[科普中国]-锰黄铜

简介

锰黄铜具有优异的力学性能、铸造性能、切削性能以及成本低廉，成为螺旋桨的主要制造材料之一。锰黄铜除了用于制造螺旋桨外，还可用于制造汽车同步器齿环、轴承套、齿轮、冷凝器、闸门阀等。但是在污染海水中，锰黄铜会发生脱Zn 腐蚀，而且耐空泡腐蚀的性能也较差，导致锰黄铜螺旋桨易发生腐蚀疲劳断裂。而铜-锆二元相图表明，锆加入锰黄铜中会先析出Cu5Zr 或Cu3Zr 强化相，作为后续的形核质点，起到细晶强化的作用。研制了一种新型锆微合金化锰黄铜，测试分析了其硬度、微观组织、均匀腐蚀性能、电化学腐蚀性能、摩擦性能以及力学性能的变化1。

金相组织和硬度通过锰黄铜的金相组织可以看出，亮白色的不规则条状或块状是以为主的固溶体组织α 相；α 相以外的暗灰色区是以电子化合物CuZn 为基的固溶体β 相；黑色(C 区)的小点是硬质点κ 相（富铁相等），主要分布在β 相中，也有少部分存在于α 相中。锆微合金化后，锰黄铜的晶粒更加细小、数量更多，分布也更加弥散。EDS 成分分析显示，A 区成分为60.56Cu、35.51Zn、2.52Al、1.42Mn；B 区成分为56.84Cu、40.12Zn、1.15Al、1.89Mn；C 区成分为75.56Fe、8.26Si、6.96Al、3.06Mn、3.00Cu、2.05Zn、1.11Ni。锆微合金化锰黄铜的硬度为175.3 HV0.2，而未微合金化锰黄铜的硬度为158.4 HV0.2，前者比后者硬度提高了9.6%。

均匀腐蚀性能通过合金均匀腐蚀的质量损失、表面积以及腐蚀速率可以看出，锆微合金化和未合金化的锰黄铜都处在腐蚀四级标准中的优良级中，并且前者的腐蚀速率比后者降低了4.9%。

通过锰黄铜在3.5%NaCl 溶液中经均匀腐蚀后的表面SEM 形貌可以看出，锆微合金化和未合金化的锰黄铜均发生了腐蚀，并有一些凹坑。不同的是，未合金化的锰黄铜表面出现明显凸出表面的块状组织以及相对较多、较大的凹坑。

说明α 固溶体腐蚀程度较轻，腐蚀主要发生在β 相和κ 相中。锆微合金化的锰黄铜表面块状组织以及凹坑均很少。说明锆微合金化的铸态锰黄铜在3.5% NaCl 溶液中的耐蚀性能更好2。

电化学腐蚀性能通过未合金化和锆微合金化锰黄铜在室温3.5%NaCl 溶液中的动电位极化曲线。以及自腐蚀电位、腐蚀电流密度和腐蚀速率数值。可以看出，二者都发生了钝化，但是锆微合金化锰黄铜的钝化电流密度更大。可以看出，锆微合金化锰黄铜的自腐蚀电位比未微合金化的高，说明前者的腐蚀倾向更低。可能是由于锰黄铜中的κ 相(富铁相)发生了剥落，留下了自腐蚀电位较正的α 相即富铜相，在锆微合金化锰黄铜中的α相更细，数量更多，从而使自腐蚀电位发生了正移。

采用传统Tafel 拟合计算得出腐蚀速率。与未微合金化的锰黄铜相比，锆微合金化的锰黄铜腐蚀速率降低了74.5%，说明其电化学耐蚀性更好。

摩擦磨损性能通过锰黄铜在室温下的湿摩擦系数随磨损时间变化曲线可以看出，未合金化和锆微合金化的湿摩擦系数变动幅度均较小，都有较优的耐磨性能。但是锆微合金化的锰黄铜具有更低的平均摩擦系数(0.0254)，与未合金化的锰黄铜(0.0315)相比降低了19.3%。

通过锰黄铜的磨痕形貌可以看出，摩擦后的表面特征有如下几点：

①沿滑动方向上存在着明显的犁沟，犁沟深且多；

②犁沟旁边均出现了部分承载面。说明该区域在摩擦力的作用下发生了塑性变形，但没有发现裂纹，表明无脆性断裂现象3。

力学性能通过铸态锰黄铜的拉伸性能可以看出，微量元素锆的加入，使锰黄铜的抗拉强度提高5.5%，屈服强度提高了24.2%，但是伸长率降低了6.5%。这是由于锆在锰黄铜中起到细晶强化的作用，而位错增强导致了合金塑性降低，伸长率也会相应的减小。

通过锰黄铜的断口形貌可以看出，未合金化的锰黄铜断口韧窝尺寸相对较大。添加了微量元素锆后断口组织比较细小，且韧窝尺寸及分布都比较均匀，显示出明显的韧性断裂特征。但是微合金化锰黄铜断口中还有明显粗大κ 相的断裂痕迹，这也是微孔长大聚合速度加快，合金强度提高不大、伸长率下降的主要原因。

锆微锰黄铜性能与未微合金化锰黄铜相比，锆微合金化锰黄铜具有更好的耐腐蚀性能、摩擦性能和力学性能。其机理讨论如下。

（1） 锆在铜中的固溶度极小，可形成ZrCu5或ZrCu 强化相，大量强化相可成为后续形核的质心，阻碍再结晶和晶粒长大，起到细化晶粒的作用。众多弥散分布的κ 相以及细化的α 相综合提高了合金的硬度。

（2） 锆元素加入铜中，一方面提高了合金的自腐蚀电位，降低了合金的耐蚀倾向。另一方面，细化了晶粒组织，使晶界增多，降低了腐蚀扩张的速率，阻碍了腐蚀贯通通道的形成。

（3） 锰黄铜内众多弥散分布的软基体相和硬质点易于驻留液态介质，起到一定的减磨作用。硬度的提高在一定程度上也会提高合金的摩擦性能。

（4） 锆微合金化锰黄铜力学性能提高有以下两点原因：

①锆的加入细化了合金组织，具有较大的弥散强化作用；

②晶粒细化、晶界增多，并且合金在凝固过程中产生了大量的位错，从而产生很大的形变强化效果2。

总结与未微合金化锰黄铜相比，锆微合金化锰黄铜的组织更细，硬度更高，其均匀腐蚀速率降低了4.9%，电化学腐蚀速率降低了74.5%，摩擦系数降低了19.3%，抗拉强度和屈服强度分别提高了5.5%和24.2%2。