無鉛易切削銅合金的研究進展

□文/陳維平 吳維冬 朱權利 陳耿春 劉楷周

華南理工大學機械與汽車工程學院

無鉛易切削銅合金的研究進展

Research Prospect for Free-cutting Unleaded Copper Alloys

□文/陳維平 吳維冬 朱權利 陳耿春 劉楷周

華南理工大學機械與汽車工程學院

綜述了Pb在銅合金中的易切削機理和無Pb易切削銅合金的國內外研究進展；重點評述Bi易切削銅合金的可行性及存在的主要問題；同時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結果；對無Pb易切削銅合金的研究進行了展望，提出要加大對復合加入（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；研究進展

隨著現代材料的發展，合金的物理力學性能逐步得到提高，這使得其切削加工越來越困難。為了改善高性能結構材料的切削加工性能，常用的措施有兩項：一是調整工件材料的化學成分，二是通過熱處理改變工件材料的金相組織和物理力學性能。在大批量生產中，一般是通過調整材料的化學成分而使其切削加工性能得到改善。Pb被認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。但在生產或使用過程中Pb及其化合物易揮發或析出，造成環境污染。基于此，人們正廣泛地研究各種代Pb材料，并取得了一定的進展，特別是以Bi代Pb所研制的鉍銅合金，已經投入實際生產。

1 Pb在銅合金中的作用機理

Pb的熔點為32 7.5℃，密度為11.34g/cm3，與Cu等元素幾乎不互溶，易于在合金凝固時析出成細小的Pb質點。在切削時，Pb質點由于摩擦生熱而軟化或熔化，造成應力集中，阻斷基體材料的連續性，產生“切口效應”，使切屑易斷。同時，Pb質點還能起到潤滑和降低切削溫度的作用，在實際生產中，可以提高切削速度，使工件獲得光滑的加工表面，提高產品質量。

合金元素改善材料切削性最理想的狀態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彌散分布，并且呈球狀或紡錘狀。這種夾雜物可以是單質，也可以是化合物，關鍵是能否在基體中形成并均勻細小地分布（這樣的形態不至于對材料的力學性能影響太大），并且能夠起到斷屑和潤滑的作用。

2 無Pb易切削銅合金研究進展

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271.3 ℃。我國Bi工業儲量和遠景儲量均居世界第一位。

Bi與Pb有諸多性質相似。從目前的研究來看，以Bi代Pb還存在著兩個方面的問題。第一是Bi雖然不硬，但比較脆，在切削時潤滑性能不及Pb。Pb為立方晶體結構，而Bi為六方或斜方晶體結構，Pb的滑移性比Bi更好，故在潤滑性能方面Bi達不到Pb的水平。普遍認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，以網狀或薄膜狀分布于晶界。Bi在黃銅等合金中以單質的形態偏析于晶界，增大了合金的熱脆性，使塑性加工性能降低，嚴重影響了合金的力學性能。在目前的研究中，鉍黃銅的力學性能略差于鉛黃銅。這是由于Pb的表面張力大于Bi，二面角大于零，因而Pb常以不連續點狀分布于晶界。而Bi的表面張力較小，因而Bi常以薄膜狀分布于晶界。La Fontaine等人通過實驗發現，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，其中白色亮點為單質Bi，圖2為Bi在黃銅中的偏析現象。

雖然我國的B i儲量比其他國家豐富，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的價格為每噸1.8萬元，而Bi的價格在每噸18萬~19萬元左右，因此，從市場價值上看，鉍銅合金市場應用的性價比不高。

我國在無鉛銅合金研究方面起步較晚，而目前美國已經形成了自己的鉍銅合金牌號，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（質量分數）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，熔點低（2 32℃），但沸點高（2 270℃），質地軟，與Fe、Cu等元素固溶。在冶煉時，Sn不存在像Pb一樣的揮發問題。我國Sn礦儲量豐富，占世界第一位，但其價格昂貴（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中心共同開發了無Pb和低鉛黃銅合金NB系列易切削錫黃銅產品。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倍的耐磨性，并且具有優于傳統黃銅的力學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，熔點為648.9℃，沸點1 090℃，與Cu、Fe等元素固溶。其密度小，地殼中分布廣泛，價格較為便宜，Mg在易切削材料中的作用機理尚有待進一步研究。

黃勁松等人采用熔鑄、擠壓、拉拔的方法生產出了以M g代Pb的環保型無Pb易切削鎂黃銅材料，對易切削鎂黃銅的微觀組織進行了觀察，并對其力學、化學和切削性能分別進行了研究。結果表明：鎂黃銅晶內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，對提高合金切削性能有利。半硬態鎂黃銅的抗拉強度為550MPa，屈服強度為280MPa，伸長率為16.30%，斷面收縮率為32.4%，綜合力學性能優良。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，質堅而脆，有光澤，密度為6.684g/cm3，熔點630.74℃，沸點1 750℃。Sb的資源豐富，價格便宜。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中得以證實。

中南大學與寧波博威集團有限公司共同研發了無Pb易切削銻黃銅合金，其主要成分為（質量分數）：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，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。

2.5 以Si代Pb

黃銅的α相為面心立方晶格，塑性好，可以進行冷、熱加工；β相為體心立方晶格，其強度、硬度比α相高，不適合冷加工，但是在熱加工狀態下，其塑性比α相還好；而γ相則不同，它是個硬而脆的相，在鑄態下以星花狀分布于基體中，嚴重影響黃銅的壓力加工性能。龐晉山等人獨辟蹊徑，在β基體上均勻分布細小的γ相質點，從而達到改善切削性能和保證黃銅良好的熱加工性。當加入大于1%的Si，并加入一定的變質劑，得到以β相為基、在基體上均勻分布著細粒狀γ相的黃銅，在進行機械加工時，細小的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，其上分布的黑色細小質點為變質處理后的γ相。

通過變質處理的方法制備無Pb易切削黃銅是一種大膽的創新，這種方法可以大大提高Zn在黃銅中的含量，節約銅資源，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%，還有待進一步提高。

2.6 以石墨代Pb

石墨（G r）具有典型的層狀結構。由于原子層間的結合力很小，所以石墨的強度和硬度很低，其基面很容易滑動，是常用的潤滑材料。如果石墨在難切削金屬材料基體中能形成適當形狀、大小和均勻分布的質點，則與Pb類似，同樣可以改善其機加工性能。但由于石墨的潤濕性不好，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合材料（見圖4），并測試了這種復合材料的抗腐蝕性能。為改善石墨在銅基合金中的濕潤性，加入了Ti元素，并采用了攪拌鑄造技術進行制備。通過電鏡觀察發現，這種鑄態復合材料的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。通過腐蝕實驗發現，加入石墨后對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，石墨將是一種既環保又經濟的選擇。

2.7 以Mg和Sb兩種元素共同替代Pb

為進一步降低無Pb易切削黃銅的成本及達到良好的切削效果，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。根據對元素性質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，鎂銻黃銅的力學性能與鉛黃銅相當，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，價格便宜，易于推廣應用。

2.7.1 微觀組織觀察

圖5為M g、Sb無鉛黃銅鑄造態掃描電鏡像，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（長條狀和白色顆粒）存在。后又分別選取了不同的位置進行能譜分析，能譜結果如表1所示。

由能譜分析結果可以看出，凹陷部分，其Cu與Zn摩爾比約為1:1，應為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，而且實際測出強化效果并不顯著，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性能和擠制拉拔性能。在凸起部分為基體α相，檢測到有少量的M g存在，沒有檢測到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。長條狀白色金屬間化合物為Sb、Cu化合物，這種長條形狀可改善切削加工性能，但嚴重割裂基體，降低材料的力學性能和擠制拉拔性能，所以Sb的加入量不能太多。單獨加入Sb不利于在提高切削性能的同時保證材料的力學性能和擠制拉拔性能，而單獨添加M g，又由于M g在熔煉過程中容易吸氣且除氣較難，于是考慮同時添加M g和Sb，Cu、M g、Sb形成復雜的金屬間化合物，顯微組織呈顆粒狀，減少Sb、Cu長條狀金屬間化合物的數量，既滿足改善切削性能的要求又能滿足力學性能和工藝加工性能的要求。

2.7.2 切削試驗結果

為了評價所開發的鎂銻無鉛黃銅的切削性能，將試樣在國產C6132A1普通臥式車床切削。本研究采用刀具后角為8°，車床的主軸轉速為2 000 r/m in，走刀速度為0.1mm/r，進刀量為0.1mm/r的切削工藝進行切削，然后對切屑進行對比，評價切削性能。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無鉛黃銅斷屑更細小些，其切削性能優于ZCuZn40Pb2。

對切削過程進行分析可以看出，對鉛黃銅而言，Pb呈細小顆粒分布于基體中，由于Pb本身強度低且呈脆性，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，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在剪切應力的作用下，易于破碎，顆粒破碎后，與破碎處接觸的金屬產生應力集中，很容易萌生裂紋并擴展，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）在已進行的研究中，根據Pb在金屬材料中的作用機理，更多關注的是單質元素在改善機加工性能方面的作用，而對于化合物的研究則較少。相對單質而言，化合物的種類更加豐富，而且性質更加多樣，應更多地進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加入，以減少昂貴金屬的用量，降低成本，及達到良好的切削效果。

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

表1 能譜分析結果（Atom ic%）

（4）在考慮替代元素時，要同時考慮資源的儲量及價格因素。有些元素（如Bi和Te）的總儲量并不多，價格也較昂貴，使用這些金屬作為替代元素并非長策。故要選用既環保又經濟的替代元素。

（5）全世界每年仍生產數十萬噸鉛銅合金（主要是鉛黃銅），特別是在我國，鉛黃銅仍然在易切削黃銅中占主導地位。為節約越來越寶貴的銅資源和降低生產成本，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，需要加強對含鉛銅合金廢料的綜合利用研究工作。

（6）可以通過熱力學分析及相圖計算等方法來指導實驗，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的電氣和電子產品中，Pb、Hg、Cr+6、多溴聯苯和多溴聯苯醚的最大允許含量為0.1%，Cd為0.01%。相關產品的有毒有害物質的含量不得超出上述歐盟規定的指標，否則將被拒絕進入市場或遭遇處罰。因此，設計新的綠色易切削銅合金是我國機械制造業面臨的巨大挑戰，高性能、低成本、環境友好的無鉛易切削銅合金具有廣闊的發展前景。

略