CN110499436A - 一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜及其制备方法 - Google Patents

一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜，按照质量百分比由以下组分组成：石墨0.5‑3.0wt.％，钛0.3‑3.0wt.％，其余为Cu40Zn黄铜，以上组分的质量百分比总和为100％。本发明还公开了该无铅高强易切削钛增强石墨黄铜的制备方法，采用该方法制备的无铅高强易切削钛增强石墨黄铜具有较高的强度和硬度，通过调控石墨与钛粉的配比以及在黄铜中的含量，使得黄铜的切削性能与力学性能同时得到提升并达到平衡。

Description

一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜及其制备方法
技术领域
本发明属于高强易切削合金技术领域，涉及一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜，还涉及该无铅高强易切削钛增强石墨黄铜的制备方法。
背景技术
Cu40Zn合金具有良好的力学性能，优良的导电导热性以及耐蚀性而在航空航天、船舶运输、汽车机械、电力电子及输水管道等各个领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景。Cu40Zn合金中通常需要添加0.5～3.2％的铅(Pb)，以提高切削性能从而降低其加工成本。然而，Pb会造成严重的环境污染，危害人体健康。世界卫生组织在1992年提出，在饮用水中铅的含量不能高于1.1×10-5。美国、欧盟近年来相继推出了RoHS、WEEE等一系列法规严厉限制和禁止铅的适用。我国于2001年在《生活用水卫生规范》中规定了铅所允许的析出量。另一方面，随着产业技术革命和我国装备制造业转型升级、重大工程项目和战略新兴产业的发展，高比强度和加工性能优良的黄铜合金的需求在迅速增加，这些因素极大地促进了高性能无铅易切削黄铜的研究开发。
石墨(Graphite,Gr)是一种优良的固体润滑剂，其在铜中的溶解度很小，弥散分布于铜基体中的石墨颗粒在切削过程中能够起到类似于铅颗粒的断屑作用和润滑作用，减小刀具磨损从而延长刀具使用寿命。另外由于石墨价格低廉，资源丰富，石墨黄铜已经成为易切削黄铜研究的热点之一。石墨黄铜的制备方法主要分为铸造法和粉末冶金法。对于铸造法而言，石墨与黄铜基体的润湿性差并且比重差大，石墨在铸造过程中易上浮，难以均匀地分布在黄铜基体中，弱化材料的性能。对于粉末冶金法而言，由于石墨与黄铜之间不发生反应，只是单纯的机械咬合，界面结合强度较差，受力时石墨/黄铜界面会成为裂纹源优先发生断裂，劣化石墨黄铜的力学性能。石墨黄铜的切削性能与力学性能此消彼长的矛盾成为制约其发展的主要瓶颈。
为开发性能优异的无铅黄铜，国内外研究人员开展了大量的研究工作。但是界面问题是影响石墨黄铜材料性能的主要因素，界面的结构与性质决定着材料的最终性能，而成分之间润湿性的好坏则是影响材料界面结构与性能的关键因素。铜与石墨既不润湿也不发生反应，虽然采用粉末冶金法可以改善石墨在黄铜基体中的分散问题，但是两种粉末也只是机械互锁结合，界面结合不牢固；另一方面，铜与石墨较大的的热膨胀系数差(α石墨＝(4～6)×10-6/K，α铜＝(16～18)×10-6/K)容易产生大的热应力，这些都是严重影响石墨/黄铜材料性能的主要因素。石墨黄铜存在切削性能与力学性能此消彼长的矛盾，主要是由于石墨与黄铜界面既不润湿也不发生反应。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜，解决了现有无铅石墨黄铜的切削性能与抗拉强度不能兼顾的问题。
本发明的另一个目的是提供一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜的制备方法。
本发明所采用的第一技术方案是，一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜，按照质量百分比由以下组分组成：石墨0.5-3.0wt.％，钛0.3-3.0wt.％，其余为黄铜，以上组分的质量百分比总和为100％。
本发明的技术特征还在于，
其中，黄铜为Cu40Zn黄铜。
钛增强石墨黄铜中钛与石墨的质量比为0.3～5:1。
本发明所采用的第二技术方案是，一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，称取原料
按照质量百分比分别称取以下原料粉末，石墨0.5-3.0wt.％，钛0.3-3.0wt.％，其余为黄铜，以上组分的质量百分比总和为100％；
步骤2，混粉
采用行星球磨机将步骤1称取的钛粉和石墨粉按0.3～5:1的比例混合均匀，得到钛-石墨混合粉末；再将钛-石墨混合粉末与步骤1称取的黄铜粉采用振动球磨混合均匀，得到钛-石墨-黄铜混合粉末；
步骤3，固化烧结
将钛-石墨-黄铜混合粉末压坯成型后在真空环境或者惰性气氛中进行烧结，烧结的最高温度为650～800℃，在最高烧结温度下保温0.5～2小时，即制得钛增强石墨黄铜块体；
步骤4，对钛增强石墨黄铜块体进行热挤压或拉拔加工，即制得无铅高强易切削钛增强石墨黄铜。
步骤1中，原料粉末中的黄铜为Cu40Zn黄铜。
步骤1中，黄铜粉末的粒径为10μm～200μm，钛粉的粒径为1μm～100μm，石墨粉的粒径为1μm～100μm。
步骤2中，混合钛粉和石墨粉过程中，球磨的球料比为3～15:1，球磨机转速为100～300转/分钟，球磨时间为4～8小时，球磨介质为无水乙醇。
步骤2中，采用振动球磨机混合钛-石墨混合粉末与黄铜粉，球磨时间为1～6小时，球料比为3～15:1，球磨转速为100～300转/分钟。
步骤3中，烧结为放电等离子烧结或者热压烧结。
步骤4中，对钛增强石墨黄铜块体进行加工前先进行预热，预热温度为550-650℃，预热时间为5min～60min。
本发明的有益效果是，采用粉末冶金工艺，可避免石墨与黄铜因比重差而出现偏聚，在材料中形成缺陷，降低材料性能；在黄铜中添加石墨，提高黄铜切削性能，在石墨黄铜中引入钛，通过钛在黄铜中的固溶、析出弥散强化，以及钛与铜之间反应生成多种金属间化合物(Cu2Ti4O等)，提升石墨黄铜的力学性能；另外，钛与石墨发生界面反应生成碳化钛，可以有效改善石墨与黄铜的界面润湿性，增强二者界面结合强度，生成的碳化钛硬质颗粒同样也会起到断屑作用，改善黄铜切削性能；粉末混合时，先将钛粉与石墨粉进行混合可以有效促进二者充分接触，有利于烧结过程中有益界面反应的发生；通过调控石墨与钛粉之间的配比以及其在黄铜材料中的占比，可使黄铜的切削性能与力学性能同时得到提高并达到平衡。
附图说明
图1是本发明中钛-石墨-黄铜制备过程中的组织演化规律示意图；
图2是实施例1制得的0.3Ti-0.5Gr-Cu40Zn混合粉末形貌；
图3是图2中A处的局部放大图；
图4是实施例1制得的0.3Ti-0.5Gr-Cu40Zn混合粉末中C元素分布图；
图5是实施例1制得的0.3Ti-0.5Gr-Cu40Zn混合粉末中Ti元素分布图；
图6是实施例1制得的0.3Ti-0.5Gr-Cu40Zn混合粉末中Cu元素分布图；
图7是实施例1制得的0.3Ti-0.5Gr-Cu40Zn混合粉末中Zn元素分布图；
图8为实施例1-5制得的钛-石墨-黄铜混合粉末X射线衍射图；
图9为对比例3、实施例2和实施例4所制备的1.9Ti-Cu40Zn、1.9Ti-0.5Gr-Cu40Zn、1.9Ti-1.0Gr-Cu40Zn三种材料的X射线衍射图谱；
图10为实施例2制备的1.9Ti-0.5Gr-Cu40Zn材料的透射电镜照片；
图11为图10中亮白色区域的放大图；
图12为图11中HR1区域的放大图；
图13为实施例2制备的1.9Ti-0.5Gr-Cu40Zn材料的透射电镜照片；
图14为实施例2制备的1.9Ti-0.5Gr-Cu40Zn材料的透射电镜照片；
图15为实施例2制备的1.9Ti-0.5Gr-Cu40Zn材料的透射电镜照片；
图16为实施例2制备的1.9Ti-0.5Gr-Cu40Zn材料的透射电镜照片；
图17为图16中石墨与黄铜基体界面标记区域的选区电子衍射花样；
图18为实施例1-4以及对比例1-5所制得试样的切削力结果
图19为实施例1制得材料的切削屑形貌照片；
图20为实施例2制得材料的切削屑形貌照片；
图21为实施例3制得材料的切削屑形貌照片；
图22为实施例4制得材料的切削屑形貌照片；
图23为对比例1制得材料的切削屑形貌照片；
图24为对比例3制得材料的切削屑形貌照片；
图25为对比例4制得材料的切削屑形貌照片；
图26为对比例5制得材料的切削屑形貌照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本发明一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜，按照质量百分比由以下组分组成：石墨0.5-3.0wt.％，钛0.3-3.0wt.％，其余为黄铜，以上组分的质量百分比总和为100％；黄铜为Cu40Zn黄铜，即该黄铜中铜(Cu)的质量百分比为60wt.％，锌(Zn)的质量百分比为40wt.％。
钛增强石墨黄铜中钛与石墨的质量比为0.3～5:1。
本发明一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，称取原料
按照质量百分比分别称取以下原料粉末，石墨0.5-3.0wt.％，钛0.3-3.0wt.％，其余为黄铜，以上组分的质量百分比总和为100％；原料中的黄铜粉末为Cu40Zn黄铜粉末，即该黄铜粉末中铜(Cu)的质量百分比为60wt.％，锌(Zn)的质量百分比为40wt.％；黄铜粉末的粒径为10μm～200μm，钛粉的粒径为1μm～100μm，石墨粉的粒径为1μm～100μm。
步骤2，混粉
采用行星球磨机将步骤1称取的钛粉和石墨粉按0.3～5:1的比例混合均匀，得到钛-石墨混合粉末；再将钛-石墨混合粉末与步骤1称取的黄铜粉混合均匀，得到钛-石墨-黄铜混合粉末；
混合钛粉和石墨粉过程中，球磨的球料比为3～15:1，球磨机转速为100～300转/分钟，球磨时间为4～8小时，球磨介质为无水乙醇；采用振动球磨机混合钛-石墨混合粉末与黄铜粉，球磨时间为1～6小时，球料比为3～15:1，球磨转为100～300转/分钟。
步骤3，固化烧结
将钛-石墨-黄铜混合粉末压坯成型后在真空环境或者惰性气氛中进行烧结，烧结的最高温度为650～800℃，在最高烧结温度下保温0.5～2小时，即制得钛增强石墨黄铜块体；烧结为放电等离子烧结或者热压烧结。
步骤4，对钛增强石墨黄铜块体进行预热，预热温度为550-650℃，预热时间为5min～60min，然后对钛增强石墨黄铜块体进行热挤压或拉拔加工，即制得无铅高强易切削钛增强石墨黄铜。
实施例1
制备一种0.3Ti-0.5Gr-Cu40Zn无铅高强易切削钛增强石墨黄铜材料，具体步骤如下：
步骤1，称取原料
按照质量百分比分别称取以下原料粉末，石墨0.5wt.％，钛0.3wt.％，Cu40Zn黄铜99.2wt.％，以上组分的质量百分比总和为100％；其中，石墨粉和钛粉均采用氢化脱氢法制备而成，钛粉的粒径为10μm，石墨粉的粒径为5μm，Cu40Zn黄铜粉末的粒径为10μm；
步骤2，混粉
采用行星球磨法将步骤1称取的钛粉和石墨粉混合均匀，得到钛-石墨混合粉末；再将钛-石墨混合粉末与步骤1称取的Cu40Zn黄铜粉混合均匀，得到钛-石墨-黄铜混合粉末；
混合钛粉和石墨粉过程中采用Ar气氛进行保护，球磨的球料比为10:1，球磨机转速为260r/min，球磨时间为6小时，球磨介质为无水乙醇；采用振动球磨机混合钛-石墨混合粉末与黄铜粉，球磨时间为6小时，球料比为10:1，球磨转为260r/min。
步骤3，固化烧结
将钛-石墨-黄铜混合粉末压坯成型后在惰性气氛中进行热压烧结，烧结过程中的最高温度为750℃，在最高烧结温度下保温30分钟，即制得钛增强石墨黄铜块体；
步骤4，对钛增强石墨黄铜块体进行600℃的预热，在600℃下保温20min后，对其进行热挤压，即制得0.3Ti-0.5Gr-Cu40Zn无铅高强易切削钛增强石墨黄铜，热挤压的挤压比为18:1，挤压速度为3mm/s。
实施例2
制备一种1.9Ti-0.5Gr-Cu40Zn无铅高强易切削钛增强石墨黄铜材料，具体步骤如下：
步骤1，称取原料
按照质量百分比分别称取以下原料粉末，石墨0.5wt.％，钛1.9wt.％，Cu40Zn黄铜97.6wt.％，以上组分的质量百分比总和为100％；其中，石墨粉和钛粉均采用氢化脱氢法制备而成，钛粉的粒径为30μm，石墨粉的粒径为20μm，Cu40Zn黄铜粉末的粒径为30μm；
步骤2，混粉
采用行星球磨法将步骤1称取的钛粉和石墨粉混合均匀，得到钛-石墨混合粉末；再将钛-石墨混合粉末与步骤1称取的Cu40Zn黄铜粉混合均匀，得到钛-石墨-黄铜混合粉末；
混合钛粉和石墨粉过程中采用Ar气氛进行保护，球磨的球料比为8:1，球磨机转速为160r/min，球磨时间为5小时，球磨介质为无水乙醇；采用振动球磨机混合钛-石墨混合粉末与黄铜粉，球磨时间为6小时，球料比为12:1，球磨转为260r/min。
步骤3，固化烧结
将钛-石墨-黄铜混合粉末压坯成型后在惰性气氛中进行热压烧结，烧结过程中的最高温度为720℃，在最高烧结温度下保温40分钟，即制得钛增强石墨黄铜块体；
步骤4，对钛增强石墨黄铜块体进行580℃的预热，在580℃下保温30min后，对其进行热挤压，即制得1.9Ti-0.5Gr-Cu40Zn无铅高强易切削钛增强石墨黄铜，热挤压的挤压比为18:1，挤压速度为3mm/s。
实施例3
制备一种0.3Ti-1.0Gr-Cu40Zn无铅高强易切削钛增强石墨黄铜材料，具体步骤如下：
步骤1，称取原料
按照质量百分比分别称取以下原料粉末，石墨1.0wt.％，钛0.3wt.％，Cu40Zn黄铜98.7wt.％，以上组分的质量百分比总和为100％；其中，石墨粉和钛粉均采用氢化脱氢法制备而成，钛粉的粒径为40μm，石墨粉的粒径为40μm，Cu40Zn黄铜粉末的粒径为50μm；
步骤2，混粉
采用行星球磨法将步骤1称取的钛粉和石墨粉混合均匀，得到钛-石墨混合粉末；再将钛-石墨混合粉末与步骤1称取的Cu40Zn黄铜粉混合均匀，得到钛-石墨-黄铜混合粉末；
混合钛粉和石墨粉过程中采用Ar气氛进行保护，球磨的球料比为12:1，球磨机转速为260r/min，球磨时间为4小时，球磨介质为无水乙醇；采用振动球磨机混合钛-石墨混合粉末与黄铜粉，球磨时间为3小时，球料比为12:1，球磨转为160r/min。
步骤3，固化烧结
将钛-石墨-黄铜混合粉末压坯成型后在惰性气氛中进行热压烧结，烧结过程中的最高温度为720℃，在最高烧结温度下保温40分钟，即制得钛增强石墨黄铜块体；
步骤4，对钛增强石墨黄铜块体进行600℃的预热，在600℃下保温20min后，对其进行热挤压，即制得0.3Ti-1.0Gr-Cu40Zn无铅高强易切削钛增强石墨黄铜，热挤压的挤压比为18:1，挤压速度为3mm/s。
实施例4
制备一种1.9Ti-1.0Gr-Cu40Zn无铅高强易切削钛增强石墨黄铜材料，具体步骤如下：
步骤1，称取原料
按照质量百分比分别称取以下原料粉末，石墨1.0wt.％，钛1.9wt.％，Cu40Zn黄铜97.1wt.％，以上组分的质量百分比总和为100％；其中，石墨粉和钛粉均采用氢化脱氢法制备而成，钛粉的粒径为20μm，石墨粉的粒径为20μm，Cu40Zn黄铜粉末的粒径为20μm；
步骤2，混粉
采用行星球磨法将步骤1称取的钛粉和石墨粉混合均匀，得到钛-石墨混合粉末；再将钛-石墨混合粉末与步骤1称取的Cu40Zn黄铜粉混合均匀，得到钛-石墨-黄铜混合粉末；
混合钛粉和石墨粉过程中采用Ar气氛进行保护，球磨的球料比为15:1，球磨机转速为300r/min，球磨时间为7小时，球磨介质为无水乙醇；采用振动球磨机混合钛-石墨混合粉末与黄铜粉，球磨时间为7小时，球料比为15:1，球磨转为260r/min。
步骤3，固化烧结
将钛-石墨-黄铜混合粉末压坯成型后在惰性气氛中进行热压烧结，烧结过程中的最高温度为760℃，在最高烧结温度下保温40分钟，即制得钛增强石墨黄铜块体；
步骤4，对钛增强石墨黄铜块体进行600℃的预热，在600℃下保温20min后，对其进行热挤压，即制得1.9Ti-1.0Gr-Cu40Zn无铅高强易切削钛增强石墨黄铜，热挤压的挤压比为18:1，挤压速度为3mm/s。
实施例5
制备一种3.0Ti-3.0Gr-Cu40Zn无铅高强易切削钛增强石墨黄铜材料，具体步骤如下：
步骤1，称取原料
按照质量百分比分别称取以下原料粉末，石墨3.0wt.％，钛3.0wt.％，Cu40Zn黄铜94.0wt.％，以上组分的质量百分比总和为100％；其中，石墨粉和钛粉均采用氢化脱氢法制备而成，钛粉的粒径为10μm，石墨粉的粒径为5μm，Cu40Zn黄铜粉末的粒径为10μm；
步骤2，混粉
采用行星球磨法将步骤1称取的钛粉和石墨粉混合均匀，得到钛-石墨混合粉末；再将钛-石墨混合粉末与步骤1称取的Cu40Zn黄铜粉混合均匀，得到钛-石墨-黄铜混合粉末；
混合钛粉和石墨粉过程中采用Ar气氛进行保护，球磨的球料比为15:1，球磨机转速为300r/min，球磨时间为4小时，球磨介质为无水乙醇；采用振动球磨机混合钛-石墨混合粉末与黄铜粉，球磨时间为1小时，球料比为15:1，球磨转为300r/min。
步骤3，固化烧结
将钛-石墨-黄铜混合粉末压坯成型后在惰性气氛中进行热压烧结，烧结过程中的最高温度为800℃，在最高烧结温度下保温30分钟，即制得3.0Ti-3.0Gr-Cu40Zn钛增强石墨黄铜块体；
步骤4，对3.0Ti-3.0Gr-Cu40Zn钛增强石墨黄铜块体进行650℃的预热，在650℃下保温5min后，对其进行热挤压，即制得3.0Ti-3.0Gr-Cu40Zn无铅高强易切削钛增强石墨黄铜，热挤压的挤压比为18:1，挤压速度为3mm/s。
实施例6
制备一种2.5Ti-0.5Gr-Cu40Zn无铅高强易切削钛增强石墨黄铜材料，具体步骤如下：
步骤1，称取原料
按照质量百分比分别称取以下原料粉末，石墨0.5wt.％，钛2.5wt.％，Cu40Zn黄铜97wt.％，以上组分的质量百分比总和为100％；其中，石墨粉和钛粉均采用氢化脱氢法制备而成，钛粉的粒径为40μm，石墨粉的粒径为40μm，Cu40Zn黄铜粉末的粒径为50μm；
步骤2，混粉
采用行星球磨法将步骤1称取的钛粉和石墨粉混合均匀，得到钛-石墨混合粉末；再将钛-石墨混合粉末与步骤1称取的Cu40Zn黄铜粉混合均匀，得到钛-石墨-黄铜混合粉末；
混合钛粉和石墨粉过程中采用Ar气氛进行保护，球磨的球料比为3:1，球磨机转速为100r/min，球磨时间为8小时，球磨介质为无水乙醇；采用振动球磨机混合钛-石墨混合粉末与黄铜粉，球磨时间为6小时，球料比为3:1，球磨转为100r/min。
步骤3，固化烧结
将钛-石墨-黄铜混合粉末压坯成型后在惰性气氛中进行热压烧结，烧结过程中的最高温度为650℃，在最高烧结温度下保温120分钟，即制得2.5Ti-0.5Gr-Cu40Zn钛增强石墨黄铜块体；
步骤4，对钛增强石墨黄铜块体进行550℃的预热，在550℃下保温60min后，对其进行热挤压，即制得2.5Ti-0.5Gr-Cu40Zn无铅高强易切削钛增强石墨黄铜，热挤压的挤压比为18:1，挤压速度为3mm/s。
对比例1
制备一种Cu40Zn黄铜材料
选取纯黄铜粉末作为原料，其余工艺及工艺参数均与实施例1中的相同，制得一种Cu40Zn黄铜材料。
对比例2
制备一种0.3Ti-Cu40Zn钛增强黄铜材料
按照质量百分比分别称取以下原料粉末，钛0.3wt.％，Cu40Zn黄铜99.7wt.％，以上组分的质量百分比总和为100％；其余工艺及工艺参数均与实施例1中的相同，制得0.3Ti-Cu40Zn钛增强黄铜材料。
对比例3
制备一种1.9Ti-Cu40Zn钛增强黄铜材料
按照质量百分比分别称取以下原料粉末，钛1.9wt.％，Cu40Zn黄铜98.1wt.％，以上组分的质量百分比总和为100％；其余工艺及工艺参数均与实施例1中的相同，制备得到1.9Ti-Cu40Zn钛增强黄铜材料。
对比例4
制备一种0.5Gr-Cu40Zn石墨黄铜材料。
按照质量百分比分别称取以下原料粉末，石墨0.5wt.％，Cu40Zn黄铜99.5wt.％，以上组分的质量百分比总和为100％；其余工艺及工艺参数均与实施例1中的相同，制备得到0.5Gr-Cu40Zn石墨黄铜材料。
对比例5
制备一种1.0Gr-Cu40Zn石墨黄铜材料。
按照质量百分比分别称取以下原料粉末，石墨1.0wt.％，Cu40Zn黄铜99.0wt.％，以上组分的质量百分比总和为100％；其余工艺及工艺参数均与实施例1中的相同，制备得到1.0Gr-Cu40Zn材料。
对实施例1-6制备的无铅高强易切削钛增强石墨黄铜材料和比例1-5制备的材料进行微观形貌、物相组成和显微组织的观察对比，并测试比较其力学性能。
图1是本发明无铅高强易切削钛增强石墨黄铜的组织演化规律示意图，从图1中可看出，烧结钛-石墨-黄铜块体过程中，黄铜基体中产生析出相，实现弥散强化，黄铜基体间钛-石墨发生反应生成碳化钛可以有效改善石墨与黄铜的润湿性，钛与黄铜基体发生反应生成多种金属间化合物(Cu2Ti4O等)，提升石墨黄铜力学性能。对烧结块体进行挤压后，黄铜基体、钛和石墨之间形成黄铜/析出相/黄铜界面和石墨/反应相/黄铜界面。
图2为实施例1制得的0.3Ti-0.5Gr-Cu40Zn混合粉末形貌图，图3是图2中A处的局部放大图，图4～7分别是实施例1制得的0.3Ti-0.5Gr-Cu40Zn混合粉末中C、Ti、Cu和Zn元素分布图，从图2～图3中可以看出，经过行星球磨6h的钛-石墨混合粉末再与Cu40Zn粉混合6h之后，Gr与Ti均匀地分散在Cu40Zn颗粒之间。图4～7的元素分布图中显示，钛、石墨元素均匀地分散在铜、锌元素之间，即表明通过本申请中的混合工艺可以将钛与石墨均匀地分散在黄铜基体中。
图8为实施例1-5制得的钛-石墨-黄铜混合粉末X射线衍射图。可以看出，经过预先球磨混合的钛-石墨混合粉末再与Cu40Zn粉末混合后，在混合粉末X射线衍射图谱中可以清晰地观察到Gr、Ti和Cu40Zn的特征衍射峰，除此之外并无其他生成物衍射峰。即说明，经过本申请中的混合工艺不会改变原始粉末的物相组成。
图9为对比例3、实施例2和实施例4所制备的1.9Ti-Cu40Zn、1.9Ti-0.5Gr-Cu40Zn、1.9Ti-1.0Gr-Cu40Zn三种材料的X射线衍射图谱。与混合粉末相比，挤压态试样的X射线衍射图谱中只能检测到Gr的特征衍射峰，而Ti的特征衍射峰消失。对比三种挤压态试样的X射线衍射图谱，发现在41°出现了新的衍射峰，并且其峰强随Gr含量增加呈现下降趋势。经与标准PDF卡片对比可确认该衍射峰对应产物为Cu2Ti4O，而在Cu40Zn-1.0Gr-1.9Ti试样中Cu2Ti4O的衍射峰变弱。该结果表明在Ti含量一定时，Gr含量的增加对于Cu2Ti4O的生成具有抑制作用，石墨含量越高，其抑制作用越强。
图10～图17为实施例2制备的1.9Ti-0.5Gr-Cu40Zn材料的透射电镜照片和衍射花样，观察这些图发现，图10中存在沿特定方向分布的具有层片状结构的长条状物质(如白色箭头所示)，尺寸大小为微米级别；图11是图10的放大图，图11中显示，亮白色区域为片状石墨颗粒，颜色较深的区域为黄铜基体。对图11中的HR1区域做高分辨(图12)可以看出，深色区域的晶面间距为0.219nm，对应黄铜α相的(111)晶面；浅色区域的晶面间距为0.349nm，对应石墨的(002)晶面，二者存在明显的界面层。图13为实施例2制备的1.9Ti-0.5Gr-Cu40Zn材料的透射电镜照片，图13显示，基体组织中还出现了大量的弥散分布的纳米析出相，其晶面间距为0.251nm，与Ti的(100)晶面相对应，表明其为析出纳米Ti颗粒。对图14中HR2区域界面两侧进行透射电镜高分辨分析，其高分辨照片如图15所示，从图15中可以看出，该图中存在明显的界面层，界面之间结合良好，根据晶面间距可以确定界面层左侧为黄铜中的α相，右侧为Cu2Ti4O，因此可以确定图14中的深色纳米颗粒为加入的钛与黄铜基体反应生成的Cu2Ti4O金属间化合物。图16为实施例2制备的1.9Ti-0.5Gr-Cu40Zn材料的透射电镜照片，图17为图16中石墨与黄铜基体界面标记区域的选区电子衍射花样，测量衍射环半径后计算其晶面间距分别为0.251nm、0.211nm和0.153nm，分别对应TiC的(111)、(200)、(220)晶面，因此可以进一步确认在石墨表面有TiC生成。综合透射电镜照片结果可知，当Gr与Ti同时加入黄铜中时，Ti是以Cu2Ti4O、富含钛的纳米析出相以及TiC的形式弥散分布于黄铜基体中，并且石墨表面有TiC的生成，TiC的存在有助于改善石墨与黄铜基体润湿性，从而可以提高二者的界面结合，改善黄铜切削性能的同时大幅提高黄铜力学性能。
图18为实施例1-4以及对比例1-5所制得试样的切削力结果。切削力的大小可以直接反应材料切削性能的优劣。本申请采用三向测力仪测试三向切削力的大小。由图可以看出，在钛含量相同的条件下，材料的切削力随着石墨含量的增加而显著下降，即表明Gr作为一种优良的固体润滑剂，均匀分布在Cu40Zn基体上时切断基体的连续性，在切削加工过程中，在Gr处容易出现应力集中，产生微裂纹，之后扩展断屑，并且在切削过程中可以减小刀具和加工试样表面的摩擦，减小切削力，石墨的加入有效地改善了黄铜的切削性能。而石墨含量一定时，随着钛含量的增加材料的切削力呈逐渐升高的趋势，原因在于Ti粉加入到石墨黄铜中时，Ti优先与Gr反应生成TiC，TiC是一种陶瓷相，也可以起到断屑作用，降低切削力，但是与此同时会生成的Cu2Ti4O并析出纳米钛颗粒，造成材料的强度、硬度提高导致切削力增大。因此在同时添加Ti和Gr时，可以在改善材料切削性能的同时大幅提高黄铜力学性能。
图19-22分别为实施例1-4制得材料的切削屑形貌照片，图23为对比例1制得材料的切削屑形貌照片，图24-26分别为对比例3-5制备材料的切削屑形貌照片。从这些图中可以看出，纯黄铜的切削屑为细长的螺旋状，容易缠绕刀具划伤试样，因此切削性能差。当石墨含量为0.5％时，切削屑的形貌为C型屑，切削屑长度约为0.3cm，表明石墨颗粒具有明显的断屑作用。随着Ti含量的增加，切削屑尺寸略有增大，但是仍然保持C型屑的形貌。C型屑在切削过程中可以减少切削屑缠绕在刀具表面从而划伤工件表面等问题，有利于提高切削质量与切削效率。当石墨含量为1.0％时，切屑成碎屑状，并且随着Ti含量的增加，碎屑状切削逐渐向短C型屑状切屑发展。碎屑状切屑一般通过脆性断裂的方式产生，这种切削屑尺寸及形貌的变化主要来源于Gr与Ti的含量以及配比。Ti含量一定时，随着石墨含量的增加，生成的TiC的量增加，断屑作用增加，切屑逐渐由C型屑向碎屑变化。Gr含量相同时，随着Ti含量的增加，虽然生成的Cu2Ti4O的含量增加，但是TiC的含量基本相同，对切屑形貌的影响相同，因此切屑表现出相似的形貌。Ti-Gr-Cu40Zn黄铜中的石墨颗粒以及通过界面反应生成的TiC可以起到断屑作用，从而改善了材料的切削性能。综上所述，通过石墨和钛在黄铜中的复合作用，可以在改善Ti-Gr-Cu40Zn黄铜切削性能的同时显著提升其力学性能。
表1列出了本发明实施例1-4及对比例1-5制备的材料的力学性能测试结果，包括屈服强度、抗拉强度、硬度以及延伸率。从表1中可看出，随着Ti含量的增加，材料的屈服强度、抗拉强度和硬度呈逐渐上升，延伸率呈下降趋势。随Gr含量的增加，材料的屈服强度、抗拉强度和硬度呈下降趋势。石墨作为一种软质相，强度低、韧性差并且与黄铜基体不润湿，结合力弱，其添加会对黄铜力学性能起到弱化作用；而Ti的加入，则会在黄铜基体中生成Cu2Ti4O纳米颗粒、析出富Ti纳米颗粒，并且Ti与Gr发生界面反应生成TiC，加强黄铜与Gr的界面结合、改善Gr与黄铜基体之间的润湿性；同时Ti在黄铜基体中的固溶及析出也会对材料力学性能产生强化作用。
由实施例1-4制得的材料的力学性能可以看出，在黄铜中同时添加Gr和Ti，可以在改善石墨黄铜材料切削性能的同时大幅提高其力学性能。1.9Ti-0.5Gr-Cu40Zn的屈服强度、抗拉强度和硬度分别达到322MPa、521MPa和147HV，相比于0.5Gr-Cu40Zn的309MPa、480MPa和123HV分别提高了4.2％、8.5％和19.5％。
表1本发明实施例1-4和对比例1、3-5制备的材料的力学性能

Claims (10)

1.一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜，其特征在于，按照质量百分比由以下组分组成：石墨0.5-3.0wt.％，钛0.3-3.0wt.％，其余为黄铜，以上组分的质量百分比总和为100％。
2.根据权利要求1所述的一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜，其特征在于，所述黄铜为Cu40Zn黄铜。
3.根据权利要求1所述的一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜，其特征在于，所述钛增强石墨黄铜中钛与石墨的质量比为0.3～5:1。
4.一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，称取原料
按照质量百分比分别称取以下原料粉末，石墨0.5-3.0wt.％，钛0.3-3.0wt.％，其余为黄铜，以上组分的质量百分比总和为100％；
步骤2，混粉
采用行星球磨机将步骤1称取的钛粉和石墨粉按0.3～5:1的比例混合均匀，得到钛-石墨混合粉末；再将钛-石墨混合粉末与步骤1称取的黄铜粉混合均匀，得到钛-石墨-黄铜混合粉末；
步骤3，固化烧结
将钛-石墨-黄铜混合粉末压坯成型后在真空环境或者惰性气氛中进行烧结，烧结的最高温度为650～800℃，在最高烧结温度下保温0.5～2小时，即制得钛增强石墨黄铜块体；
步骤4，对钛增强石墨黄铜块体进行热挤压或拉拔加工，即制得无铅高强易切削钛增强石墨黄铜。
5.根据权利要求4所述的一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，原料粉末中的黄铜为Cu40Zn黄铜。
6.根据权利要求5所述的一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，黄铜粉末的粒径为10μm～200μm，钛粉的粒径为1μm～100μm，石墨粉的粒径为1μm～100μm。
7.根据权利要求4所述的一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，混合钛粉和石墨粉过程中，球磨的球料比为3～15:1，球磨机转速为100～300转/分钟，球磨时间为4～8小时，球磨介质为无水乙醇。
8.根据权利要求7所述的一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，采用振动球磨机混合钛-石墨混合粉末与黄铜粉，球磨时间为1～6小时，球料比为3～15:1，球磨转为100～300转/分钟。
9.根据权利要求4所述的一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，烧结为放电等离子烧结或者热压烧结。
10.根据权利要求4所述的一种无铅高强易切削钛增强石墨黄铜的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，对钛增强石墨黄铜块体进行加工前先进行预热，预热温度为550-650℃，预热时间为5min～60min。
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