何雨星，钱斯文，龚 庆，干明珠，王海军，高鹏飞＊

（西南科技大学材料科学与工程学院，四川 绵阳 621010）

黄铜是一种以铜锌为基础的合金材料，因其优异的力学性能、耐腐蚀性能和优良的导电、导热性能被广泛应用于换热系统和电传输系统[1-3]。单纯的铜锌力学性能有限，加工性能差且易腐蚀。因此，往往需要向合金基体中加入某些微量元素来对其相组成等进行调控进而提升其力学性能和耐腐蚀性能。Al、Bi、Fe、Mg、Mn、Ni、Pb、P、Ce、Si、Sn等元素都被微量添加进黄铜基体以达到改善合金性能的目的。Al和Si能够使黄铜的β相区左移，提高合金的强度，并在合金表面形成致密的氧化膜阻止腐蚀的进一步进行，而在细化晶粒方面能力有限[4，5]；Mn的加入对黄铜的微观组织影响不大，但是可以改善黄铜的机械性能并提升其对海水氯化物的耐蚀性，同时提高合金耐热性[6]；Sn的加入除了能够使黄铜的β相区左移外，还能够有效促进晶粒的细化，提升合金的抗腐蚀性能[7]；Ni则能够有效提高α相占比，并提高黄铜抗脱锌腐蚀开裂能力[8，9]。目前，针对某一微量元素添加量对复杂黄铜组织及性能影响的研究少，而Sn在简单黄铜中能够同时改善力学性能和耐腐蚀性能。因此，但是Sn含量对成分更加复杂的黄铜的力学性能及抗腐蚀性能的影响规律尚不明确。

本文结合前人的研究设计了一种更加复杂的黄铜合金成分（Cu-Zn-Al-B-P-Ce-Sn）并采用铸造法制备了Sn添加量分别为0.005wt.%、0.01wt.%、0.015wt.%、0.02wt.%的复杂铜合金。研究了Sn含量对复杂铜合金组织及性能的影响规律。

1 实验方法

本实验所采用的原料分别包括纯铜颗粒（3N）、纯锌颗粒（3N）、纯铝颗粒（3N）、纯锡颗粒（3N）、铜硼中间合金、铝铈中间合金和铜磷中间合金。

实验中采用熔炼结合浇注的方式制备黄铜，熔炼过程中首先向石墨坩埚中加入全部的锌（按总质量配比过量3%）和部分的铜，加入的铜与锌的质量比为6:4，之后将坩埚置于电阻炉中。升温，待炉内温度升至1050℃后保温5分钟并向金属液表面加上覆盖剂，再之后依次向金属液中加入铜硼合金、铜磷合金、铝铈合金和锡，加料过程中的保温间隔为2min，最后向金属液中加入剩余的铜并保温5min。浇注前向金属液中加入一定比例的氟化钠和冰晶石搅拌并捞渣，之后浇入到烘烤后的钢模中凝固。合金的成分配比如表1所述。

表1 铜合金的成分配比

图1 不同Sn含量铝黄铜的金相组织形貌：

采用光学显微镜对腐蚀后的试样的进行了组织进行了观察，依次经过粗磨、细磨、抛光和腐蚀等工序。腐蚀液为盐酸和三氯化铁的水溶液，具体成分为：HCl（30mL），FeCl3（2.0g），H2O（120mL）。使用XRD对各成分铜合金的物相组成进行了表征。采用HV-1000显微维氏硬度测试不同试样的硬度值，每个试样测试10个点并取测试结果的平均值。

采用万能试验机对不同成分铜合金的抗拉强度进行了测试。采用CHI660电化学工作站测定不同试样的极化曲线，评定材料极化曲线扫描速率为2mV/s，采用三电极体系进行测定，辅助电极为Pt电极，参比电极为饱和甘汞电极（SCE），试样作为工作电极，测试面积为10mm×10mm，溶液为3.5wt.%d的氯化钠溶液。

2 结果与讨论

图1为不同Sn含量的复杂铝黄铜的金相组织，可以看出合金基体为白色的α相，基体上出现大量黑色枝晶组织。由文献可知[10，11]，该黑色枝晶状组织为α相+β相的共析体。

随着Sn含量的增加，复杂铝黄铜中的黑色枝晶组织变粗。Sn含量促进了α相+β相共析体的形成。在观察金相形貌的基础上采用XRD对不同Sn含量铜合金的物相组成进行了分析，结果如图2所示。

可以看出，在Sn的加入量为0.005wt.%～0.02wt.%范围内时，铜合金的物相组成均为铜相。因此，可以推断所有的添加元素绝大多数都固溶于铜。Sn含量对铜合金的物相组成影响不大。

图3为不同Sn含量复杂黄铜合金的拉伸曲线，可以看出当Sn含量由0.005wt.%增加至0.015wt.%时，铜合金的极限抗拉强度增强。当Sn含量进一步增加至0.02wt.%时，合金的极限抗拉强度又有所下降。伸长率方面四个Sn含量的铜合金的伸长率均大于60%，铜合金伸长率的增加与Sn含量的关系为0.01wt.%＞0.02wt.%＞0.015wt.%＞0.005 wt.%。复杂铜合金的极限抗拉强度和硬度随Sn含量的变化如图4所示。

可以看出，随着Sn含量的增加，合金的极限抗拉强度由大约305MPa逐渐增加至约452MPa，之后随着Sn含量的进一步增加又下降到约384MPa。

铜合金的硬度则随着Sn含量呈递增趋势变化，随着Sn含量从0.005wt.%增大至0.02wt.%，铜合金的硬度由约80HV增加至约100HV。

图2 不同Sn含量铝黄铜的XRD谱线

图3 不同Sn含量铝黄铜的拉伸曲线

图4 不同Sn含量铝黄铜的维氏硬度及抗拉强度

图5 不同Sn含量铝黄铜的极化曲线

综合上述实验结果可知，Sn的加入能够同时影响合金的组织、力学性能及抗腐蚀性能。

但是，随着Sn加入量的增加，对合金组织、力学性能及抗腐蚀性能的影响规律不同。综合Sn含量对本研究中涉及的复杂铝黄铜微观组织、抗拉强度、伸长率、硬度及抗腐蚀性能的影响，Sn添加量在0.015wt.%时合金的综合性能最好。

不同Sn含量的复杂铝黄铜的极化曲线如图5所示，可以看出，所有成分的合金的自腐蚀电位均在0.2vSCE附近，因此可知Sn含量对铜合金的自腐蚀电位影响不大。但随着Sn含量的增加铜合金的自腐蚀电流密度显著减小，合金的抗腐蚀性能增强。

3 结论

本文采用实验手段研究了Sn含量对含有7种成分的复杂铝黄铜的组织结构、力学性能及抗腐蚀性能的影响。Sn能够有效影响共析相形貌，随着锡含量的增加合金的硬度和抗腐蚀性能增大，但抗拉强度和伸长率则呈先增大后减小的趋势变化。

综合Sn含量对本文所述铜合金组织与性能的影响，0.015wt.%的Sn添加量的综合性能更好。