含Bi易切削变形Zn-Al合金显微组织与性能

林高用 ，孙利平，曾菊花，王莉

(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)

在有色金属中锌的矿物储量、产量和用量仅次于铝和铜，居第3位[1−2]。随着我国有色金属工业的快速发展，我国铜资源短缺与铜消费量增长的矛盾日益加剧，加速开发铜及铜合金替代材料，以满足现代工业的需求，成为材料工作者的共识[2−5]。我国锌资源不但储量多，居世界前列，品位也高[6]。锌合金具有熔点低、铸造性能好、力学性能优异、生产工艺流程短、能耗小等优点，是部分铜合金的理想替代材料，成为目前国内外研究的热点[7−12]。经过几十年的发展，锌合金已形成铸造锌合金和变形锌合金两大系列。变形锌合金的典型代表为 Zn-Al和 Zn-Cu-Ti合金。Zn-Cu-Ti合金是目前使用较多的变形锌合金，可用来制作拉链、千层锁和日用五金等，但由于其综合性能较低，应用范围有很大局限；而Zn-Al合金具有许多优异的性能，如熔点低、熔炼耗能少，生产效率高，力学性能良好等，目前已相继发展了几个成分的Zn-Al 合金(ZnAl15，ZnAl10-1，ZnAl10-5，ZnAl0.2-4和ZnAl14-1)作为黄铜的代用品[2]。但变形Zn-Al合金，尤其是接近共晶成分的Zn-Al合金，在切削加工时通常会遇到较大困难，在自动车床和仪表车床上切削加工效率低，排屑不畅，易黏刀，易断刀，加工件表面不光洁等，限制了变形Zn-Al合金的应用[13]。因此，研究开发出一种既具有优良切削性能，又具有良好力学性能的变形Zn-Al合金，实现对已有易切削铅黄铜的替代具有重要意义。一般可通过添加Pb，Sn和Bi等低熔点元素来提高合金的切削性能[14]，并通过添加适量的Al，Cu，Mg和Ti等合金元素提高Zn合金的力学性能与成形性能[2,15−16]。目前，还没有关于易切削变形 Zn-Al-Bi合金组织与性能的研究报道。本文作者通过较系统的试验，对自行配制的无铅含Bi易切削变形Zn-Al合金铸态、挤压态的组织与性能进行了研究。

1 试验材料及方法

本文所用试验材料是自行配制的含 Bi易切削变形Zn-Al合金。按照表1所示的合金成分进行配料，在工频感应炉内熔炼；熔炼过程中，Bi以纯金属加入，Ti以Cu-Ti中间合金加入，Mn以Al-Mn中间合金加入。将铸锭锯尾、车皮后在3 150 kN立式挤压机上进行挤压，挤压工艺参数为：模具、挤压筒预热温度200℃，铸锭加热温度250～260 ℃；挤压比λ=18.8。

表1 试验合金化学成分(质量分数)Table1 Chemical compositions of experimental alloys%

采用 POLYVAR−MET型金相显微镜观察铸锭金相组织；将合金挤压态按GB/T 228—2002制成拉伸试样，在CSS−44100型电子万能试验机上进行室温拉伸试验，拉伸速度为2 mm/min；利用Sirion200场发射扫描电子显微镜观察合金微观组织；在DJ−CL−1三向线性放大器/CD6140A机床上对合金挤压态进行切削力测试，并对合金铸态、挤压态车屑形貌进行对比观察。

2 结果与讨论

2.1 力学性能

合金挤压态力学性能测试结果如表2所示。从表2可以看出：未加Mn和Ti的0号合金抗拉强度为351 MPa，伸长率为 18%，虽比 1号合金抗拉强度低 12 MPa，但伸长率高5%，表现出较好的综合性能。2号合金抗拉强度最高，为368 MPa，但伸长率仅为7%，其塑性较差。3号合金强度最低，为345 MPa，伸长率和1号合金的相同，为13%。通过比较可以发现，0号合金和1号合金表现出了较好的综合力学性能，不但有较好的塑性，抗拉强度也达到350 MPa以上，能满足替代部分铜合金的要求[6]。

表2 挤压态Zn-Al-Bi合金力学性能Table2 Mechanical properties of extruded Zn-Al-Bi alloys

2.2 合金铸态金相组织

对合金铸态进行金相组织观察，结果如图1所示。从图1可以看出：未添加Ti合金元素的0号合金铸态金相组织呈树枝状，而添加了Ti的1号、2号和3号合金铸态组织枝晶被打破，晶粒明显细化，表明 Ti能对 Zn-Al合金晶粒产生明显细化作用，这与文献[2, 7]的结果是一致的。从图1还可以看出：2号合金金相组织中存在大而不规则的相，结合室温拉伸试验结果可知，该相对Zn-Al合金的塑性可能产生明显恶化作用。

2.3 扫描电镜观察

0号、1号和2号合金铸态及挤压态的SEM微观组织如图2所示，其中图2(a)～(c)所示为合金铸态微观组织，图2(d)～(f)所示为合金挤压态微观组织。从图2(a)～(c)可以看出：未添加 Ti的 0号合金铸态组织呈枝状(见图2(a))；而添加了Ti的1号合金铸态组织枝晶被打破，晶粒明显细化(见图2(b))；2号合金铸态组织中存在大而不规则的相(见图2(c))，这与合金铸态金相组织结果是一致的。此外，通过背散射电子扫描电镜还可以观察到，合金中Bi的分布为均匀细小的粒子(如图2中高亮的白色相)，正是由于低熔点Bi相的弥散分布，改善了试制 Zn-Al合金的切削性能。从图2(d)～(f)可以看出：挤压后合金组织均匀细小。未添加Ti的0号合金铸态组织枝晶被打破，组织细小均匀，Bi相弥散分布(图2(d))，因此，其挤压态力学性能及切削性能都较好。添加了Mn，Ti和Bi的1号试样挤压态组织均匀细小，富 Mn相和 Bi相弥散分布(图2(e))。2号合金挤压铸态组织中存在大而不规则的块状相(图2(f)中的黑色相)，根据表1合金力学性能测试结果，2号合金塑性明显低于0号和1号合金的塑性，这可能是由于2号合金中大而不规则的块状相为脆性相。因此，本文作者认为：加Ti虽然能明显细化Zn-Al合金铸态组织，但由于变形Zn-Al合金经过挤压成形，组织已经非常细小，因此，不添加Ti的0号合金其组织与性能已经能够满足要求。此外，Mn的加入对于提高变形Zn-Al的力学性能作用不明显。

图1 Zn-Al-Bi合金铸态显微组织(OM)Fig.1 Optical micrographs of as-cast Zn-Al-Bi alloys

2号合金铸态组织微区成分分析结果如图3所示。由图3可知：2号合金的铸态组织包含了5种不同的相：η-Zn基体相(A点)、初生α相(B点)、共晶α+η相(C点)、Mn富集的化合物(D点)和微量的Bi相(E点)。η-Zn基体相是以Zn为基，固溶有微量Al和Mn的固溶体(如图3(b)所示)，为密排六方晶体结构；初生 α相是以Al为基，固溶有大量Zn、微量Mn的固溶体(见图3(c))，为面心立方晶体结构；共晶α+η相由η固溶体和α固溶体共同组成(见图3(d))；Mn富集的化合物呈块状或其他不规则形状分布(见图3(e))；微量的 Bi相以点状弥散分布在η-Zn基体相、初生α相、共晶α+η相和Mn富集的化合物上(见图3(f))，正是由于低熔点的Bi相在合金中弥散分布，在合金切削时起到断屑作用，从而提高了变形Zn-Al合金的切削性能。

2.4 切削性能

试制易切削变形锌合金挤压态切削力测试是在DJ−CL−1三向线性放大器/CD6140A机床上进行的，测试结果如表3所示。三向切削力是在固定切削速度、进给量和背吃刀量的情况下获得的，进行比较时主要针对切向力。从表3可知：0号合金切向力平均值最低，为42.30 N；1号合金切向力平均值最高，为48.03 N；2号和3号合金切向力平均值比1号合金的稍低，分别为47.28 N和46.51 N。以上结果表明：未添加Mn和Ti，添加0.3% Bi的0号合金切削性能最好，其切削力最低；添加了Mn和Ti的1号、2号和3号合金随着Bi含量的增加，切削力下降，切削性能有所提高。

图2 Zn-Al-Bi合金SEM背散射电子像Fig.2 SEM back-scattered electron images of Zn-Al-Bi alloys

0号合金铸态及挤压态车屑形貌如图4所示。从图4可以看出：合金铸态、挤压态车加工时易断屑，车屑均呈直条状，且车屑较细小，其切削性能好。

表3 挤压态Zn-Al-Bi合金切削力测量结果Table3 Cutting force measurements of extruded Zn-Al-Bi alloys

图3 2号合金铸态背散射电子像及能谱分析结果Fig.3 Back-scattered electron image and EDS analyses results of as-cast alloy 2

图4 0号合金车屑形貌Fig.4 Photos of cuttings of alloy 0

2.5 电镀预处理和电镀试验结果

Zn-Al合金存在一定的晶间腐蚀倾向，目前合金实际应用时采用电镀保护，以提高合金耐腐蚀性能，因此，试制的Zn-Al-Bi合金需能够实现电镀。Bi虽能明显提高Zn-Al合金的切削性能，但是实验中发现其对合金电镀性能产生了不良影响，Bi可能导致变形Zn-Al合金电镀起泡。通过对试制的含Bi易切削变形Zn-Al合金进行电镀预处理及电镀试验，得出以下主要试验结果：

(1)将0号、1号、2号、3号合金挤压态试样进行电镀预处理，Bi含量较少的0号、1号合金不起泡，而2号、3号试样起泡，表明Bi含量较高的Zn-Al合金，容易起泡，如图5所示。

(2)对2号合金挤压态和车加工态分别进行电镀，电镀结果见图6。由图6可以看出：经过车加工后的试样电镀起泡程度明显降低。

含Bi易切削变形Zn-Al合金电镀起泡主要与Bi含量、制品表面光洁度等因素有关，Bi含量超过0.5%时，合金易电镀起泡。综合比较发现：本文试制的含0.3%Bi的0号合金不但具有良好的切削性能和综合力学性能，电镀也不易发生起泡，能够满足使用要求，可作为部分铜合金替代材料，用于轴承、连接件、五金和家电等结构件。

图5 Zn-Al-Bi合金挤压态试样电镀预处理后照片Fig.5 Photos of extrusion Zn-Al-Bi alloys after plating pretreatment

图6 2号合金电镀试验试样照片Fig.6 Photos of alloy 2 after plating

3 结论

(1)低熔点的Bi相在Zn-Al合金中以针状弥散分布，在机加工时起到断屑作用，改善了Zn-Al合金的切削性能。

(2)Bi含量超过0.5%时，Bi对Zn-Al合金电镀性能产生不良影响，因此，易切削Zn-Al合金中Bi含量不宜超过0.5%。

(3)自行配制的 Zn-10%Al-0.3%Bi-0.75%Cu-0.03%Mg合金，切削性能良好，抗拉强度达到 351 MPa，伸长率为18%，电镀不易起泡，表现出较好的综合性能，可作为部分铜合金替代材料，用于轴承、连接件、五金、家电等结构件。

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