精密結(jié)構(gòu)件用鉛黃銅的性能研究*

梁夢(mèng)媛，靳 磊※，凌 真，肖 平

（1.飛亞達(dá)精密科技股份有限公司，廣東 深圳 518057；2.深圳市飛亞達(dá)科技發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518107）

0 引言

鉛黃銅具有優(yōu)良的力學(xué)性能、減磨性能、切削性能和冷加工性能，機(jī)械加工后零件精度高、表面質(zhì)量好[1-2]。因此，精密結(jié)構(gòu)件常常采用鉛黃銅制造，特別是尺寸小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的手表機(jī)心零件，比如機(jī)心夾板、條盒輪、外夾等零件加工精度要求更高、功能性強(qiáng)，其原材料大多是加工性能優(yōu)良的鉛黃銅。這些零件中，主夾板的結(jié)構(gòu)形狀變化最多、最復(fù)雜加工難度最大[3]，許多機(jī)心零件均安裝在主夾板上運(yùn)行，是機(jī)心的關(guān)鍵零部件。

在手表行業(yè)，瑞士鉛黃銅性能最佳，日本鉛黃銅其次。而相比之下，中國(guó)鉛黃銅質(zhì)量水平相對(duì)較低、性能較差，在加工過(guò)程中易產(chǎn)生變形，出現(xiàn)尺寸偏差大、表面粗糙、刀具損耗大等問(wèn)題。因此，國(guó)內(nèi)外手表機(jī)心廠(chǎng)大多采用進(jìn)口鉛黃銅。瑞士吉爾格在1978年對(duì)精密機(jī)械和鐘表用易切削鉛黃銅的加工性能進(jìn)行了研究和論述，并用其機(jī)械性能進(jìn)行了加工性能的經(jīng)驗(yàn)評(píng)估[4]；曹家治等在研究中發(fā)現(xiàn)，鉛黃銅的加工性能與其力學(xué)性能、殘余內(nèi)應(yīng)力、金相組織等均有相關(guān)性[5]。但關(guān)于國(guó)產(chǎn)鉛黃銅加工性能差的原因分析和改善方向探討的研究資料很少，且絕大部分為20 世紀(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)果。隨著時(shí)代技術(shù)的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)鉛黃銅原材料的生產(chǎn)設(shè)備、處理工藝[6]以及質(zhì)量不斷變化，早期的一些數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)和分析方法已不再適用，需要重新驗(yàn)證和改進(jìn)，新的數(shù)據(jù)結(jié)論與經(jīng)驗(yàn)也待發(fā)掘。

本文依據(jù)手表行業(yè)對(duì)機(jī)心零件的性能需求，通過(guò)金相、拉伸、氨熏和夾板加工驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)國(guó)產(chǎn)鉛黃銅原材料性能、組織、檢測(cè)方法等進(jìn)行了研究，分析比較了瑞士、日本、國(guó)產(chǎn)鉛黃銅的力學(xué)性能、殘余內(nèi)應(yīng)力、金相組織，并研究了材料性能對(duì)加工性能的影響，并確認(rèn)了相關(guān)參數(shù)的適用范圍，為改善國(guó)產(chǎn)鉛黃銅材料生產(chǎn)質(zhì)量、擴(kuò)大應(yīng)用市場(chǎng)提供方向和理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)材料中，瑞士鉛黃銅牌號(hào)為60A，日本鉛黃銅牌號(hào)為C3603，國(guó)產(chǎn)鉛黃銅是采購(gòu)自上海浦東某銅業(yè)公司的改良型HPb60-2。

1.1 金相組織實(shí)驗(yàn)

采用ZXQ-5型號(hào)半自動(dòng)金相鑲樣機(jī)和AutoMet300型號(hào)半自動(dòng)研磨拋光機(jī)，將瑞士鉛黃銅、日本鉛黃銅和國(guó)產(chǎn)鉛黃銅取樣、封樣并拋磨，在光學(xué)顯微鏡下觀察其金相組織。

1.2 殘余內(nèi)應(yīng)力測(cè)試與熱處理工藝探索

殘余應(yīng)力的測(cè)試采用兩種方案進(jìn)行對(duì)比：一種是傳統(tǒng)方案，即依照國(guó)標(biāo)GB/T 10567.2—2007，氨熏實(shí)驗(yàn)法可檢測(cè)鉛黃銅內(nèi)部殘余內(nèi)應(yīng)力，其原理是銅合金在腐蝕環(huán)境和內(nèi)在殘余應(yīng)力的共同作用下會(huì)產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展[7]，因此材料表面的裂紋代表了材料的殘余內(nèi)應(yīng)力。

GB/T 10567.2—2007 中采用的試劑是氫氧化鈉、硝酸或者硫酸，采購(gòu)困難繁瑣、操作危險(xiǎn)系數(shù)高，且實(shí)驗(yàn)后如若裂紋細(xì)小則難以觀察。本文設(shè)計(jì)了改良方案，將試劑改為除油液、除蠟劑和銅合金拋光劑。實(shí)驗(yàn)過(guò)程為：將樣品放入除油液和除蠟劑中清洗，再放入銅合金拋光劑中酸洗，吹干后懸掛于裝有氨水的干燥器中，封蓋氨熏4 h，取出再次清洗、酸洗并吹干，最后噴涂裂紋顯示劑觀察樣品表面裂紋數(shù)量與分布。

熱處理在QSH-1200M-2040T 型號(hào)馬弗爐中進(jìn)行，加熱至270 ℃保溫4 h，再隨爐冷卻。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

將不同批次上海某公司生產(chǎn)的鉛黃銅，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》，采用CMT4304 微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。

1.4 加工驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

加工驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中采用Willemin 401型號(hào)CNC，將鉛黃銅加工成一款手表機(jī)心主夾板，其中刀具采用國(guó)產(chǎn)鎢鋼刀，刀具直徑1～2 mm，設(shè)定轉(zhuǎn)速為12 000～18 000 r/min，進(jìn)給速率為3 000～5 000 mm/min，切深0.1～0.3 mm。用V-12B型號(hào)投影儀和千分尺測(cè)試主夾板的孔徑和臺(tái)階高度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 金相組織對(duì)比分析

鉛黃銅的易切削性主要來(lái)源于元素鉛，鉛在黃銅中極少固溶，多以獨(dú)立相存在，呈游離質(zhì)點(diǎn)分布在晶界或晶內(nèi)，既有潤(rùn)滑作用，又能使切屑呈崩碎狀，可提高黃銅的切削性和耐磨性[8]。3 個(gè)國(guó)家鉛黃銅的金相組織檢測(cè)結(jié)果如圖3 所示，圖中的黑色顆粒狀組織經(jīng)能譜儀鑒定為鉛相。由圖1 對(duì)比可知，瑞士鉛黃銅中鉛相分布最為彌散均勻、尺寸小，平均尺寸約為8μm；日本鉛黃銅中鉛相分布較為集中，平均尺寸約為12 μm，個(gè)別鉛相尺寸較大，最大可達(dá)30μm 以上；國(guó)產(chǎn)鉛黃銅中鉛相分布更為集中，平均尺寸約為20μm，最大可達(dá)近40μm。

圖1 不同產(chǎn)地鉛黃銅的金相圖

由此可知，從金相組織方面來(lái)看，加工性能優(yōu)良的精密結(jié)構(gòu)件用鉛黃銅，其鉛相應(yīng)尺寸細(xì)小均勻、分布彌散，平均尺寸不超過(guò)15 μm。分析原因認(rèn)為，細(xì)小彌散的鉛相在鉛黃銅加工時(shí)首先能促進(jìn)斷屑、形成短屑、易于清除，有利于生產(chǎn)效率的提高；其次鉛相均勻也有利于材料整體組織均勻，加工時(shí)刀具振動(dòng)小，刀具損耗小；最后斷屑不易粘連，可使零件毛刺減少、表面質(zhì)量提高。

為驗(yàn)證上述結(jié)論，對(duì)3 種產(chǎn)地鉛黃銅進(jìn)行機(jī)加工驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并觀察其加工過(guò)程。結(jié)果如表1 所示，瑞士鉛黃銅在加工過(guò)程中刀具振動(dòng)最小、損耗最小、零件表面毛刺最少；國(guó)產(chǎn)鉛黃銅刀具振動(dòng)和損耗較大、零件表面毛刺最多，印證了上述結(jié)論。

表1 三國(guó)產(chǎn)地鉛黃銅主夾板試加工對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 殘余內(nèi)應(yīng)力分析

金屬原材料在鍛造、機(jī)械加工、熱處理等過(guò)程會(huì)因不均勻塑性變形或相變都可能產(chǎn)生殘余應(yīng)力，當(dāng)金屬內(nèi)部殘余應(yīng)力平衡時(shí)，金屬組織性能較好；當(dāng)金屬內(nèi)部殘余應(yīng)力失衡時(shí)，金屬內(nèi)應(yīng)力發(fā)生釋放并產(chǎn)生變形[9]。手表機(jī)心用鉛黃銅大多為薄板，在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)歷了多道加工形變，極有可能在板材中積累了大量殘余內(nèi)應(yīng)力，為避免機(jī)械加工后的零件變形，在機(jī)械加工前，對(duì)板材進(jìn)行殘余內(nèi)應(yīng)力測(cè)試是十分重要的。對(duì)于高精度機(jī)械手表，甚至要求能對(duì)板材中殘留的微量殘余內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。

用傳統(tǒng)和改良后的氨熏實(shí)驗(yàn)法測(cè)試國(guó)產(chǎn)鉛黃銅原材料樣品，結(jié)果如圖2所示。由圖可知，對(duì)于國(guó)產(chǎn)鉛黃銅，經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的氨熏實(shí)驗(yàn)，樣品表面無(wú)明顯裂紋出現(xiàn)；而經(jīng)改良后的氨熏實(shí)驗(yàn)法，表面出現(xiàn)多條細(xì)小的裂紋，證明改良后的氨熏實(shí)驗(yàn)法可更為清晰準(zhǔn)確地判別出材料內(nèi)部存在的微量殘余內(nèi)應(yīng)力。

圖2 國(guó)產(chǎn)鉛黃銅原材料氨熏實(shí)驗(yàn)結(jié)果

大量殘余內(nèi)應(yīng)力在材料機(jī)加工時(shí)釋放，會(huì)導(dǎo)致形變，精度大大下降，工業(yè)上一般采用自然時(shí)效的方式，將材料長(zhǎng)期放置后再使用。自然時(shí)效耗時(shí)長(zhǎng)，不利于生產(chǎn)效率的提高，本文采用低溫退火的方法消除國(guó)產(chǎn)鉛黃銅殘余內(nèi)應(yīng)力。將國(guó)產(chǎn)鉛黃銅退火后，用改良后的氨熏實(shí)驗(yàn)法檢測(cè)效果，結(jié)果如圖3 所示，樣品表面無(wú)任何裂紋，說(shuō)明退火后國(guó)產(chǎn)鉛黃銅的殘余內(nèi)應(yīng)力已消除。

圖3 低溫退火后國(guó)產(chǎn)鉛黃銅氨熏實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 力學(xué)性能測(cè)試分析

瑞士吉爾格在對(duì)易切削鉛黃銅的加工性能研究和評(píng)估時(shí)，將鉛黃銅制成拉伸樣棒、測(cè)試其力學(xué)性能參數(shù)，同時(shí)對(duì)材料進(jìn)行了加工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集和對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：抗拉強(qiáng)度Rm與伸長(zhǎng)率A的比值Rm/A可用來(lái)評(píng)估手表機(jī)心用鉛黃銅的加工性能，當(dāng)比值處在范圍5～8.5時(shí)，其加工性能良好[4]。但歷經(jīng)40 多年的發(fā)展，鉛黃銅原材料不斷改進(jìn)，當(dāng)代精密零件的要求也越來(lái)越高，同時(shí)力學(xué)性能檢測(cè)的樣品形狀尺寸、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)設(shè)備也大不相同，因此該結(jié)論需要重新檢驗(yàn)和修正。

不同產(chǎn)地鉛黃銅的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。由表2可知，不同產(chǎn)地鉛黃銅的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率比值差異大，結(jié)合不同產(chǎn)地鉛黃銅的加工性能差異，也從側(cè)面論證了鉛黃銅的加工性能與其抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率的比值Rm/A有關(guān)。

表2 不同產(chǎn)地手表機(jī)心用鉛黃銅的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率

3 應(yīng)用加工驗(yàn)證結(jié)果

為驗(yàn)證上述去應(yīng)力退火工藝對(duì)鉛黃銅加工性能的優(yōu)化作用，以及探討鉛黃銅的加工性能與其抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率的比值Rm/A的數(shù)據(jù)關(guān)系，進(jìn)行了鉛黃銅應(yīng)用加工實(shí)驗(yàn)。

圖4 是退火和未退火的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖中每一個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)主夾板的對(duì)應(yīng)尺寸，圖中紅色實(shí)線(xiàn)代表尺寸公差范圍上限，紅色虛線(xiàn)代表尺寸公差下限。由圖可知，低溫退火后的鉛黃銅主夾板尺寸合格率高達(dá)70%以上，而未低溫退火后的鉛黃銅主夾板尺寸合格率僅為30%～40%。相比未低溫退火的鉛黃銅，低溫退火后的鉛黃銅主夾板尺寸分布更為集中、合格率更高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了低溫退火工藝對(duì)鉛黃銅加工性能的優(yōu)化作用。

圖4 兩種熱處理狀態(tài)的國(guó)產(chǎn)鉛黃銅主夾板尺寸對(duì)比

測(cè)試不同批次、相同工藝規(guī)格的國(guó)產(chǎn)鉛黃銅抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率，并進(jìn)行上述加工驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，計(jì)算主夾板合格率，結(jié)果如圖5所示。由圖可知，鉛黃銅的主夾板加工合格率確與抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率的比值Rm/A有關(guān)，為保證主夾板加工合格率在60%以上，鉛黃銅抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率的比值Rm/A應(yīng)在15～35 MPa/%之內(nèi)。

圖5 國(guó)產(chǎn)鉛黃銅主夾板合格率隨比值Rm/A變化

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)比分析不同產(chǎn)地的精密結(jié)構(gòu)件用鉛黃銅的金相組織、力學(xué)性能和機(jī)加工效果，優(yōu)化鉛黃銅殘余內(nèi)應(yīng)力檢測(cè)方法并驗(yàn)證效果，得出以下結(jié)論。

（1）為保證手表機(jī)心用鉛黃銅具有良好的加工性能，材料的金相組織中，鉛相應(yīng)尺寸細(xì)小均勻、分布彌散，鉛相的平均尺寸不超過(guò)15μm。

（2）在氨熏實(shí)驗(yàn)法中，將除油液、除蠟劑和銅合金拋光劑替代強(qiáng)酸強(qiáng)堿試劑，并且用裂紋顯示劑顯現(xiàn)裂紋，可以清晰、便捷地檢測(cè)精密結(jié)構(gòu)件用鉛黃銅是否具有殘余內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)降低實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)。馬弗爐中加熱至270 ℃保溫4 h后隨爐冷卻，可去除材料的殘余內(nèi)應(yīng)力。

（3）手表機(jī)心用鉛黃銅材料的加工性能，與鉛黃銅材料抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率的比值Rm/A有關(guān)；當(dāng)Rm/A在15～35 MPa/%之內(nèi)，鉛黃銅加工性能良好。