Effect of aluminum on the structure and properties of brass alloy
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摘要: 用光学显微镜（OM）、硬度（HV）和万能试验机对添加不同铝含量（1.5 %、2.0 %、2.5 %、3.0 %、3.5 %）的复杂黄铜（Cu-22.7Zn-Al-1.0Ni)组织与性能进行了研究.研究结果显示，铝能使合金α相区显著缩小、β相区增加，并起到细化α相、β相的作用，提高合金的抗拉强度、硬度.合金的机械性能随铝含量增加，其抗拉强度和屈服强度提高，而延伸率和冲击韧性下降，当铝含量为3.0 %时，0.2 mm Y态板材硬度达到255 HV、抗拉强度达到820 MPa.Abstract: This paper studies the microstructure and properties of brass (Cu-22.7Zn-Al-1.0Ni) with different aluminum content (1.5 %, 2.0 %, 2.5 %, 3.0 %, 3.5 %) by using optical microscope, hardness tester and universal materials testing machine. The results show that aluminum alloy can significantly reduce the α-phase region with increased β-phase region. α phase and β phase are refined by improving its tensile strength and hardness. Tensile strength and yield strength of the alloy increase with the addition of Al content. The elongation and impact toughness decrease when the aluminum content reaches 3.0 % and 0.2 mmY state plate hardness reaches 255 HV with tensile strength of 820 MPa.
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Keywords:
- aluminum content changes /
- α phase, β phase /
- tensile strength
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0 引言
金属氧化物具有较高的硬度、熔点以及良好的化学稳定性.少量的金属氧化物弥散分布于金属基体中可以有效改善复合材料的力学性能、耐磨损性能以及电学性能，同时又不会过多地影响金属的导热、导电性能.Al203 颗粒弥散强化铜基复合材料便是-种典型的代表，该材料再结晶温度高，组织稳定，抗高温软化性能与耐摩擦磨损性能好，抗电弧侵蚀性能优异，以及具有高的导电率和热导率等性能，被广泛应用于集成电路用引线框架材料、电阻焊机电极材料、电工触头材料、结晶器材料、微波管结构材料、整流转子材料等[1-5].近年来，对A1203 颗粒弥散强化铜基复合材料的研究和开发倍受关注，主要集中在制备工艺优化、微结构调整、组织与力学性能关联性等方面，而对其电弧侵蚀特性的研究却不多见[6-15].
本研究采用含氧氮气雾化喷射沉积技术，并结合内氧化工艺，在铜基体中引人弥散的A1203、La2O3和Y2O3 颗粒，制备出A1203La2O3Y2O3/Cu 多相氧化物颗粒增强铜基复合材料.并利用ASTM 型电接触材料测试系统，对A1203La2O3Y2O3/Cu 和A1203/Cu 材料的触头样品进行直流、阻性负载条件下的电学寿命对比实验，研究分析直流条件下复合材料的电弧侵蚀特征.
1 实验方法
1.1 复合材料的制备
选择纯度大于99.9 %的金属作为合金元素，合金名义成分为0.3A1-0.3Y-0.3La-Cu (质量分数).采用PCWF 1-50 型多功能喷射成形设备制备合金.在真空为1x10-2 Pa 条件下，将配好的合金原料熔化，合金熔体经导流管流出，在喷嘴处被含氧氮气雾化为小液滴，液滴沉积在不锈钢接收盘上，形成圆柱形沉积坯，并在SRJX-8-13 型高温箱型电阻炉中对沉积坯进行900 ℃/2 h 内氧化处理，获得A1203/La2O3/Y2O3/Cu 复合材料.经美国热电X-射线荧光能谱仪测定，所得复合材料中氧化物含量(质量分数)为0.29 % 203、 0.21 % La2O3 和0.23 % Y2O3. 然后对复合材料进行多道次轧制、拉拔等过程，得到直径为φ1.48 mm 的丝材.在YFC-16 冷散复合触点机上制备出哪钉触点样品. 触点的外形尺寸为φ3.0×1.0 mm/φ1.5×3 mm.本实验的对比材料为相同工艺制得名义成分为0.9 % A1203(质量分数)/Cu 复合材料，其中氧化物的实测含量为0.86 % 203(质量分数).
1.2 样品的性能与表征
在ASTM 型电接触材料测试系统上对复合材料触点进行电弧侵蚀试验.实验的接触压力为0.6 N:负载条件为DC 20 V/20 A:触点间距为1 mm:频率为60 Hz: 分断操作次数为6 000 次. 利用电子天平测量实验前后电触点阳极和阴极的质量.利用HitachiS-3400N 型扫描电子显微镜对分断操作6 000 次后的电触点阳极和阴极进行表面形貌观察.
2 结果与讨论
2.1 触点材料的转移量
触点材料闭合、分段工作时，受到电流热效应和电弧侵蚀的作用，使触头材料接触表面熔化、气化，以及物相的变化，导致材料由-极转移到另-极. 表 1给出了A12O3/Cu、A12O3La2O3Y2O3/Cu 复合材料电触点经6 000 次分断操作后的阳极、阴极和电触点对的总质量变化. 从表 1 看出，A12O3La2O3Y2O3/Cu 复合材料的材料转移量明显小于A12O3/Cu 复合材料，并且发生阴极增重、阳极减重的现象，即材料由阳极转移到阴极.触点的质量损耗主要受电桥转移、电弧转移、 材料气化和氧化增重等过程的综合作用，由于在A12O3La2O3Y2O3/Cu 复合材料中添加了La、Y 稀土元素，形成高熔点的稀土氧化物颗粒，有效地抑制了触头材料表面材料迁移现象的发生.在相同电弧侵蚀实验条件下，A1203La2O3Y2O3/Cu 复合材料的电侵蚀总量为0.038 g，而A1203/Cu 复合材料则为0.076 g.
表 1 分断操作6 000 次后的复合材料触点质量变化表/g
2.2 触点材料的燃弧特征
在ASTM 型电接触材料测试系统上对A1203/Cu、 A1203/La2O3/Y2O3/Cu 复合材料电触点的燃弧能量、燃弧时间、 电弧长度和接触电阻参数进行测量，2 种复合材料的燃弧特征见表 2 所列. 由表 2 可以看出: A1203/La2O3/Y2O3/Cu 复合材料电触点的燃弧能量、燃弧时间、 电弧长度和接触电阻的数值均小于A1203/Cu 复合材料电触点相应的数值，表明A1203/La2O3/Y2O3/Cu 复合材料电触点的耐电弧侵蚀能力明显要优于A1203/Cu 复合材料.在分断电弧和触头材料的相互作用中，当触头表面温度达到铜基体的熔点附近时，A1203/La2O3/Y2O3/Cu 复合材料中存在的高熔点La2O3、 Y2O3 稀土氧化物颗粒增加了熔体的教性，降低了液态金属喷溅侵蚀量，故在工作过程中能保持着较低的接触电阻.此外，稀土氧化物颗粒在提高铜基体材料教度的同时，还能够减缓铜液在氧化物颗粒之间的流动速度，从而减少材料的转移及材料成分的变化，达到抗电弧侵蚀的目的.
表 2 直流20 V/20 A 条件下触点材料的燃弧特征平均值
2.3 A1203La2O3Y2O3/Cu 触点电弧侵蚀表面特征形貌
图 1为A1203La2O3Y2O3/Cu 复合材料触点经过6 000 次分断操作后阳极触点和阴极触点的电弧侵蚀SEM 形貌.由图 1 可以看出，宏观上，复合材料触点阳极和阴极之间存在着明显的材料转移现象，在阳极触点表面形成有凹坑，而阴极触点表面形成有明显的凸起. 这是由于阳极触点表面材料在电弧侵蚀的作用下，酋先被液化，然后气化蒸发和以液态的形式啧溅脱离铜基体，向阴极转移，最终在阳极表面形成凹坑，而阴极表面形成明显的凸起.微观上，A1203La2O3Y2O3/Cu 复合材料触点的边缘处表面的电弧侵蚀形貌为糊糊状.这-方面是由于液态铜的啧溅，另-方面是因为在燃弧期间，熔融铜在电弧作用下发生流动，并且在分断瞬间产生的液桥折断而形成熔层表面的凹凸不平.在电弧作用和机械力等作用下产生的啧溅会造成材料的大量损耗，而且大面积糊糊区的形成会增加触点因熔焊而失效的可能.A1203La2O3Y2O3/Cu 复合材料触点的中心处形貌均为气孔状. 这是由于在电弧作用下，触点表面快速熔化，熔融态的铜从外界吸收大量气体，主要是氧气，这样就满足了气泡的形成条件. 当电弧熄灭后，触点表面的温度迅速降低导致气体在铜熔液中的溶解度也随之降低，并且还会导致熔池内部气压降低，从而在熔池内外产生-个气压差，该气压差迫使熔池内部的气泡逸出. 当气泡从熔池内部快速浮上来时，由于熔池表面张力的作用使气泡刚到熔池表面就破裂，从而在触点表面形成气孔. 如果电弧能量大且作用时间很短，还会使熔池内的气泡急剧膨胀，并在电弧消失后从熔池内爆破式逸出，就会在触点表面形成气体啧发坑.
图 2为A1203/Cu 复合材料触点电弧侵蚀SEM 形貌. 由图 2 可以看出，A1203/Cu 复合材料触点不同区域存在不同的电弧侵蚀微观形貌，边缘为浆糊状凝固物特征，中心为气体啧发坑特征，这2 种形貌特征与A1203La2O3Y2O3/Cu 复合材料触点的电弧侵蚀特征基本-致.但是，综合比较图 1 与图 2 可知，A1203/Cu 复合材料触点中浆糊状凝固物铺展面积更大，中心气体啧发坑也较为密集，数量更多.大量气体啧发坑的20 μm 存在会降低触头材料的机械强度，极易引起裂纹的出现或者促使裂纹的发展.值得注意的是，在图 2(b)中明显可见气体啧发坑就是裂纹的发惊地.这说明在电弧侵蚀与机械力共同作用下，A1203/Cu 复合材料触点的啧溅更为剧烈，材料失重更大，而较多的气孔及其周围微裂纹的存在，也会加速材料的失效.因此，从触头电弧侵蚀微观形貌也可推测，A1203/Cu 复合材料的耐电弧侵蚀能力比A1203La2O3Y2O3/Cu 复合材料差.
3 结论
1) A1203La2O3Y2O3/Cu 复合材料触点电弧侵蚀为阳极型电弧侵蚀，即触点阳极失重，阴极增重.稀土氧2 3 化物颗粒的添加能有效抑制触头材料迁移的程度.
2) 在直流、阻性负载条件下，A1203La2O3Y2O3/Cu复合材料电触点的耐电弧侵蚀能力优于A1203/Cu 复合材料.
3) A1203La2O3Y2O3/Cu 和A1203/Cu 复合材料触点电弧侵蚀微观形貌均存在浆糊状凝固物和气体啧发坑2 种特征形貌，但后者的浆糊状凝固物铺展面积更大，中心气体啧发坑更密集.
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表 1 合金名义成分/%
合金编号 Zn A1 Ni Cu 1 22.7 1.5 1.0 余量 2 22.7 2.0 1.0 余量 3 22.7 2.5 1.0 余量 4 22.7 3.0 1.0 余量 5 22.7 3.5 1.0 余量 
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表 2 合金实测成分/%
合金编号 Zn A1 Ni Cu 1 22.7 1.45 1.03 余量 2 22.7 1.95 1.05 余量 3 22.6 2.52 1.12 余量 4 22.4 3.05 1.06 余量 5 22.5 3.46 1.04 余量
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