無鉛銅組織和耐蝕性能研究

1、無鉛銅組織和耐蝕性能研究摘 要：根據(jù)無鉛黃銅合金的根本性質(zhì)，針對目前銅合金行業(yè)對有毒鉛的污染，選擇適當合金元素參加到黃銅中，對成份、組織和腐蝕性能檢測，到達替代HPb59-1的目的。該文通過提高Cu、Sn的含量和參加Se元素，來改善和提高無鉛銅的腐蝕性能。關(guān)鍵詞：無鉛 銅合金 腐蝕中圖分類號：TG14 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791202101c-0037-04目前制造管件用的銅合金多為含鉛黃銅。在Cu-Zn合金中的溶解度極小在黃銅中然而，鉛這種重金屬元素對人體特別是兒童的危害極大，許多國家已對飲用水中鉛的含量做出了相關(guān)的限制，這就要求人們?nèi)?/p>

2、尋找一種無毒的元素來代替含鉛銅合金中的鉛【1】。該實驗去除黃銅中Pb的含量，通過提高Cu、Sn的含量和Se元素的參加，來改善和提高無鉛銅的組織和腐蝕性能。1 成份分析試樣為連續(xù)鑄造的方法得到無鉛銅棒材，通過化學(xué)方法分析其成份如表1所示，用原子吸收光譜儀器分析得出對人體有害元素Pb的含量0.046%。2 合金的顯微組織分析圖1和圖2分別為含鉛銅HPb59-1和無鉛銅連續(xù)鑄造棒材的金相組織，由圖2可以看出，連續(xù)鑄造空冷的無鉛銅的組織為不規(guī)那么的白色和網(wǎng)狀兩相組成，相占據(jù)較大的比例，而含鉛銅HPb59-1圖1的組織呈針狀和不規(guī)那么的塊狀白色和灰色的兩相組成【2】。在光鏡下分辨不出

3、Pb和Se的分布及形貌。圖3、圖4為連續(xù)鑄造后含鉛銅HPb59-1中Pb的PMD分析和能譜分析。由圖3圖4對應(yīng)圖3中的白色質(zhì)點的顆?？梢钥闯鯬b成顆粒狀，彌散的分布在和基體中。鉛對銅的熱塑性變形能力有著嚴重的影響。Pb與銅形成共晶系，共晶溫度為320，共晶點的成分為99.4%Pb。在結(jié)晶過程中，這種低熔點共晶體最后結(jié)晶，在晶界上形成極薄的膜最薄的膜只有幾個原子層厚。熱加工時，這些薄膜熔化使金屬的晶粒與晶粒之間的結(jié)合力降低，因而發(fā)生晶間破裂。故銅材中雜質(zhì)鉛的含量限制很嚴，鉛的最大允許含量為0.005%0.05%。銅中含有較大量的鉛以致不能軋制時，可參加微量的鈣、鈰或鋯，使鉛與之形成難熔化物，它們

4、的有害影響即可消除【3】。鉛在Cu-Zn合金中的溶解度極小在黃銅中圖5、圖6SEM中計算Se的分布情況、圖7為連續(xù)鑄造后無鉛銅中Se的PMD分析和能譜分析。由圖6圖7對應(yīng)圖6中的質(zhì)點的顆?？梢钥闯鯯e成顆粒狀，彌散的分布在和相界上。合金中錫、鋅等的參加改變了金屬Se在銅晶界及晶粒內(nèi)的存在形態(tài)，即由連續(xù)膜狀轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀，Se的這種分布方式使得合金具有良好的塑性，從合金能量學(xué)的角度，根據(jù)吉布斯的恒溫吸附方程，結(jié)合潤濕理論得以解釋。吸附方程：1潤濕理論：SV=SL+LVcos   2從潤濕理論可知：Cu=Cu-Se+Secos   3式中，

5、Cu、Se為晶界能;Cu·Se為相界能;為外表過剩量;為活度;為外表能;T、R為常量。當角較小時，液相容易在固相外表展開形成連續(xù)薄膜，隨角增大，液相對固相逐步變得不潤濕，形成的膜斷斷續(xù)續(xù)，液相對固相完全不潤濕時，就在固相外表形成了粒狀。從吸附方程知道，界面活性元素的參加，能使有關(guān)的界面能及晶界能b都降低，也就是說錫、鋅等元素的引入，能與銅固溶，降低Cu，使角增大，亦即變得不潤濕，控制錫、鋅的含量在一定范圍內(nèi)，那么能使液相對固相完全不潤濕，Se得以分散顆粒狀在銅晶界偏析出，從而消除因Se參加引起的銅合金脆化問題。3 腐蝕性能分析黃銅在一定的環(huán)境中易發(fā)生脫鋅腐蝕，從而導(dǎo)致材料的

6、損壞，因而黃銅的耐脫鋅腐蝕性能直接影響著其使用性能。由于目前國內(nèi)外對無鉛黃銅的研究還處于開始階段，對其耐脫鋅腐蝕性能的研究更少。3.1試樣制備對試棒車加工成10mm×10mm的試樣。無鉛黃銅的耐蝕性按照GB1011921988?黃銅耐脫鋅腐蝕性能的測定?即ISO650921981標準進行。腐蝕實驗前用酚醛樹脂鑲樣或者絕緣清漆涂封，使其暴露面積為36mm2，所有試樣均經(jīng)過600grit金相砂紙磨平，用蒸餾水洗凈，烘干。試驗溶液為現(xiàn)配的1%CuCl2溶液，試驗溫度為75±2。在恒溫水浴槽中腐蝕24h，溶液量與試樣暴露面積之比為300mL/cm2。取出后沿縱向切開，拋光剖面后，測

7、量試樣的腐蝕脫鋅深度。用金相顯微鏡和SEM觀察腐蝕深度和腐蝕形貌。3.2試驗結(jié)果與分析腐蝕原理及主要儀器見圖8。將用ISO6509-1981國際標準方法腐蝕后試樣沿縱向剖開，并拋光剖面觀察腐蝕脫鋅層。錫的重要作用是抑制黃銅脫鋅，提高黃銅的耐蝕性。錫黃銅在淡水及海水中均耐蝕，稱為“海軍黃銅。在含85%90%Cu的黃銅中參加1%2%Sn，還可顯著提高其耐酸能力，少量的Sn固溶于相中還可以提高合金的強度和硬度。通過無鉛銅的腐蝕照片圖10與含鉛銅HPb59-1腐蝕照片圖9比照，明顯可以看出無鉛黃銅的的腐蝕性能比HPb59-1的耐脫鋅腐蝕性能更優(yōu)，Cu和Sn元素的含量對腐蝕性能有著決定性作用。圖11可以

8、看出無鉛銅的腐蝕屬于A型，由易脫落曾和滲透層構(gòu)成。從表2可以看出無鉛銅的脫鋅量為29.92%，HPb59-1的脫鋅量為33.73%，同樣可以得出無鉛銅比HPb59-1具有更優(yōu)的耐脫鋅腐蝕性能。3.3脫鋅腐蝕機理黃銅脫鋅的傳統(tǒng)理論認為：是由于鋅的優(yōu)先溶解，或是銅、鋅同時溶解后銅再沉積。相應(yīng)的腐蝕形貌被歸納為栓狀脫鋅和層狀脫鋅。根據(jù)該實驗得出：黃銅的整個脫鋅過程可是上述兩機制的迭加，也可是某一機制在某階段起主導(dǎo)作用，另一機制起輔助作用的綜合結(jié)果。腐蝕形貌可歸納為A型由易脫落層+滲透層構(gòu)成和B型兩類僅由脫落層構(gòu)成。脫鋅腐蝕過程可理解為：開始階段由于熱力學(xué)因素，鋅離子化傾向顯著，通過近距離擴散進入溶液

9、ZnZn2+，隨著溶液中界面附近Zn2+濃度提高，Zn溶解點位隨之升高，單純由鋅溶解的陽極過程受阻而減緩，此過程延續(xù)時間相對較短。即轉(zhuǎn)為銅、鋅同時進入溶液而溶解即Cu-ZnCu2Cl2+Zn2+，Cu2Cl2Cu+Cu2Cl2，隨著腐蝕進行，Cu+不斷向Cu2+轉(zhuǎn)變，當?shù)竭_一定濃度，或一定熱力學(xué)條件后便發(fā)生Cu2+到Cu的再沉積過程。隨沉積層加厚，銅陽極相增多，鋅離子化傾向又增大，乃至開展到占主要地位，這階段直接影響滲透層的大小。具有上述全過程的脫鋅腐蝕，產(chǎn)生A型腐蝕形貌，只有前二階段腐蝕產(chǎn)生B型腐蝕形貌。易脫落層主要是由銅、鋅同時溶解進入溶液，而后Cu2+再沉積而形成，組織疏松易脫落，滲透層

10、是鋅經(jīng)點陣、晶界擴散進入溶液離子化而形成，鋅擴散入額后留下的銅骨架強度相對Cu2+在沉積層要高，結(jié)合力也較強，故不易脫落【5】。4 結(jié)語1通過化學(xué)分析得出分析得出對人體有害元素Pb的含量為0.046%，符合環(huán)保黃銅標準。2此無鉛銅的組織為連續(xù)鑄造空冷的無鉛銅的組織為不規(guī)那么的白色和網(wǎng)狀兩相組成，相占據(jù)較大的比例，其中Se成顆粒狀，彌散的分布在和相界上。3此無鉛銅的耐脫鋅腐蝕性能與HPb59-1相比，耐脫鋅腐蝕性能更優(yōu)。參考文獻【1】龐晉山，肖寅昕.無鉛易切削黃銅的研究J.廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報，20219：63-66.【2】劉伯操，郎業(yè)方，楊長賀.鑄造手冊，第3卷，鑄造非鐵合金M.2版.北