedwithazinc-basedalloypreparedinafactory.Theresultsshowthatthefeasibleextrusionprocessoftheself-developedzinc-basedalloyisobtainedwhenheatedto350℃,extrudedwitharatioof17.5,extrudedattherateof20mm/s;thetensilestrengthσboftheextrudedchainprofileis375MPa.Theprofilehasgoodcuttingperformance,densemicrostructureandexcellentsurfacequality.Completere-crystallizationandlocalgraincoarseningtakeplaceintheextrudedprofile;especially,thereisnoobvioustendencyofinter-crystallinecorrosionafterexposedinmanmadeseawaterfor30d.Keywords:zinc-basedalloy;extrudedprofile;cuttingperformance;tensilestrength;microstructure;corrosion自20世纪30年代以来，在全世界范围内开始出现铜资源紧张的局势，导致铜原料价格越来越昂贵。我国铜资源先天不足，进行铜替代材料的研究迫在眉睫。我国锌资源非常丰富，且锌基合金制备工艺简单，能耗低，污染小[1−7]，因此，以锌代铜是一种较为理想的选择。锌基合金之所以没有获得广泛应用，主要是因为其塑性低，难以实现挤压成形，且存在严重的晶间腐蚀倾向，在取代铅黄铜时其切削性能很难达到加工要求。目前，国内对此类锌基合金的研究极少，尚无此类锌基合金挤压型材的报道。国外学者在这方面开展过相关研究，例如德国在寻找黄铜代用品方面开发了成分为Zn-(3.7~4.0)%Cu-(0.2~0.3)%Mg-(0.05~0.2)%Al-(0.25~0.4)%Bi的锌基合金，主要应用于对高速切削质量要求极为严格的加工过程。该合金的缺点是力收稿日期：2007−05−25；修回日期：2007−07−26基金项目：云南省省院省校科技合作计划项目(2003UABAB05A050)；中南大学学生创新性实验计算项目(LC07117)通信作者：林高用(1966−)，男，湖南洞口人，博士，教授，从事材料制备与加工工艺研究；电话：[phone]；E-mail:[e-mail]第2期林高用，等：锌基合金挤压型材的组织与性能247学性能及尺寸稳定性差，虽然一些研究者[2−3]指出该合金在280~350℃范围内容易挤压成形，但生产这种材料的挤压棒材时并未成功。目前，国内对Zn-Cu系合金的热挤压及其组织与性能的研究很少。经多次试验，本文作者研制了一种具有良好切削性能和力学性能的无铅Zn-2.54Cu(其中数值为质量分数，%)基合金并实现了其挤压成形[8−9]，在此，研究该锌基合金挤压型材的组织与性能。1试验方案1.1试验材料所用试验材料是自行研制的一种具有良好切削性能和综合力学性能的锌基合金。将这种合金与某厂研制的1种含铅锌基合金进行比较[9]，结果表明，这2种合金均具有一定的热塑性，通过制定合理的挤压工艺可实现其挤压成形。2种合金的实测化学成分，如表1所示。表1锌基合金化学成分Table1Compositionofzincbasedalloyw/%合金种类CuMgAlPbReZn自行研制的锌基合金2.540.560.29—0.052%La-0.16Ce余量工厂配制的锌基合金6.580.850.823.020.19%La-0.25Ce余量1.2挤压工艺参数经多次试验[9]，确定用昀大挤压力为2kN的挤压机，挤压筒内径为45mm，挤压锭直径×长度为40mm×100mm，其挤压工艺参数如表2所示。表2挤压工艺参数Table2Extrusionprocessingparameters预热温度/℃挤压筒挤压模铸锭加热温度/℃挤压温度/℃挤压比挤出速度/(mm﹒s-1)200300350~41035017.5201.3检测与分析在CSS44100万能电子拉伸试验机上测试抗拉强度。截取自制锌基合金挤压态和工厂研制的锌基合金挤压型材做成拉伸试样，试样尺寸为：标距25mm，标距处宽6mm，厚2mm。切削实验在普通钻床上用直径为0.8mm的钻头进行钻削，且在钻削过程中不加切削液，也不加冷却液。对自制锌基合金挤压型材在人造海水中进行腐蚀性能测试(暴露30d)。取钻削、拉伸试样断口、挤压型材的金相试样和腐蚀试样，在KYKY−2800扫描电镜上进行扫描分析。2试验结果及分析2.1挤压试验用表2所示的挤压工艺，对表1中的2种锌基合金均挤压出一种表链用型材，如图1所示。由图1可见，本文作者所研制的锌基合金挤压所得的表链型材(图1(a))，表面光亮，型材平直；而某厂所研制的锌基合金勉强能进行挤压成形，且挤出的型材在几米长内出现几次断裂。这是由于该厂在配制锌基合金时，为了提高其切削性能而加入了含量大于2.5%的Pb，铅在锌合金中易形成脆性化合物[4]，不利于锌合金的热挤压加工。由图1可见，该锌基合金挤压型材(图1(b))表面粗糙，色泽暗淡，肉眼即可观察到表面的缩松和裂纹，以及表面因铅粒在高温下熔化留下的孔洞。(a)自行研制；(b)某厂研制图12种锌基合金挤压型材实物照片Fig.1Actualimagesoftwozincbasedextrudedprofiles2.2切削性能比较对2种锌基合金挤压态试样进行钻削试验。在钻削过程都产生了发热和切屑粘钻头的现象，但作者自制的锌基合金挤压型材在钻削时产生的发热现象比某厂研制的锌基合金所产生的发热现象弱。对二者切屑进行扫描分析，结果如图2和图3所示。由图2可见，作者自制锌基合金挤压型材的切屑既有碎条状也有片中南大学学报(自然科学版)第39卷248状，但几乎没有孔洞。该合金在熔铸过程中形成了稀土化合物等脆性相，经过挤压变形后，合金中的这些脆性相被破碎并弥散分布[10−11]，有利于提高其切削性能，可满足使用要求。图3所示为某厂研制的锌基合金挤压型材的切屑形貌，其切屑虽然细碎，但切屑色图2自制锌基合金挤压态型材切屑形貌Fig.2Cuttingimageofself-developedzinc-basedalloy’sextrudedprofile图3工厂研制锌基合金挤压型材切屑形貌Fig.3Cuttingimageofzinc-basedalloy’sextrudedprofilefromafactory泽灰暗，且孔洞较多，这是稀土和铅共同作用的结果[10−11]。虽然该合金的切削性能较好，但其组织和其他性能不能满足使用要求。2.3自行研制的锌基合金挤压型材显微组织图4所示为自行研制的锌基合金挤压态组织，可见其中存在2种基本组织，即被拉长的Zn-Cu相(ε相)和细小等轴的基体晶粒，基体组织中还可见一些局部由少数晶粒构成的大块状组织(图中箭头所指)。锌再结晶温度低于300℃，很容易发生再结晶[2−3,12−13]，该合金挤压温度达350℃，再加上由于塑性变形产生的温升，合金的实际变形温度已超过其再结晶温度，因此，在挤压过程中发生动态再结晶；由于挤压速度较慢，挤压变形的时间较长，型材挤出模孔后的冷却速度慢，合金有充分的时间发生静态再结晶和再结晶晶粒的长大，因而再结晶进行得很完全。2.4力学性能及断口形貌比较2种锌基合金力学性能的试验结果表明，作者自制的锌基合金挤压后抗拉强度σb=375MPa，伸长率δ=2%，满足用户要求(σb≥320MPa)；某厂研制的锌基合金挤压后抗拉强度σb=270MPa，伸长率δ=1%，不满足用户要求。锌合金中加入铝、铜、镁可细化晶粒，提高合金强度。锌合金中加入稀土，当稀土加入量达到一定时，可在合金中形成稀土化合物，分布在晶界。稀土化合物自身显微硬度较高，为300~380N[10−11]，且其尺寸细小，可钉扎晶界，通过阻碍晶界移动来阻止晶粒长大，保持锌合金的细晶组织。此外，稀土化合物还可以钉扎位错，使位错产生塞积。这些因素都可以增大锌合金的塑性变形抗力，使稀土锌合金具有更高的强度和硬度。由于合金晶粒变得细小、均匀，受外力作用时，各晶粒内的塑性变形均匀，宏观上使锌合金的塑性也得到提高。(a)挤压型材法向平面；(b)挤压型材纵截面；(c)挤压型材横截面图4自行研制的锌基合金挤压型材组织Fig.4SEMimagesofself-developedzinc-basedalloy’sextrudedprofile第2期林高用，等：锌基合金挤压型材的组织与性能249图5所示为自行研制的锌基合金挤压型材拉伸断口形貌。可见，该合金的宏观拉伸断口与拉伸力接近正交的平面，断口由韧窝和解理亮面共同组成，说明该锌基合金挤压型材具有一定的韧性，同时可见该挤压型材组织致密。图6所示为某厂研制的含铅锌基合金挤压型材拉伸断口形貌，宏观拉伸断口呈与拉伸力正交的平面，断口上几乎没有韧窝，且出现大量的孔洞，说明该挤压型材组织疏松，韧性极差。图5自行研制锌基合金挤压型材拉伸断口形貌Fig.5Fractureimageofself-developedzinc-basedalloy’sextrudedprofiles图6某工厂研制的锌基合金挤压型材拉伸断口形貌Fig.6Fractureimageofzinc-basedalloy’sextrudedprofilesfromaf