錳黃銅

錳黃銅具有優異的力學性能、鑄造性能、切削性能以及成本低廉，成為螺旋槳的主要製造材料之一。錳黃銅除了用於製造螺旋槳外，還可用於製造汽車同步器齒環、軸承套、齒輪、冷凝器、閘門閥等。

基本介紹

• 中文名：錳黃銅
• 外文名：Manganese brass
• 特點：力學性能良好，導熱導電性低
• 用於：腐蝕條件下工作的重要零件
• 化學成分：鋅(Zn)餘量,鉛(Pb)≤0.01等
• 學科：冶金工程

簡介

錳黃銅具有優異的力學性能、鑄造性能、切削性能以及成本低廉，成為螺旋槳的主要製造材料之一。錳黃銅除了用於製造螺旋槳外，還可用於製造汽車同步器齒環、軸承套、齒輪、冷凝器、閘門閥等。但是在污染海水中，錳黃銅會發生脫Zn 腐蝕，而且耐空泡腐蝕的性能也較差，導致錳黃銅螺旋槳易發生腐蝕疲勞斷裂。而銅-鋯二元相圖表明，鋯加入錳黃銅中會先析出Cu5Zr 或Cu3Zr 強化相，作為後續的形核質點，起到細晶強化的作用。研製了一種新型鋯微合金化錳黃銅，測試分析了其硬度、微觀組織、均勻腐蝕性能、電化學腐蝕性能、摩擦性能以及力學性能的變化。

金相組織和硬度

通過錳黃銅的金相組織可以看出，亮白色的不規則條狀或塊狀是以為主的固溶體組織α 相；α 相以外的暗灰色區是以電子化合物CuZn 為基的固溶體β 相；黑色(C 區)的小點是硬質點κ 相（富鐵相等），主要分布在β 相中，也有少部分存在於α 相中。鋯微合金化後，錳黃銅的晶粒更加細小、數量更多，分布也更加彌散。EDS 成分分析顯示，A 區成分為60.56Cu、35.51Zn、2.52Al、1.42Mn；B 區成分為56.84Cu、40.12Zn、1.15Al、1.89Mn；C 區成分為75.56Fe、8.26Si、6.96Al、3.06Mn、3.00Cu、2.05Zn、1.11Ni。鋯微合金化錳黃銅的硬度為175.3 HV0.2，而未微合金化錳黃銅的硬度為158.4 HV0.2，前者比後者硬度提高了9.6%。

均勻腐蝕性能

通過合金均勻腐蝕的質量損失、表面積以及腐蝕速率可以看出，鋯微合金化和未合金化的錳黃銅都處在腐蝕四級標準中的優良級中，並且前者的腐蝕速率比後者降低了4.9%。

通過錳黃銅在3.5%NaCl 溶液中經均勻腐蝕後的表面SEM 形貌可以看出，鋯微合金化和未合金化的錳黃銅均發生了腐蝕，並有一些凹坑。不同的是，未合金化的錳黃銅表面出現明顯凸出表面的塊狀組織以及相對較多、較大的凹坑。

說明α 固溶體腐蝕程度較輕，腐蝕主要發生在β 相和κ 相中。鋯微合金化的錳黃銅表面塊狀組織以及凹坑均很少。說明鋯微合金化的鑄態錳黃銅在3.5% NaCl 溶液中的耐蝕性能更好。

電化學腐蝕性能

通過未合金化和鋯微合金化錳黃銅在室溫3.5%NaCl 溶液中的動電位極化曲線。以及自腐蝕電位、腐蝕電流密度和腐蝕速率數值。可以看出，二者都發生了鈍化，但是鋯微合金化錳黃銅的鈍化電流密度更大。可以看出，鋯微合金化錳黃銅的自腐蝕電位比未微合金化的高，說明前者的腐蝕傾向更低。可能是由於錳黃銅中的κ 相(富鐵相)發生了剝落，留下了自腐蝕電位較正的α 相即富銅相，在鋯微合金化錳黃銅中的α相更細，數量更多，從而使自腐蝕電位發生了正移。

採用傳統Tafel 擬合計算得出腐蝕速率。與未微合金化的錳黃銅相比，鋯微合金化的錳黃銅腐蝕速率降低了74.5%，說明其電化學耐蝕性更好。

摩擦磨損性能

通過錳黃銅在室溫下的濕摩擦係數隨磨損時間變化曲線可以看出，未合金化和鋯微合金化的濕摩擦係數變動幅度均較小，都有較優的耐磨性能。但是鋯微合金化的錳黃銅具有更低的平均摩擦係數(0.0254)，與未合金化的錳黃銅(0.0315)相比降低了19.3%。

通過錳黃銅的磨痕形貌可以看出，摩擦後的表面特徵有如下幾點：

①沿滑動方向上存在著明顯的犁溝，犁溝深且多；

②犁溝旁邊均出現了部分承載面。說明該區域在摩擦力的作用下發生了塑性變形，但沒有發現裂紋，表明無脆性斷裂現象。

力學性能

通過鑄態錳黃銅的拉伸性能可以看出，微量元素鋯的加入，使錳黃銅的抗拉強度提高5.5%，屈服強度提高了24.2%，但是伸長率降低了6.5%。這是由於鋯在錳黃銅中起到細晶強化的作用，而位錯增強導致了合金塑性降低，伸長率也會相應的減小。

通過錳黃銅的斷口形貌可以看出，未合金化的錳黃銅斷口韌窩尺寸相對較大。添加了微量元素鋯後斷口組織比較細小，且韌窩尺寸及分布都比較均勻，顯示出明顯的韌性斷裂特徵。但是微合金化錳黃銅斷口中還有明顯粗大κ 相的斷裂痕跡，這也是微孔長大聚合速度加快，合金強度提高不大、伸長率下降的主要原因。

鋯微錳黃銅性能

與未微合金化錳黃銅相比，鋯微合金化錳黃銅具有更好的耐腐蝕性能、摩擦性能和力學性能。其機理討論如下。

（1） 鋯在銅中的固溶度極小，可形成ZrCu5或ZrCu 強化相，大量強化相可成為後續形核的質心，阻礙再結晶和晶粒長大，起到細化晶粒的作用。眾多彌散分布的κ 相以及細化的α 相綜合提高了合金的硬度。

（2） 鋯元素加入銅中，一方面提高了合金的自腐蝕電位，降低了合金的耐蝕傾向。另一方面，細化了晶粒組織，使晶界增多，降低了腐蝕擴張的速率，阻礙了腐蝕貫通通道的形成。

（3） 錳黃銅內眾多彌散分布的軟基體相和硬質點易於駐留液態介質，起到一定的減磨作用。硬度的提高在一定程度上也會提高合金的摩擦性能。

（4） 鋯微合金化錳黃銅力學性能提高有以下兩點原因：

①鋯的加入細化了合金組織，具有較大的彌散強化作用；

②晶粒細化、晶界增多，並且合金在凝固過程中產生了大量的位錯，從而產生很大的形變強化效果。

總結

與未微合金化錳黃銅相比，鋯微合金化錳黃銅的組織更細，硬度更高，其均勻腐蝕速率降低了4.9%，電化學腐蝕速率降低了74.5%，摩擦係數降低了19.3%，抗拉強度和屈服強度分別提高了5.5%和24.2%。