硅黃銅微觀組織觀察與成分分析

硅是自然界分布最廣的元素之一-，硅在地殼中的量占地殼總量的25. 8% ,在地殼中的豐度僅次于氧,居第二位。而且硅的鋅當(dāng)量為10,在原有普通黃銅的基礎(chǔ)上添加少量的硅就會(huì)使銅鋅二元相圖向左偏移，使合金中a相消失,進(jìn)人β+γ兩相區(qū)。由于Y是硬而脆的相且通過處理可以彌散分布在黃銅中，Y相在合金中起到硬質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的作用，當(dāng)切削車刀與Y相質(zhì)點(diǎn)相遇時(shí)，切屑會(huì)自行斷裂，無鉛易切削黃銅的研制成功就有可能實(shí)現(xiàn)。但是由于β相的低溫塑性要低于a相,而且β和Y相的膨脹系數(shù)相差很大，在兩相的相界面很容易產(chǎn)生微裂紋，不可避免地影響(β+ r)兩相黃銅室冷加工性1能11.1.鎳元素可以在銅中無限固溶,而硅元素在銅中的固溶度卻很小，但是在銅中鎳與硅會(huì)急劇化合，故在銅中只需要添加少量的鎳與硅就會(huì)形成Ni,Si或NiSi:等富集鎳硅的硬質(zhì)小顆粒。在普通黃銅中形成這樣的硬質(zhì)小顆粒會(huì)起到很好的斷屑效果。

本實(shí)驗(yàn)在HPb59-1鉛黃銅基礎(chǔ)上去除了有害的鉛，研究了添加少量的鎳元素和硅元素后合金的微觀結(jié)構(gòu)的變化，并且對(duì)合金中各個(gè)相特別是富集鎳和硅的第二相硬質(zhì)小顆粒進(jìn)行了成分分析。

1、實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用純度大于99. 9%的金屬作為原料,分別制備了4種Cu-Zn-Si-Ni合金(合金實(shí)際成分見表1),在配制合金時(shí)加入了0.06%的La,但在鑄錠的成分檢測(cè)時(shí)沒有檢測(cè)出該元素,這是因?yàn)檫@些La作為變質(zhì)劑,在合金熔鑄時(shí)起到除氣的作用，在熔煉扒渣時(shí)被除去。為了便于成分控制,在熔煉具體合金前,將易熔的La和熔點(diǎn)較高的Si分別制成Cu-La中間合金和Cu-Si中間合金，同時(shí)為了減少熔煉時(shí)鋅等原料的過多燒損,將所加入的純鋅全部采用銅皮進(jìn)行包裹。熔煉溫度為1250 C左右，然后澆鑄成尺寸為中80 mmX 200 mm的鑄錠,在擠壓機(jī)上把鑄錠擠壓成φ16的圓棒，擠壓溫度為850 C。

顯微組織觀察在M205光學(xué)金相顯微鏡.XL300掃描電鏡(SEM)和H800型透射電鏡(TEM)下進(jìn)行，光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡的試樣用金相腐蝕劑(FeCl:2 g,濃HCl:3 mlL,乙醇:96 mL)進(jìn)行腐蝕。透射電鏡樣品經(jīng)過雙噴減薄,電解液的配方為20%硝酸+80%乙醇。

2、結(jié)果與分析

圖1為合金的橫向20倍顯微組織,圖中大塊的白色為a相.灰黑色為β相。從圖1中可以看出,隨著硅含量的增加,a相逐漸減少,這是由于硅具有較高的鋅當(dāng)量，它的加入使得銅鋅二元相圖向左偏移，致使在4個(gè)樣品中雖然銅和鋅的含量基本一致,但是隨著硅含量的增加合金中a相逐漸減少，β相逐漸增多。在熱擠壓溫度850 C下，金相顯微鏡觀察時(shí)由于放大倍數(shù)的原因只觀察到了a和β相,但在SEM中觀察到了在合金中除了a和β相外，還彌散分布著一些細(xì)小的顆粒。合金熱擠壓溫度為850 C,在擠壓前，將合金送人加熱爐進(jìn)行加熱,并且保溫2 h,在此溫度下合金中各種元素可以充分?jǐn)U散。由于Si元素和Ni元素在銅中的親和力較大,在此時(shí)充分?jǐn)U散和化合生成小顆粒狀化合物，并從基體上析出。對(duì)試樣進(jìn)行面掃描可以清楚看到這些小顆粒的存在,這些小顆粒的尺寸在0.1~1 pm之間，并且隨著硅含量的增加，試樣中小顆粒相增加(圖2)。

為了更好地確定合金中各種組織的成分，利用SEM對(duì)試樣進(jìn)行了能譜分析(圖3)。對(duì)試樣的SEM能譜分析發(fā)現(xiàn)，在圖3(a)的1處銅與鋅的原子數(shù)比值大約為63 : 35.所以該處的組織為a相;圖3(b)的2處銅與鋅的原子數(shù)比值接近1. 05: 0.95,可以基本確定該處為β相.并且從圖2中可以看出這兩相主要是以銅和鋅兩種元素構(gòu)成,其中固溶少量的鎳元素和硅元素，此外并沒有發(fā)現(xiàn)其他元素在其中固溶。對(duì)圖3(e)中小顆粒的能譜分析發(fā)現(xiàn),這種小顆粒是與a和β相完全不同的新相,其中富集著Si和Ni兩種元素，銅和鋅的含量較a相和β相都少很多,還含有少量P，說明磷容易聚集在小顆粒中,其中還含有Fe元素，可能是熔煉時(shí)儀器上所帶的。

在這種小顆粒中鎳與硅的原子數(shù)之比接近3: 5,從原子數(shù)之比來看這種化合物并不是已知的NiSi和Ni;Si,出現(xiàn)這種情況可能有以下兩個(gè)原因:(1)在硅黃銅中鎳與硅的化合會(huì)產(chǎn)生新的化合物:(2)也有可能是因?yàn)檫@個(gè)小顆粒很小，在打能譜時(shí)掃到的不只是小顆粒相，而是還有一部分基體相的成分也被計(jì)算在內(nèi)，所以造成了以上的偏差。

為了更加準(zhǔn)確地了解小顆粒相的成分，對(duì)試樣進(jìn)行了TEM觀察和分析。圖4為小顆粒相的街襯和街射照片,可以看出該顆粒尺寸在400~ 500 nm,與掃描電鏡下觀察到的小顆粒尺寸基本致，可以確定該顆粒就是掃描電鏡下觀察到的富集鎳硅元素的小顆粒。圖5為該小顆粒的能譜圖和成分表，可以看出在該小顆粒相富集著鎳和硅元索，同時(shí)用TEM能譜與SEM能譜比較可以看出，在TEM能譜中銅與鋅的含量比SEM能譜降低了很多，所以基本可以判斷出SEM能譜的確包含了一些基體組織的成分，不是很準(zhǔn)確。在TEM能譜中鎳和硅的原子數(shù)之比接近5: 2,這與NisSi中鎳和硅的原子數(shù)之比接近，并且從圖4(b)該小顆粒相的街射照片可以看出，該小顆粒相也是一個(gè)有序結(jié)構(gòu),這點(diǎn)也與NiSi相相同,所以可以基本確定在硅黃銅中產(chǎn)生的新相為NisSi相。

3、結(jié)論

(1)在硅黃銅中由于硅的鋅當(dāng)量的影響，隨著硅含量的增加，合金中a相逐漸減少,β相逐漸增多。

(2)在硅黃銅在熱軋后會(huì)出現(xiàn)大量第二相小顆粒，并且隨著硅含量的增加，小顆粒相的數(shù)目也增加。

(3)通過對(duì)小顆粒相的能譜分析發(fā)現(xiàn)該小顆粒為有序的NiSi相。