简介概要

微量钴对铝黄铜组织性能的影响

来源期刊：稀有金属2008年第6期

论文作者：修志磊李莉黄国杰蔡薇

关键词：钴; 72.5Cu-22.7Zn-3.4Al合金; 带材; 抗拉强度和伸长率; 维氏硬度;

摘要：在铝黄铜(72.5Cu-22.7Zn-3.4Al)中添加微量钴(0.2%,0.4%,0.6%),研究微量钴、熔炼铸造工艺及加工工艺参数对轧制法生产的带材的机械性能的影响.探索采用铝黄铜替代目前广泛使用的弹性铜合金材料.锡磷青铜的可行性.研究结果显示:钴能有效减少铸态合金的晶粒尺寸、改变晶粒的形状,提高合金的抗拉强度、硬度,并保证合金具有较好的延展性.铝黄铜中添加0.4%钴.采用合理的加工工艺生产出的黄铜带具有比锡磷青铜更优异的性能,0.25 mm厚的带材,其抗拉强度可达840.4 MPa,伸长率为2.8%,维氏硬度值为228,比特硬状态的QSn6.5-0.1带材的抗拉强度最大值(805 MPa)提高了4.4%,满足弹性元件的使用要求;同时,由于该黄铜中含有22.7%的锌,可有效降低成本,具有实际应用价值.

稀有金属 2008,32(06),718-722 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2008.06.011

微量钴对铝黄铜组织性能的影响

修志磊黄国杰李莉

江西理工大学材料与化学工程学院

中铝洛阳铜业有限公司

北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室

摘要：

在铝黄铜 (72.5Cu-22.7Zn-3.4Al) 中添加微量钴 (0.2%, 0.4%, 0.6%) , 研究微量钴、熔炼铸造工艺及加工工艺参数对轧制法生产的带材的机械性能的影响。探索采用铝黄铜替代目前广泛使用的弹性铜合金材料-锡磷青铜的可行性。研究结果显示:钴能有效减少铸态合金的晶粒尺寸、改变晶粒的形状, 提高合金的抗拉强度、硬度, 并保证合金具有较好的延展性。铝黄铜中添加0.4%钴, 采用合理的加工工艺生产出的黄铜带具有比锡磷青铜更优异的性能, 0.25mm厚的带材, 其抗拉强度可达840.4MPa, 伸长率为2.8%, 维氏硬度值为228, 比特硬状态的QSn6.5-0.1带材的抗拉强度最大值 (805MPa) 提高了4.4%, 满足弹性元件的使用要求;同时, 由于该黄铜中含有22.7%的锌, 可有效降低成本, 具有实际应用价值。

关键词：

钴;72.5Cu-22.7Zn-3.4Al合金;带材;抗拉强度和伸长率;维氏硬度;

中图分类号： TG146.11

收稿日期：2007-11-20

基金：国家自然基金 (50704006);江西省自然基金 (550033) 资助项目;

Effect of Cobalt on Structure and Mechanics Function of Aluminum Brass

Abstract：

Studying the effect of different content of Co (0.2%, 0.4%, 0.6%) on the structure and the mechanic function of aluminum brass (72.5Cu-22.7Zn-3.4Al) to investigate the possibility of substituting aluminum brass for phosphorus bronze which is now extensively used for elastic component. The research result shows that grains of as-cast alloy can be refined clearly by adding a little amount of Co. The tensile strength and hardness are improved, and the alloy has quit good ductility. With 0.4% Co and reasonable craft, the aluminum brass has much excellent characteristics than phosphorus bronze. The tensile strength, ductility and HV of strip of 0.25 mm are 840 MPa, 2.8% and 228 that satisfy the usage request for the strip which is made to elastic component. The tensile strength raises about 4.4% comparing with the max. strength of strip of QSn6.5-0.1 (805 MPa) . The cost is cheaper than phosphorous bronze because of implying 22.7% zinc in that brass, which has the actual application value.

Keyword：

Co; 72.5Cu-22.7Zn-3.4Al alloy; strip; tensile strength and elongation; vickers hardness;

Received： 2007-11-20

随着科学技术的发展, 各行各业对弹性合金的需求量和性能要求将越来越高, 不仅要求不断提高弹性, 而且要求元件的尺寸不断减小, 并且在保持其良好的弹性、磁性和导电性的同时, 不断提高其稳定性、耐蚀性、抗氧化和耐高温等性能。铍青铜是一种性能非常优良的弹性合金, 各种铍青铜材料广泛应用于电子工业、航空航天、仪器仪表及家用电器等领域, 但是, 该合金生产成本高, 特别是粉尘有毒, 其化合物毒性更大, 因此近年来人们不断寻找铍青铜的代用合金 ^{[1,2,3,4,5,6]} 。目前已成功研制了一些不含铍的铜基弹性合金, 如钛青铜、 Cu-Ni-Al系和Cu-Ni-Sn系合金。与铍青铜相比, Cu-Ni-Sn合金生产成本低、无毒且具有较高的热稳定性和高温强度, 是一种很有发展前途的高导高弹合金, 可用于部分替代铍青铜制造精密仪器、仪表的弹性元件 ^[7,8] 。近年来, 国内学者对微量元素对黄铜及稀土对铜及铜合金的影响进行了广泛的研究, 以改善铜及铜合金的某些性能 ^[9,10,11,12] 。

国内有色金属弹性材料用得最普遍的是黄铜及锡磷青铜。锡磷青铜中的合金元素-锡价格昂贵、制造能耗高、成本高, 而黄铜合金成本低, 制造比较容易, 但材料的性能相对比较差。特别存在着强度不高、脱锌及应力腐蚀碎裂的倾向较大, 因此, 对廉价的黄铜进行改造, 在铝黄铜的基础上添加微量元素进行变质处理, 以提高合金的强度、硬度、耐磨性、耐蚀性, 使脱锌及应力腐蚀缺陷降到最低程度。

本文通过添加不同量的钴元素和采用合理的熔炼铸造技术及加工工艺, 实现提高铝黄铜产品的机械性能。钴添加量分别为0.2%, 0.4%, 0.6%, 研究铸态、热轧态、冷轧态下合金组织性能, 确定冷热轧加工工艺。以期获得一种合适生产工艺, 对生产实践起指导作用, 同时降低成本, 保护环境。

1 实验

试验方案: 配料→熔炼铸锭→铣面→热轧→一次退火酸洗→第一次冷轧→二次退火→第二次冷轧。

原材料: 电解铜、纯锌、纯铝板、 Cu-10%Y中间合金。

铁模规格: 20 mm×80 mm×250 mm, 模具预热温度为300 ℃。金属的加料顺序为: 先将铝、锌锭、放入坩锅底部, 再放入电解铜板。待熔化后, 加钴, 然后用碳粉覆盖, 经搅拌扒渣后浇注成铸锭, 铸锭表面质量良好。为保证轧件质量, 对铸锭铣面, 铣面后铸锭尺寸为: 18 mm×80 mm×250 mm。

热轧温度的确定: 理论上热轧开轧温度取合金熔点温度的0.85～0.90左右, 但应考虑到低熔点相的影响, 热轧温度过高, 容易出现晶粒粗大或晶间低熔点相的熔化, 导致加热时铸锭过热或过烧, 热轧时开裂或轧碎。根据铜及铜合金材料手册, 铸锭加热温度为830 ℃, 保温45 min。热轧后坯料的厚度为5.5 mm。

为了充分恢复金属的塑性, 试验选择了温度450, 500, 550 ℃, 保温时间分别为0.5, 1, 1.5 h进行全面软化退火试验, 以确定铝黄铜最佳的退火条件。退火后的材料进行冷轧试验以证实材料的冷加工性好坏, 分析结果得出合适的退火工艺。退火后的板坯经第一次冷轧后得到厚度为0.5 mm的带材, 总加工率为90.9%。进行第二次退火, 退火工艺为: 550 ℃×2 h。退火后经第二次冷轧后获得厚度为0.25 mm的带材, 总加工率为50%。

2 结果及分析

金相试样的制备: 试样沿横截面截取, 经粗磨, 细磨, 抛光, 腐蚀制得。铸锭的金相组织如图1 (位置取在铸锭的中心附近) 。在Th30全洛式硬度计上检测硬度得到合金的铸态性能; 在WCW3200上进行拉伸试验, 其结果见图2。

图1是不同钴含量对铸锭组织的影响。随钴添加量的增加, 晶粒形状由粗变细, 由长变短。晶粒的尺寸明显减小, 这有利于改善合金的机械性能。当含量超过0.4%, 钴对晶粒尺寸的影响减弱。图2是钴含量对铸锭硬度及伸长率的影响。从图2可知, 合金的硬度随钴用量的增加而不断提高, 因为钴的熔点相对较高, 在铸锭过程中成为弥散的结晶核心, 在合金的结晶过程中起到非自发形核的作用, 改变晶粒的形状及尺寸。晶核数量的显著增多、晶粒的长径比减少, 均可使合金的机械性能得到改善。

铸态合金的伸长率 (图2) 随钴添加量的增加先增后降。这是由于钴具有较高的熔点, 形成固溶体, 在浇铸凝固过程中作为结晶核心, 增加合金中晶粒数量, 起到减少晶粒尺寸, 改变晶粒形状, 从而提高铸态合金的硬度、抗拉强度及伸长率。当钴含量较高 (0.6%) 时, 钴对熔体进一步细化晶粒的作用减弱, 残留在合金中的硬质点会降低合金的塑性, 影响合金的伸长率。添加0.4%的合金具有较高的机械性能及加工性能, 合金材料的硬度、抗拉强度及伸长率的分别达到HRB56.9, 413.7 MPa和34.7%, 比未添加钴的合金的217.2 MPa, 53HRB和8.35%有了显著的增加。因此, 适量的钴可使合金的晶粒尺寸减小, 有利于提高合金的机械性能及塑能, 改善合金的冷、热加工性能。

图3是热轧板坯中钴含量与硬度及伸长率之间的关系。经过热加工, 合金由铸态组织向加工组织转变, 同时, 在加工过程中由于晶粒破碎以及高温下的回复再结晶过程的进行, 晶粒尺寸减小, 合金内部的缺陷增加, 材料的硬度增加。当钴含量接近0.6%时, 强化作用减弱, 合金硬度略有降低。经过热加工, 合金材料的成分更加均匀, 晶粒尺寸更加细小, 因此, 随合金中钴含量的增加, 合金的伸长率提高 ^[13] 。

黄铜的冷加工性能不及紫铜, 为了确保冷轧过程的顺利进行及考虑生产成本, 对中间退火温度及时间进行了探索性试验, 选择了3个退火温度 (450, 500, 550 ℃) 、 3个保温时间 (0.5, 1, 1.5 h) , 对未添加钴及添加不同含量钴的合金板材进行退火试验。对退火后的板坯取样进行拉伸试验, 以确定退火后材料的塑性; 对退火后的板坯进行冷轧试验 (加工率约为90%) , 以确定合金的冷加工性能。试验如表1, 试验结果如图4。结果显示: 退火温度低或保温时间短的板坯的塑性较差, 冷加工过程中出现明显的裂变现象; 退火温度升高, 保温时间延长, 合金的塑性及冷加工性能显著改善, 550 ℃×1.5 h退火后经冷轧成为0.5 mm的带材, 其表面质量良好, 仅边部有微小裂纹。为进一步提高合金的塑性, 同时防止合金严重氧化, 在后续试验中采用了适当延长保温时间, 通过对合金材料进行冷轧试验, 证明合金的表面及边部质量都很好, 说明合金具有较好的塑性, 因此, 确定中间退火工艺为550 ℃, 保温2 h。

图1 铸锭组织照片

Fig.1 Microstructure of ingots (a) Without Co; (b) 0.2% Co; (c) 0.4% Co; (d) 0.6% Co

图2 钴对铸锭的硬度及延长率的影响

Fig.2 Effect of Co on hardness and elongation as-cast

图3 钴含量对热轧板硬度及伸长率的影响

Fig.3 Effect of Co on hardness and elongation of plate hot-rolled

图5是合金经过第一次冷轧和第二次冷轧后材料的硬度与合金中钴含量的关系。图6是二次冷轧后合金的强度及伸长率与合金中钴含量之间的关系。图5可看出, 添加钴可以提高合金的硬度; 当合金中含有0.4%左右钴时, 材料的硬度最高, 第一次冷轧后材料的硬度为231HRB, 比未加钴的合金的硬度提高了5.5%; 第二次冷轧后合金材料的硬度为228HRB, 比未添加钴的合金材料的硬度增加1.3%。比较两条曲线可知, 微量钴对厚带材 (0.5 mm) 的硬度影响比对薄带材 (0.25 mm) 的硬度影响更大。这是因为随着冷加工的进行, 软化退火及再次冷轧后合金的晶粒尺寸非常小, 材料的织构现象越加明显, 加工缺陷大量存在于合金材料中, 加工硬化扮演了更加重要的角色, 材料的强度增加、塑性降低, 合金中钴含量对材料的组织及性能作用相对减少。从图6可以看出, 添加0.4%钴的合金具有相当高抗拉强度及相对较高的的伸长率, 0.25 mm的带材的维氏硬度、抗拉强度及伸长率分别为228, 840.4 MPa及2.8%, 比特硬状态的QSn6.5-0.1带材的抗拉强度的最大值 (805 MPa) 提高了4.4%; 合金的伸长率也在QSn6.5-0.1带材 (2.0%～14%) 的规定范围内 ^[14] 。

表1 软化退火工艺试验

Table 1 Trial of annealing

Temperature	450 ℃	500 ℃	550 ℃
0.5 h	1^#	4^#	7^#
1 h	2^#	5^#	8^#
1.5 h	3^#	6^#	9^#

图4 软化退火工艺对板坯硬度的关系

Fig.4 Relationship between annealing technology and harness of plate

图5 冷轧后带材的硬度

Fig.5 Hardness of strip after cold-rolling

图6 二次冷轧后带材的抗拉强度与伸长率

Fig.6 Strength and elongation of strip after 2nd cold-rolling

3 结论

1. 添加微量的钴可改善72.5Cu-22.7Zn-3.4Al合金的铸态组织结构, 显著提高的抗拉强度、硬度及伸长率。添加0.4%钴的合金的抗拉强度、硬度及伸长率分别为413.7 MPa, 56.9HRB和34.7%, 比未添加钴的合金的217.2 MPa, 53HRB和8.35%有了显著的提高。

2. 对于0.5 mm厚的带材, 添加钴对材料硬度的最大提高程度为5.5%; 对于0.25 mm厚的带材, 添加钴对材料硬度的最大提高程度为1.3%。说明合金中钴含量对板带材的机械性能影响程度随冷加工过程的进行而相对减弱。

3. 添加0.4%钴的合金具有相当高抗拉强度、维氏硬度及较高的伸长率, 0.25 mm的带材的抗拉强度、维氏硬度及伸长率分别为840.4 MPa, 228及2.8%, 比特硬状态的QSn6.5-0.1带材的抗拉强度的最大值 (805 MPa) 提高了4.4%, 满足生产弹性元件的要求。同时, 由于合金中含有较高的锌, 合金的成本较低, 具有实际应用价值。