磷鈣無鉛黃銅及其切削變形機理

朱權(quán)利，張先滿，陳維平，李 微，汪桂龍，羅良頌

(1.華南理工大學(xué)國家金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心，廣州510640; 2.廣東華金合金材料實業(yè)有限公司，廣州510890)

磷鈣無鉛黃銅及其切削變形機理

朱權(quán)利1，張先滿1，陳維平1，李 微1，汪桂龍2，羅良頌2

(1.華南理工大學(xué)國家金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心，廣州510640; 2.廣東華金合金材料實業(yè)有限公司，廣州510890)

為取代鉛，減輕對環(huán)境的污染，采用磷和鈣共同替代鉛，獲得了綜合性能優(yōu)良的磷鈣無鉛黃銅鑄錠.為研究磷鈣無鉛黃銅的切削變形機理，采用臥式車床進行了切削實驗，通過掃描電鏡及能譜儀對切屑組織進行研究，并結(jié)合Griffith脆性斷裂理論和切削力學(xué)計算，對切屑變形過程進行了分析.結(jié)果表明：磷鈣無鉛黃銅切削性能優(yōu)良，切屑的尺寸和形貌與HPb59-1相當(dāng);沿晶界彌散分布的金屬間化合物，割斷了基體組織的連續(xù)性，切削時在剪切力的作用下，金屬間化合物顆粒經(jīng)變形后發(fā)生斷裂或脫落，甚至在切削熱的作用下部分熔化，引發(fā)基體產(chǎn)生應(yīng)力集中，萌生裂紋并致使擴展，導(dǎo)致刀具前面剪切區(qū)剪切帶的周期形成，并向自由表面擴展成層片結(jié)構(gòu)，造成切屑斷裂，從而提高了磷鈣無鉛黃銅的切削性能;磷鈣無鉛黃銅的綜合性能優(yōu)良，其替代含鉛黃銅，具有可行性.

磷鈣無鉛黃銅;切屑;切削性能;第二相顆粒;金屬間化合物

現(xiàn)有已被廣泛應(yīng)用于民用供水系統(tǒng)、電子電器、汽車及機械制造等行業(yè)的黃銅材料，大多含有1.0-3.0%的鉛，以提高其切削性能［1］.但這類材料在生產(chǎn)或使用過程中容易發(fā)生鉛以固態(tài)或氣態(tài)的形式析出，進入環(huán)境后又不易被除去，并能不斷富集，極易對生物和人體健康造成威脅［2］.世界各國均很重視鉛造成的污染和引起的危害，并相繼出臺了一系列對含鉛銅合金應(yīng)用的限令［3］.環(huán)保型易切削黃銅的研究已成為世界有色金屬研究的熱點，因此，研究開發(fā)出無鉛易切削黃銅將會產(chǎn)生巨大的社會效應(yīng)和經(jīng)濟效應(yīng)［4］.目前，國內(nèi)外通過添加Bi、石墨、Si、Mg和Sb等元素替代Pb的研究，已相繼公布了多項成果［5-16］.由于P和Ca是對人體和環(huán)境無害且資源豐富的元素，本課題通過添加P和Ca替代Pb，已成功制備出無鉛磷鈣黃銅［17］，并且該黃銅顯示出優(yōu)良的力學(xué)和耐脫鋅腐蝕性能(如表1所示)，因此，本文作者研究了磷鈣無鉛黃銅合金的切削變形機理，希望為無鉛黃銅易切削機理的研究，提供一定的理論參考.

表1 磷鈣無鉛黃銅的力學(xué)性能及脫鋅腐蝕深度

1 試驗

試驗原料為電解銅、工業(yè)純鋅錠，含 P為14%(質(zhì)量分數(shù)，下同)的P-Cu中間合金、工業(yè)純鋅錠和大塊狀純鈣，銅稀土(含RE為10%)，純錫.磷鈣無鉛黃銅合金名義成分如表2所示.通過合理的熔鑄工藝，于中頻感應(yīng)爐中成功制備磷鈣無鉛黃銅鑄錠，其顯微組織如圖1所示，可看出，磷鈣無鉛黃銅主要由ɑ相、β相和沿晶界、相界分布的第二相顆粒組成.對制備出的磷鈣無鉛黃銅合金進行切削性能檢測，并對切屑進行掃描電鏡觀察和能譜分析.

圖1 磷鈣無鉛黃銅的顯微組織

主要設(shè)備為:250 Kg中頻感應(yīng)爐，Nova Nano 430掃描電鏡，INCA X-act能譜儀，國產(chǎn)C6132A1普通臥式車床.

表2 磷鈣無鉛黃銅的名義成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

2 結(jié)果與分析

2.1 切屑光學(xué)照片

磷鈣無鉛黃銅合金的切屑照片如圖2a所示，為了對比，將自制HPb59-1也進行切削試驗，其切屑如圖2中下邊標(biāo)HPb59-1的照片所示.磷鈣無鉛黃銅的切屑表面光亮，大致成“C”形，切屑短小.在形態(tài)和尺寸上，與含鉛黃銅HPb59-1的切屑相似.同時發(fā)現(xiàn)，磷鈣無鉛黃銅的試樣在切削過程中無積屑瘤的產(chǎn)生，加工后的表面光亮.由于銅與銅合金判斷其切削加工性能較常用的依據(jù)是切屑類型［18］，故磷鈣無鉛黃銅合金的切削性能大致與HPb59-1相當(dāng).

圖2 切屑照片

2.2 切屑SEM組織

磷鈣無鉛黃銅的切屑的SEM照片如圖3所示，其中，圖3a為呈“6”字形的細小的切屑，宏觀上看起來，切屑靠刀刃側(cè)表面很光亮，但沿圖3a中箭頭“A”方向經(jīng)更高倍數(shù)放大后(見圖3b)，發(fā)現(xiàn)其表面存在周期性的剪切帶，可認為變形是沿著剪切面發(fā)生間斷的滑移，而且有大量空洞，疑似金屬間化合物在切削過程中脫落或熔化時留下的;圖3c為切屑的自由表面(圖3a中箭頭“B”所指方向)，呈現(xiàn)周期性的凹凸?fàn)畹膶悠Y(jié)構(gòu)，可推測出這種層片結(jié)構(gòu)源于刀刃-工件接觸面(圖3b)產(chǎn)生的周期性的剪切帶向切屑自由表面的擴展.故切屑形成過程可簡單地當(dāng)作是各層片結(jié)構(gòu)間在剪切力作用下通過位錯實現(xiàn)的相互滑移過程.一般金屬晶體內(nèi)的缺陷間隔是μm數(shù)量級的，故滑移間隔也是μm數(shù)量級，但圖中切屑的自由面卻具有更大的一些間隔凹凸，其原因是由于切削多晶體金屬時，其內(nèi)部晶粒的強度或結(jié)晶方向不同或者振動等造成的.圖3d為切屑斷面(圖3a中箭頭“C”所指，即剪切面)的照片，可看到大量的韌窩，且韌窩內(nèi)大多包含著第二相顆粒，剪切斷口從這些類似夾雜物的顆粒開始，而在裂紋及變形硬化達到最大程度后形成.同時，各晶粒被剪切拉長成橢球形.

圖3 磷鈣無鉛黃銅切屑的顯微組織

對圖3d中第二相顆粒進行能譜分析，位置如圖4，結(jié)果圖5和表3所示.其中，能譜1的位置，第二相顆粒中 Cu、Zn、P的原子比例約為25∶22∶3，而能譜2的第二相顆粒中其相應(yīng)的比例為9∶27∶14，銅的含量明顯低于1處的第二相顆粒，鋅、磷的含量則相對較多，故可推斷出為兩種不同的第二相，但此時沒有檢測到Ca的存在，可能是由于含鈣的化合物在切削加工產(chǎn)生的劇烈的熱效應(yīng)中，熔化或者脫落，起到類似鉛的改善切削性能的作用.并且，這些低熔點化合物的熔化或者脫落，與圖3b中剪切面上殘留的大量空洞相映襯.這些顆粒偏聚在晶界上，會降低ɑ/ɑ和ɑ/β晶界能，進而引發(fā)沿晶斷裂.

圖4 切屑中第二相能譜分析位置

圖5 能譜分析結(jié)果

表3 能譜分析結(jié)果(原子百分比/%)

3 討論

金屬間化合物改善切削性能的高低，主要取決于其是否能彌散分布在基體中［19］.而這種化合物能否進入基體晶粒內(nèi)部，與二者表面張力密不可分.如圖6所示，此時系統(tǒng)自由能的變化量［19］

即應(yīng)滿足

其中σIC為化合物顆粒與晶體間的界面張力;σLI為金屬液體與化合物顆粒間的界面張力;σLC為金屬液體與晶體間的界面張力，S1為化合物顆粒與金屬液體的粘附面積;S2為化合物顆粒與晶體的接觸面積.

圖6 金屬間化合物附著晶體示意圖［19］

只有滿足了(2)時，化合物才有可能被晶體粘附而卷入晶體內(nèi)，否則，化合物顆粒就會與晶粒分開而偏聚在晶界上.目前，本研究主要是在不明顯降低加工使用性能的前提下，通過合理的熔鑄工藝，實現(xiàn)這一目的，進而改善黃銅合金的切削性能.

這些金屬間化合物的存在，割斷了基體的連續(xù)性，可視為合金基體中產(chǎn)生了微小的孔洞，借助Griffith的脆性斷裂理論［20］來分析脆性的第二相對基體斷裂的影響，斷屑過程模型如圖7所示.

假定在厚度為d的黃銅基體中存在一直徑為2C的球形顆粒，且顆粒與正應(yīng)力σ垂直并彌散分布在基體中，當(dāng)應(yīng)力σ足夠大致使顆粒與基體間萌生裂紋，并沿剪切方向擴展而釋放彈性能量時，切屑就會斷裂.

由彈性力學(xué)知，體積為V的完整晶體在應(yīng)力σ作用下，儲存的彈性能為

圖7 切屑中第二相顆粒斷裂模型［21］

當(dāng)在切削過程中貫穿顆粒施加應(yīng)力σ時，為簡單起見，假定切削過程中軸向的應(yīng)力為零，滿足平面應(yīng)力條件，則單位厚度的彈性能為

其中，ν為泊松比，E為黃銅的彈性模量.

在第二相顆粒斷裂的同時，其分裂表面上增加了表面能U2=2Ce，因為每裂開單位面積所需能量為2e，于是在正應(yīng)力σ作用下，含Cu、Zn、P、Ca等元素的復(fù)雜金屬間化合物顆粒的切削區(qū)域內(nèi)的總能量為

其中，顆粒的總能量即由于裂紋擴展而造成系統(tǒng)總能量的變化為

U(C)隨顆粒的尺寸變化而變化，為求U(C)具有極值，令

這樣就推導(dǎo)出切屑發(fā)生斷裂時含Cu、Zn、P等元素的復(fù)雜金屬間化合物顆粒的臨界尺寸為

切削加工時，切屑受到兩個大小相等、方向相反的力R和R，，以維持其平衡，其中，R、R'的分解情況如圖8所示.其中，剪切面上的剪切應(yīng)力由加工材料的性質(zhì)決定，切削力R在剪切面方向的分力Fs在剪切面上產(chǎn)生剪切應(yīng)力，這個剪切應(yīng)力必須與被加工材料在變形條件中的剪切變形應(yīng)力相等.臨界條件:這個剪切應(yīng)力與被加工材料的剪切強度τs相等，故有

所以

圖8 切屑受力示意圖［22］

對于切削力的方向和由切削力引起的滑移方向之間的關(guān)系，借助剪切角理論進行分析，剪切角的實驗公式為［23］

故

其中，Ac為切削面積，dw為直角切削時的切削寬度，t1為切削厚度，φ為剪切角，μ為摩擦角，γ為刀前角，v為切削速度，φ0、k和A為被加工材料的常數(shù).

對于黃銅，E=105GPa，e=10-6J/mm2，ν=0. 3，τs=260MPa，k=0.25，A=1.1°.m.min-1/2，而切削加工時的切削條件:刀前角為20°，切削厚度為0.1 mm，切削速度為14.0 m/min，φ0=40°，μ =22°，經(jīng)計算最終得

而如果假設(shè)剪切變形發(fā)生在與切削力成45°的剪切面上，故從圖8b可得出

代入計算得

對比式(14)和(16)可發(fā)現(xiàn)，磷鈣無鉛黃銅合金在切削加工過程中斷裂的第二相顆粒的臨界尺寸，比在較容易發(fā)生剪切滑移的剪切面上的第二相顆粒的臨界尺寸稍小一些.根據(jù)式(13)得到的磷鈣無鉛黃銅中的復(fù)雜金屬間化合物顆粒的臨界斷裂直徑為2C=1.04 μm.結(jié)合圖3的SEM照片可知，第二相顆粒的直徑大多在2 μm左右，且彌散分布在晶界上，這將充分地促使磷鈣無鉛黃銅在加工時斷屑，提高切削性能.

切削加工時，剪切面上的晶粒在剪切力的作用下，沿著滑移面通過位錯運動進行滑移，原本近似球形的晶粒，被剪切拉長成橢球形，而含Cu、Zn、P等元素的復(fù)雜金屬間化合物顆粒，彌散分布在晶界上，割斷了基體組織的連續(xù)性，其與刀具接觸，相當(dāng)于減小了刀具與基體的接觸面積，進而減小了切削力，起到改善切削性能的作用;同時，這些脆而不硬的第二相顆粒的存在，促使剪切角增大，使得通過位錯運動的滑移變得容易，其在剪切力作用下，發(fā)生變形后斷裂或者脫落，甚至在切削熱的作用下部分熔化，引發(fā)其周圍的金屬基體產(chǎn)生應(yīng)力集中，位錯萌生、增殖、長大、復(fù)合，萌發(fā)裂紋并致使擴展，使切削很快斷裂而不會連續(xù)長大，從而改善了切削性能.

4 結(jié)論

(1)磷鈣無鉛黃銅切屑與刀具接觸的表面光亮，且存在剪切帶，這些周期性的剪切帶在剪切力的作用下向自由表面擴展為層片結(jié)構(gòu)，而斷面上的晶粒被剪切拉長，并在晶界上存在大量尺寸在2 μm左右、由Cu、Zn、P等元素第二相顆粒.

(2)沿晶界分布的金屬間化合物，割斷了基體組織的連續(xù)性，切削時在剪切力的作用下，金屬間化合物顆粒經(jīng)變形后發(fā)生斷裂或脫落，甚至在切削熱的作用下部分熔化，引發(fā)基體產(chǎn)生應(yīng)力集中，萌生裂紋并致使擴展，導(dǎo)致周期性剪切帶向自由表面擴展成層片結(jié)構(gòu)，造成切屑斷裂，從而提高了切削性能.

(3)磷鈣無鉛黃銅綜合性能優(yōu)良，其替代含鉛黃銅，具有可行性.

［1］ VILARINHO C，DAVIM J P，SOARES D，et al.Influence of the chemical composition on the machinability of brasses［J］.Journal of Materials Processing Technology，2005，170(1-2):441-447.

［2］ ISMAIL K M，EISHERI R M，BADAWY W A.Effect of Zn and Pb as alloying elements on the electrochemical behavior of brass in NaCl solutions［J］.Electrochimic Acta，2004，49(28):5139-5150.

［3］ SANDVIG A M，SIMONI T，EDWARDS M，et al.Nonleaded brass-a summary of performance and costs［J］. Journal/American Water Works Association，2009，101 (7):83-94.

［4］ NAKANO A，HIGASHIIRIKI K，ROCHMAN N T.Removal of lead from brass scrap by compound-separation method［J］.Journal of the Japan Institute of Metals，2005，69(2):198-201.

［5］ JANG Y，KIM S，HAN S.Effect of misch on elevated temperature tensile ductility of the Cu-Zn-Bi alloy［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，2005，36A:1060-1065.

［6］ FONTAINE A L，KEAST V J.Compositional distributions in classical and lead-free brasses［J］.Materials Characterization，2006，57(4-5):424-429.

［7］ YOSHIAKI T，MOTOAKI K，KIYOSHI I.Lead-free free cutting brass alloy and its manufacturing method［P］.Japan patent:2008214760A，5/22/2008.

［8］ XIAO Lairong，SHU Xuepeng，YI Danqing，et al.Microstructure and properties of unleaded free-cutting brass containing bismuth and stibium［J］.Journal of Central South University(Science and Technology)，2009，40(1):117-122.(in Chinese)

［9］ KESTURSATYA M，KIM J K，ROHATGI P K.Friction and wear behavior of a centrifugally cast lead-free copper alloy containing graphite particles［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，2001，32A:2115-2125.

［10］ PANG Jinshan，XIAO Yinxi.Study of nonleaded easycutting brass［J］.Journal of Guangdong University of Technology，2001，18(3):63-66.(in Chinese)

［11］ PARK C M，LEE B J，HAN J C.Free cutting brass alloy having excellent machinability and workability manufactured by adding proper quantities of Fe and Si and finely dispersing spherical Bi onto grain boundaries or into grains of the free cutting brass［P］.Korean patent:2006096877-A，9/13/2006.

［12］ HIDEKI Y，KO H，KATSUYUKI N，et al.Lead-free free-cutting copper alloy，and lead-free free-cutting copper alloy for continuous casting［P］.Japan patent: 2009007657A，6/29/2007.

［13］ HUANG Jinsong，PENG Chaoqun，ZHANG Siqi，et al.Microstructure and properties of cutting magnesium-brass containing no lead［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China(English Edition)，2005，15(6):1242-1247.

［14］ XIAO Lairong，SHU Xuepeng，YI Danqing，et al.Microstructure and properties of unleaded free-cutting brass containing stibium［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China(English Edition)，2007，17(s1):1055-1059.

［15］ ZHU Quanli，WU Weidong，LIU Kaizhou，et al.Study on microstructure and properties of brass containing Sb and Mg［J］.Science in China Series E:Technological Sciences(English Edition)，2009，52(8):2172 -2174.

［16］ 肖萊榮，張路懷，舒學(xué)鵬，等.無鉛銻黃銅軋制工藝的研究［J］.材料工程，2009，s1:288-292.

［17］ 朱權(quán)利，張先滿，陳家堅，等.無鉛易切削黃銅的研究進展［J］.材料科學(xué)與工程學(xué)報，2011，29(2): 308-315.

［18］ 趙祖德，姚良均.銅及銅合金材料手冊［M］.北京:科學(xué)出版社，1993:50-58.

［19］ 黃勁松，彭超群，章四琪，等.無鉛易切削銅合金［J］.中國有色金屬學(xué)報，2006，16(9):1486-1493.

［20］ 范繼美，萬光珉.位錯理論及其在金屬切削中的應(yīng)用［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，1991:192-197.

［21］ 張路懷.60Cu-Zn-xMg合金組織與性能研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2009.

［22］ VIKTOR P，ASTAKHOV.Geometry of single-point turning tools and drills fundamentals and practical applications［M］.London:Springer London，2010.

［23］ 中山一雄.金屬切削加工理論［M］.李云芳，譯.北京:機械工業(yè)出版社，1985.

P-Ca lead-free brass and its cutting deformation mechanism

ZHU Quan-li1，ZHANG Xian-man1，CHEN Wei-ping1，LI Wei1，WANG Gui-long2，LUO Liang-song2
(1.National Engineering Research Center of Near-Net-Shape Forming for Metallic Materials，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China;2.Guangdong Hua Jin Advanced Alloys Industrial Company Limited，Guangzhou 510890，China)

A novel lead-free brass containing P and Ca instead of Pb，whose over-all properties were excellent，was prepared by casting.Its cutting deformation mechanism was investigated by lathe turning experiment，and the cutting deformation was studied by scanning electron microscope(SEM)and energy dispersive spectrometer (EDS)in combination with Griffith theory of brittle fracture and cutting mechanics calculation.Results show that the cutting performance of P-Ca brass is good，the size and appearance of chips are the same as those of HPb59-1.Intermetallics distributed in grain boundaries cut off the continuity of matrix，during cutting，it fractures or falls off after deformation，even some melt because of the cutting heat，which cause sress concentration of matrix，lead to crack initiating and expensing，then the periodic shear bands slip to the free surface of chips into lamella structure，resulting in the fracture of chips and improving the cutting property.The properties of PCa brass is excellent，it is feasible to develop a new lead-free free-cutting brass containing P and Ca.

P-Ca Lead-free brass;chip;cutting property;the second phase particle;intermetallics

TG146.1+1;TG291 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-0299(2012)02-0122-06

2011-07-29.

朱權(quán)利(1961-)，男，碩士，副研究員;

陳維平(1959-)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 張積賓)