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铋黄铜及加工工艺研究

一、引言
由于铅黄铜具有优良的冷热加工性能和切削性[1]，加之良好的机械物理性能，价格又低廉，
而被广泛地应用于仪器仪表、电子、电器、日用五金、供饮水系统等行业，其中以Hpb59-
1用量最大。但是，饮水系统的零部件以及其它废弃的电子、电器产品中的铅极易进入水或
土壤中，当人体摄入后会产生危害[2]。所以美国、日本、欧盟及各国都提出了相应限制和
禁止规定，即到2006年7月1日起，出口这些国家和地区的电子电器产品和水暖、五金器
材均应达到所要求铅含量[3]。故此，无铅易切削黄铜的研究正方兴未艾[4]，但其加工工艺
研究甚微。
文中采用两相黄铜（α+β）中用铋代替传统易切削黄铜中的铅。控制锌当量系数在40～43％。
调整Bi含量，以不同的热加工方式，验证了设计参数的正确性。成功生产出性能优异的铋
黄铜材料，使其迅速取代铅黄铜材料的使用[5]。
二、铋黄铜合金设计
1、合金元素成分
由Cu-Zn状态图可知（见图1），Zn当量在36%以下的黄铜，退火状态下均为α单相组织，
其特征与紫铜相同。
双相黄铜的锌范围在36～46.5wt%之间。随着含锌量的增加，黄铜中出现了第二个固溶体
新相-β相。与晶体结构为面心立方的α相不同，β相为体心立方结构（CuZn电子浓度化合
物）。β相的特点是高温下塑性极好，易于热加工，而室温下则由无序的β相转变为有序固
溶体β，相（工程上称为β）。黄铜中α+β双相组织的出现是通过两种相变过程实现的。B
i与Pb同样不固溶于Cu里，均是以独立相存在，而且不影响Cu-Zn系的相区分布及各相
结构。在设计时用Bi代替Pb，首先分析Bi、Pb对黄铜的不同影响。
Pb相为面心立方晶格，晶格常数为4.949╳10-10m.Cu在Pb中或Pb在Cu的固溶度均极
小，因此，铅在铜合金中常以单质相的方式存在。
Bi相为菱方晶格，晶格常数为4.7457╳10-10m晶轴间夹角ａ=57°14.2。’Cu与Bi在固态
基本上均不互溶。少量Bi就会在组织中出现单独的Bi相。
铅常是颗粒状分布在晶界上的易熔共晶中，当α黄铜的含铅量大于0.03%时，黄铜在热加
工时出现热脆性，但对冷加工性能无明显影响。（α+β）两相黄铜中Pb的含量允许高一些，
因为这种合金在加热和冷却过程中，会发生固态相变（α+β<=>β）。可使铅大部分转移到
晶内，减少了Pb的危害性。
Bi常呈连续的脆性薄膜分布在黄铜晶界上，既产生热脆性，又产生冷脆性。对黄铜的危害
性远比Pb大得多（约为Pb的5～10倍）。其允许含量比铅小，α单相黄铜中允许的Pb、
Bi含量分别小于0.03%和0.002%。
（α+β）两相黄铜固态时有α+β，<=>β转变，故随着含锌量的不同H63允许含Pb<0.08%;
H62允许含Pb<0.2%;H59允许含Pb<0.5%,而含Bi量只能允许小于0.002%。
根据对Cu-Zn状态图以及Pb、Bi在不同含Zn量黄铜中的影响，确定Bi黄铜为（α+β）双
相组织，其Zn当量在40～43%之间，而Bi黄铜进行实验，其含量比Pb略低。
2、热加工温度
由于无Cu-Zn-Bi三元相图作借鉴，设计时参考Cu-Zn-Pb三元相图进行。
由此可知，高温时全部为β相，Pb易溶入，而常温时为α+β（β，）有序固溶体，Pb不溶
入。当低于一定温度时，Pb的危害性就表现出来了。所以，当其Zn当量<32%时，其组织
在高低温时均为α相，Pb均不进入相内，无法进行热加工，只有在（α+β）两相黄铜中，
并且温度在600℃以上时，无序β相存在，Pb才能进入，方可进行热加工。
（α+β）黄铜在室温下含有硬而脆的有序β，相，故强度高，塑性低。但（α+β）黄铜中的β
相在高温下比α相更容易软化。所以（α+β）黄铜要加热到β区的温度范围内加工（工程上
称为β挤压法）。对Bi黄铜铸锭要缓慢加热，并在（α+β）/β分界线以上进行热加工。
依据相图，热加工范围在600～800℃之间。过高则产生热裂现象。这是因为超过（α+β）/
β分界线太远，β相晶粒会粗大，过低则α相析出，Bi的危害性变大。
三、加工工艺
1、热轧工艺
配料：阴极铜、电解锌、精铋、电解锰
熔炼工艺：按次序加入Cu、Mn、Zn、Bi在300kg工频有芯感应电炉熔化，升温、捞渣，
喷火时（沸腾）出炉。
铸造工艺：型模铸造成40×40×1200mm的轧件，趁热轧制。
热轧工艺：采用Ф300mm横列式五牌坊线材轧机，进行9道次轧制。轧速为2m/s.开轧温
度为780℃，终轧温度要大于600℃。

（1）成分及其影响
批次成分
CuMnBiZn其它
第一批57～591.5～21.2～1.6余量<1
第二批57～591～1.50.6～1.2余量<1
两批合金材料的热轧结果表明，第一批铋黄铜材料热轧成型后，材料