无铅易切削黄铜材料的现状与发展.docx

无铅易切削黄铜材料的现状与发展摘要：概述了我国无铅易切削黄铜材料研发的现状和取得的进展.重点对国内外无铅易切削黄铜的化学成分进行了比较分析认为铋黄铜、硅铋黄铜是替代铅黄铜的主要材料.澄清了无铅易切削黄铜研发中的一些认识误区对无铅易切削材料的后续发展提出了思考.无铅易切削材料的加速研发与推广应用是我国企业开拓国际市场的又一次机遇.关键词：易切削；无铅黄铜；现状；发展中图分类号：TG146.1文献标志码：A0前言含Pb黄铜具有优良的物理、化学、力学和易切削性能是一类广泛使用的铜合金材料.据不完全统计我国目前仅铅黄铜的年产量约200万t被广泛应用于电子、电器、水暖阀体、锁具、接插件和儿童玩具等领域.随着人类对自身健康的日益关注含铅铜合金材料中的Pb元素会造成环境污染危害人体健康因而其应用受到日益严格的限制美、日和欧盟相继立法对与人体、饮用水接触的金属材料严格控制Pb含量.1993年日本厚生省开始实施修订了自来水质量标准其中对水中Pb溶解量重新作了规定.例如水嘴及其他给水管道装置中的Pb由≤0.005mg/L改为≤0.001mg/L（主要材料为铜合金的由≤0.047mg/L改为≤0.007mg/L）.欧盟自2006年7月1日起对电力、电子产品和汽车的原材料选材也做出了规定原材料中Pb的质量分数超出0.1%的制品禁止在欧洲市场销售.美国国家卫生基金会于2009年3月公布了饮用水（包括水嘴）相关产品成分的新规定[1]新规定包含在美国国家基金会/美国国家标准协会对饮用水产品制定的美国国家标准中以保护民众避免与Pb接触.基于此国内外相继开发了不少无铅易切削黄铜合金新材料.1现状近年来为了适应国内外市场竞争的需要我国企业与科研院校陆续开发研制了无铅易切削黄铜合金材料有铋黄铜、硅黄铜、硅磷黄铜、锑黄铜、镁黄铜、钙黄铜、锑镁黄铜、锑铋黄铜和硅铋黄铜等[2]其中在市场上获得较广泛应用的、形成一定规模生产的有铋黄铜、硅黄铜和硅铋黄铜等.1.1铅黄铜的易切削机理当铅黄铜材料被切削加工时弥散的Pb颗粒易于断裂而使切屑断裂从而起着碎裂屑、减少黏结和焊合以及提高切削速度的作用.由于材料中的Pb颗粒熔点较低切削加工时刀头与屑的接触局部受热而瞬间熔化有助于改变切屑的形状并起到润滑工具的作用.根据铅黄铜的易切削机理有益于改善铜合金切削性能的元素按其在Cu中存在的形式主要分为三类：第一类是微量固溶于Cu但与Cu形成共晶的元素如Pb、Bi、Ce和Te等；第二类是不固溶于Cu但与Cu形成化合物的元素如S和O分别形成Cu2S和Cu2O；第三类是部分固溶于Cu也与Cu形成化合物的元素如P和Si等.上海有色金属第34卷第3期高克：无铅易切削黄铜材料的现状与发展1.2国内外现状1.2.1无铅易切削铋黄铜发达国家对无铅易切削黄铜的研究较为深远现已形成不少研究成果和专利其中关于以Bi代Pb的无铅铋黄铜研究最多.实际上Bi也是最早用于取代Pb以实现黄铜易切削的元素.Bi与Pb类似在黄铜中以独立相存在并且不影响CuZn系的相区分布和各相结构.由于Bi的熔点比Pb低（分别为271.4℃和327.5℃）其表面张力亦比Pb小（液态Pb和Bi的表面张力分别为0.45N/m和0.35N/m）一般以网状或膜状分布于晶界故Bi更易使铜合金产生热脆和冷脆.在黄铜中单独添加Bi必然恶化其冷、热加工性能须采取一定的措施改变Bi在黄铜中的析出形态与分布状况.美国开发的铋黄铜牌号及化学性能见表1（见下页）.从表1中可知其在铋黄铜的合金化过程中添加了Ce、Sn和稀土等元素.研究表明在这些元素的共同作用下Bi以块状或球状而不是以薄膜状存在于晶界.Ce和Sn的这种作用可能与他们提高Bi的表面张力有关这有助于降低Bi对铜合金塑性的不利影响.稀土可以与Bi形成高熔点化合物（如BiCe熔点为1525℃）以块状分布于晶界和晶粒内因而可以减少Bi的有害影响而不影响Bi对铜合金切削性能的有利作用.无铅易切削铋黄铜的切削机理为：随着颗粒状的Bi含量增加切口效应明显增加在切削时更易形成细小的切屑螺旋状的切屑减少且切削力较小切削面光洁度较高切削性能提高.Bi脆且熔点较低在合金中形成脆、软且弥散的小质点.因此Bi的存在可以视为合金基体中产生的微小空间从而割断了基体的连续性成为集中应力源产生切口效应切屑容易在此断裂.这类材料在切削加工时在刀刃的接触线上由于有大量脆而硬度低的Bi颗粒存在这些Bi颗粒分割基体后促使剪切滑移变得容易故剪切角增大切削力降低被加工表面粗糙度也减小切屑呈短小的螺旋状刀屑接触长度减小.从表1中也可看出易