錳黃銅

錳黃銅

錳黃銅具有優異的力學性能、鑄造性能、切削性能以及成本低廉,成為螺旋槳的主要製造材料之一。錳黃銅除了用於製造螺旋槳外,還可用於製造汽車同步器齒環、軸承套、齒輪、冷凝器、閘門閥等。

基本介紹

  • 中文名:錳黃銅
  • 外文名:Manganese brass
  • 特點:力學性能良好,導熱導電性低
  • 用於:腐蝕條件下工作的重要零件
  • 化學成分:鋅(Zn)餘量,鉛(Pb)≤0.01等
  • 學科:冶金工程
簡介,金相組織和硬度,均勻腐蝕性能,電化學腐蝕性能,摩擦磨損性能,力學性能,鋯微錳黃銅性能,總結,

簡介

錳黃銅具有優異的力學性能、鑄造性能、切削性能以及成本低廉,成為螺旋槳的主要製造材料之一。錳黃銅除了用於製造螺旋槳外,還可用於製造汽車同步器齒環、軸承套、齒輪、冷凝器、閘門閥等。但是在污染海水中,錳黃銅會發生脫Zn 腐蝕,而且耐空泡腐蝕的性能也較差,導致錳黃銅螺旋槳易發生腐蝕疲勞斷裂。而銅-鋯二元相圖表明,鋯加入錳黃銅中會先析出Cu5Zr 或Cu3Zr 強化相,作為後續的形核質點,起到細晶強化的作用。研製了一種新型鋯微合金化錳黃銅,測試分析了其硬度、微觀組織、均勻腐蝕性能、電化學腐蝕性能、摩擦性能以及力學性能的變化。

金相組織和硬度

通過錳黃銅的金相組織可以看出,亮白色的不規則條狀或塊狀是以為主的固溶體組織α 相;α 相以外的暗灰色區是以電子化合物CuZn 為基的固溶體β 相;黑色(C 區)的小點是硬質點κ 相(富鐵相等),主要分布在β 相中,也有少部分存在於α 相中。鋯微合金化後,錳黃銅的晶粒更加細小、數量更多,分布也更加彌散。EDS 成分分析顯示,A 區成分為60.56Cu、35.51Zn、2.52Al、1.42Mn;B 區成分為56.84Cu、40.12Zn、1.15Al、1.89Mn;C 區成分為75.56Fe、8.26Si、6.96Al、3.06Mn、3.00Cu、2.05Zn、1.11Ni。鋯微合金化錳黃銅的硬度為175.3 HV0.2,而未微合金化錳黃銅的硬度為158.4 HV0.2,前者比後者硬度提高了9.6%。

均勻腐蝕性能

通過合金均勻腐蝕的質量損失、表面積以及腐蝕速率可以看出,鋯微合金化和未合金化的錳黃銅都處在腐蝕四級標準中的優良級中,並且前者的腐蝕速率比後者降低了4.9%。
通過錳黃銅在3.5%NaCl 溶液中經均勻腐蝕後的表面SEM 形貌可以看出,鋯微合金化和未合金化的錳黃銅均發生了腐蝕,並有一些凹坑。不同的是,未合金化的錳黃銅表面出現明顯凸出表面的塊狀組織以及相對較多、較大的凹坑。
說明α 固溶體腐蝕程度較輕,腐蝕主要發生在β 相和κ 相中。鋯微合金化的錳黃銅表面塊狀組織以及凹坑均很少。說明鋯微合金化的鑄態錳黃銅在3.5% NaCl 溶液中的耐蝕性能更好。

電化學腐蝕性能

通過未合金化和鋯微合金化錳黃銅在室溫3.5%NaCl 溶液中的動電位極化曲線。以及自腐蝕電位、腐蝕電流密度和腐蝕速率數值。可以看出,二者都發生了鈍化,但是鋯微合金化錳黃銅的鈍化電流密度更大。可以看出,鋯微合金化錳黃銅的自腐蝕電位比未微合金化的高,說明前者的腐蝕傾向更低。可能是由於錳黃銅中的κ 相(富鐵相)發生了剝落,留下了自腐蝕電位較正的α 相即富銅相,在鋯微合金化錳黃銅中的α相更細,數量更多,從而使自腐蝕電位發生了正移。
採用傳統Tafel 擬合計算得出腐蝕速率。與未微合金化的錳黃銅相比,鋯微合金化的錳黃銅腐蝕速率降低了74.5%,說明其電化學耐蝕性更好。

摩擦磨損性能

通過錳黃銅在室溫下的濕摩擦係數隨磨損時間變化曲線可以看出,未合金化和鋯微合金化的濕摩擦係數變動幅度均較小,都有較優的耐磨性能。但是鋯微合金化的錳黃銅具有更低的平均摩擦係數(0.0254),與未合金化的錳黃銅(0.0315)相比降低了19.3%。
通過錳黃銅的磨痕形貌可以看出,摩擦後的表面特徵有如下幾點:
①沿滑動方向上存在著明顯的犁溝,犁溝深且多;
②犁溝旁邊均出現了部分承載面。說明該區域在摩擦力的作用下發生了塑性變形,但沒有發現裂紋,表明無脆性斷裂現象。

力學性能

通過鑄態錳黃銅的拉伸性能可以看出,微量元素鋯的加入,使錳黃銅的抗拉強度提高5.5%,屈服強度提高了24.2%,但是伸長率降低了6.5%。這是由於鋯在錳黃銅中起到細晶強化的作用,而位錯增強導致了合金塑性降低,伸長率也會相應的減小。
通過錳黃銅的斷口形貌可以看出,未合金化的錳黃銅斷口韌窩尺寸相對較大。添加了微量元素鋯後斷口組織比較細小,且韌窩尺寸及分布都比較均勻,顯示出明顯的韌性斷裂特徵。但是微合金化錳黃銅斷口中還有明顯粗大κ 相的斷裂痕跡,這也是微孔長大聚合速度加快,合金強度提高不大、伸長率下降的主要原因。

鋯微錳黃銅性能

與未微合金化錳黃銅相比,鋯微合金化錳黃銅具有更好的耐腐蝕性能、摩擦性能和力學性能。其機理討論如下。
(1) 鋯在銅中的固溶度極小,可形成ZrCu5或ZrCu 強化相,大量強化相可成為後續形核的質心,阻礙再結晶和晶粒長大,起到細化晶粒的作用。眾多彌散分布的κ 相以及細化的α 相綜合提高了合金的硬度。
(2) 鋯元素加入銅中,一方面提高了合金的自腐蝕電位,降低了合金的耐蝕傾向。另一方面,細化了晶粒組織,使晶界增多,降低了腐蝕擴張的速率,阻礙了腐蝕貫通通道的形成。
(3) 錳黃銅內眾多彌散分布的軟基體相和硬質點易於駐留液態介質,起到一定的減磨作用。硬度的提高在一定程度上也會提高合金的摩擦性能。
(4) 鋯微合金化錳黃銅力學性能提高有以下兩點原因:
①鋯的加入細化了合金組織,具有較大的彌散強化作用;
②晶粒細化、晶界增多,並且合金在凝固過程中產生了大量的位錯,從而產生很大的形變強化效果。

總結

與未微合金化錳黃銅相比,鋯微合金化錳黃銅的組織更細,硬度更高,其均勻腐蝕速率降低了4.9%,電化學腐蝕速率降低了74.5%,摩擦係數降低了19.3%,抗拉強度和屈服強度分別提高了5.5%和24.2%。

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