摘 要：CuZn36Bi0.8鉍黃銅低壓鑄造閥體零件在后續(xù)機(jī)械加工過程中出現(xiàn)大量開裂現(xiàn)象，采用掃描電鏡及能譜分析方法對(duì)低壓鑄造鉍黃銅閥體零件開裂的原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明，鉍黃銅閥體零件發(fā)生開裂的主要原因是在低壓鑄造時(shí)Bi元素發(fā)生了嚴(yán)重的區(qū)域偏析。在低壓鑄造時(shí)，可采用控制凝固時(shí)金屬液的對(duì)流速度，增大冷卻速度等方法來減輕或預(yù)防鉍黃銅閥體零件發(fā)生區(qū)域偏析。

鉛黃銅具有優(yōu)良的切削性能和良好的物理、化學(xué)及力學(xué)性能，并且生產(chǎn)成本低，因此被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域中，如儀表零件、水管、水龍頭、閥門等。但鉛黃銅在生產(chǎn)和使用過程中會(huì)污染環(huán)境，對(duì)人體健康產(chǎn)生危害，因此需要研發(fā)無鉛易切削黃銅。鉍與鉛的性質(zhì)相近，可以在黃銅中起到類似的作用，獲得良好的切削性能，并且鉍是一種綠色金屬，無毒，對(duì)環(huán)境和人類沒有危害。某廠使用鉍替代鉛，采用低壓鑄造方法生產(chǎn)CuZn36Bi0.8鉍黃銅閥體零件，但該閥體零件在后續(xù)機(jī)械加工過程中出現(xiàn)大量的開裂現(xiàn)象，為了尋找出閥體零件失效的原因，本課題對(duì)出現(xiàn)裂紋的低壓鑄造鉍黃銅閥體零件進(jìn)行了開裂原因分析。

1、試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為使用低壓鑄造方法制備的CuZn36Bi0.8鉍黃銅閥體零件，鉍黃銅閥體零件在機(jī)械加工過程中出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，其宏觀形貌見圖1，在閥體的中部出現(xiàn)粗大裂紋，局部位置的裂紋已貫穿整個(gè)壁面。

在零件出現(xiàn)貫穿裂紋的部位進(jìn)行取樣，見圖2，使用掃描電鏡對(duì)出現(xiàn)貫穿裂紋處的斷面進(jìn)行觀察，并使用能譜儀對(duì)正常部位和貫穿裂紋處斷面進(jìn)行成分分析。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鉍黃銅閥體零件正常部位和貫穿裂紋處斷面的化學(xué)成分

使用掃描電鏡和能譜儀對(duì)鉍黃銅閥體零件的正常部位和貫穿裂紋處斷面的化學(xué)成分進(jìn)行選區(qū)分析，結(jié)果見表1和表2。在使用能譜儀進(jìn)行定性分析時(shí)，試驗(yàn)所用的能譜儀的檢測(cè)下限約為0.1%。在閥體零件的正常部位處沒有檢測(cè)到Bi元素的存在，說明在所測(cè)正常部位區(qū)域Bi元素的含量＜0.1%；而在閥體零件存在貫穿裂紋的斷面處Bi元素的含量為3%～4%。比較Bi元素在正常部位和存在裂紋部位的所測(cè)含量，說明鉍黃銅閥體零件在低壓鑄造時(shí)Bi元素發(fā)生了嚴(yán)重的區(qū)域偏析。

表1：鉍黃銅閥體零件正常部位處的化學(xué)成分wb/%

表2：鉍黃銅閥體零件存在貫穿裂紋處斷面的化學(xué)成分wb/%

2.2 鉍黃銅閥體零件存在貫穿裂紋處斷面的微觀形貌和微區(qū)成分

使用掃描電鏡對(duì)鉍黃銅閥體零件存在貫穿裂紋處的斷面進(jìn)行觀測(cè)，其微觀形貌見圖3。在圖3中選擇3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行微區(qū)成分分析，結(jié)果表3。由3點(diǎn)的微區(qū)成分可見，閥體零件在存在裂紋處的斷面上，Bi元素的分布也不均勻，而且存在富鋅的區(qū)域和一些含有Al元素和Fe元素的相，在鉍黃銅中加入少量的Al可改善合金的鑄造性能，添加少量的Fe元素可以提高合金的強(qiáng)度。

圖3：閥體零件存在貫穿裂紋處斷面的微觀形貌

表3：鉍黃銅閥體零件存在貫穿裂紋處斷面的微區(qū)化學(xué)成分wb/%

2.3 鉍黃銅閥體零件開裂原因分析

CuZn36Bi0.8鉍黃銅閥體零件在低壓鑄造時(shí)Bi元素發(fā)生了嚴(yán)重的區(qū)域偏析，在Bi元素富集的區(qū)域，Bi元素的含量可達(dá)3%～4%（見表2）。一般當(dāng)Bi元素的含量小于1.0%時(shí)， Bi元素以顆粒狀分布在α相與β相的相界上；當(dāng)Bi元素的含量達(dá)到2.0%時(shí), 其一般以塊狀分布在相界上；當(dāng)Bi元素的含量超過2.5%時(shí)，其一般以連續(xù)膜的形式分布在相界上[5]。 Bi是脆性材料，其表面張力比鉛小，熔點(diǎn)也比鉛低，當(dāng)Bi元素以連續(xù)膜的形式分布在黃銅中晶界或相界處時(shí)，低壓鑄造時(shí)的鑄造應(yīng)力或后續(xù)機(jī)械加工時(shí)的加工應(yīng)力，容易使鉍黃銅閥體零件開裂。

為防止鉍黃銅閥體零件發(fā)生開裂，需要在低壓鑄造時(shí)預(yù)防閥體零件出現(xiàn)區(qū)域偏析，可采用以下兩個(gè)措施：

（1）在凝固開始階段，用加速液體對(duì)流的方法，可以細(xì)化晶粒，但在凝固過程中，應(yīng)該使液體的對(duì)流運(yùn)動(dòng)停止。如果自然對(duì)流速度較大，應(yīng)該外加磁場(chǎng)使對(duì)流運(yùn)動(dòng)停止，或者加入孕育劑細(xì)化枝晶組織，使流動(dòng)阻力增加，從而減小對(duì)流速度，減小區(qū)域偏析。

（2）加大冷卻速度，縮短固-液兩相區(qū)的凝固時(shí)間。需要使凝固速度盡量增大，如降低鑄造溫度和鑄造速度，均會(huì)加快鑄件的冷卻速度，從而使區(qū)域偏析減輕。

3、結(jié)論

（1） 鉍黃銅閥體零件在低壓鑄造時(shí)Bi元素發(fā)生了嚴(yán)重的區(qū)域偏析。在Bi元素富集的區(qū)域，Bi元素容易以連續(xù)膜的形式分布在黃銅中晶界或相界處，在低壓鑄造時(shí)的鑄造應(yīng)力或后續(xù)機(jī)械加工時(shí)的加工應(yīng)力的作用下，鉍黃銅閥體零件容易出現(xiàn)開裂。

（2）在低壓鑄造時(shí)，可采用控制凝固時(shí)金屬液的對(duì)流速度，增大冷卻速度等方法來減輕或預(yù)防鉍黃銅閥體零件發(fā)生區(qū)域偏析。

作者：
彭海健 林亮華
東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2020年第40卷第12期