C46500黄铜被广泛应用于飞机上的接头零件,舰船上的小五金、螺栓、螺母、阀杆、冷凝器管和焊条等^[1].同时,C46500黄铜具有良好的热加工性和耐腐蚀性能,且铅的质量分数<0.25%,成为饮用水系环保阀门的理想材料^[2].C46500黄铜在使用过程中,存在脱锌腐蚀现象,将导致构件出现微裂纹,甚至开裂,严重影响产品的使用寿命及安全性.因此,提高材料的抗脱锌腐蚀能力成为提高产品质量的关键.本文通过研究热处理工艺对C46500黄铜显微组织以及不同的组织结构对其抗脱锌腐蚀性能的影响,为提高其抗腐蚀能力提供理论指导.

试验用C46500黄铜为加砷(As)黄铜,采用50 kg中频炉熔炼,φ145 mm铁模浇铸,1 250 t反向挤压机挤压,挤压温度为680℃,挤压坯规格为φ21 mm,并对挤压坯进行480℃退火处理.通过对比热处理前后试验合金性能的变化,了解热处理工艺对试验合金组织与性能的影响.

试验用C46500黄铜的主要化学成分如表 1所示.热处理工艺如表 2和表 3所示.试验合金的抗脱锌腐蚀性能依据GB/T 11019—2008进行检测.

表 1(Table 1)

表 1 C46500黄铜主要化学成分 Tab. 1 Main chemical elements of C46500 brass 元素 Cu Sn As 杂质 Zn 质量分数/% 61 0.8 0.05 ＜0.3 余量

表 1 C46500黄铜主要化学成分 Tab. 1 Main chemical elements of C46500 brass

表 2(Table 2)

表 2 C46500黄铜不同退火温度处理工艺 Tab. 2 Heat treatment of C46500 brass in different annealing temperature 编号 温度/℃ 时间/h 冷却方式 1# 450 2 风冷 2# 480 2 风冷 3# 510 2 风冷

表 2 C46500黄铜不同退火温度处理工艺 Tab. 2 Heat treatment of C46500 brass in different annealing temperature

表 3(Table 3)

表 3 C46500黄铜不同冷却方式热处理工艺 Tab. 3 Heat treatment of C46500 brass in different cooling way 编号 温度/℃ 时间/h 冷却方式 4# 480 6 风冷 5# 480 6 空冷 6# 480 6 炉冷至300℃后空冷

表 3 C46500黄铜不同冷却方式热处理工艺 Tab. 3 Heat treatment of C46500 brass in different cooling way

经不同热处理工艺制备的C46500黄铜的显微组织如图 1和图 2所示.

图 1

图 1 C46500黄铜不同退火温度的金相组织 Fig.1 Microstructure of C46500 brass after annealing in different temperature

图 2

图 2 C46500黄铜不同冷却速度的金相组织 Fig.2 Microstructure of C46500 brass after solution treatment in different cooling rate

由图 1可以看出,C46500黄铜挤压后由α和β两相组织组成,经高温退火处理后,组织由网状结构向等轴状转变,同时β相随温度变化出现先减少后增加的趋势,在480℃时β相所占比例最少.

由Cu-Zn二元相图可知,在α相中,Zn的室温固溶度在30%左右,随着温度的升高固溶度增加,在456℃时达到极值(39%);温度继续升高,固溶度开始下降.因此,C46500黄铜在进行高温退火处理时,β相出现先减少后增加的趋势.

由图 2可以看出,C46500黄铜经480℃退火时,随退火时间的延长,组织中β相进一步减少,基体组织以α相为主;同时随着冷却强度的降低,晶粒逐渐长大,组织中β相重新析出长大.在β相向α相的转变过程中,将导致α相界面处Zn浓度升高,为促使相变继续进行,组织中的原子必须通过长程扩散促进成分的均匀化.因此,长时间保温可促使β相向α相进一步转变.在材料进行冷却时,快速冷却(风冷)将抑制原子扩散,使α相以过饱和的形式保留至室温,当冷却速度较慢时,将发生α相向β相转变,生成的β相将依附于原有相界面处形核,从而使β相出现偏聚长大的现象^[3]. 2.2 微观组织对C46500黄铜抗脱锌性能的影响

经不同工艺退火处理后C46500黄铜的抗脱锌腐蚀性能如表 4所示.

表 4(Table 4)

表 4 不同退火工艺C46500黄铜的抗脱锌性能 Tab. 4 Dezincification corrosion property of C46500 brass after different annealing process 编号 挤压坯 1 2 3 4 5 6 脱锌深度/μm 356 257 181 251 71 131 187

表 4 不同退火工艺C46500黄铜的抗脱锌性能 Tab. 4 Dezincification corrosion property of C46500 brass after different annealing process

由表 4可以看出,与挤压坯料相比,C46500黄铜经高温退火处理可提高其抗脱锌腐蚀性能.同时,当基体组织以α相为主时,材料具有良好的抗脱锌腐蚀性能.

研究^[4,5,6]表明,在加As黄铜中,As与Cu²⁺反应生成Cu¹⁺和As³⁺,抑制了Cu₂Cl₂形成Cu²⁺.在两相黄铜中α相电位在Cu²⁺/Cu和Cu¹⁺/Cu之间,而β相电位比Cu²⁺/Cu和Cu¹⁺/Cu都低,As能抑制Cu²⁺形成,抑制α相脱锌腐蚀,但对β相影响很小.在材料挤压坯组织中,β相以网状形式存在,材料在发生脱锌腐蚀时,网状β相将成为腐蚀通道,加剧了材料的腐蚀程度,而当β相以等轴状形式存在时,腐蚀通道被α相阻隔,从而抑制脱锌腐蚀的进一步进行.

图 3为C46500黄铜的脱锌腐蚀形貌照片.从图 3中可以看出,脱锌腐蚀沿β相扩展(A区),而当β相被α相分隔时,腐蚀减缓或停止(B区).因此,与挤压组织相比,材料经480℃+6 h高温退火后,组织中β相向α相转变,形貌由网状向等轴状变化,提高了材料的抗脱锌腐蚀性能.

图 3

图 3 C46500黄铜的脱锌腐蚀形貌照片 Fig.3 Dezincification corrosion morphology of C46500 brass

(1) 降低C46500黄铜中β相比例、改善β相形态,使其由网状向等轴状转变,可提高抗脱锌腐蚀性能.

(2) C46500黄铜经480℃+6 h退火处理后,具有较好的抗脱锌腐蚀性能.