无铅磷钙黄铜的组织与性能研究

黄磊

摘要：在工业生产中铅黄铜被广泛应用，由于铅黄铜本身的优良特性，化工专业领域中该方面的研究比较多。铅黄铜容易发生铅的析出，铅元素对环境和人类的健康有一定的危害。研究人员采用磷、钙元素代替铅元素，对合金成分进行优化，在实际的化学研究中判断该种无铅磷钙黄铜合金的力学、耐脱锌腐蚀性都比较适中。基于此，本文将对无铅磷钙黄铜的组织以及性能进行研究。

关键词：无铅磷钙黄铜；组织；性能；研究

在机械制造工业金属材料加工中，很多零件的加工几何精度比较高，如在汽车工业、精密仪表工业等行业，一方面需要考虑零件的加工精度，另一方面需要考虑零件加工的成本，在实际的零件加工环节中保障材料性能的基础上提高零件的切削加工性能。

1 磷钙黄铜生成实验

在磷钙黄铜生成实验中，主要的实验原料有电解铜、工业纯锌锭、P-Cu合金（P含量在14%左右）。对熔铸炉进行检验，确保以上合金能够实现烧铸；对烧铸温度进行合理控制，对以上材料使用熔铸工艺制备无铅磷钙黄铜，以便对该合金进行力学性能实验、电镜扫描以及能谱分析。在实际的实验中，主要的设备有250kg中频感应炉、微机控制电子万能试验机、INCAX-act能谱仪、自行研制的恒温水槽、显微镜等。

2 磷钙黄铜显微组织分析

2.1 金相组织分析

对磷钙黄铜的显微组织进行分析，在放大了的金相组织分析中，放大倍数为500，从显微镜下观察到的金相组织如图1所示，合金铸态组织成分并不单一，主要由亮白色。相、灰色的β相组成，与这两相在同一界面上存在类似的球状颗粒。在磷钙合金凝固时，能从液相中析出β相；当温度发生变化时，开始从β相中析出α相，温度逐渐降低时析出的α相逐渐增加，伴随着β相逐渐减小。在实际的实验环节中，冷速比较快，两个金相之间的扩散不充分，不能达到一定的平衡。当温度低至456℃时，该二相进行有序转变，β相与α相结合，并形成了α+β相为主的两相组织。合金中的P、Ca增加时，合金内部的第二相颗粒逐渐增加。

2.2 SEM组织分析

对1-6号试样SEM照片进行分析，该六组照片与金相照片进行对比，β与α相的清晰度更高；在1-3号试样中当P含量逐渐增加时，α相也逐渐增加，但是伴随着β相减小。在5号试样中，P、Ca含量增加时，第二相颗粒比较多。在6号试样中，α相出现了细密的连续网状Cu-P等中间合金共晶组织，该共晶组织为金属与非金属的层片结构，在实际连接上比较紊乱。这种紊乱是由于锌被逐渐烧损，α相与β相也比较混乱。为了避免这种情况，首先需要严格控制实验的温度。磷钙黄铜的SEM组织图谱如图2所示。

在黄铜中加入其他元素时，可以认为其他元素将黄铜中的锌元素取代，因此可以发现锌在β相与α相之间的溶解度发生变化。

在进行物相分析时，在试样4-6中添加磷与钙，可能产生的合金种类增加。对产生的合金种类进行X射线衍射分析，发现磷钙黄铜成分主要由α相（Cu0.61、Zn0.39）和β相（Cu、Zn）组成。在试样4中并没有发现新的相产生。随着P含量的增多，研究人员能够从试样5的衍射谱中观察到，新的衍射峰出现；同样去观察试样6号，该型号试样的峰值更加明显。5号和6号试样出现的衍射峰位置相同，在多个实验中可推测出合金中存在Cu3P相。

3 无铅磷钙黄铜性能分析

3.1 力学性能

对磷钙黄铜合金的性能进行分析，在其力学性能方面取六组不同P含量的合金，研究力学性能。合金的力学性能指标分别为硬度（HB）、抗拉强度（MPa）、延伸度（%）。在正常情况下，磷钙黄铜能呈现出比较好的力学性能。当P含量逐渐增加时，合金的硬度逐渐增加，同时意味着其塑性比较低。当P含量一直增加，最终增加到15时，将会出现一定的脆性。

3.2 切削性能

将以无铅磷钙黄铜取代铅黄铜，需要对合金的切削性能进行分析，在P含量不同的情况下其切削性能不同。一般情况下，对切削性能进行判断，可以直接通过断屑进行判断。由于金属材质的原因，切屑表面比较光亮，断屑痕迹比较明显。分别对1-6试样进行观察，在5号试样中其切屑呈现的形状为C型，切屑比较小，并且其实际的尺寸、形态与铅黄铜HPb59-1的切屑比较相似，而5号试样的性能参数分别为硬度（HB）105.0、抗拉强度（MPa）362.7、延伸度（%）15.0。与其他类型相比，5号试样的磷钙黄铜试样的切削性能最佳。

4 结论

综上所述，铅黄铜在实际的零件切削以及生产中应用较多，但由于铅元素有毒，零件中会析出铅，因此在实际的精密零件生产中将磷、钙元素加入，取代铅元素，能达到同样的合金性能。因此，本文对无铅磷钙黄铜的组织与性能进行分析。在磷钙黄铜显微组织分析中，分别对金相组织、SEM组织进行研究，并分别从力学性能与切削性能等角度探讨无铅磷钙黄铜的性能。