铜锌合金经砂型铸造工艺制备α-黄铜合金的力学性能及组织性能评测外文翻译资料

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铜锌合金经砂型铸造工艺制备alpha;-黄铜合金的力学性能及组织性能评测

摘要：Cu-Zn合金（黄铜）由于其耐腐蚀性，无磁性，锻造能力强等优异的特性被广泛用作工业材料。本文评估了废铜和锌金属获得的alpha;-铜合金的机械性能和显微组织性能，并比较了普通alpha;-钢坯的性能。由铜线和锌电池的废料制成了五种不同的alpha;-铜合金组成（Cu-5％Zn，Cu-10％Zn，Cu-15％Zn，Cu-20％Zn，Cu-30％Zn）套管分别采用砂铸法。将铸造件的部件在车床上加工成60mmtimes;100mmtimes;300mm的规格，得到拉伸试验片。均质退火后，将样品在电炉中在500℃下加热3小时。样品用氯化铁溶液蚀刻20秒钟，并进行金相检查。硬度试验结果表明，随着锌含量的增加，铸态Cu-Zn合金的硬度变化。 alpha;含量的延性和延伸率随锌含量的增加而降低。随着锌含量的增加，alpha;-Brass的着色从红色变为黄色。总之，与正常的黄铜坯相比，可以从回收的Cu和Zn中获得硬黄铜。

关键词：合金，alpha;-黄铜，蚀刻，金相，砂铸

1. 简介

黄铜是由铜和锌制成的金属合金[1]，其比例可以变化，以产生一系列具有不同性质的黄铜[2]。黄铜的形成使其成为替代合金，即两个成分的原子可以在相同的晶体结构内相互取代[1]。与其对应的青铜相比，黄铜具有较高的延展性[1]。然而，两者也可以包括一小部分其他元素，包括砷，磷，铝，锰和硅[1]。一般来说，根据其组成，其熔点低于约900℃至940℃（1652˚F至1724˚F）。其流动特性使其成为相对容易的材料。通过改变铜和锌的比例，黄铜的机械性能可以改变，产生硬和软的黄铜。黄铜的密度约为0.303磅/英寸3（8.4克/厘米3）[3]。 Cu-Zn合金由于其强度，延展性，耐腐蚀性，无磁性，成形性好等优异特性而被广泛用作工业材料[4]。由于机械性能优异，机械加工性能好，适用于卫浴配件，低压阀门，齿轮，轴承，装饰五金，建筑架等。

根据[1] [4]，黄铜对恶劣环境的耐腐蚀性等几个因素，用于乐器行业，杀菌和抗微生物应用，对黄铜合金的需求不断增加。特别是电气电子元件市场的高性能和多功能性有所增加，这些产品中的黄铜合金量也有所增加[4]。另一方面，对于运输设备的能源效率改善或小型化，强烈需要零件和产品的重量减轻[4]。具有高比重的黄铜合金部件对总产品重量比的影响较大[4]。通过使用高强度黄铜合金可以生产小件。因此，产品的重量将显着降低。

今天，由于非铁磁性，所有黄铜合金的近90％都被回收利用[6]。通过将废料靠近强大的磁铁，可以将其与铁质废料分离。黄铜废料被收集并运送到铸造厂熔化并重铸成坯料。坯料被再加热并挤压成所需的形状和尺寸。本研究旨在评估从废料Cu和Zn获得的alpha;-Brass，以达到确定黄铜的微观结构和力学性能与正常alpha;-钢坯相比的目的。

2.黄铜展望综合调查

Ozgowiez等人 [7]研究了在不同应变条件下轧制过程中冷变形的黄铜Cu30％Zn的显微组织和力学性能对再结晶退火温度的影响。 机械试验表明，随着再结晶温度在400℃〜650℃的范围内增加，黄铜的性能变差，塑性变差。

表1冷轧和再结晶退火后黄铜（Cu30％Zn）的力学性能研究。

Xie等[8]通过检查摩擦搅拌焊接过程中转速的影响，也对alpha;-Brass（Cu-38Zn-0.15Fe-0.08Pb-0.5Ni）（质量％）做出了类似的贡献。 随着转速的增加，非结晶晶粒的摩擦减小，再结晶晶粒的摩擦增加。熔核区（NZ）中的硬度值比母材（PM）中的硬度值要轻.增加旋转速率对焊缝的拉伸强度和屈服强度没有显着的影响，但增加了伸长率。

根据[5]关于alpha;-Brass（Cu44％Zn）的研究，砂型铸造和热处理后的显微硬度和显微组织实验结果表明，alpha; - 铜的显微组织和屈服强度提高。 Hishashi等人最近作出的另一项重要贡献，[4]通过研究Cu-40％Zn黄铜合金的微观组织和力学性能，通过水雾化工艺生产的0.5质量％Cr添加剂和整体Cu-40％Zn粉末。通过考虑beta;相和Cr的沉淀行为，在各种温度下通过热挤压将这些粉末固结。通过比较的结果显示，在相同挤出温度下，黄铜合金与Cr的屈服强度比单片黄铜具有更高的屈服强度。在温度下挤出的Cu-40％Zn-0.5Cr黄铜合金上的固溶铬是在较高温度下挤出的相同黄铜合金的约两倍。 Cr固溶体的强度影响与Cr析出强化相比有效。挤出材料的晶粒尺寸随挤出温度的增加而增加（图1-3）。

(a)

(b) (c)

图1.黄铜微观结构：（a）母材（PM）; （b）600rpm的热机械影响区（TMAZ）; （c）热影响区（HAZ）以600rpm。 资料来源：[8]。

（a） (b)

(c) (d)

图2.摩擦搅拌焊接黄铜接头的熔核区（NZ 1）的微观结构（a）400rpm; （b）600rpm; （c）800rpm; （d）1000rpm。 资料来源：[8]。

(a) (b)

(c) (d)

图3.摩擦搅拌焊接黄铜接头的熔核区域2的微观结构（a）400rpm;

（b）600rpm; （c）800rpm; （d）1000rpm。 资料来源：[8]。

3.实验程序

铜和锌金属分别作为铜线和锌电池外壳的废料购买。 制备合金的五种不同组成，分别得到Cu-5％Zn，Cu-10％Zn，Cu-15％Zn，Cu-20％Zn和Cu-30％Zn合金。 将每个重量百分比的总质量称重至1.5kg。 合金通过砂铸法制备。 铸造过程中的生产流程顺序如下：模具制作，模具制造，铸造，脱模，浇注/脱水处理和铸件清洗（表2）。

用方程计算炉内炉料（1）：

在车床上加工铸件的一部分以获得拉伸试样。 将棒加工成如图4所示的60mmtimes;100mmtimes;300mm的规格试验。将铸造样品进行均质退火以均匀化组合物。 它们在设定为500℃的OMSZON电炉中加热。 将样品在该温度下浸泡3小时，然后在炉中缓慢冷却。 每个测试样品的研磨在流水下进行，以避免用研磨机过度加热样品

图4 拉伸试件工作图

表2 铜锌合金炉料计算

其中包括从粗到最好的连续等级（240,320,400和600）的一套砂纸。 随后的研磨是以与之前相似的90°的角度进行的。 为了获得适合金相检查的完美平坦和镜面表面，使用安装在旋转盘上的金刚砂布的ECONET II抛光板抛光样品。 将每个样品轻轻地压在氧化铝浸渍的布上。 当过程进行时，保持恒定的水流量以洗涤磨损碎片。 用氯化铁溶液蚀刻每个样品的抛光表面20秒，然后浸入浓硝酸中去除污渍。 将受试和蚀刻的样品安装在ACCUSCOPE金相显微镜上，并使用times;400的倍率进行检查。

3.1 硬度测量

使用Mensanto Hounsfield Tensometer的布氏硬度测试附件对所接收的样品和铸造合金进行硬度测试。 在使用张力计之前，将压缩附件安装在机器上。 在整个设置之后，使用公式（2）所示的公式计算相应的布氏硬度，

3.2拉伸测量

已经加工成拉伸试验片的原样和铸造的黄铜合金样品在孟山都万能试验机的帮助下进行拉伸试验。 进行测试以确定在应力增加的情况下样品的响应。 研究的合金的一些性质如下： 屈服应力，伸长率，面积减小和极限拉伸应力。

4.结果与讨论

4.1硬度试验

硬度试验的结果示于表3中。另外，图5显示了随着锌含量的增加，铸造Cu-Zn合金的硬度变化

图5铜锌合金随锌含量的变化。

表3 硬度试验结果。

如图4所示，随着锌含量的增加，合金的硬度值增加。 在硬度测试中，严格的塑性流动已经集中在直接在压痕下方的局部区域中，其外部材料仍然具有弹性。 与凹陷区域相比，直接在压痕之下，颗粒的密度在局部增加。

由于晶体的塑性变形是由于位错的运动引起的，所以位错运动的任何障碍都会阻碍变形，从而加强晶体[9]。 因此，随着锌含量的增加，合金的硬度值的增加可归因于锌溶质引起的溶质硬化。

4.2 拉伸试验

拉伸试验的结果示于表4中。该表显示了样品的极限拉伸强度（UT），屈服强度和伸长率（％EL）

从表4可以看出，铸造合金样品的屈服强度和极限拉伸强度最初随着锌含量的增加而增加，然后降低，最大值为15wt％锌。 此外，随着锌含量的增加锌含量的增加，锌的百分比也随之增加，然后降低。 因此，具有20wt％锌的合金具有最高的延展性（图6）。

图6 锌含量增加时合金的弹性模量

表4 抗拉强度随锌含量增加而变化

4.3样品的显微照片

从图7-12可以看出，各种合金的显微照片显示存在单一的固相，其由alpha;在铜中的固溶体组成。 含有高达20％Zn的阿尔法黄铜颜色呈红色。 高于20％，黄铜为黄色[10]。 这是预期的，因为基于Cu-Zn相图，锌在铜中具有完全固溶度至35％[11]。

图7在收到Cu-Zn合金显微照片（times;400）

图8 Cu 5%Zn合金的显微照片（times;400）

图9 Cu10%Zn合金的显微照片（times;400）

图10 Cu15%Zn合金的显微照片（times;400）

图11 Cu20%Zn合金的显微照片（times;400）

图12 Cu30%Zn合金的显微照片（times;400）

5 结论

由回收的铜和锌金属制成的铸造黄铜样品的硬度随着锌含量的增加而增加，这表明，铸造黄铜合金中使用的再循环锌越高，黄铜获得的硬度越高。由回收铜和锌制成的黄铜合金被认为具有低拉伸强度和延展性，随着锌含量的增加，脆性随着脆性的增加而增加。这表明在铜合金铸造中加入更多的锌时，为了生产黄铜，所获得的黄铜具有较低的拉伸强度，低延展性和高脆性。通常所获得的铸造黄铜的硬度的增加导致金属的拉伸强度和延展性相等的降低。因此，为了获得最佳的黄铜铸件，添加到铜中的锌必须处于最佳值。因此，回收铜和锌可用于黄铜生产用于工程应用。

6.建议

根据本工作得出的结果，推荐通过加入锌可以提高Cu-Zn合金的硬度。然而，需要进一步的研究工作来确定合金的其他机械性能（如压缩强度和冲击强度），以获得最佳的Cu-Zn合金含量，从而获得机械性能的最佳组合。

参考文献

[1] Brass Overview (2015). www.wikkipedia/brassoverview

[2] Khurmi and Gupter (2004) Engineering Designer , 30, 6-9.

[3] ad Roger, W. (2009) Mass, Weight, Density or Specific Gravity of Different Metals . Density of Materials. SImetric.co.uk ., United Kingdom.

[4] Hisashi, I., Shufeng, L., Atsumu, H., Kosaka, Y., Kojima, A., Umeda, J. and Kondoh, K. (2009) Mechanical Properties and Machinability of Extruded Cu-40% Zn Brass Alloy with Bismuth via Powder Metallurgy Process. Transaction of JWRI , 38, 1-6.

[5] Hamizah, B.N. (2010) Investigation of Brass Microstructure and Mechanical Properties Using Metal Casting. B. Tech Dissertation. Faculty of Mechanical Engineering. University of Malaysia Pahang.

[6] Ashby, M.F. and Johnson, K. (2002) Materials and Design: The Art and Science of Material Selection in Product Design . Butterworth-Heinemann, Oxford, 223.

[7] Ozgowicz, W., Kalinowska, E.O. and Grzegorczyk, B. (2010) The Microstructure and Mechanical Properties of the Alloy Cu-30% Zn after Recrystallizion Annealing. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering ,

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