摘要：导读:复杂黄铜凭借其较高的机械强度、优异的耐磨性被广泛用于制造航海、汽车工业的耐磨器件，尤其是汽车中的同步器齿环。综述了高强复杂黄铜的研究现状及其组织特点，并从基体组织结构，第二相的种类、形貌、分布以及体积分数等方面进行了深入探讨，列举了提...
导读:复杂黄铜凭借其较高的机械强度、优异的耐磨性被广泛用于制造航海、汽车工业的耐磨器件，尤其是汽车中的同步器齿环。综述了高强复杂黄铜的研究现状及其组织特点，并从基体组织结构，第二相的种类、形貌、分布以及体积分数等方面进行了深入探讨，列举了提高其综合性能的主要方法，旨在对复杂黄铜的设计和改进提供参考。
复杂黄铜是指在Cu-Zn合金中有选择性地添加Mn、Al、Si、Fe、Ni、Pb和Cr等合金元素，这些元素会以固溶或者原位反应合成第二相的形式存在于基体中，通过固溶强化或者第二相强化提高合金的力学性能，同时弥散分布的第二相会与基体形成硬质颗粒+韧性基体的理想耐磨组织。因此，为了获得性能优异的高强复杂黄铜不但要求合金基体具有较高的强度和韧性，还需要第二相的种类、形貌、分布以及体积分数也满足相应的要求。强韧性好的基体可以在摩擦过程中为第二相提供强力的支撑，避免基体发生严重的塑性变形、第二相被带出导致的材料失效；而合理的第二相分配不布可以提高材料的强度还会改善其磨损机制，这有利于建立稳定的摩擦润滑层，使材料可以更好地抵抗高速、重载工况下的冲击和磨损。本课题以汽车同步器齿环用高强复杂黄铜为例，总结了影响该类合金组织和性能的主要因素，以及相应的优化措施。
1 高强复杂黄铜的种类及特点
目前国内外市场上的高强复杂黄铜种类繁多，其基体主要由强度较高的β相组成。汽车同步器齿环普遍采用锰黄铜（Cu-Zn-Mn）和铝黄铜（Cu-Zn-Al）两大系列。表1列举了几种典型的高强复杂黄铜的化学成分及其对应的第二相，可以看出复杂黄铜中的第二相主要为Mn5Si3、Fe-Si、Ni-Fe-Si等硅化物以及Ni-Ti、Ni-Al等金属间化合物。通常这些第二相具有熔点高、硬度大的特点，这些第二相元素之间较负的吉布斯自由能使其反应便于发生，受合金基体的溶解度、相变以及热加工温度等因素的影响较小，因此具有较高的稳定性。在复杂黄铜基体上均匀、稳定地分布硬质颗粒是该类合金的共同特点。
图1为锰黄铜和镍黄铜的微观组织图。可以看到，在β黄铜基体中分别弥散着棒状Mn5Si3相和颗粒状NiAl(Si)相。这种第二相弥散分布在韧性基体中的理想耐磨架构既保证了材料具有较高强度，又可以在摩擦过程中形成合理的耐磨机制。通常，复杂黄铜的磨损失效往往是由于磨损机制的改变，基体发生塑性变形、裂纹萌生和扩展并导致第二相的破碎和拔出，加剧磨损。复杂黄铜的失效不仅与外部的服役条件相关，也和内部微观组织密切相关。
表1 复杂黄铜成分及对应的第二相
2 影响性能的因素
2.1基体相组成
复杂黄铜基体作为摩擦过程的主要承载部分，对合金的力学性能起到决定性作用，较高强度的基体材料可以在摩擦磨损过程中为硬质相提供强力的支撑，避免合金发生严重的塑性变形、硬质相被带出导致的材料失效，因此针对黄铜基体强塑性的调控就显得尤为重要。目前汽车同步器齿环主要使用以β相为主和少量α相配合的双相黄铜，因为少量α相不仅可以提高黄铜的伸长率，还有利于改善黄铜的耐磨性。方伟等在探究复杂黄铜摩擦磨损性能与显微组织的关系中表明：基体的相组成结构会影响合金的磨损机制，当基体由β相＋少量α相组成时，其磨损机制主要为粘着磨损；当基体只由单一β相组成时，其磨损机制主要为磨粒磨损。并发现基体中存在α相的黄铜磨损率要显著低于单一β相的黄铜，认为这是由于黄铜基体中少量的α相在摩擦过程中会首先被磨掉，留下的凹坑可以储存润滑油，从而起到减磨的作用。但黄铜中大量α相的存在则会影响合金强度，康布熙等在探究冷却速度对锰黄铜组织性能的影响中发现，随着冷却速度降低，黄铜中α相的体积分数增加，其合金硬度降低。无α相析出的黄铜其硬度（HB）可超过180，α相体积分数为4%的黄铜的硬度（HB）为165，且认为黄铜组织中α相的体积分数小于5%时既可以保证黄铜的强度又可以获得较好的耐磨性能。
细晶强化作为金属材料重要的强化机制之一，在相同的合金成分下小尺寸晶粒可以提供更大面积的晶界，从而有效阻碍位错运动，实现材料强度提高。因此，细化晶粒尺寸对于提高复杂黄铜的强塑性和耐磨性具有重要意义。
2.2第二相特征
众所周知，复合材料中第二相主要通过载荷传递强化、热膨胀系数失配强化和Orowan强化等来提高复合材料的力学性能。在基体成分确定的情况下，复杂黄铜的力学性能主要取决于第二相的种类、尺寸、形貌、分布以及含量等。因此，了解第二相对复合材料的作用机制对于后续第二相的调控是必要的。
第二相的体积分数作为复合材料中的基础参数，很大程度上决定了复合材料的强化效果。通常复合材料的抗拉强度、硬度和耐磨性都会随着第二相含量的增加而增加，但是其伸长率会随之下降，因此在第二相含量的设计时需考虑强度和塑性的平衡。张婉婷在探究第二相颗粒体积分数对复合材料力学性能的影响中认为，第二相颗粒的体积分数约为20%时复合材料可获得最佳的综合性能。当然不同材料在不同的服役条件下其最佳综合性能都对应不同的第二相体积分数，因此复杂黄铜中第二相的体积分数也需要根据其应用条件进行合理调控。
对于复杂黄铜中第二相尺寸，可分为两类：一是合金元素通过原位反应合成的初生第二相，其尺寸在几微米到几十微米之间；二是通过热处理在基体中析出的第二相，其尺寸大约在几十纳米到几微米之间。不同尺寸的第二相往往对应不同的强化机制，大尺寸的第二相主要为载荷传递强化以及热膨胀系数失配强化，小尺寸的第二相则主要为Orowan强化，但两者之间无明确界定。研究发现第二相的种类同样会影响复合材料的力学性能。
3 改善方法
3.1施加物理外场
研究表明，电磁场搅拌可以驱动金属液的流动，冲刷打碎凝固前沿的枝晶，使其游离到熔体中形成新的形核质点，提高形核率。并且流动的熔体可获得均匀的温度场，使得液穴内大量晶核在相似环境下各向同性长大，有利于获得细小均匀的等轴晶。此外，对于初生第二相易在凝固过程中出现偏聚的复杂黄铜，电磁场搅拌可以打碎大的第二相聚集团，使其均匀分布在基体中。
(a) 未施加电磁场 (b) 20 Hz, 10 A
(c) 20 Hz, 100 A (d) 60 Hz, 100 A
图2 不同频率和电流强度下复杂黄铜HPb58-2A的显微组织
表2 不同频率和电流强度下复杂黄铜HPb58-2A的力学性能
形变处理大多用于合金的晶粒细化，提高材料强度和塑性，而在复杂黄铜中形变处理不仅可以细化合金晶粒，还可以调控第二相的取向。比如锰黄铜中的棒状Mn5Si3第二相会在形变处理后呈现各向异性的取向分布，提高黄铜单个方向上的力学性能。图3为复杂黄铜铸态和热挤压态的微观组织图。可以看出，铸态下合金晶粒尺寸较大且第二相的取向随意分布，而经过热挤压后合金晶粒尺寸明显减小且第二相的取向一致，复合材料最终获得了抗拉强度为783 MPa，伸长率为5.89%。
(a) 铸态 (b) 热挤压态
图3 复杂黄铜CuZnMnAlSiFeCeB的微观组织
3.2合金化改性
在合金中添加微量元素是合金设计中常用的手段之一。微量元素可以细化合金晶粒尺寸，提高合金强度。如稀土元素不仅可以细化合金晶粒尺寸，还可以净化熔体减少晶界处脆性相的数量，提高晶界强度。此外，微量元素还会影响合金中第二相的形貌和分布，有些微量元素还会影响合金后续热处理过程中析出相的形核长大过程和析出顺序等。同时，这些调控手段往往具有连带作用，比如对第二相尺寸和体积分数的调控，也会影响基体的晶粒尺寸。熔体中生成的第二相会作为合金凝固时的异质形核点，并在晶粒的生长过程中通过对晶界的钉扎会阻止晶粒的长大，从而细化晶粒。
适量的Sr元素会明显改善第二相[Mn(Fe)]5Si3的形貌和尺寸并细化HMn64-8-5-1.5黄铜的晶粒，从而提高了其力学性能和耐磨性，见图4。
(a)w(Sr) =0 (b) w(Sr) = 0.15%
(c) 0 (d) w(Sr) = 0.15%
图4 不同Sr含量HMn64-8-5-1.5黄铜的微观组织图和低倍金相照片
3.3热处理
根据同步器齿环的基体组织要求为较多的β相和少量的α相，在合金化学成分确定的情况下，热处理工艺是调控相组成的有效手段。研究表明可以通过淬火、风吹冷却提高合金的冷却速度或者升高淬火温度的方式减少α相的析出量。此外，复杂黄铜中固溶的合金元素可以通过热处理在基体中得到大量的纳米颗粒，这些颗粒在合金的变形过程中可以通过Orowan强化机制提高材料的力学性能。图5为对T67300合金不同温度保温后的淬火组织。
(a)未处理 (b) 750 ℃
(c) 800 ℃ (d) 图c组织的TEM和SAED
图5 T67300复杂黄铜不同温度保温4h后淬火组织
4 结语
随着汽车行业的飞速发展，对高性能汽车同步器齿环的要求越来越高，这也对复杂黄铜的强度和耐磨性提出了更高的要求。近年来，多种多样的制备工艺、先进的表征手段以及数值模拟方法的应用，都为复杂黄铜的制备和研究提供了很大的技术支持。认为复杂黄铜中基体的相组成以及第二相的种类、形貌、分布和体积分数都会影响其机械强度和耐磨性，通过理解它们的作用机制，可以从合金成分的设计、凝固过程的控制以及后续的热处理对合金组织进行优化，最终提升复杂黄铜的综合性能。但是对于复杂黄铜中这些调控手段的协同机制是不清晰的，希望后续的工作可以对它们深入研究，开发出低成本、高性能的新型高强耐磨黄铜。
【本文引用格式】王贤龙，接金川，彭博，等. 复杂黄铜力学性能强化的研究现状[J].特种铸造及有色合金，2021,41（3）：284-288.
