合金元素對環(huán)保易切削銅合金的影響

李洪巖

(中國有色礦業(yè)集團有限公司 科學(xué)技術(shù)部，中國 北京100029)

0 引言

黃銅根據(jù)合金元素成分不同可分為普通黃銅和特殊黃銅。 鉛黃銅作為特殊黃銅的一種，因具有冷熱加工性好、切削性好和耐腐性高等特點，被廣泛應(yīng)用于電子、鐘表、汽車、電器等領(lǐng)域[1]。 但是研究表明[2]，鉛對人體神經(jīng)系統(tǒng)、造血器官和腎臟損害較大，特別是對兒童的生長發(fā)育影響很大。 因此，新型環(huán)保易切削銅合金材料已成為研究和開發(fā)的熱點[3-6]。

1 鉛黃銅易切削機理分析[7-8]

根據(jù)Cu-Pb 二元合金相圖可知，鉛在黃銅中的溶解度極低，主要以細(xì)小的獨立相彌散分布在黃銅合金基體上。 鉛質(zhì)點較軟，且呈游離態(tài)分布，在加工過程中既可起到潤滑作用，又可使切屑易碎， 因此鉛能有效改善黃銅的機械加工性能，提高工件表面光潔度。 由此可知，基體上彌散均勻分布著起斷屑作用的細(xì)小質(zhì)點是鉛黃銅切削性能優(yōu)良的根本原因。

2 環(huán)保易切削銅合金的設(shè)計原則[1,7-10]

依據(jù)鉛黃銅易切削機理，新型環(huán)保銅合金基體上也應(yīng)存在細(xì)小彌散分布的質(zhì)點，并起到與鉛質(zhì)點類似的潤滑作用和斷屑作用。 能夠替代鉛元素并能夠提高銅合金切削性能且不顯著降低其他性能的合金元素，按其在銅中的存在形式可分為三類[11]：第1 類是與銅微量固溶并形成共晶的元素，如鉍、硒和碲等； 第2 類是與銅互不固溶并形成化合物的元素，如硫和氧等； 第3 類是與銅部分固溶也形成化合物的元素，如硅、磷、銻和鎂等。

3 合金元素在環(huán)保易切削銅合金中的作用

3.1 鉍[3-4，11-13]

鉍是一種可安全使用的“綠色”金屬元素，與鉛在元素周期表中處于相鄰位置，其在銅中的溶解度與鉛接近，在銅合金中也以細(xì)小彌散分布的獨立相存在，因此是替代鉛的最佳選擇。 但是，鉍本身性脆，其熔點（271.4℃）比鉛（327.5℃）低，液態(tài)鉍表面張力（0.35N/m）也比液態(tài)鉛（0.45N/m）小，凝固時鉍在合金晶界處偏析并呈網(wǎng)狀或薄膜狀分布，使銅合金更易產(chǎn)生冷脆和熱脆現(xiàn)象。 因此，在銅合金中單獨添加鉍，會降低銅合金的冷熱加工性能和塑性，必須采取一定的措施來改變鉍在銅合金中的析出形態(tài)和分布狀態(tài)。 通常添加硒、錫、磷、稀土等元素來改變鉍在銅合金中的存在形態(tài)。 隨著鉍含量的增加，銅合金的切削性能逐步提高，但加工性能有所下降，因此鉍含量一般應(yīng)控制在0.6wt%～1.2wt%之間。

3.2 硒[9，11]

硒的熔點較低（220℃），沸點也較低（695℃），化學(xué)性質(zhì)活潑，在熔煉過程中損耗大，因此硒只能以銅硒或鉍硒中間合金的形式加入銅合金熔體中。 由于硒加入后可以提高液態(tài)鉍的表面張力，從而有助于鉍黃銅熔體凝固時鉍以塊狀或球狀而不是以網(wǎng)狀或膜狀分布在基體晶界上，進而改善合金的加工性能和切削性能。

3.3 碲[9,14-16]

碲不溶于銅合金，在基體中以第二相形式彌散分布與晶間或晶內(nèi)，且形成的第二相與鉛質(zhì)點相似，也很軟，斷屑效果明顯，從而提高材料的切削性能，硒、碲價格昂貴，銅合金中加入量不宜過大。

3.4 硫和氧[10-11]

熔煉時，硫和氧分別于銅發(fā)生反應(yīng)生成Cu2S 和Cu2O。 雖然Cu2S 和Cu2O 對銅合金的切削性能有益， 但對加工性能和使用性能等其他性能相當(dāng)有害，故硫和氧應(yīng)當(dāng)被當(dāng)做有害雜質(zhì)而嚴(yán)加控制。

3.5 硅[5,8,17]

硅元素可以改變銅合金中α 和β 相區(qū)的比例。 熔煉時加入硅可使銅合金中較軟的α 相區(qū)縮小，強度和硬度較大、塑性較好的β 相區(qū)增大， 因此銅合金熔煉時加入硅可以提高合金的強度和硬度，同時保證其具有較好的塑性。 當(dāng)合金中硅含量低于0.1wt%時，效果不明顯。只有加入適量的硅才能提高銅合金的切削性能。 當(dāng)加入的硅含量超過1wt%并添加一定的變質(zhì)劑時，可得到β+γ 兩相合金，硬而脆的γ 相呈細(xì)粒狀彌散分布于β 相基體中。 研究發(fā)現(xiàn)，在結(jié)晶過程中由于二者的收縮率不同，β 相和γ 相之間出現(xiàn)了很小的間隙空間。 可以認(rèn)為，在β 基體上存在的諸多微小空洞起到了斷屑效果。 此外， 硅還可以改善銅合金的耐蝕性能和焊接性能。

3.6 磷[17]

磷是成效顯著、成本低廉的脫氧劑；在熔煉過程中可以改善熔體的流動性；與雜質(zhì)元素形成化合物，強化晶界并使化合物脆化相更加細(xì)小均勻地分布在晶界上； 可以抑制脫鋅、增強耐腐蝕性能和抗應(yīng)力作用，同時提高合金的切削性能和強度。 因此，加入適量的磷，能夠在一定程度上提高銅合金熔體的流動性，抑制脫鋅，改善銅合金材料的焊接性能和耐腐蝕性能。

3.7 銻[18-19]

銻與鉍類似，本身性脆。 但與鉍不同的是，銻部分固溶于銅，并與銅形成脆而不硬的金屬間化合物。 通過一定的熱處理手段，使金屬間化合物彌散分布于銅合金基體上，就有可能在不影響銅合金加工性能的前提下，改善其切削性能。 研究表明，均勻化熱處理可以使金屬間化合物彌散分布在銅合金基體上及相界面處。 這種銅合金綜合力學(xué)性能優(yōu)異，切削性能極好。

3.8 鎂[20-21]

與銻類似， 鎂部分固溶于銅， 并與銅形成金屬間化合物。 鎂銅金屬間化合物具有脆而不硬的特點。 研究表明，鎂在銅合金α 相和β 相中的固溶度非常小， 固溶強化作用不明顯；脆而不硬的鎂銅金屬間化合物分布于晶內(nèi)和晶界處。鎂在銅合金中的分布特征對切削時發(fā)生斷屑非常有利，從而減小碎屑的尺寸和連續(xù)性，進而改善銅合金的切削性能。鎂資源豐富，價格較便宜，在環(huán)保和成本方面比鉍、銻更具有優(yōu)勢。

3.9 石墨[22-24]

石墨是一種優(yōu)良的固體潤滑劑，質(zhì)軟，強度較差，在切削加工過程中，通過暴露出來的新生表面形成潤滑膜，減少刀頭的磨損，從而改善工件的表面質(zhì)量。 因此，含有一定粒度分散的石墨粉的銅合金通常具有良好的切削性能。 研究結(jié)果表明，在銅合金中添加一定粒度分散的石墨粉，其切屑尺寸小，切削性能大致與鉛黃銅相當(dāng)，但強度等力學(xué)性能較差。

3.10 鋁[25-27]

熔煉時加入少量的鋁可以使黃銅合金的α 相區(qū)縮小，β相區(qū)增加， 同時形成γ 相區(qū)， 進而提高銅合金的強度和硬度，但會降低塑性；γ 相越多，合金的切削力越大，切削性能越差。 鋁能夠在銅合金表面形成一層Al2O3鈍化膜，降低銅合金的腐蝕速率，提高其抗蝕性能和表面質(zhì)量。 熔煉時鋁可以減少鋅的蒸發(fā)，澆注時鋁可以提高合金的流動性。 研究表明，鋁與鉍一起添加時，鋁可以改變鉍的潤濕性，促使薄膜狀的鉍減少，并使組織更加細(xì)化，同時可以提高合金的耐蝕性能。

3.11 錫[28]

研究表明，在黃銅中加入1wt%的錫，可以大幅提高合金的力學(xué)性能和抗腐蝕性能，但加入過多的錫會降低合金的塑性， 同時對合金的抗脫鋅和抗耐腐蝕性能起不到抑制作用。在α 相黃銅中， 錫可以形成一層鈍化膜對脫鋅起到減緩作用；在α+β 兩相黃銅中，錫起到惰性氣體的作用，延緩鋅的選擇性溶解。

3.12 鈣[29]

鈣是易切削元素，經(jīng)過合金化處理后，以無毒且有利于健康的金屬化物聚集于晶界處，使合金材料具有良好的切削性能。研究表明，鈣在合金中含量低于0.004wt%時，易切削性能較差；當(dāng)含量大于0.25wt%時，易切削性能優(yōu)于鉛黃銅，但鑄造結(jié)晶疏松，易出現(xiàn)夾雜影響材料的氣密性，并使其力學(xué)性能急劇降低。

3.13 鎳[30]

鎳與銅可以無限固溶。 加入適量鎳，可以使兩相黃銅轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗帱S銅，在一定程度上改善合金的微觀組織、力學(xué)性能和加工性能， 同時可在合金表面形成一層良好的防腐蝕層，提高合金的耐腐蝕性和脫鋅性。

3.14 稀土[31－32]

稀土在黃銅合金中具有除氣去雜、凈化金屬、細(xì)化晶粒和使合金組織致密的作用。 研究表明，一定量的混合稀土與鉍一同添加時，稀土可以影響鉍在合金中的潤濕效應(yīng)，從而減少薄膜狀單質(zhì)鉍在晶界處偏聚。當(dāng)混合稀土含量為0.1wt%時，合金綜合力學(xué)性能最佳。

3.15 鐵[26]

鐵在黃銅合金中溶解度較低，超過一定量時會析出富鐵化合物。 研究表明，鐵對黃銅合金的切削性能沒有直接影響，但是富鐵相FeZn 的微觀晶粒組織比加鐵前合金的晶粒更加粗大，使得合金的強度、塑性以及耐蝕性降低。

3.16 錳[33]

研究表明，錳與鉍一起添加時，錳可以減少薄膜狀鉍單質(zhì)的存在，進而改善銅合金的耐腐蝕性能。

3.17 鈦[34]

鈦是細(xì)化晶粒的元素。 研究表明，當(dāng)少量鈦與鉍一起添加時，鈦與鉍會發(fā)生反應(yīng)生成中間相，減少鉍在晶界處的分布數(shù)量，從而提高合金的力學(xué)性能，特別是塑性。

4 結(jié)論

從各類環(huán)保易切削銅合金的研究進展來看，在今后一段時間內(nèi)，新型環(huán)保易切削銅合金的微合金化研究將是熱門方向之一。 微合金化即以一兩種元素為主要添加成份，同時加入數(shù)種其他微量合金元素，充分發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，在一定程度上改善合金的切削性能、冷熱加工性能、綜合力學(xué)性能和耐腐蝕性能。

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