CuZn37Mn3Al2FeSi合金组织和性能的研究
王永如2，慕思国1,2，戴姣燕1,2，巢国辉2，洪燮平2，苏玉长1
【摘 要】采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和光学显微镜(OM)研究Cu-37%Zn-2%Mn-1.6%Al-0.7t-0.7%Si合金的微观组织，测试不同时效条件下合金的微观硬度。研究结果表明：合金微观组织主要存在α相、β相和Mn5Si3相三种，其中β相为基体，α相主要分布在晶界，晶内有少量针状α相，Mn5Si3相多为六边形棒状，中心为富铁硅相。当时效温度不大于300℃时，组织中β相比例高达97.5%；在420℃×1h的时效条件下，α相比例达到实验最大值25%；当时效温度大于520℃时，组织全部为β相。合金的微观硬度也随着α相比例的增加而降低。 【期刊名称】有色金属加工 【年(卷),期】2011(040)002 【总页数】3
【关键词】复杂黄铜；微观组织；性能
液压系统柱塞泵的摩擦副长期承受工作状态下的粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损，容易出现故障，统计表明，柱塞泵的故障70%以上是由于磨损，因此，摩擦副材料必须具有优良的机械性能、导热性能和耐磨损性[1]。一般情况下，民用工程机械柱塞泵的摩擦副主要采用耐磨复杂硅锰黄铜材料，很多研究者也对CuZn37Mn3Al2FeSi系合金进行了大量的研究[2-5]，发现该合金拥有较硬的β相基体，辅以较软的α相和耐磨损的MnSiFe相，其机械性能、导热性能和耐磨损性均比较优异。
CuZn37Mn3Al2FeSi合金的磨损性能主要取决于材料组织中组成相的种类、
数量、形状、大小和分布，而热处理是获得良好微观组织的主要手段之一，通过热处理获得一定α相和β相比例、弥散分布的硅锰等耐磨相，来提高合金的耐磨性。研究表明耐磨材料组织通常由软相和硬相组成，在硬的基体上分布软相，当软相被磨损后留下的凹坑仍可以存储润滑油，硬相起支撑作用，从而提高耐磨性[3，5-8]；CuZn37Mn3Al2FeSi合金中基体组织为β相，α相主要在晶界呈球状或者晶内呈针状分布，α相为软相，β相为硬相，但是提高该合金耐磨损性能的主要还有Mn5Si3相和Fe3Si相。本文对不同热处理状态下Cu-37%Zn-2%Mn-1.6%Al-0.7t-0.7%Si合金的微观组织进行观察，测试不同时效条件下合金的微观硬度，分析了MnSiFe相的形貌、α相与热处理温度的关系，为提高合金材料的耐磨损性能的奠定了一定的基础。
1 实验方法
实验合金CuZn37Mn3Al2FeSi (质量分数，%)在中频感应电炉中进行熔炼，铸造制成锭坯2根，化学成分如表1所示。铸锭经车皮后在中频感应加热炉中进行加热，加热温度为750℃和700℃，时间为8min；然后挤压至Φ21mm的铜棒；挤压棒在600℃以上快速淬火；挤压棒经冷拉至Φ20.5mm后，在300-520℃下进行低温退火处理，退火时间为1-3h。退火在电阻加热炉中进行。 铸锭的化学成分采用直读光谱仪和化学分析相结合；显微硬度在HVS-1000数字显微硬度计上测量，载荷为0．98 N，加载时间为20 S；显微组织在Nikon Epiphot 200金相显微镜上观察；扫描电子显微分析在JSM 6480扫描电子显微镜上进行，采用电解抛光制取，抛光液为70%的H4PO3溶液，电压3V，时间4-5min，试样为阳极，用不锈钢作阴极；腐蚀液为三氯化铁、盐酸和水的溶液(FeCl3：HCl：H2O=5：10：100)。
2 结果与讨论
2.1 组织演变规律
为了观察铸造过程中冷却速度对铸态组织的影响，在铸造过程中分别采用水冷和空冷两种方式，其铸态组织分别如图1(a)和图1(b)所示。
从图1中可以看出，铸造组织中耐磨相分布没有明显方向性，其尺寸大约为(5-10)um×(10-50)um的棒状，有少数六边形。在快速水冷条件铸造组织细小，尤其是硅锰铁的耐磨相，尺寸为(3-8)um×(10-30)um；而在空冷条件下，无论是晶粒度大小还是硅锰铁均较为粗大，有少数甚至达到40-60um。
为了研究挤压温度对合金组织、耐磨相分布的影响，分别对快速水冷条件下铸造的CuZn37Mn3Al2FeSi合金进行挤压，挤压温度分别为700℃和750℃，挤压比为50.4:1,挤压速度为35mm/s，不同温度下挤压态的金相组织分别如图2和图3所示。
从图2中可以看出，挤压后组织主要以β相为主，没有发现α相，硅锰铁相发生了明显的转动，沿挤压方向分布。在700℃下挤压后，硅锰铁相较多，而且比较粗大，全部沿挤压方向分布；在750℃挤压后，硅锰铁相比较细小，大部分硅锰铁相已经发生了转动，沿挤压方向分布，但是还有少量的硅锰铁相没有完全转动，即硅锰铁相分布方向不完全一致,且大小不均匀。
时效处理是控制α相和β相比例的关键热处理工序，为了获得最佳的时效处理工艺参数，分别在300℃、350℃、380℃、420℃、460℃和520℃时进行了退火处理，退火时间为1.0小时，退火后金相组织如图4所示。 (待续)
CuZn37Mn3Al2FeSi合金组织和性能的研究
