 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，使用掃描電鏡對出現(xiàn)貫穿裂紋處的斷面進(jìn)行觀察，并使用能譜儀對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下限約為0.1%。在閥體零件的正常部位處沒有檢測到Bi元素的存在，說明在所測正常部位區(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 使用掃描電鏡對鉍黃銅閥體零件存在貫穿裂紋處的斷面進(jìn)行觀測，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)該使液體的對流運(yùn)動(dòng)停止。如果自然對流速度較大，應(yīng)該外加磁場使對流運(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。
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