具有高强度高塑性易切削环保无铅硅黄铜的定量识别方法与流程

本发明涉及无铅硅黄铜，具体涉及一种具有高强度高塑性易切削环保无铅硅黄铜的定量识别方法，属于环保无铅黄铜合金及其零件制造领域。

背景技术：

黄铜作为一种重要的工程材料，广泛应用于卫浴、家用五金、散热器、电子仪器、低温管路等各个领域。通常，在黄铜中加入1-3wt.％的铅以提高其切削性能。单质铅在合金切削加工过程中可充当软化质点，这有助于提高黄铜的断屑性能和抗粘附性能。因此，铅黄铜被称为易切削黄铜。然而，由于铅对环境和人类健康的有害影响，铅黄铜逐渐受到环境法规的限制。有鉴于此，人们越来越关注无铅黄铜的开发，例如硅黄铜、铋黄铜、镁黄铜和石墨黄铜。在这些开发的无铅黄铜中，硅黄铜被认为是经济上和环境上可行的铅黄铜替代品，因为硅元素在世界范围内储量丰富并且对环境有益。然而，硅黄铜的切削性能与其力学性能的相关性仍不明确。

关于硅黄铜的微观结构，其主要构成相通常分为α相(面心立方)，β相(体心立方)和γ相(复杂立方)。由于各自的晶体学特征、尺寸和含量，各种相组成对硅黄铜力学性能的作用已得到充分认识。具体而言，在室温下，α相对于β相显示出较低的显微硬度和较高的塑性。因此，随着硅黄铜中α相含量增加，其硬度和拉伸强度降低，而其伸长率相应增加。相反，在高温下，α相的显微硬度高于β相。此外，与α相和β相相比，γ相更脆，黄铜基体中γ相的存在将导致其伸长率下降。基于上述观点，可以得出结论，在具有特定高温变量并伴有其他变量的复杂极端条件下(例如金属切削过程)，将导致硅黄铜相对于室温条件的不同力学性能。

在切削塑性黄铜时，断屑能力对于切削过程的顺利进行起着至关重要的作用，因为连续的长切屑容易缠结和缠绕。尤其，黄铜中α相和β相对黄铜的切屑形成特性影响显著。例如，β相有利于黄铜加工中的切屑断裂，而α相有利于生成长带状切屑(j.inst.met.69(1940/41)65-79)；具有α+β相的黄铜将导致螺旋状切屑，而具有完全β相的黄铜易于产生螺旋状和管状切屑(j.mater.process.tech.170(2005)441-447)；α+β黄铜具有优异的断屑能力，归因于其不均匀微观结构和α与β相之间的适中显微硬度差异(mater.sci.eng.a723(2018)296-305)。这些研究结果为理解硅黄铜的断屑能力提供了一些有用的指导。然而，在上述工作中，通过微观结构分析和静态力学性能测试，只能基于宏观切屑形态定性地评估黄铜合金的断屑能力。

但是不同配方和制备工艺得到的硅黄铜合金外在形式上难以区分，如低强度高塑性难切削合金、高强度低塑性难切削合金和高强度高塑性易切削合金在外形上并没有实质性区别，但在应用上相差极大，高强度高塑性易切削合金具有极其重要价值，而低强度高塑性难切削合金、高强度低塑性难切削合金目前还不具备较好的应用价值，因此如何定量识别出具有高强度高塑性易切削环保无铅硅黄铜具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有切削技术仅基于宏观切屑形态定性地评估硅黄铜合金断屑能力的不足，难以有效识别高强度高塑性易切削环保无铅硅黄铜，通过关联硅黄铜合金切屑的几何形态参数和切削动态力学性能来调控断屑能力，建立一种高强度高塑性易切削无铅硅黄铜的定量识别方法，有效识别出高强度高塑性易切削合金。

金属切削是一种高度非线性的塑性变形过程，其特点是高温、高应变速率和瞬时性。在这种极端动态条件下，材料力学性能被认为与室温下的静态力学性能具有明显不同的特性。因此，为了调节硅黄铜的切削性能，在切削条件下建立微观结构与动态性能之间的关系更为合适。通常，采用splithopkinsonpressurebar技术测得动态力学性能，其应变率高达10⁴/s。进而，根据该技术测量的材料流动应力，可以确定所研究材料的应力-应变模型。然而，该操作过程相对复杂、技巧性高、性价比低，且针对不同材料需调整和验证相应的应力-应变模型。另一方面，基于mechant的切削理论(eng.fract.mech.76(2009)2711–2730)，加工或切削本身可以用作测试材料动态力学性能的替代技术，其在测试聚合物和塑性金属材料的平均动态断裂塑性和屈服强度的有效性已被验证，但尚未用于硅黄铜合金的综合性能识别。

本发明通过关联黄铜切屑的几何形态参数和切削动态力学性能来调控断屑能力，具体表现为由切屑的几何特征量化参数并结合切削理论定量化计算出不同合金成分(不同锌当量/不同显微组织)硅黄铜的动态屈服应力σd，由动态屈服应力σd随合金锌当量突然下降的状态确定易断屑的硅黄铜成分范围，该成分范围硅黄铜即具有易切削、高强度和塑性等综合性能。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

具有高强度高塑性易切削环保无铅硅黄铜的定量识别方法，包括以下步骤：

1)准静态拉伸屈服应力σs和延伸率δ测试：对锌当量介于38％至49％的硅黄铜合金棒体进行准静态拉伸力学性能测试，获得应力-应变曲线，确定不同锌当量硅黄铜合金的准静态拉伸屈服应力σs和延伸率δ；

2)动态屈服应力σd计算：对锌当量介于38％至49％的锌当量硅黄铜合金进行切削试验，收集切屑，通过基于mechant的切削力模型，计算切削不同锌当量硅黄铜合金时的切削动态屈服应力σd；

3)硅黄铜合金的定量识别：以硅黄铜合金的锌当量为横坐标，以准静态拉伸屈服应力σs、延伸率δ和切削动态屈服应力σd为纵坐标，绘制出准静态拉伸屈服应力σs、延伸率δ和切削动态屈服应力σd随锌当量的变化趋势图；根据所述的变化趋势图将硅黄铜合金分为三种类型：

准静态拉伸屈服应力σs低于100mpa、延伸率δ高于40％且动态屈服应力σd大于准静态拉伸屈服应力σs的低强度高塑性难切削合金；

准静态拉伸屈服应力σs高于250mpa、延伸率δ低于15％且动态屈服应力σd大于准静态拉伸屈服应力σs的高强度低塑性难切削合金；

准静态拉伸屈服应力σs介于100mpa和250mpa、延伸率δ介于40％和15％和且动态屈服应力σd小于准静态拉伸屈服应力σs的高强度高塑性易切削合金。

为进一步实现本发明目的，优选地，步骤1)中不同锌当量硅黄铜合金的制备方法为：把cu、zn、si、al元素按如下的质量百分比配料，cu56～66wt.％、zn33～42wt.％、si0.4％～1.5wt.％、al0.2％～1.5wt.％，以及0.003～0.01wt.％b和0.03～0.06wt.％ti；且黄铜合金所有组分的锌当量x％介于39～49％之间，微观组织为α+β相。

优选地，通过锌当量规则设计相组成，锌当量通过式来计算，其中，x％为锌当量；czn为合金加入的纯锌百分含量，ccu为合金加入的纯铜百分含量，∑ciki是合金中所有除cu、zn之外的其他合金元素的百分含量ci及其锌当量系数ki乘积的总和。

优选地，步骤2)中，应用j.g.william开发的测试方案计算切削不同锌当量硅黄铜合金时的切削动态屈服应力σd。

优选地，步骤2)中的切削试验在cnc车床上进行，该车床配备有切削力测力计，切削试样为圆柱棒，切削刀具材料为商用wc-8co刀具，改变的工艺参数为进给速度f值，根据黄铜合金常用的切削参数，进给速度f的取值为0.05-0.3mm/r。

优选地，切削动态屈服应力σd由力平衡可得方程确定，其中hc/sinφ表示剪切面的长度，hc为切削层厚度，φ为硅黄铜样品的剪切角；kb是材料的断裂韧性，wc是切削宽度，fc是主切削力，ft是进给抗力；将所述的力平衡方程转换成计算fc/wc-(ft/wc)tanφ和(hc/2)(tanφ+1/tanφ)的值；通过绘制和线性拟合fc/wc-(ft/wc)tanφ和(hc/2)(tanφ+1/tanφ)之间的变化关系，斜率即为切削动态屈服应力σd；

硅黄铜样品的剪切角φ按式计算，其中γ0是切削刀具的前角；λh是切削变形系数，由确定，hch是平均切屑厚度。

优选地，锯齿状切屑的切屑厚度hch的等效值通过简化方式获得，其中h是锯齿状切屑的最大高度，hs是锯齿的高度。

优选地，所述的切削层厚度hc等于圆柱车削试验中的进给f值。

优选地，所述的切削宽度wc等于圆柱形车削试验中切削刃的背吃刀量ap。

优选地，步骤3)中，所述的高强度高塑性易切削合金应用于卫浴、家用五金、散热器、电子仪器、低温管路的制造。

本发明动态屈服应力σd是基于mechant的切削力模型即附图2中作用在剪切面上的分力，应用j.g.william开发的测试方案计算。切屑为安装在车床上的切屑收集器收集的黄铜样品产生的切屑，随机选择10-20个切屑测量切屑厚度hch等相关的切屑几何形态参数，最终取平均值确定各个切屑特征参数。

本发明步骤3)硅黄铜合金的定量识别中所述的动态屈服应力σd下降区域，其值小于准静态屈服应力σs。动态屈服应力σd下降区域，对应的硅黄铜合金即具有高强度高塑性易切削等综合性能。切削动态屈服应力σd下降至小于材料的准静态屈服应力σs时，有利于得到易切削的合金。高强度高塑性易切削区对应的硅黄铜合金即具有高强度、高塑性和易切削等综合性能，该区域对应的锌当量即为优异综合性能的合金成分区域；优异综合性能的硅黄铜合金能够应用于卫浴、家用五金、散热器、电子仪器、低温管路的制造；而其他区域合金的用途受到较大的限制。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明通过关联金属合金切屑的几何形态参数和切削动态力学性能来定量评估硅黄铜合金材料的断屑能力，具有实施简单、成本低等特点，且克服了考虑材料切削工程动态极端条件的传统识别方法需建立应力-应变模型的缺陷。

2、本发明建立了一种硅黄铜合金综合性能(高强度高塑性易切削)的定量化识别方法，进而可以提供一种硅黄铜合金综合性能的成分设计方法，对新型硅黄铜合金的设计提供了强有力的参考。

3、本发明所述的切削动态屈服应力σd下降至小于材料的准静态屈服应力σs时，有利于得到易切削的硅黄铜合金，该测试方法亦可应用于其他金属合金材料的易切削性能和综合性能的测试。

附图说明

图1为锯齿状切屑的几何特征参数特征图。

图2为切削金属合金时的mechant切削力模型图。

图3为实施例中切削速度vc＝90m/min时，不同锌当量硅黄铜合金的准静态拉伸屈服应力σs和延伸率δ、切削动态屈服应力σd随锌当量的变化趋势图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

具有高强度高塑性易切削环保无铅硅黄铜的定量识别方法，包括以下步骤：

(1)硅黄铜合金制备：把cu、zn、si、al元素按表1所示a、b、c、d、e五种合金编号的质量百分比配料，并添加质量分数0.005％b和0.05wt.％ti作为金属间化合物改性剂与晶粒细化剂，铸造得到圆柱棒状硅黄铜合金。通过锌当量规则设计相组成，锌当量(x％)通过式来计算，其中czn是合金加入的纯锌百分含量，ccu为合金加入的纯铜百分含量，∑ciki是合金中所有除cu、zn之外的其他合金元素的百分含量ci及其锌当量系数ki乘积的总和(i代表不同合金元素的序号)，各元素的ki由铜合金相关手册均可查到，其中si和al元素的ki分别为10和6。

x射线衍射分析表明，随锌当量从39.2％、42.7％、45.3％、46.9％增大到48.4％，硅黄铜合金相组成从α+β双相转变为纯β相所有组分的锌当量介于39～49％之间，其微观组织以β相为基体，颗粒状或小块状的α相嵌于β相基体中。

(2)准静态拉伸力学性能测试：根据国标gb/t288-2002，对制备的锌当量39.2％、42.7％、45.3％、46.9％与48.4％的硅黄铜合金棒体分别进行准静态拉伸力学性能测试，获得其应力-应变曲线，由拉伸应力-应变曲线得到对应的准静态拉伸屈服应力σs和延伸率δ分别为66mpa和42.1％、95mpa和48.8％、147mpa和29.5％、213mpa和13.1％和257mpa和9.5％。如表1所示，表1为实施例中不同锌当量硅黄铜合金的元素组分、相含量以及准静态拉伸屈服应力σs和延伸率δ情况表。其中成分数据来自金属光谱仪成分分析，相组成来自xrd测试。

表1

(3)切削测试：针对制备的锌当量39.2％、42.7％、45.3％、46.9％与48.4％的硅黄铜合金，在cnc车床(ca6150i，dmtgco.，china)上进行切削试验，该车床配备有切削力测力计(9265-a1，kistlergroup，swizerland)，切削试样为φ35×120mm圆柱棒；切削刀具材料为商用wc-8co(株洲金刚石刀具有限公司，中国)刀具，具有前角γ0＝4°、后角α0＝3°、倾角λs＝0°、侧切削刃角度kr＝90°和刀尖半径rn＝1mm等几何特征参数。切削试验中切削参数设定为：切削速度vc＝90m/min，进给速率f＝0.1mm/r，切削深度ap＝0.5mm；并使用安装在车床上的切屑收集器收集20个切屑，通过扫描电子显微镜测量出不同锌当量硅黄铜合金的平均切屑厚度hch、锯齿状切屑最大高度h、锯齿高度hs等切屑的几何特征参数，如表2所示，采用上述cnc车床、切削力测力计、wc-8co刀具以及切削参数，改变进给速率f为0.15mm/r，对不同锌当量硅黄铜合金进行切削试验，收集切屑，测量出不同锌当量硅黄铜合金的平均切屑厚度hch、锯齿状切屑最大高度h、锯齿高度hs等切屑的几何特征参数，如表2所示。表2为实施例1-5中计算不同锌当量硅黄铜合金的切削动态屈服应力σd所需的相关特征参数及其计算结果。

表2

(4)切削动态屈服应力计算：基于mechant的切削力模型，应用j.g.william开发的测试方案，计算切削不同锌当量硅黄铜合金时的fc/wc-(ft/wc)tanφ和(hc/2)(tanφ+1/tanφ)的值，具体计算步骤以及所需的相关特征参数如下：

根据切屑的几何特征，硅黄铜样品的剪切角φ按式计算，其中γ0是切削刀具的前角；λh是切削变形系数，可由确定，其中hch是切屑厚度，可通过观察切屑形貌特征直接测量；hc是切削层的厚度，等于圆柱车削试验中的进给f值。当产生锯齿状切屑时，锯齿状切屑厚度hch的等效值可通过简化方式获得，其中h是锯齿状切屑的最大高度，hs是锯齿的高度，如附图1所示。基于上述计算，获得某一切削速度下某一锌当量硅黄铜合金的剪切角φ。

基于mechant的切削力模型，应用j.g.william开发的测试方案来计算切削硅黄铜时的动态屈服应力σd，具体过程为：通过分析mechant的切削力模型即附图2中作用在剪切面上的分力，由剪切面上的力平衡可得方程其中σd是动态屈服应力，hc/sinφ表示剪切面的长度，kb是材料的断裂韧性，wc是切削宽度，其等于圆柱形车削试验中切削刃的背吃刀量ap，fc是主切削力，ft是进给抗力(b.wangetal.int.j.mach.tool.manu.73(2013)1–8)。进而，把上式转换成以下形式：即切削力、剪切角和工件的动态力学性能之间的相互关系。对于不同的切削层厚度hc，通过切削试验获得相应的切屑厚度hch、主切削力fc和进给抗力ft，相应的主切削力fc和进给抗力ft列于表2中。由此，进一步计算fc/wc-(ft/wc)tanφ和(hc/2)(tanφ+1/tanφ)的值。最终，通过绘制和线性拟合fc/wc-(ft/wc)tanφ和(hc/2)(tanφ+1/tanφ)之间的变化关系，得到直线的斜率即为各合金对应的切削动态屈服应力σd。

(5)高强度高塑性易切削合金识别：以硅黄铜合金的锌当量为横坐标，以准静态拉伸屈服应力σs和延伸率δ、以及计算的切削动态屈服应力σd为纵坐标，绘制出各性能指标随锌当量的变化趋势图，如图3所示。由图可知，随锌当量增大，准静态拉伸屈服应力σs也相应增大，延伸率δ相应的减小，切削动态屈服应力σd先减小后增大。在动态屈服应力σd的下降区域，其值小于准静态屈服应力σs，有利于热塑性不稳定和锯齿状切屑出现，从而具有易切削。由此可进一步将硅黄铜合金分为三种类型：准静态拉伸屈服应力σs低于100mpa、延伸率δ高于40％且动态屈服应力σd大于准静态拉伸屈服应力σs的低强度高塑性难切削合金；准静态拉伸屈服应力σs介于100mpa和250mpa、延伸率δ介于40％和15％和且动态屈服应力σd小于准静态拉伸屈服应力σs的高强度高塑性易切削合金；准静态拉伸屈服应力σs高于250mpa、延伸率δ低于15％且动态屈服应力σd大于准静态拉伸屈服应力σs的高强度低塑性难切削合金。而高强度高塑性易切削区对应的硅黄铜合金即具有高强度、高塑性和易切削等综合性能，该区域对应的锌当量即为优异综合性能的合金成分区域。其他区域合金用途受到较大的限制，因此有效识别出高强度高塑性易切削合金具有重要意义。

与现有技术相比，本发明通过关联金属合金切屑的几何形态参数和切削动态力学性能来定量评估硅黄铜合金材料的断屑能力，具有实施简单、成本低等特点，且克服了考虑材料切削工程动态极端条件的传统测试方法需建立应力-应变模型的缺陷。同时，本发明建立了高强度高塑性易切削定量识别方法，该识别方法还有利于高性能硅黄铜合金成分设计，对新型硅黄铜合金的设计提供了强有力的参考。另外，本发明的切削动态屈服应力σd下降至小于材料的准静态屈服应力σs时，有利于热塑性不稳定和锯齿状切屑的出现，从而得到易切削的硅黄铜合金，该测试方法亦可应用于其他金属合金材料的易切削性能和综合性能的测试。

上述实施方式不构成对本发明的保护范围的限制，任何本技术领域的人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。