含Bi易切削變形Zn-Al合金顯微組織與性能

林高用 ，孫利平，曾菊花，王莉

(1.中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙，410083；2.中南大學 有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室，湖南 長沙，410083)

在有色金屬中鋅的礦物儲量、產量和用量僅次于鋁和銅，居第3位[1?2]。隨著我國有色金屬工業的快速發展，我國銅資源短缺與銅消費量增長的矛盾日益加劇，加速開發銅及銅合金替代材料，以滿足現代工業的需求，成為材料工作者的共識[2?5]。我國鋅資源不但儲量多，居世界前列，品位也高[6]。鋅合金具有熔點低、鑄造性能好、力學性能優異、生產工藝流程短、能耗小等優點，是部分銅合金的理想替代材料，成為目前國內外研究的熱點[7?12]。經過幾十年的發展，鋅合金已形成鑄造鋅合金和變形鋅合金兩大系列。變形鋅合金的典型代表為 Zn-Al和 Zn-Cu-Ti合金。Zn-Cu-Ti合金是目前使用較多的變形鋅合金，可用來制作拉鏈、千層鎖和日用五金等，但由于其綜合性能較低，應用范圍有很大局限；而Zn-Al合金具有許多優異的性能，如熔點低、熔煉耗能少，生產效率高，力學性能良好等，目前已相繼發展了幾個成分的Zn-Al 合金(ZnAl15，ZnAl10-1，ZnAl10-5，ZnAl0.2-4和ZnAl14-1)作為黃銅的代用品[2]。但變形Zn-Al合金，尤其是接近共晶成分的Zn-Al合金，在切削加工時通常會遇到較大困難，在自動車床和儀表車床上切削加工效率低，排屑不暢，易黏刀，易斷刀，加工件表面不光潔等，限制了變形Zn-Al合金的應用[13]。因此，研究開發出一種既具有優良切削性能，又具有良好力學性能的變形Zn-Al合金，實現對已有易切削鉛黃銅的替代具有重要意義。一般可通過添加Pb，Sn和Bi等低熔點元素來提高合金的切削性能[14]，并通過添加適量的Al，Cu，Mg和Ti等合金元素提高Zn合金的力學性能與成形性能[2,15?16]。目前，還沒有關于易切削變形 Zn-Al-Bi合金組織與性能的研究報道。本文作者通過較系統的試驗，對自行配制的無鉛含Bi易切削變形Zn-Al合金鑄態、擠壓態的組織與性能進行了研究。

1 試驗材料及方法

本文所用試驗材料是自行配制的含 Bi易切削變形Zn-Al合金。按照表1所示的合金成分進行配料，在工頻感應爐內熔煉；熔煉過程中，Bi以純金屬加入，Ti以Cu-Ti中間合金加入，Mn以Al-Mn中間合金加入。將鑄錠鋸尾、車皮后在3 150 kN立式擠壓機上進行擠壓，擠壓工藝參數為：模具、擠壓筒預熱溫度200℃，鑄錠加熱溫度250～260 ℃；擠壓比λ=18.8。

表1 試驗合金化學成分(質量分數)Table1 Chemical compositions of experimental alloys%

采用 POLYVAR?MET型金相顯微鏡觀察鑄錠金相組織；將合金擠壓態按GB/T 228—2002制成拉伸試樣，在CSS?44100型電子萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為2 mm/min；利用Sirion200場發射掃描電子顯微鏡觀察合金微觀組織；在DJ?CL?1三向線性放大器/CD6140A機床上對合金擠壓態進行切削力測試，并對合金鑄態、擠壓態車屑形貌進行對比觀察。

2 結果與討論

2.1 力學性能

合金擠壓態力學性能測試結果如表2所示。從表2可以看出：未加Mn和Ti的0號合金抗拉強度為351 MPa，伸長率為 18%，雖比 1號合金抗拉強度低 12 MPa，但伸長率高5%，表現出較好的綜合性能。2號合金抗拉強度最高，為368 MPa，但伸長率僅為7%，其塑性較差。3號合金強度最低，為345 MPa，伸長率和1號合金的相同，為13%。通過比較可以發現，0號合金和1號合金表現出了較好的綜合力學性能，不但有較好的塑性，抗拉強度也達到350 MPa以上，能滿足替代部分銅合金的要求[6]。

表2 擠壓態Zn-Al-Bi合金力學性能Table2 Mechanical properties of extruded Zn-Al-Bi alloys

2.2 合金鑄態金相組織

對合金鑄態進行金相組織觀察，結果如圖1所示。從圖1可以看出：未添加Ti合金元素的0號合金鑄態金相組織呈樹枝狀，而添加了Ti的1號、2號和3號合金鑄態組織枝晶被打破，晶粒明顯細化，表明 Ti能對 Zn-Al合金晶粒產生明顯細化作用，這與文獻[2, 7]的結果是一致的。從圖1還可以看出：2號合金金相組織中存在大而不規則的相，結合室溫拉伸試驗結果可知，該相對Zn-Al合金的塑性可能產生明顯惡化作用。

2.3 掃描電鏡觀察

0號、1號和2號合金鑄態及擠壓態的SEM微觀組織如圖2所示，其中圖2(a)～(c)所示為合金鑄態微觀組織，圖2(d)～(f)所示為合金擠壓態微觀組織。從圖2(a)～(c)可以看出：未添加 Ti的 0號合金鑄態組織呈枝狀(見圖2(a))；而添加了Ti的1號合金鑄態組織枝晶被打破，晶粒明顯細化(見圖2(b))；2號合金鑄態組織中存在大而不規則的相(見圖2(c))，這與合金鑄態金相組織結果是一致的。此外，通過背散射電子掃描電鏡還可以觀察到，合金中Bi的分布為均勻細小的粒子(如圖2中高亮的白色相)，正是由于低熔點Bi相的彌散分布，改善了試制 Zn-Al合金的切削性能。從圖2(d)～(f)可以看出：擠壓后合金組織均勻細小。未添加Ti的0號合金鑄態組織枝晶被打破，組織細小均勻，Bi相彌散分布(圖2(d))，因此，其擠壓態力學性能及切削性能都較好。添加了Mn，Ti和Bi的1號試樣擠壓態組織均勻細小，富 Mn相和 Bi相彌散分布(圖2(e))。2號合金擠壓鑄態組織中存在大而不規則的塊狀相(圖2(f)中的黑色相)，根據表1合金力學性能測試結果，2號合金塑性明顯低于0號和1號合金的塑性，這可能是由于2號合金中大而不規則的塊狀相為脆性相。因此，本文作者認為：加Ti雖然能明顯細化Zn-Al合金鑄態組織，但由于變形Zn-Al合金經過擠壓成形，組織已經非常細小，因此，不添加Ti的0號合金其組織與性能已經能夠滿足要求。此外，Mn的加入對于提高變形Zn-Al的力學性能作用不明顯。

圖1 Zn-Al-Bi合金鑄態顯微組織(OM)Fig.1 Optical micrographs of as-cast Zn-Al-Bi alloys

2號合金鑄態組織微區成分分析結果如圖3所示。由圖3可知：2號合金的鑄態組織包含了5種不同的相：η-Zn基體相(A點)、初生α相(B點)、共晶α+η相(C點)、Mn富集的化合物(D點)和微量的Bi相(E點)。η-Zn基體相是以Zn為基，固溶有微量Al和Mn的固溶體(如圖3(b)所示)，為密排六方晶體結構；初生 α相是以Al為基，固溶有大量Zn、微量Mn的固溶體(見圖3(c))，為面心立方晶體結構；共晶α+η相由η固溶體和α固溶體共同組成(見圖3(d))；Mn富集的化合物呈塊狀或其他不規則形狀分布(見圖3(e))；微量的 Bi相以點狀彌散分布在η-Zn基體相、初生α相、共晶α+η相和Mn富集的化合物上(見圖3(f))，正是由于低熔點的Bi相在合金中彌散分布，在合金切削時起到斷屑作用，從而提高了變形Zn-Al合金的切削性能。

2.4 切削性能

試制易切削變形鋅合金擠壓態切削力測試是在DJ?CL?1三向線性放大器/CD6140A機床上進行的，測試結果如表3所示。三向切削力是在固定切削速度、進給量和背吃刀量的情況下獲得的，進行比較時主要針對切向力。從表3可知：0號合金切向力平均值最低，為42.30 N；1號合金切向力平均值最高，為48.03 N；2號和3號合金切向力平均值比1號合金的稍低，分別為47.28 N和46.51 N。以上結果表明：未添加Mn和Ti，添加0.3% Bi的0號合金切削性能最好，其切削力最低；添加了Mn和Ti的1號、2號和3號合金隨著Bi含量的增加，切削力下降，切削性能有所提高。

圖2 Zn-Al-Bi合金SEM背散射電子像Fig.2 SEM back-scattered electron images of Zn-Al-Bi alloys

0號合金鑄態及擠壓態車屑形貌如圖4所示。從圖4可以看出：合金鑄態、擠壓態車加工時易斷屑，車屑均呈直條狀，且車屑較細小，其切削性能好。

表3 擠壓態Zn-Al-Bi合金切削力測量結果Table3 Cutting force measurements of extruded Zn-Al-Bi alloys

圖3 2號合金鑄態背散射電子像及能譜分析結果Fig.3 Back-scattered electron image and EDS analyses results of as-cast alloy 2

圖4 0號合金車屑形貌Fig.4 Photos of cuttings of alloy 0

2.5 電鍍預處理和電鍍試驗結果

Zn-Al合金存在一定的晶間腐蝕傾向，目前合金實際應用時采用電鍍保護，以提高合金耐腐蝕性能，因此，試制的Zn-Al-Bi合金需能夠實現電鍍。Bi雖能明顯提高Zn-Al合金的切削性能，但是實驗中發現其對合金電鍍性能產生了不良影響，Bi可能導致變形Zn-Al合金電鍍起泡。通過對試制的含Bi易切削變形Zn-Al合金進行電鍍預處理及電鍍試驗，得出以下主要試驗結果：

(1)將0號、1號、2號、3號合金擠壓態試樣進行電鍍預處理，Bi含量較少的0號、1號合金不起泡，而2號、3號試樣起泡，表明Bi含量較高的Zn-Al合金，容易起泡，如圖5所示。

(2)對2號合金擠壓態和車加工態分別進行電鍍，電鍍結果見圖6。由圖6可以看出：經過車加工后的試樣電鍍起泡程度明顯降低。

含Bi易切削變形Zn-Al合金電鍍起泡主要與Bi含量、制品表面光潔度等因素有關，Bi含量超過0.5%時，合金易電鍍起泡。綜合比較發現：本文試制的含0.3%Bi的0號合金不但具有良好的切削性能和綜合力學性能，電鍍也不易發生起泡，能夠滿足使用要求，可作為部分銅合金替代材料，用于軸承、連接件、五金和家電等結構件。

圖5 Zn-Al-Bi合金擠壓態試樣電鍍預處理后照片Fig.5 Photos of extrusion Zn-Al-Bi alloys after plating pretreatment

圖6 2號合金電鍍試驗試樣照片Fig.6 Photos of alloy 2 after plating

3 結論

(1)低熔點的Bi相在Zn-Al合金中以針狀彌散分布，在機加工時起到斷屑作用，改善了Zn-Al合金的切削性能。

(2)Bi含量超過0.5%時，Bi對Zn-Al合金電鍍性能產生不良影響，因此，易切削Zn-Al合金中Bi含量不宜超過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，抗拉強度達到 351 MPa，伸長率為18%，電鍍不易起泡，表現出較好的綜合性能，可作為部分銅合金替代材料，用于軸承、連接件、五金、家電等結構件。

[1]包小波, 黃其興.世界鋅技術經濟[M].北京: 冶金工業出版社, 1996: 143?248.BAO Xiao-bo, HUANG Qi-xing.Zinc technical economics in the world[M].Beijing: Metallurgical Industry Press, 1996:143?248.

[2]孫連超, 田榮璋.鋅及鋅合金物理冶金學[M].長沙: 中南工業大學出版社, 1994: 11?20.SUN Lian-chao, TIAN Rong-zhang.Physical metallurgy of zinc and Zn-alloy[M].Changsha: Central South University of Technology Press, 1994: 11?20.

[3]Prasad B K.Influence of some material and experimental parameters on the sliding wear behaviour of a zinc-based alloy,its composite and a bronze[J].Wear, 2003, 254(1/2): 35?46.

[4]耿浩然, 王守仁, 王艷.鑄造鋅、銅合金[M].北京: 化學工業出版社, 2006: 9?20.GENG Hao-ran, WANG Shou-ren, WANG Yan.Casting zinc and copper alloys[M].Beijing: Metallurgical Industry Press, 2006:9?20.

[5]林高用, 鄭小燕, 周佳, 等.一種鋅基合金熱變形行為的試驗模擬[J].機械工程材料, 2007, 31(7): 60?62.LIN Gao-yong, ZHENG Xiao-yan, ZHOU Jia, et al.Thermocompression behavior of a zinc based alloy[J].Materials for Mechanical Engineering, 2007, 31(7): 60?62.

[6]黃伯云, 李成功, 石力開, 等.中國材料工程大典[M].北京:化學工業出版社, 2006: 431?455.HUANG Bo-yun, LI Cheng-gong, SHI Li-kai, et al.The material engineering tome of China[M].Beijing: Chemistry Industry Press, 2006: 431?455.

[7]蔡強.鋅合金[M].長沙: 中南工業大學出版社, 1987:102?170.CAI Qiang.Zinc alloy[M].Changsha: Central South University of Technology, 1987: 102?170.

[8]Savakan T, Hekimolu A P, Purcek G.Effect of copper content on the mechanical and sliding wear properties of monotectoid-based zinc-aluminium-copper alloys[J].Tribology International, 2004,37(1): 45?50.

[9]Zhang F, Vincent G, Sha Y H, et al.Experimental and simulation textures in an asymmetrically rolled zinc alloy sheet[J].Scripta Materialia, 2004, 50(7): 1011?1015.

[10]林高用, 鄭小燕, 曾菊花, 等.鋅基合金擠壓型材的組織與性能[J].中南大學學報: 自然科學版, 2008, 39(2): 246?250.LIN Gao-yong, ZHENG Xiao-yan, ZENG Ju-hua, et al.Microstructure and properties of extruded profiles of zinc-based alloys[J].Journal of Central South University: Science and Technology, 2008, 39(2): 246?250.

[11]琚宏昌.4×60 m回轉窯托輪軸瓦應用鋅合金替代銅合金的可行性研究[J].安陽大學學報, 2003(3): 10?14.JU Hong-chang.The studies of Zn-alloy replacing Cu-alloy as supporting wheel axle bush material of 4×60 m rotating kiln[J].Journal of Anyang University, 2003(3): 10?14.

[12]Nilsson A, Gabrielson P, Stahl J E.Zinc-alloys as tool materials in short-run sheet-metal forming processes: Experimental analysis of three different zinc-alloys[J].Journal of Materials Processing Technology, 2002, 125/126(9): 806?813.

[13]林高用, 肖弦, 鄭小燕.鋅合金切削性能的研究[J].礦冶工程,2006, 25(5): 68?70.LIN Gao-yong, XIAO Xian, ZHENG Xiao-yan.Study on the cutting property of Zn-alloy[J].Mining and Metallurgical Engineering, 2006, 25(5): 68?70.

[14]陳日曜.金屬切削原理[M].北京: 機械工業出版社, 1992:132?170.CHEN Ri-yao.Principle of metal cutting[M].Beijing: China Machine Press, 1992: 132?170.

[15]張忠明, 王錦程, 徐東輝, 等.鋁、銅、鎂對鑄態鋅基合金組織和阻尼性能的影響[J].中國有色金屬學報, 1999, 9(1): 1?6.ZHANG Zhong-ming, WANG Jing-cheng, XU Dong-hui, et al.Effects of Al, Cu, Mg on the microstructure and damping properties of cast zinc-based alloys[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 1999, 9(1): 1?6.

[16]LI Yuan-yuan, Ngai T L, XIA Wei, et al.Effects of Mn content on the tribological behaviors of Zn-27%A1-2%Cu alloy[J].Wear,1996, 198(1/2): 129?135.