無鉛易切削銅合金的研究進(jìn)展

□文/陳維平 吳維冬 朱權(quán)利 陳耿春 劉楷周

華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院

無鉛易切削銅合金的研究進(jìn)展

Research Prospect for Free-cutting Unleaded Copper Alloys

□文/陳維平 吳維冬 朱權(quán)利 陳耿春 劉楷周

華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院

綜述了Pb在銅合金中的易切削機(jī)理和無Pb易切削銅合金的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展；重點(diǎn)評(píng)述Bi易切削銅合金的可行性及存在的主要問題；同時(shí)介紹了作者研制的無Pb易切削鎂銻黃銅合金的組織和切削試驗(yàn)結(jié)果；對(duì)無Pb易切削銅合金的研究進(jìn)行了展望，提出要加大對(duì)復(fù)合加入（以兩種或兩種以上元素）在代Pb方面的研究力度。

無Pb銅合金；易切削；研究進(jìn)展

隨著現(xiàn)代材料的發(fā)展，合金的物理力學(xué)性能逐步得到提高，這使得其切削加工越來越困難。為了改善高性能結(jié)構(gòu)材料的切削加工性能，常用的措施有兩項(xiàng)：一是調(diào)整工件材料的化學(xué)成分，二是通過熱處理改變工件材料的金相組織和物理力學(xué)性能。在大批量生產(chǎn)中，一般是通過調(diào)整材料的化學(xué)成分而使其切削加工性能得到改善。Pb被認(rèn)為是改善金屬材料切削加工性能的最佳元素，很多難加工金屬材料在添加少量的Pb后，其切削加工性能大大改善。這類易切削金屬材料最為典型的是鉛黃銅。但在生產(chǎn)或使用過程中Pb及其化合物易揮發(fā)或析出，造成環(huán)境污染?；诖?，人們正廣泛地研究各種代Pb材料，并取得了一定的進(jìn)展，特別是以Bi代Pb所研制的鉍銅合金，已經(jīng)投入實(shí)際生產(chǎn)。

1 Pb在銅合金中的作用機(jī)理

Pb的熔點(diǎn)為32 7.5℃，密度為11.34g/cm3，與Cu等元素幾乎不互溶，易于在合金凝固時(shí)析出成細(xì)小的Pb質(zhì)點(diǎn)。在切削時(shí)，Pb質(zhì)點(diǎn)由于摩擦生熱而軟化或熔化，造成應(yīng)力集中，阻斷基體材料的連續(xù)性，產(chǎn)生“切口效應(yīng)”，使切屑易斷。同時(shí)，Pb質(zhì)點(diǎn)還能起到潤(rùn)滑和降低切削溫度的作用，在實(shí)際生產(chǎn)中，可以提高切削速度，使工件獲得光滑的加工表面，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

合金元素改善材料切削性最理想的狀態(tài)是添加的元素幾乎不能與基體固溶，而以金屬或非金屬夾雜物的形態(tài)彌散分布，并且呈球狀或紡錘狀。這種夾雜物可以是單質(zhì)，也可以是化合物，關(guān)鍵是能否在基體中形成并均勻細(xì)小地分布（這樣的形態(tài)不至于對(duì)材料的力學(xué)性能影響太大），并且能夠起到斷屑和潤(rùn)滑的作用。

2 無Pb易切削銅合金研究進(jìn)展

目前無Pb易切削銅合金主要有Bi、Sn、M g、Sb、Si、石墨銅合金。所利用的代鉛Pb元素越來越廣泛，工藝方法也更加多樣化。

2.1 以Bi代Pb

Bi是一種性脆而硬的無毒綠色金屬，密度9.8 g/cm3，熔點(diǎn)271.3 ℃。我國(guó)Bi工業(yè)儲(chǔ)量和遠(yuǎn)景儲(chǔ)量均居世界第一位。

Bi與Pb有諸多性質(zhì)相似。從目前的研究來看，以Bi代Pb還存在著兩個(gè)方面的問題。第一是Bi雖然不硬，但比較脆，在切削時(shí)潤(rùn)滑性能不及Pb。Pb為立方晶體結(jié)構(gòu)，而Bi為六方或斜方晶體結(jié)構(gòu)，Pb的滑移性比Bi更好，故在潤(rùn)滑性能方面Bi達(dá)不到Pb的水平。普遍認(rèn)為鉍銅合金的切削性能只有鉛銅合金的70%~85%。第二是Bi比Pb更容易在晶界偏析，以網(wǎng)狀或薄膜狀分布于晶界。Bi在黃銅等合金中以單質(zhì)的形態(tài)偏析于晶界，增大了合金的熱脆性，使塑性加工性能降低，嚴(yán)重影響了合金的力學(xué)性能。在目前的研究中，鉍黃銅的力學(xué)性能略差于鉛黃銅。這是由于Pb的表面張力大于Bi，二面角大于零，因而Pb常以不連續(xù)點(diǎn)狀分布于晶界。而Bi的表面張力較小，因而Bi常以薄膜狀分布于晶界。La Fontaine等人通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在合金中加入適量的Sn可以抑制Bi的偏析，從而改善合金性能。圖1為鉍黃銅的顯微組織，其中白色亮點(diǎn)為單質(zhì)Bi，圖2為Bi在黃銅中的偏析現(xiàn)象。

雖然我國(guó)的B i儲(chǔ)量比其他國(guó)家豐富，但畢竟資源有限，如果大量使用Bi作為替代元素，其資源將很快枯竭。日前Pb的價(jià)格為每噸1.8萬元，而Bi的價(jià)格在每噸18萬~19萬元左右，因此，從市場(chǎng)價(jià)值上看，鉍銅合金市場(chǎng)應(yīng)用的性價(jià)比不高。

我國(guó)在無鉛銅合金研究方面起步較晚，而目前美國(guó)已經(jīng)形成了自己的鉍銅合金牌號(hào)，共11種：C89320、C 8 9 3 2 5、C 8 9 5 1 0、C 8 9 5 2 0、C 8 9 5 5 0、C 8 9 8 3 1、C 8 9 8 3 3、C 8 9 8 3 5、C 8 9 8 3 7、C 8 9 8 4 4、C89940，其鉍含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）從0.5%到6%不等。

2.2 以Sn代Pb

Sn與Pb為同一主簇元素，無毒，熔點(diǎn)低（2 32℃），但沸點(diǎn)高（2 270℃），質(zhì)地軟，與Fe、Cu等元素固溶。在冶煉時(shí)，Sn不存在像Pb一樣的揮發(fā)問題。我國(guó)Sn礦儲(chǔ)量豐富，占世界第一位，但其價(jià)格昂貴（約16萬元/噸），難以在合金中大量使用。

日本新日東金屬與住友輕金屬研究開發(fā)中心共同開發(fā)了無Pb和低鉛黃銅合金NB系列易切削錫黃銅產(chǎn)品。Sn系 NB 的無鉛黃銅棒（切削用NB70、鍛造用NB70）具有同不銹鋼相同的硬度和比不銹鋼高數(shù)倍的耐磨性，并且具有優(yōu)于傳統(tǒng)黃銅的力學(xué)性能和與黃銅相同的切削性，其加工成本比不銹鋼低很多。

2.3 以Mg代鉛Pb

M g是一種銀白色的金屬，密度為1.738g/cm3，熔點(diǎn)為648.9℃，沸點(diǎn)1 090℃，與Cu、Fe等元素固溶。其密度小，地殼中分布廣泛，價(jià)格較為便宜，Mg在易切削材料中的作用機(jī)理尚有待進(jìn)一步研究。

黃勁松等人采用熔鑄、擠壓、拉拔的方法生產(chǎn)出了以M g代Pb的環(huán)保型無Pb易切削鎂黃銅材料，對(duì)易切削鎂黃銅的微觀組織進(jìn)行了觀察，并對(duì)其力學(xué)、化學(xué)和切削性能分別進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：鎂黃銅晶內(nèi)和晶間有白色和黑色的球狀第二相粒子分布，該粒子為金屬間化合物，具有脆而不硬的特點(diǎn)，對(duì)提高合金切削性能有利。半硬態(tài)鎂黃銅的抗拉強(qiáng)度為550MPa，屈服強(qiáng)度為280MPa，伸長(zhǎng)率為16.30%，斷面收縮率為32.4%，綜合力學(xué)性能優(yōu)良。從切削過程中切削力的大小以及切屑的形貌、大小可以判斷，鎂黃銅的切削性能接近于C3604。鎂黃銅在酸中和鹽中的耐蝕性均較好，比較而言，耐鹽腐蝕性要更好一些。

2.4 以Sb代Pb

Sb是一種銀白色金屬，質(zhì)堅(jiān)而脆，有光澤，密度為6.684g/cm3，熔點(diǎn)630.74℃，沸點(diǎn)1 750℃。Sb的資源豐富，價(jià)格便宜。Sb與Cu、Fe等元素固溶，并形成金屬間化合物。章四琪等認(rèn)為，采取一定的手段使這種脆而不硬的金屬間化合物彌散分布于合金中，也有可能在不降低合金加工成形性的前提下，使合金獲得良好的切削性能，這在無鉛易切削黃銅的研究開發(fā)中得以證實(shí)。

中南大學(xué)與寧波博威集團(tuán)有限公司共同研發(fā)了無Pb易切削銻黃銅合金，其主要成分為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：Cu55%~65%，Sb 0.3%~2%，M n 0.4%~1.6%，其它元素0.1%~1%(包括Ti、Zr、B、Fe、M g、Si及稀土金屬中的至少3種)，其余為Zn和不可避免的雜質(zhì)，不含Pb。該合金具有良好的冷熱壓力加工性能，原材料成本遠(yuǎn)低于鉍黃銅，特別適用于鍛件和鑄件、切削加工的零部件，制造成本與鉛黃銅相當(dāng)。

2.5 以Si代Pb

黃銅的α相為面心立方晶格，塑性好，可以進(jìn)行冷、熱加工；β相為體心立方晶格，其強(qiáng)度、硬度比α相高，不適合冷加工，但是在熱加工狀態(tài)下，其塑性比α相還好；而γ相則不同，它是個(gè)硬而脆的相，在鑄態(tài)下以星花狀分布于基體中，嚴(yán)重影響黃銅的壓力加工性能。龐晉山等人獨(dú)辟蹊徑，在β基體上均勻分布細(xì)小的γ相質(zhì)點(diǎn)，從而達(dá)到改善切削性能和保證黃銅良好的熱加工性。當(dāng)加入大于1%的Si，并加入一定的變質(zhì)劑，得到以β相為基、在基體上均勻分布著細(xì)粒狀γ相的黃銅，在進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，細(xì)小的γ相可起斷屑作用。硅黃銅的顯微組織如圖3所示，白色基體為β相，其上分布的黑色細(xì)小質(zhì)點(diǎn)為變質(zhì)處理后的γ相。

通過變質(zhì)處理的方法制備無Pb易切削黃銅是一種大膽的創(chuàng)新，這種方法可以大大提高Zn在黃銅中的含量，節(jié)約銅資源，降低黃銅的制造成本。但所制得的硅黃銅的切削性能只有HPb59-1的70%~80%，還有待進(jìn)一步提高。

2.6 以石墨代Pb

石墨（G r）具有典型的層狀結(jié)構(gòu)。由于原子層間的結(jié)合力很小，所以石墨的強(qiáng)度和硬度很低，其基面很容易滑動(dòng)，是常用的潤(rùn)滑材料。如果石墨在難切削金屬材料基體中能形成適當(dāng)形狀、大小和均勻分布的質(zhì)點(diǎn)，則與Pb類似，同樣可以改善其機(jī)加工性能。但由于石墨的潤(rùn)濕性不好，而且密度小，在鑄造過程中易上浮，工藝上存在著一定的困難。

Rohatgi等人制備了鑄造石墨銅合金復(fù)合材料（見圖4），并測(cè)試了這種復(fù)合材料的抗腐蝕性能。為改善石墨在銅基合金中的濕潤(rùn)性，加入了Ti元素，并采用了攪拌鑄造技術(shù)進(jìn)行制備。通過電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，這種鑄態(tài)復(fù)合材料的α枝晶中含有石墨顆粒，而Ti則以金屬間相的形式存在于枝晶間，且石墨顆粒表面形成了碳化鈦。通過腐蝕實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加入石墨后對(duì)銅合金的腐蝕特性沒有大的影響。石墨是一種良好的易切削材料，如果能解決鑄造工藝問題，石墨將是一種既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)的選擇。

2.7 以Mg和Sb兩種元素共同替代Pb

為進(jìn)一步降低無Pb易切削黃銅的成本及達(dá)到良好的切削效果，筆者研制了以M g和Sb兩種元素共同替代Pb元素的無Pb易切削黃銅合金。根據(jù)對(duì)元素性質(zhì)和銅合金相圖的分析，M g、Sb等元素部分固溶于Cu中，且與銅形成金屬間化合物。研究表明，鎂銻黃銅的力學(xué)性能與鉛黃銅相當(dāng)，這些金屬間化合物彌散分布于銅合金中，有可能使銅合金獲得良好的切削性能，且M g、Sb資源豐富，價(jià)格便宜，易于推廣應(yīng)用。

2.7.1 微觀組織觀察

圖5為M g、Sb無鉛黃銅鑄造態(tài)掃描電鏡像，由圖可知，Mg、Sb無鉛黃銅除α相（凸起部分）和β相（易被侵蝕，凹陷部分，）外，還有其它相（長(zhǎng)條狀和白色顆粒）存在。后又分別選取了不同的位置進(jìn)行能譜分析，能譜結(jié)果如表1所示。

由能譜分析結(jié)果可以看出，凹陷部分，其Cu與Zn摩爾比約為1:1，應(yīng)為β相，其中固溶有少量的M g元素和微量的Sb元素。均勻分布的白色顆粒，其Cu、M g和Sb摩爾比為6:5:5，形成的Cu-M g-Sb復(fù)雜金屬間化合物顆粒，顆粒大小為3~8μm。由于這種金屬間化合物顆粒具有脆性，而且實(shí)際測(cè)出強(qiáng)化效果并不顯著，說明形成的金屬間化合物顆粒的硬度不高，是脆而不硬的顆粒，這樣就能夠有效改善材料的切削加工性能，還能保證材料的力學(xué)性能和擠制拉拔性能。在凸起部分為基體α相，檢測(cè)到有少量的M g存在，沒有檢測(cè)到Sb元素。α相和β相中都固溶有少量M g，微量的Sb元素只固溶于β相中，其余的M g和Sb與Cu形成金屬間化合物。長(zhǎng)條狀白色金屬間化合物為Sb、Cu化合物，這種長(zhǎng)條形狀可改善切削加工性能，但嚴(yán)重割裂基體，降低材料的力學(xué)性能和擠制拉拔性能，所以Sb的加入量不能太多。單獨(dú)加入Sb不利于在提高切削性能的同時(shí)保證材料的力學(xué)性能和擠制拉拔性能，而單獨(dú)添加M g，又由于M g在熔煉過程中容易吸氣且除氣較難，于是考慮同時(shí)添加M g和Sb，Cu、M g、Sb形成復(fù)雜的金屬間化合物，顯微組織呈顆粒狀，減少Sb、Cu長(zhǎng)條狀金屬間化合物的數(shù)量，既滿足改善切削性能的要求又能滿足力學(xué)性能和工藝加工性能的要求。

2.7.2 切削試驗(yàn)結(jié)果

為了評(píng)價(jià)所開發(fā)的鎂銻無鉛黃銅的切削性能，將試樣在國(guó)產(chǎn)C6132A1普通臥式車床切削。本研究采用刀具后角為8°，車床的主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/m in，走刀速度為0.1mm/r，進(jìn)刀量為0.1mm/r的切削工藝進(jìn)行切削，然后對(duì)切屑進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)切削性能。圖6為切屑照片，可以看出含M g、Sb的無鉛黃銅和鑄造鉛黃銅（ZCu Zn40Pb2）二者的切屑都較小，呈小片狀，但M g、Sb無鉛黃銅斷屑更細(xì)小些，其切削性能優(yōu)于ZCuZn40Pb2。

對(duì)切削過程進(jìn)行分析可以看出，對(duì)鉛黃銅而言，Pb呈細(xì)小顆粒分布于基體中，由于Pb本身強(qiáng)度低且呈脆性，故可看作基體中存在許許多多均勻分布的小空洞，這些小空洞在切削過程中起斷屑的作用。而鎂銻黃銅中的M g、Sb、Cu形成復(fù)雜金屬間化合物顆粒，這些金屬間化合物都有脆而不硬的特點(diǎn)，且均勻彌散分布于基體中。在切削過程中，金屬間化合物顆粒與刀刃接觸時(shí)在剪切應(yīng)力的作用下，易于破碎，顆粒破碎后，與破碎處接觸的金屬產(chǎn)生應(yīng)力集中，很容易萌生裂紋并擴(kuò)展，使切屑斷裂，從而改善切削性能。

3 無鉛易切削銅合金研究展望

（1）在已進(jìn)行的研究中，根據(jù)Pb在金屬材料中的作用機(jī)理，更多關(guān)注的是單質(zhì)元素在改善機(jī)加工性能方面的作用，而對(duì)于化合物的研究則較少。相對(duì)單質(zhì)而言，化合物的種類更加豐富，而且性質(zhì)更加多樣，應(yīng)更多地進(jìn)行化合物在改善金屬材料切削性能方面的研究。

（2）可以考慮幾種易切削元素同時(shí)加入，以減少昂貴金屬的用量，降低成本，及達(dá)到良好的切削效果。

（3）在改善其切削性能的同時(shí)，不能降低合金力學(xué)等方面性能。故在研究切削性能的同時(shí)，必須廣泛地研究替代元素對(duì)材料其它方面性能的影響。例如，黃銅一般作為導(dǎo)電及水暖材料，在改善切削性的同時(shí)，其導(dǎo)電性和耐腐蝕性也不能有顯著的下降。

表1 能譜分析結(jié)果（Atom ic%）

（4）在考慮替代元素時(shí)，要同時(shí)考慮資源的儲(chǔ)量及價(jià)格因素。有些元素（如Bi和Te）的總儲(chǔ)量并不多，價(jià)格也較昂貴，使用這些金屬作為替代元素并非長(zhǎng)策。故要選用既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)的替代元素。

（5）全世界每年仍生產(chǎn)數(shù)十萬噸鉛銅合金（主要是鉛黃銅），特別是在我國(guó)，鉛黃銅仍然在易切削黃銅中占主導(dǎo)地位。為節(jié)約越來越寶貴的銅資源和降低生產(chǎn)成本，這類鉛銅合金廢料、廢棄零部件還必須回收和合理利用。因此，需要加強(qiáng)對(duì)含鉛銅合金廢料的綜合利用研究工作。

（6）可以通過熱力學(xué)分析及相圖計(jì)算等方法來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，以加快研究和降低成本。

歐盟ROHS指令要求，2006年7月1日以后投放歐盟市場(chǎng)的電氣和電子產(chǎn)品中，Pb、Hg、Cr+6、多溴聯(lián)苯和多溴聯(lián)苯醚的最大允許含量為0.1%，Cd為0.01%。相關(guān)產(chǎn)品的有毒有害物質(zhì)的含量不得超出上述歐盟規(guī)定的指標(biāo)，否則將被拒絕進(jìn)入市場(chǎng)或遭遇處罰。因此，設(shè)計(jì)新的綠色易切削銅合金是我國(guó)機(jī)械制造業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)，高性能、低成本、環(huán)境友好的無鉛易切削銅合金具有廣闊的發(fā)展前景。

略