HPb58-3易切削鉛黃銅閥門材料表面變色原因研究

劉金林, 付亞波, 崔 靜, 陳學林

(1.臺州學院 物理與電子工程學院,浙江 臺州 318000; 2.中國民航大學 機場學院,天津 300300；3.玉環方正銅業有限公司，浙江 臺州 317605)

0 前 言

閥門是流體輸送系統中的控制部件,具有導流、截流、調節、節流、防止倒流、分流或溢流泄壓等功能.作為管道的重要控制元件,廣泛應用于石油、化工、冶金、天然氣輸送、發電站和城市供水等國民經濟的各個部門.銅閥門因為具有經久耐用、殺菌、美觀實用和極耐腐蝕等性能,得到了廣泛的應用.然而,由于空氣潮濕,閥門加工過程也存在二次污染,表面變色問題影響了產品性能.

通常情況下,腐蝕會導致表面變色,影響產品的使用性能.銅及其合金的變色是一個復雜的過程,它涉及到大氣腐蝕、電化學腐蝕和化學腐蝕等[1-2],影響因素主要有濕度和溫度等.

當大氣濕度很低時,銅表面的吸附水膜為單分子層厚,沒有形成連續的液膜,所生成的氧化膜多為Cu2O和CuO,疏松多孔,腐蝕速度極低,易在表面形成一層保護膜.在高濕度的環境中,由于銅材表面缺陷內的吸附凝聚、化學凝聚或毛細凝聚作用,可以凝結出一層肉眼可見的水膜[3-4].因附著在金屬表面的水膜很薄,空氣中的O2很容易到達金屬表面,所以陰極過程很容易進行,導致腐蝕的速度變快,相當于濕的大氣腐蝕.

本文主要研究在潮濕條件下,易切削黃銅HPb58-3材料表面變色的原因.通過模擬潮濕環境,對未放入水中和放入水中的樣品做了對比試驗,采用OM、SEM和XRD進行觀察研究,確定生成物的存在形態和物相組成,為清洗表面提供理論支持.

1 試驗過程

以HPb58-3易切削鉛黃銅為研究對象,樣品的化學成分(質量分數/%)為:Cu57.530,Zn36.480,Pb2.850,Sn0.810,Fe0.620,Ni0.376,Al0.235.從閥門本體上用鋼鋸截取長15 mm的試樣,平均分成4份.其中兩份未放入水中,另外兩份放入水中浸濕8天,模擬水中潮濕環境,分別觀察研究表面顯微組織、形貌和物相組成.

金相試驗的樣品經細磨和拋光后浸蝕.浸蝕劑為:3 g三氯化鐵、96 ml無水乙醇和2 ml稀鹽酸,然后用Olympus DPII 型光學顯微鏡觀察金相組織.用日立S-4800 SEM(帶EDX)觀察表面形貌.表面磨平的樣品不用腐蝕,用D8 Advance XRD測定表面變色物質的物相組成.

2 結果與討論

2.1 微觀組織分析

圖1為樣品的金相照片.未放入水中的微觀組織見圖1(a),放入水中的微觀組織見圖1(b).通過兩幅圖的對比可以發現：未放入水中的試樣照片中銅鋅基體沒有發現顆粒狀物質分布,而放入水中的試樣表面有顆粒狀物質分布,而且這種物質呈現黑色,分布不均勻.經XRD分析,此物質主要為ZnO和Cu5Zn8.主要形成原因是樣品在水中浸泡后,水中潮濕環境和氧元素的存在,使其表面形成一層氧化膜.

圖1 樣品的金相照片Fig.1 The metallographic structure of alloy

2.2 SEM觀察

圖2(見下頁)為樣品組織的SEM照片.未放入水中的組織形貌見圖2(a),放入水中的見圖2(b).觀察圖2(a)發現,銅鋅基體上存在較多白色的片狀、棒狀和點狀物,其中棒狀尺寸長度為0.6～0.3 μm,寬度在0.1～0.15 μm之間，以彌散形式分布在基體上,經過能譜分析發現為元素鉛.觀察放入水中8天后的試樣發現,基體表面分布了一層覆蓋物,厚度達0.4～0.5 μm,長度達10 μm以上,寬度達2～4 μm，如圖2(b).覆蓋物呈片層狀,覆蓋在銅鋅基體上,經過XRD分析發現為ZnO和Cu5Zn8.由于試樣放入水中后,水、銅、鋅和氧的共同作用,在表面形成了化合物,這是潮濕環境下表面變色的主要原因.為解決易切削銅表面變色問題,可采用化學清洗、高壓水射流和拋丸等方法,清除掉這層覆蓋物.

圖2 樣品的SEM形貌Fig.2 The SEM microstructure of alloy

2.3 物相分析

圖3為樣品經XRD物相分析的結果.未放入水中的試樣表面的衍射峰見圖3(a),放入水中的見圖3(b).經過卡片對比發現,未放入水中的物相主要有Pb、CuZn和γ-Fe,是材料的基本相組成,表面沒有出現氧化物等新相.而放入水中8天后,材料表面形成了新相,主要物相為ZnO和Cu5Zn8,覆蓋在表面引起了表面變色.在水溶液的浸蝕下,黃銅中的Zn與水中的O2容易形成ZnO,而Cu和Zn可以形成互溶固溶體,在水的作用下形成了新相Cu5Zn8.主要原因是在潮濕條件下,當銅材表面形成連續的幾十個或幾百個電解液膜層時,可發生電化學腐蝕,形成了新相Cu5Zn8.而O2的存在則使活潑元素Zn首先發生氧化,形成了ZnO附在材料表面.

圖3 樣品的XRD分析Fig.3 The analysis of XRD of alloy

3 清洗技術分析

為清除材料表面的新物質,可采用非環保技術和環保技術.

非環保技術主要是采用化學酸洗的方法,通過化學反應清除表面生成的新物質,然后用水清洗表面.此技術成本低、操作簡便,但是會對空氣和土壤造成污染,處理廢液也需投入較多費用,因此逐漸被禁止[5].

常用的環保清洗技術有四種,分別為高壓水射流清洗、超聲波清洗、拋丸和拋砂.

3.1 高壓水射流清洗

高壓水射流清洗,是將普通自來水通過高壓泵加壓到數百乃至數千大氣壓力,然后通過特殊的噴嘴(孔徑只有1～2 mm),以極高的速度(200～500 m/s)噴出一股能量高度集中的水流.這些小水流如同小子彈一樣具有巨大的能量,能夠將鋼板切割、鑄件清砂、金屬除銹,更能除去管子內壁的鹽、堿、垢及各種堵塞物.與傳統的水射流清洗、機械清洗和化學清洗技術相比,高壓水射流清洗的主要優勢為:成本低、清洗質量好、工作效率高、沒有二次污染以及可清洗形狀復雜的工件等,已廣泛應用于物體表面清洗、管道疏通、涂裝前的預處理、表面除銹和鋼坯表面除磷等領域[6].

3.2 超聲波清洗

超聲波清洗是指聲波信號高于20 kHz.超聲波的傳遞規律是按照正弦曲線縱向傳播,即一層弱一層強,依次傳遞.當強度較弱的聲波信號對液體產生作用時,會對液體造成一定的負壓,導致液體內部產生許多微小的氣泡;而當強度較強的聲波信號對液體產生作用時,則會對液體造成一定的正壓,致使液體中產生的微小氣泡被迅速壓破.事實證明，當超聲波作用于液體時,液體中每個氣泡的破裂會釋放出能量非常大的沖擊波,相當于瞬間產生高達上千個標準的大氣壓,這種現象被稱之為“空化效應”[7].因為空化泡的內外壓力差距十分懸殊,待空化泡破裂時,會產生局部液力非常大的沖擊波.在這種壓力作用下,沉積在金屬表面的各類污垢會被剝落.同時,在超聲場的作用下,清洗液的脈動和攪拌加劇,溶解和乳化加速,從而強化了清洗效果.超聲波清洗機正是應用液體中氣泡破裂所產生的沖擊波來達到清洗和沖刷工件內外表面的作用.該技術對環境沒有污染,但是作用于表面的力量較弱,不能有效去除表面的氧化層.

3.3 拋丸和噴砂

拋丸與噴砂的主要作用為:零件表面除銹、修飾和強化,可以顯著提高材料的抗疲勞強度.一般情況下拋丸為小鋼球,噴砂為石英砂.拋丸與噴砂都能對工件起到清理和去污的目的,但拋丸對工件有強化作用,噴砂就不明顯了.拋丸和噴砂在精密鑄造中經常應用,用以提高鑄件的表面質量.但是,這兩種技術在工量刃具中不適合清除熱處理后的表面物化物,主要原因是效率較低、使用成本較高.

綜上所述,高壓水射流清洗技術具有成本低、清洗質量好、工作效率高、沒有二次污染以及可清洗形狀復雜的工件等優點,可重點關注.高壓水射流清洗技術，在其他行業已經廣泛應用,在HPb58-3易切削黃銅清洗方面還未有使用,因而具有較高的研究價值和良好的產業化前景.

4 結 論

研究了HPb58-3易切削銅合金閥門表面變色的原因,在模擬潮濕環境條件下,通過未放入水中和放入水中試樣的對比,得出以下結論:

(1) 未放入水中的試樣,在銅鋅基體上存在較多白色的片狀、棒狀和點狀物,以彌散形式分布在基體上,經過能譜分析發現為Pb.而放入水中的試樣則在表面形成了一層覆蓋物,以片層狀覆蓋在銅鋅基體上,且分布不均勻.

(2) 通過XRD和SEM研究發現,試樣表面變色主要因為ZnO和Cu5Zn8覆蓋在其表面,厚度僅為0.4～0.5 μm,可采用高壓水射流清洗技術清洗表面.該清洗技術具有高效、環保等特點,是表面清洗的發展方向.

參考文獻:

[1] 楊德鈞,沈卓身.金屬腐蝕學[M].北京:冶金工業出版社,1999:4-5.

[2] 劉永輝,張佩芬.金屬腐蝕學原理[M].北京:航空工業出版社,1993:1-6.

[3] 姚若浩,楊潔,竇鵬.銅表面鈍化處理(I)—銅材表面變色及其抑制效果評價方法研究[J].南方冶院科技,1997(1):16-21.

[4] 小泉達也.關于銅加工制品變色機構—微量不純氣體的影響[J].伸銅技術研究會志,1977,15:98-103.

[5] Takashi K,Li T,Akira T,etal.Formation of ultrafine carbon tubes by using an anodic alumina oxide film as a template[J].ChemMater,1995(7):1427-1428.

[6] 劉程主.表面活性性應用手冊[K].北京:化學工業出版社,1996:66-96.

[7] Dujardin E,Ebbesen,Hiura H,etal.Capillarit and wetting of carbon nanotubes[J].Sci,1994,265(5180):1850-1852.