石墨黄铜双界面结构及其协同效应对力学性能和切削性能的影响

Graphite (Gr) brasses are highly expected to be substitute for lead brasses. However, the contradiction between the mechanical properties and machinability is the bottleneck which restricts the development of graphite brasses. In this grant proposal, powder metallurgy (P/M) route is employed to prepare graphite brasses with homodispersed graphite particles. Based on the study of the evolution behavior of the graphite/brass interface and the diffusion, exsolution and precipitation behavior of the supersaturated solid solution elements of Cr, Fe，Ti and Sn in Cu40wt%Zn brass matrix, the periodicity dual-interface structure model constituting with brass/precipitation/brass and graphite/reactant/brass was constructed. Thereby, the dua-interface structure composing with inter-granular and intra-granular dual-scale precipitates, interface reactants and graphite particles and their synergitic-effect on machinability and mechanical properties of graphite brasses was studied, which can be used for the theoretical consultation to trade-off the contradiction between the mechanical properties and machinability. On the basis, the variation tendency graphs of sintering temperature, graphite particles content and particle size in mechanical-machinability coordinate system were plotted according to the effect of sintering temperature, graphite particle content and graphite particle size on the mechanical properties and machinability, which will be the experimental foundation and theoretical reference for the development of the high performance graphite brasses with our country’s proprietary intellectual property rights.

石墨黄铜是最具发展前景的铅黄铜替代材料，然而其力学性能与切削性能此消彼长的矛盾是制约其发展的主要瓶颈。本申请采用粉末冶金法制备石墨颗粒均匀分散的石墨黄铜，通过对非平衡条件下Cr、Fe、Ti、Sn过饱和固溶合金元素在黄铜基体中的扩散、脱溶、析出以及石墨/黄铜界面结构演化行为的研究，建立由黄铜/析出相/黄铜与石墨/反应相/黄铜组成的周期性变化双界面结构模型，籍此揭示多元合金元素在晶内和晶界的双尺度析出相、界面反应相以及石墨颗粒所构成的石墨黄铜双界面结构及其协同效应对力学性能和切削性能的影响，为均衡力学性能与切削性能此消彼长的矛盾提供理论指导。在此基础上通过研究烧结温度、石墨含量及颗粒尺寸对石墨黄铜的力学性能和切削性能的影响，建立以力学性能与切削性能为坐标系的力学性能和切削性能随烧结温度、石墨含量以及颗粒尺寸变化的规律曲线图，为发展我国具有自主知识产权的高性能石墨黄铜提供实验基础和理论参考。

本项目以石墨替代铅以提高BS40-M黄铜合金切削性能，选择过饱和合金元素Cr、Fe、Sn、Ti等作为添加合金元素，以提高BS40-M黄铜的力学性能并改善石墨/黄铜的界面结合。通过对过饱和多元合金元素在BS40-M黄铜合金中析出行为的分析，以及其对显微组织和力学性能影响的研究基础之上，制备出了力学性能和切削性能优良的高强度易切削石墨黄铜，冷拉拔后其拉伸强度为720MPa，延展性为12%。.（a）水雾化法制备过饱和多元合金元素Cr、Fe、Sn、Ti在黄铜基体中产生高的沉淀反应的化学势。在烧结和热挤压后，以微纳米尺寸的金属间化合物析出颗粒的形式进行形核，析出，长大，均匀地分散在黄铜基体，表现出显著的晶粒细化和析出强化效果。.（b）石墨颗粒均匀地分散在黄铜合金基体中，表现出良好的切削排屑能力。同时合金元素在石墨/黄铜界面的析出可以有效改善石墨与黄铜基体的界面结合，从而在通过石墨颗粒提高其切削性能的同时并不显著影响其力学性能。.通过增加石墨的含量来提高石墨黄铜的切削性能，通过微量多元合金元素在黄铜基体中以微纳米尺寸的金属间化合物的析出，实现对基体晶粒的细化和析出强化效果。通过对石墨黄铜的双界面结构及其协同效应进行研究，使增加石墨含量所造成的力学性能上的损失通过石墨黄铜双界面新结构的优化得到弥补，为均衡石墨黄铜力学性能与切削性能此消彼长的矛盾奠定基础。通过粉末冶金法解决了石墨颗粒在黄铜中的均匀分散问题，利用固溶和纳米尺度的析出粒子的析出强化，通过对界面及显微组织的调控成功研究了具有高性能的粉末冶金无铅石墨黄铜材料，该成果不仅具有重要的学术价值，而且具有广阔的市场应用前景。本项目的部分研究成果和台州学院以及贵溪骏达特种铜材有限公司进行了合作并获得了2017年台州市科学技术进步奖三等奖和2019年中国有色金属学会科技进步二等奖。