Mg对再生铅黄铜C3604合金组织及性能影响

向朝建，李华清，朱莎霜，陈忠平，张 曦，杨东超

(1.上海交通大学，上海200240；2.苏州有色金属研究院有限公司，江苏苏州215026；3.宁波长振铜业有限公司，浙江宁波315470 )



Mg对再生铅黄铜C3604合金组织及性能影响

向朝建1，2，李华清2，朱莎霜3，陈忠平2，张 曦2，杨东超3

(1.上海交通大学，上海200240；2.苏州有色金属研究院有限公司，江苏苏州215026；3.宁波长振铜业有限公司，浙江宁波315470 )

文章针对废杂黄铜直接重熔制备铅黄铜C3604合金，精炼时采用金属镁对合金熔体进行变质处理，研究了金属镁对再生铅黄铜C3604合金组织及性能影响。结果表明，废杂铜重熔制备C3604合金熔体中，Mg元素与Sn、Si、Fe及Al等杂质元素结合，形成Mg2Sn相及富含Sn、Pb、Mg、Si和Al元素的多元素聚集颗粒相；Mg元素还与Pb元素结合，使Pb颗粒相数量减少，其含量不宜过高而使Pb相数量减少，Mg元素含量为0.28wt%时C3604合金形貌组织理想，且产品切削性能较好。

废杂铜再生；铅黄铜；镁；组织；切削性

我国铜资源匮乏，废杂铜的再生利用可弥补铜资源的不足[1-2]。废杂铜再生制备黄铜的方式主要为直接重熔精炼，大吨位电炉熔炼-潜液转流-多流多头水平连铸黄铜棒技术[3-4]。直接重熔精炼是一种高效、环保、低能耗、短流程的废铜再生利用技术，正逐渐成为废铜再生利用的主要方法[5]。废杂黄铜中Cu、Zn、Pb元素为易切削黄铜制品的有益元素，同时还大量存在Sn、Fe、Al、Si、Bi、Te等有害元素[6-7]，在精炼不严格的情况下，会降低再生铅黄铜制品的综合性能。开发低成本、高效的熔剂及变质剂，提高铅黄铜产品的综合性能，是目前再生铜生产领域竞相研究热点。

目前，专业针对废杂铜重熔精炼研制的高效精炼剂和变质剂还较少，尤其采用资源丰富、成本低廉的镁作为再生铅黄铜合金变质处理的研究缺乏。镁能部分固溶于铜，且与铜形成金属间化合物。适量的铜镁金属间化合物弥散分布于铜合金中，能在不降低铜合金加工成形性的前提下，使铜合金获得良好的切削性能[8]。目前， 黄劲松[9-12]等人做了关于易切削镁黄铜的相关研究。同时，镁元素活泼，易与Sn、Si、Al等元素发生反应形成中间化合物。因此，本文主要针对废杂黄铜直接重熔制备铅黄铜C3604合金，精炼时采用金属镁对合金熔体进行变质处理的情况，系统研究了金属镁对再生铅黄铜C3604合金组织及性能影响，探索了Mg元素对Sn、Fe、Si、Al等杂质元素副作用的抑制效果，尤其对Fe、Sn元素含量均较高时，对降低Sn元素对铅黄铜C3604合金切削性能的影响。

1 试验材料与方法

试验合金成分见表1，1#～5#为Mg元素含量不同的试验合金，6#合金为废杂黄铜原始成分。试验设备为中频感应炉，合金制备采用废杂铜、纯铅、纯锌和铜镁中间合金为原料。熔炼过程为，将废杂铜装炉覆盖熔化后，按照C3604合金牌号，添加纯铅、纯锌调整成分，再添加铜镁中间合金进行变质处理，静置后浇铸，铸锭尺寸为Φ105mm×400mm。铸锭在650℃保温后挤压至Φ10mm、拉伸及退火，成品退火后变形量15%制成Φ6.5mm成品，进行性能测试。

合金的化学成分检测采用IRIS Intrepid XSP等离子体发射光谱仪分析。拉伸检测采用CSS-44100型万能试验机。硬度测试使用HVS-1000型显微硬度计，每个试样测量次数不少于5次并取其平均值。显微组织形貌观察采用NIKON EPIPHOT 200型显微镜，侵蚀剂采用FeCl3+HCl+酒精溶液。采用JSM-6480扫描电子显微镜(配备EDS、WDS、EBSD)观察微观组织。切屑形貌在奥林巴斯体视显微镜SZ61TR上测量、观察。

表1 实验合金的化学成分(wt.%)Tab.1 Chemical composition of tested alloys

2 试验结果与分析

2.1 组织分析

2.1.1 Mg元素对铸态组织影响

镁部分固溶于铜，且与铜能结合形成金属间化合物。室温下Mg在铜中的固溶度约为1wt.%，为使添加的Mg元素发挥变质处理作用，又避免大量析出，降低合金塑性，添加的Mg元素小于0.6wt.%。图1为C3604合金熔体中添加不同含量Mg元素进行变质处理的铸态组织。从图1中可以看出，图1(a)中α相晶粒为团状，晶界清晰且圆滑，随着Mg元素添加量的增加，α相晶粒变得细长，且晶界逐渐模糊，尖端变得更加锐利，铸态α相的比例减少，而α相的比例增加；黑色Pb相颗粒随着Mg元素添加量的增加更加细小、弥散。文献[13]报道，黄铜中添加Mg元素后，合金α→β相转变温度及合金熔点随Mg元素含量的增加呈下降趋势。具有高熔点的α相凝固过程中向低熔点的β相内部延伸，同时Pb相颗粒在晶内的分布增加。

(a)1#合金；(b)2#合金；(c)3#合金；(d)4#合金；(e)5#合金 图1 C3604合金铸态组织 Fig.1 Micrographs showing as-cast microstructure of C3604 alloy

2.1.2 Mg元素对成品态组织影响

铸锭经加热挤压、拉拔、退火，制成Φ6.5mm棒材，成品态金相组织见图2。

从图2可以看出，Mg元素含量极少时(图2(a))，合金内部组织主要为α+β相，且两相含量比例接近；随着Mg元素含量增加，β相含量逐渐减少，且逐步转变成颗粒相，Pb颗粒相也更加细小弥散。

图3为合金在扫描电镜下形貌。通过与图(a)、(b)对比可看出，图3(a)1#合金中Mg元素含量较低(0.09wt%)，Pb相颗粒明显，但尺寸偏差较大，图3(b)5#合金中Mg元素含量较高(0.52wt%)，Pb相不明显，取而代之以黑色细小颗粒相，且尺寸相差不大。试样经侵蚀后，图3(c)1#合金中Pb主要分布于晶界，而图3(d)5#合金除晶界分布外，在α、β两相内部均有颗粒相分布。对5#合金内颗粒相进行能谱分析(表2)，结果发现，黑色球形颗粒相主要分布于α相晶内，其中除Cu、Zn元素外，还富含Mg、Sn元素，经分析其为Mg2Sn相；灰色长条形相主要分布于β相晶内，其中富含Sn、Pb、Mg、Fe和Si元素，为多种元素的聚集相；灰色球形颗粒相也主要分布于β相晶内，其中富含Sn、Pb、Mg、Si和Al元素，也为多元素聚集相。能谱分析结果表明，废杂铜重熔制备的C3604合金中添加Mg元素后，Mg元素与熔体中的Sn、Fe、Si及Al等杂质元素结合形成分散颗粒相，同时，Mg元素还与Pb元素结合，使Pb颗粒相数量减少。

(a)1#合金；(b)2#合金；(c)3#合金；(d)4#合金；(e)5#合金图2 C3604合金成品态组织 Fig.2 Micrographs showing microstructure of C3604 alloy

(a)、(c)1#合金；(b)、(d)、(e)5#合金；(a)、(b)试样未侵蚀；(c)、(d)、(e)试样侵蚀图3 C3604合金SEM形貌Fig.3 SEM images of C3604 alloy

为了改善合金的切削性能，Mg元素含量不宜过高而使Pb相数量减少。经电镜分析，3#合金中Mg元素含量为0.28wt%，其形貌组织较为理想，电镜形貌照片见图4，基体内Pb颗粒相未减少，且Mg元素与熔体中的杂质元素形成了细小分散的黑色颗粒相，这种细小球形颗粒相有助于切削性的改善[14-15]。

2.2 力学性能

合金铸锭在650℃挤压至Φ10mm、拉伸及热处理，成品退火后变形量15%，制成Φ6.5mm成品，力学性能结果见图5。从图5中可以看出，从1#合金至5#合金，Mg元素含量由0.09 wt%增加至0.52wt%，成品线材抗拉强度和维氏硬度随Mg元素含量增加而增加，延伸率随Mg元素含量增加而减少。这是由于添加Mg元素后，在合金中形成弥散颗粒相，对合金有强化效果。

表2 5#合金能谱分析结果Tab.2 EDS-measured composition of Alloy 5#

2.3 合金切削性能

铅黄铜棒常用于自动机床和钻床，对断屑要求比较高，因为长条切屑的绕缠将使自动机床无法继续工作，钻通孔时，也不希望在孔的出口边缘有很大的毛刺，因此，对工件材料的断屑性能提出了一定的要求。本文将C3604合金成品Φ6.5mm棒在机床车削加工，通过铜屑情况，检验合金切削性能(图6)。考察指标为切削线速度、切削深度和进给量。实验选择的切削条件为，进给量0.2mm/r，切削线速度l0m/min，切削深度0.5mm。

(a)试样未侵蚀；(b)试样侵蚀；(c)、(d)为颗粒相a、b的能谱分析结果图4 3#合金SEM形貌Fig.4 SEM images of Alloy 3#

(a)抗拉强度；(b)延伸率；(c)维氏硬度图5 C3604合金力学性能Fig.5 Mechanical properties of C3604 alloy

从图6可以看出，图6(a)1#合金切屑形貌为小方片状；图6(b)、(c)2#、3#合金的切屑细长， 呈短针状；图6(d)、(e)4#、5#合金的切屑为片状和 C型屑， 其内表面呈光滑状，外表面呈毛茸茸状。从切屑形状及尺寸的大小可以看出，2#、3#合金的切削性能较好，其中3#合金的切削性能更好，即Mg元素含量为0.28wt%时，对废杂铜直接重熔制备的C3604合金变质处理效果较好，制备的合金产品切削性能也较好。

(a)1#合金；(b)2#合金；(c)3#合金；(d)4#合金；(e)5#合金图6 切屑宏观形貌Fig.6 Morphologies of chips

3 结论

(1)废杂铜重熔制备的C3604合金中添加Mg元素变质处理，Mg元素与Sn、Si、Fe及Al等杂质元素结合，形成Mg2Sn相及富含Sn、Pb、Mg、Si和Al元素的多元素聚集颗粒相；

(2) Mg元素与Pb元素结合，使Pb颗粒相数量减少，故其含量不宜过高，Mg元素含量为0.28wt%，其形貌组织较为理想；

(3)Mg元素含量为0.28wt%时，对废杂铜直接重熔制备的C3604合金产品切削性能较好。

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Effect of Mg on Microstructure and Properties of C3604 Alloy Produced from Brass Scrap

XIANG ChaojianI1, 2, LI Huaqing2, ZHU Shashuang3, CHEN Zhongping2, ZHANG Xi2, YANG Dongchao3

(1. Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. Suzhou Institute for Non-Ferrous Metals Research Co., Ltd.,Suzhou 215026, China;3. Ningbo Changzhen Copper Co., Ltd., Ningbo 315470, China)

When producing C3604 alloy by remelting brass scrap, Mg can be applied to modify the properties of remelted scrap. The paper studied the effect of Mg on microstructure and properties of alloy C3604. The result showed that Mg in combination with impurity elements including Sn, Si, Fe and Al formed the Mg2Sn phase as well as multi-element particle aggregation phase containing Sn, Pb, Mg, Si and Al; the amount of Pb particle phase decreased due to Mg combining with Pb, and a large excess of Mg should be avoided; getting ideal morphology and good machinability was to keep Mg content at 0.28wt %

brass scrap recycling; leaded brass; magnesium; microstructure; machinability

2015-05-18

江苏省铜合金材料工程技术研究中心企业合作项目(K1219004)

向朝建(1981-)，男，工程师。

TG146.1+1

A

1671-6795(2015)05-0023-05