鑄造鉛黃銅合金因具有良好的力學(xué)性能和切削加工性能，廣泛應用于衛生潔具、水暖器材、儀器儀表、液壓閥門(mén)等方面。雖然鑄造鉛黃銅結晶溫度范圍小，充型能力強，有鋅的除氣和脫氧作用等，但由于黃銅在凝固過(guò)程容易形成粗大的柱狀晶，鑄造組織粗大，鑄造過(guò)程中容易熱裂，使用過(guò)程出現滲漏等現象，影響其使用性能，細化鑄造黃銅的組織是提高抗熱裂和致密性的有效途徑之一。目前，加入細化劑是細化鑄造黃銅組織的主要方法，文獻研究了硼對鋁黃銅組織細化的影響，加入硼可以有效細化鋁黃銅鑄態(tài)組織，文獻還研究了RE能夠細化鋁黃銅的鑄態(tài)組織，關(guān)于硼和稀土對鑄造鉛黃銅組織和脫鋅性能的影響研究的文獻較少。本文研究了稀土和硼細化處理對鑄造鉛黃銅鑄態(tài)組織和脫鋅腐蝕性能的影響。
1試驗材料及其過(guò)程
試驗材料牌號為ZCuZn40Pb2鉛黃銅，化學(xué)成分(質(zhì)量分數)為36．4％Zn、1．70％Pb、0．62％A1、Cu余量。稀土以10％RE．AI中間合金加入，硼以Cu-4．68％B中間合金加入。在井式電阻爐中放人石墨坩堝進(jìn)行合金的熔煉。試驗鉛黃銅的熔煉工藝為：裝料熔化，溫度升至1 030℃時(shí)，分別用鐘罩法加入硼和稀土細化劑，進(jìn)行充分攪拌，保溫10 min后，澆注預熱溫度為350℃左右的金屬型試棒和金屬型圓杯試樣。金屬型圓杯試樣法是鑄造銅合金企業(yè)檢驗細化處理良好與否最簡(jiǎn)單和直接的方法。具體方法為，澆注圓杯試樣，待凝固結殼后，迅速倒掉圓杯試樣心部未凝固的銅液，得到已凝固結晶面的殼杯試樣，通過(guò)觀(guān)察結晶面的形貌特征來(lái)判斷細化處理的效果。鑄造鉛黃銅的脫鋅試驗腐蝕液為l％的CuCl2：溶液，溶液溫度為(75±10)℃，腐蝕時(shí)間24h，腐蝕完畢后取出，清洗烘干，從中心剖開(kāi)試樣，制備金相試樣，利用顯微鏡觀(guān)察和測量腐蝕脫鋅深度，探討細化處理對鑄造鉛黃銅脫鋅腐蝕的影響。采用【PUS．PME3金相顯微鏡觀(guān)察顯微組織，組織的腐蝕液為5 gFeCl3+5 mlHCl+100 ml水溶液。
2試驗結果及其分析
2．1細化劑對鉛黃銅組織的影響
圖l是未細化處理和硼及稀土細化處理鉛黃銅的組織?？梢钥闯?，未細化處理的金屬型鑄造鉛黃銅的組織極為粗大(圖la)，根據銅鋅相圖分析，鑄態(tài)組織應為α相(白色)+β相(黑色)+Pb相，Pb相以黑色單質(zhì)的小質(zhì)點(diǎn)分布在α相之上或α與β相之間，鑄態(tài)未細化處理的組織中α和β相呈粗的長(cháng)板條分布。RE和B細化處理后，α和β相明顯細化，B細化處理后粗大的板條狀α與β相消失，變成短小片狀或等軸狀晶粒(圖1b)，RE細化處理組織與鑄態(tài)相比(圖1c)，組織明顯細化，β與α相由粗的長(cháng)板條變?yōu)槎痰募毎鍡l。因此，對于鑄造黃銅合金，用RE和B細化處理可以明顯改善鑄造黃銅的鑄態(tài)組織，在本試驗條件下，用硼處理的鑄態(tài)鉛黃銅組織細化效果要明顯好于用稀土細化處理的效果。
2．2細化劑對殼杯試樣表面形貌及其組織的影響
圖2是同一爐銅液硼細化處理前后殼杯試樣結晶面的形貌?？梢钥闯?，未細化處理的銅液澆注的殼杯試樣表面粗糙(圖2a)，宏觀(guān)可以看出結晶表面存在許多不平的小凸起，圖3a是未細化處理結晶面及其附近組織形貌，可以看出，粗糙表面的組織為粗大的柱狀晶，粗糙的小凸起是銅液凝固時(shí)液／固界面留下的柱狀枝晶，由于試驗時(shí)把未凝固枝晶間液體倒掉，因此液體中前沿形成的柱狀晶被完全保留下來(lái)，形成粗糙的表面。圖2b是硼細化處理殼杯試樣表面，與未細化處理的相比，表面光滑，沒(méi)有粗糙小凸起，表面光學(xué)顯微鏡組織如圖3b所示，結晶面不平，但結晶面光滑，光滑結晶面的組織呈現等軸晶化，因此細化處理可以改變鑄造鉛黃銅的凝固組織。
2．3細化處理對鑄造黃銅脫鋅性能的影響
圖4是細化處理對鑄造鉛黃銅脫鋅深度的影響。由于脫鋅腐蝕，表層的組織有不同于里邊的白色層，這是由于在腐蝕環(huán)境中表面的鋅產(chǎn)生腐蝕，濃度降低，組織中富鋅相(β相)減少，α相增多，出現明顯的組織差別。未細化處理的鉛黃銅的脫鋅深度比較大(圖4a)，定量測定其脫鋅層平均深度為17000um，稀土細化處理的脫鋅層深度次之(圖4b)，定量測定其脫鋅層平均深度為132.2um，硼細化處理的脫鋅層深度最小(圖4c)，定量測定其脫鋅層平均深度僅為57.2 um。這說(shuō)明細化處理在細化鑄態(tài)組織的同時(shí)，可以有效地抑制鑄造黃銅的脫鋅腐蝕。特別是硼細化處理抑制鑄造黃銅脫鋅腐蝕效果更為明顯。關(guān)于鉛黃銅脫鋅腐蝕的機制，目前主要有兩種機制：一種是溶解．再沉積機制，另一種是鋅的優(yōu)先溶解機制，有時(shí)可能是兩者共同作用的結果。鋅的優(yōu)先溶解機制認為黃銅腐蝕過(guò)程中，合金表面的鋅從黃銅中優(yōu)先溶解，產(chǎn)生雙空位，雙空位向合金內部擴散，鋅合金組分向表面擴散，直到溶解。溶解．再沉積機制認為黃銅脫鋅腐蝕包括兩種可能：一種是銅和鋅在陽(yáng)極上同時(shí)溶解，當溶液中的銅離子達到一定的濃度后，銅離子又被還原成金屬銅沉積在表面上，作為附加陰極加速合金中鋅的溶解；另一種是開(kāi)始的很短一段時(shí)間內，鋅優(yōu)先溶解進(jìn)入溶液，隨著(zhù)鋅擴散變得困難，銅鋅將同時(shí)溶解，并伴隨著(zhù)銅的返沉積。硼細化處理能抑制黃銅的脫鋅，主要是由于硼加入到ZCuZn40Pb2鉛黃銅中，能充填到晶界和雙空位處田，增加該處的健合力，阻礙晶界和雙空位的遷移通道，降低鋅的遷移速度，從而降低ZCuzn40Pb2鉛黃銅腐蝕速率。RE細化處理能消除黃銅基體中的雜質(zhì)，當ZCuZn40Pb2鉛黃銅中含有O、S等雜質(zhì)元素時(shí)，它們和基體的電極電位差較大，形成原電池，加速腐蝕，稀土能與O、S生成高熔點(diǎn)、低密度稀土化合物[81，容易上浮到渣中，從而凈化了基體，降低了腐蝕速度，稀土加入黃銅中，在其表面會(huì )形成一層極薄且致密的稀土氧化物，能阻止Zn、Cu原子向溶液的擴散，降低溶解速度，從而延緩了腐蝕，提高了合金的脫鋅腐蝕性能。
3結論
(1)RE或B細化處理能夠細化ZCuZn40Pb2鑄態(tài)組織，細化處理可以使黃銅粗大的長(cháng)板條組織變?yōu)槎绦〉募毎鍡l或等軸晶組織。B細化處理的細化效果要比加入稀土細化處理的效果好。細化處理可以使殼杯試樣的表面由粗糙變?yōu)楣饣?，粗糙的表面層組織為柱狀晶，光滑的表面層組織為等軸晶。
(2)ZCuZn40Pb2合金進(jìn)行RE或B細化處理能抑制鑄態(tài)黃銅的脫鋅腐蝕，B細化處理抑制脫鋅性能要比RE細化處理抑制脫鋅性能明顯。
目前我司針對黃銅晶粒細化和脫鋅腐蝕問(wèn)題研制的產(chǎn)品，應用于黃銅鑄錠生產(chǎn)，其晶粒尺寸降低一個(gè)數量級(減少80%以上)，柱狀晶比例減少至30%以下，柱狀晶長(cháng)度小于2mm。表面光滑度大于70caxa。同時(shí)增強了抗拉強度，減少開(kāi)裂；提高延伸率，減少毛刺、易打彎；增加了拋光成品率，大大消除了麻點(diǎn)、流星尾巴，從而提高了質(zhì)量及成品率！能有效控制抗脫鋅腐蝕，避免了以往采用加AS元素控制脫鋅，砷元素屬于有害物質(zhì)，氧化物對人體危害極大。