高强耐磨铝黄铜(KK5)硬质点的研究

1、高强耐磨铝黄铜(KK5)硬质点的研究朱权利1 张先满1 陈家坚1 汪桂龙2 李晨2 陈志力2(1 华南理工大学 机械与汽车工程学院 广州 510640)（2 广东华金合金材料实业有限公司 广州 510890)摘要：本文通过光学金相、扫描电镜及能谱分析、显微硬度测定，系统地研究了高强度耐磨铝黄铜合金(kk5)铸件中出现的大块状硬质点，分析了该硬质点产生的根源，并提出了相应的预防措施，经过生产实际验证，取得了良好的效果。关键词：铝黄铜；硬质点中图分类号：TG14 文献标识码：AA Study on the Hard Spots in High-strength and Wear-resistant

2、Aluminum Brass(kk5)ZHU Quan-li1 ZHANG Xian-man1 CHEN Jia-jian1 WANG Gui-long2 LI Chen2 CHEN Zhi-li2 (1 School of Mechanical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640) (2 Guangdong Hua Jin Advanced Alloys Industrial Company,Ltd, Guangzhou 510890, China ) Abstract: This paper

3、 introduced the hard spots in high-strength and wear-resistant aluminum brass in detail by using OM, SEM, energy spectrum analysis and micro-hardness test. The origins of forming these big hard spots were discussed, meanwhile, the preventive measures had been suggested, which eliminated the hard spo

4、ts effectively when used in production practice. 随着现代机械工业，特别是汽车、电梯行业的快速发展，高强度耐磨复杂铜合金材料被广泛应用1。而耐磨黄铜具有优良的综合机械性能、耐磨、导热等性能，可取代传统的铝青铜、锰黄铜等，用来制造在重负荷及较高速工作条件下的齿轮等零部件2,3,4。其中，由华南理工大学吴维冬等5研究开发出来的新型高强度耐磨铝黄铜(代号为KK5)已由广东华金合金材料实业有限公司投入工业生产，据客户反映，该合金材料的耐磨性能显著优于KK1合金材料，并且大幅降低了成本，市场前景广阔，但KK5材料在机加工时常遇到大块状硬质点。硬质点的出现，

5、加快了刀具磨损，甚至引起刀具崩坏，同时造成加工表面质量降低、尺寸精度不高等问题，严重影响生产，因此，解决KK5合金材料的大块状硬质点问题，迫在眉睫。本文针对铸造KK5合金材料出现的大块状硬质点的形貌、本质、来源及预防措施进行了系统的研究。1 硬质点及其周边基体的形貌及本质1.1 金相组织作者简介：朱权利(1961-)，男，硕士，副研究员，湖南长沙人。研究领域：金属材料制备与成形。E-mail: qlzhu图1 铸态KK5硬质点金相照片 200× Fig. 1 The as cast micrograph of hard spots in KK5从发现硬质点的涡轮上切下小块试样，经砂纸

6、粗磨、细磨、抛光后，用三氯化铁盐酸酒精溶液侵蚀后，在光学金相显微镜下观察其的微观组织。图1为硬质点及其周边基体的金相微观组织，由图1可看出，铸态KK5的组织主要由亮白色的相和暗灰色相两相组成，并在基体上弥散分布细小均匀的颗粒，从而形成了理想的软基体+细小硬质点的耐磨组织，提高了KK5合金材料的耐磨性；图中的A，B，C三处为显微硬度测量区域；而图中的暗黑色大块团状物，即为机加工时发现的硬质点，其成分结构后续会进一步研究。 1.2显微硬度对图1中的大块状硬质点及基体进行了显微硬度的测试，测量的区域如图1中的A，B，C所示，结果见表1。表1 硬质点及基体的显微硬度(载荷4.9N)HV测量区域A B

7、C687 159 136655 219 137测量值644 174 136650 204 135平均值 659 189 136从上表可知，界面处的显微硬度比基体稍高，而暗黑色硬质点，平均显微硬度为HV 659，约为基体的5倍，故会降低合金的切削性能，加速刀具磨损，甚至造成崩刀。 1.3 SEM组织及能谱分析图2 KK5硬质点扫描电镜像及能谱分析位置Fig. 2 The SEM images of hard spots in KK5 and position of EDX图3 硬质点的能谱分析Fig. 3 The EDX of hard spots表2 能谱分析结果/质量分数%Table 2 E

8、DX results / Mass fraction%Cu3.62 Zn 0.84 Fe 82.53 Al 1.63 Mn 3.97 Ni 0.67 Si 1.01 P 5.73图2为大块状硬质点及周边基体的SEM组织，可看出，所用腐蚀剂对基体腐蚀效果很好，但对硬质点区域腐蚀却不明显。为了对硬质点进行定性和定量分析，在图2中选择了一区域进行能谱分析，结果如图3和表2所示。从能谱分析结果可知，硬质点区域主要是富Fe相，其含量高约为合金配料的30倍。这一富Fe相的硬质点，降低了合金的切削性能。1.4 产生硬质点的根源根据上面的研究分析可知，块状硬质点是富Fe相。铁的熔点高达1538，远高于基体材料

9、铜和锌的熔点，并且，铁在黄铜中固溶度极低，1050时，铁在铜液中的溶解度为3.5%，而635时的溶解度下降到0.15%6；同时，其溶解自由能相对较高，不太容易化合，超过固溶度的铁以富铁相颗粒存在，故当铜液中的Fe等高熔点元素超过一定的标准时，如果熔炼温度不够高，这些元素就会游离在铜液中，浇注后，会镶嵌在基体上，形成硬质点。铜液中Fe、Mn、Ni、Al及Zn等元素的标准(质量分数为1%溶液)溶解自由焓(J/mol)如下各式7：0G溶Fe(s)=54266-47.75T (1)0G溶Mn(s)=6485-46.61T (2)(3)(4) 0G溶Ni(s)=27405-48.17T0G溶Al(s)=

10、-36108-57.91T0式中，G溶以1%(质量分数)溶液为标准态的溶解自由焓；T绝对温度。0-G溶越大，说明溶解反应进行的可能性越大。实际生产中，当T=1303K(大约为黄铜合金的熔炼温度)，上式(1)的标准溶解自由焓为-7952.25J/mol，(2)的为-54247.83J/mol，(3)的为-35360.51J/mol，(4)的为-11564.73J/mol。可看出，铁在铜溶液中的标准溶解自由焓负得最少，说明其在铜液中溶解的趋势小，溶解性不好，一旦成分不设计不合理或熔炼工艺控制不好，便极易造成铁的溶解不充分，合金化程度差，从而形成大块团聚物，即硬质点。当黄铜中同时存在Fe，Si时，会

11、出现维氏硬度高达950的硅化铁粒子，增加切削刀具磨损，使可切削性能变坏6。另外，有研究认为8，硬质点的形成条件为：(1)Fe、Ni等高熔点元素超过一定的标准；(2)要有一定的过冷度。2 预防措施为了防止富Fe相硬质点的产生，采取了以下预防措施：(1) 回炉料必须精选除铁精选，与铜液接触的工具要涂液，并经烘干，严格控制Fe等高熔点元素的含量；砂型回炉料必须清理芯砂，防止Si被带入黄铜溶液。(2) 熔锌前加入预留的少量电解铜板，防止锌等低熔点元素大量烧损。(3) 如浇注时间过长，可加入0.1%P-Cu中间合金，并定期对黄铜合金液适当升温。(4) 浇口处采用过滤网。生产实际验证表明，通过上述措施后，

12、选用KK5合金材料的各涡轮，出现上述大块状硬质点的现象几率大幅度降低，大大提高了KK5合金材料的切削性能，从而降低了机加工废品率，减小了刀具磨损，提高了公司的生产效益。参考文献1 郭淑梅. 高强耐磨复杂铝黄铜研究J. 特种铸造及有色合金,2003,3:18-20.2 陈洪,邓雪莲,周细枝. 同步器齿环特种黄铜材料磨损失效的研究J.特种铸造及有色合金,2003,25(2):123-125.3 周世杰,唐升渝.滑动轴承用复杂铝黄铜耐磨性能研究J.特种铸造及有色合金,2005,25(11):699-701.4 Toyota Jidosha Kogyo Kabushiki Kaisha.Copper Base Alloy Having WearResistance at High Temperature.Briti