铅黄铜组织和性能的改善

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摘要： 通过对不同回火温度、冷却条件下C3604铅黄铜的组织性能研究，为生产提供了热处理的理论依据.研究发现：冷却速度越快，β相越多、越大；反之，β相越少、越细小，Pb分布也越均匀、弥散；500℃回火，晶粒长大较多，抗拉强度和硬度急剧下降；400℃以下回火，晶粒长大不明显，抗拉强度和硬度下降很少.

关键词： 铅黄铜；组织；硬度；抗拉强度

中图分类号： TG146.1+1文献标识码： A

Research in the Microstructure and Properties Optimization of Lead Brass

ZHAO Mingtao1， HUANG Zhangyu2， ZHAO Yuanxia3

（1.Shanghai General Motors Co.， Ltd.， Shanghai 201206， China；

2.Shanghai Internaional Port（group） Co.， Ltd.， Luo Jing Terminal Branch， Shanghai 200949， China；

3.Shanghai Volkswagen Automotive Co.， Ltd.， Shanghai 200949， China）

Abstract： The microstructures and properties of C3604 lead brass are studied at various drawing temperatures and cooling speeds.The more and bigger β phase is observed with higher cooling speed.On the contrary，the less and smaller β phase is observed with lower cooling speed and the distribution of lead becomes evener and more dispersive.When the drawing temperature increases to 500℃，the crystal grains grow a lot and the tensile strength and hardness decrease dramatically.When the drawing temperature is under 400℃，the growth of crystal grains becomes less obvious and the tensile strength and hardness decrease slightly.This study provides valuable production references to the heat treatment of lead brass.

Key words： lead brass；microstructure；hardness；tensile strength

0前言

铅黄铜由于具有易切削、生产成本低、冷热加工性能好以及可通过不同的铸造工艺进行生产等特点[13]，已成为广泛使用的一种铜合金，用于电子电器接插件、仪表零件、饮水系统的水管、水龙头、阀门、管接头等，发达国家仅黄铜水管的使用率就高达90%以上.然而，铅黄铜在生产中经常会出现质量不稳定，特别是关于热处理工艺对材料组织性能的影响了解不够，在制定加工工艺时存在一定困难.为了更好地了解热处理对产品质量的影响，本文研究了热处理温度与冷却条件对产品组织性能的影响.

1试验

试验样品为C3604铅黄铜，规格为5.7 mm×300 mm，状态为Y2.样品放置于箱式电阻炉中回火，回火温度分别为300℃、400℃和500℃，保温3 h，保温结束后采用水冷、空冷和随炉冷三种冷却方式.在JSM5610LV型扫描电镜上观察显微组织，用HVS1000型数显显微硬度计测量显微硬度，载荷为0.1 kg，保载时间10 s，抗拉强度在型号为AGI250的电子拉伸试验机上测试.

上海有色金属第34卷

第1期赵明涛，等：铅黄铜组织和性能的改善

2结果与讨论

2.1金相组织观察

图1为不同冷却条件下合金的金相组织.

图1合金在不同冷却条件下的金相组织

Fig.1The OM microstructure of alloys an different cooling rate

由图1可见，500℃回火后晶粒明显大于未回火样品，同一温度、不同冷却速度下其晶粒大小，α、β相形貌都相差不大，可见冷却速度对组织的影响不大.

2.2SEM观察及能谱分析

图2为500℃回火+水冷和500℃回火+炉冷样品的SEM照片.从图2中可以看到，500℃回火+水冷样品中的β相比500℃回火+炉冷的粗大且含量高，即水冷的β相要比随炉缓冷的粗大，这也说明冷却速度大，β相含量高.同时，可以看到，500℃回火+炉冷样品中的小质点要比500℃回火+水冷样品多.也就是说炉冷样品基体中分布的小质点多而弥散，而水冷样品相对小质点较少，而且有些质点溶入了β相中.这些小质点可能是Pb，说明炉冷可以使Pb质点分布均匀、细小、弥散，而水冷使Pb含量减少，而且有部分溶入基体中.这是由于C3604铅黄铜在454℃以上时α相会部分转变为β相[4]，而Pb能溶于β相，即Pb在高温下分布于β相晶粒内.因此，500℃下回火，Pb有部分溶于晶内，而不是分布在晶界上.当采用水冷方式时，能保留高温下合金的组织结构，β相含量高、尺寸大，Pb部分分布于β相晶粒中.

2.3不同冷却速度对力学性能的影响

图3和图4分别为300℃、400℃和500℃回火温度下，不同冷却速度样品的抗拉强度和延伸率曲线.

从图3、图4中可以看到一个规律：冷却速度越快，抗拉强度越高，延伸率越大；而冷却速度越慢，抗拉强度和延伸率都会下降.在500℃回火温度下，水冷样品抗拉强度和延伸率比炉冷样品高3.2%和14.2%；在300℃回火温度下，水冷样品的抗拉强度和延伸率比炉冷样品高4.5%和33.7%.

图2合金在不同冷却速度下组织的SEM照片

Fig.2The SEM microstructure of alloys an different cooling rate

图3回火温度和冷却条件与抗拉强度的关系

Fig.3Temper temperature and cooling

rate vs. tensile strength

图4回火温度和冷却条件对延伸率的影响

Fig.4Temper temperature and cooling

rate vs. elongation

从图3中看到，300℃和400℃回火后，抗拉强度相差不大，而在500℃回火后，抗拉强度急剧降低；而延伸率随着回火温度的升高，呈近似直线的上升.这说明500℃回火后，合金组织结构有了较大的改变；在400℃以下回火，合金组织变化不大.而水冷后的样品，β相强度大，硬度高，而且晶内的Pb能起固溶强化作用，从而使抗拉强度较高；而延伸率较高的原因在于，炉冷样品组织中Pb都分布在晶界上，而Pb质软，相当于晶粒之间存在空隙，晶粒之间的结合减弱，容易拉断.

图5分别为300℃、400℃和500℃温度回火下，各样品维氏硬度的比较.

图5回火温度与冷却速度对样品硬度的影响

Fig.5Temper temperature and cooling

rate vs. HV

由图5可以看到，不同的冷却速度对硬度的影响不大，水冷和炉冷样品硬度值相差很小.

综上所述，不同的热处理工艺对C3604铅黄铜组织性能有一定的影响，从提高切削性能的角度看，Pb分布越均匀、越弥散，并且都分布在晶界上是最好的，在车削过程中能促使晶粒快速脱落.因此，采用炉冷的方式，即缓慢冷却的方式对切削性能是有利的.

从不同回火温度对晶粒大小的影响来看，采用300℃或400℃回火，晶粒尺寸明显小于500℃回火.而晶粒越细，Pb分布就越弥散，所以，在留底回火中可采用低于500℃的回火温度.

3结论

（1） 冷却速度越快，β相越多、越大；冷却速度越慢，β相越少、越细小，Pb分布也越均匀、弥散.

（2） 冷却速度越快，抗拉强度和延伸率均有提高；但硬度变化不大.

（3） 500℃回火，晶粒长大较多，抗拉强度和硬度急剧下降；400℃以下回火，晶粒长大不明显，抗拉强度和硬度下降很少.

（4） 采用缓慢冷却的方式对切削性能有利.因此，生产中要采用炉冷的方式冷却，回火温度也应低于500℃.

参考文献：

[1]Waheed A，Ridley N.Microstructure and wear of some high Tensile brasses[J].Journal of Materials Science，1994，29（9）：16921699.

[2]田荣璋，王祝堂.铜合金及其加工手册[K].长沙：中南大学出版社，2002.

[3]吴卫华，周浪，杨青.HPbS591黄铜变质细化晶粒组织的热稳定性[J].特种铸造及有色合金，2004，24（1）：3940.

[4]钟卫佳，马可定，吴维治.铜加工技术[M].北京：冶金工业出版社，2007.