合金元素对黄铜性能的影响

合金元素对黄铜性能的影响

【摘要】针对目前机械制造业普遍使用的易切削黄铜所含铅元素对环境造成的危害，分析铅黄铜的易切削原理，选取适当的合金元素加入到无铅黄铜中，通过多次试验不断改良切削性能，检测其耐蚀性能。结果表明，加入适量的合金元素取代铅，也可实现其易切削性能，同时改善其耐蚀性能。

【关键词】合金元素黄铜性能

中图分类号： p57 文献标识码： a 文章编号：

传统含铅黄铜有较好的切削性能、冷热加工性能、耐腐蚀性能等，故其应用范围涉及很广，例如电子电器接插件、仪表零件、饮水系统的水管、水龙头、阀门、管接头以及汽车、消防和飞机上使用的液压阀件等。铅黄铜之所以有优良的切削性能，主要是因为铅元素在组织中的存在形式。铅几乎不溶于铜，在合金凝固后期在晶界上或微孔中析出成细小球状铅质点，经压力加工后，以单质游离态均匀分布在晶内和晶界上。从微观组织看出，铅的这种存在方式可视为合金基体中产生了很多微小的空间，从而割断了基体的连续性，故而其切削性能好。但由于铅黄铜制品使用后对人体和环境均有害，寻找其替代品已成趋势。通过对铅黄铜易切削机理的研究，要寻找新型无铅易切削黄铜，关键是要找出使得黄铜具有与铅黄铜具有相似切削机理的合金元素。

一、铅黄铜切削性能原理分析

hpb59-1中的细小颗粒铅，由于其本身没有什么强度，故可看作

在（α+β）黄铜的基体上存在许许多多细小且均匀分布的小孔洞，经变质处理后的（α+β）两相黄铜，γ相均匀细小分布在相对软的基体上，利用philips-xl30型扫描电镜观察γ相的形貌发现γ

相的周围与β相的交界处有一黑色边界，γ相与β相之间存在很小的间隙空间，这是在结晶以后温度下降时由于β相与γ相的收缩所致，可以这样认为，在β相的基体上存在着许许多多的微小孔洞，但这些微小孔洞中填充的不是铅，而是较基体β相更硬的与微小孔洞形状相似的γ相。这些微小孔洞可以起到切削加工时的断屑作用。

二、合金元素对无铅铋黄铜切削性能的影响

国内外在寻找铅的替代元素过程中，研究的合金元素主要可分为三类，如表1所示。最早的研究是以铋代铅的易切削黄铜，且已经取得了成果，并形成了标准牌号。铋在元素周期表中的位置与铅临近，它们有很多相似的性质。铋本身性脆，其熔点为271.4℃，比铅的熔点(327.5℃) 低。铋和铅一样不固溶于铜，是替代铅的理想元素。

表1 替代铅的合金元素

1、铋元素对无铅铋黄铜组织及性能的影响

(1)当铋含量较少时，铋单质以细小的颗粒分布在α晶界、α和β相的相界上。随着铋含量的增加，铋颗粒除了在α和β相的相界上，也开始在α相内出现。当铋含量继续增加时，铋颗粒增大、增

多，进而相互连接形成薄膜，薄膜逐渐将晶粒覆盖。

(2)铋元素以细小的颗粒均匀分布在合金基体时，基体中产生了微小的空间，从而割断了基体的连续性，成为应力集中源，产生所谓的“切口效应”，构成许多弱化微区。切削过程中，在刀刃的接触线上就有大量脆而不硬的铋粒存在，减小了切削层面积，所以使得刀具磨损减小，切削温度和切削力降低。这些铋粒分割基体后，促使剪切滑移变得容易，故剪切角增大，切削呈短小的螺旋状，切削接触长度因此减小。所以说铋可类似铅起到润滑、断削作用，添加适量铋的黄铜具有较好的切削性能。

(3)铋元素的存在形式，对黄铜的热加工性能影响很大。若铋元素以粒状形式存在，则热加工性能良好；若铋元素以块状形式存在，致使材料产生严重的热脆性，同时大大降低黄铜的热轧性能。

(4)根据pickering等提出的理论，在腐蚀过程中，表面的锌首先通过阳极溶解产生双空位，然后由于浓度梯度的影响，双空位向合金内部扩散，而锌原子向表面扩散，从而产生锌的优先溶解。铋原子在黄铜中能填充到双空位处，对锌的扩散通道有阻隔作用，同时强化了黄铜的晶界，使晶界的腐蚀敏感性大大降低，从而使其脱锌得到抑制，耐蚀性得到提高。增加铋含量可以减少合金组织中β相的体积百分数，能提高其抗腐蚀断裂性能。

2、稀土及其他少量元素对无铅铋黄铜组织与性能的影响

稀土(镧、铈)的加入可以大大细化晶粒，增大晶界面积，从而增加了锌的扩散阻力，提高了合金的耐脱锌腐蚀性能。

微量的硒与铜、锌、铋元素生成了一种脆性的金属间化合物相，可视为合金基体中产生了微小的空间，从而割断了基体的连续性，成为应力集中源，产生所谓的“切口效应”，从而构成许多弱化微区，提高合金的切削性能。

加入一定量的锰元素(1％～2％)可降低铜的使用量，从而降低材料成本。锰通过影响铋在合金中的分布状态，从而提高合金的切削性能。锰的锌当量系数低，可调剂铜的含量，使“锌当量”在40％～42％，又因为锰不但对黄铜的冷热加工性能都有利，且可抑制脱锌，从而提高其耐蚀性。

添加少量的铝(0.3％～0.8％，)能明显改善无铅铋黄铜的切削性能，使切屑更细小，切削表面光洁度更高。其作用在于添加少量的铝能使铋颗粒在合金中的分布更细小弥散，从而减小切削力和起到润滑刀具的作用。少量铝对无铅铋黄铜切削性能的改善效果甚至比相同量的稀土铈产生的效果还要好。

微量元素的抑制脱锌作用都是通过抑制锌的扩散实现的，集中表现在两个方面：一是参与形成保护膜层，阻止锌的扩散和流失；二是填充到双空位处阻碍锌的扩散通道。

三、铋黄铜的合金力学性能及硬度

挤压态铋黄铜的拉伸和硬度测试实验结果如表2，由表可以看出，合金的抗拉强度变化不大，屈服强度随着铋含量的增加而增大。

表2 铋黄铜挤压态的主要力学性能和硬度

合金的延伸率随着铋含量的增加而降低，这是由于颗粒状的铋的增加，在拉伸时更易形成断裂源，降低材料的塑性。合金的硬度随着铋含量的增加而增大，因为颗粒状的铋在基体中增多，而这种弥散分布的颗粒强化了基体，颗粒越多，这种强化作用越明显，从而使合金的硬度升高。

铋和铅一样都是在熔融状态下和铜无限相溶，但在固态时却几乎不固溶的元素。铋脆且熔点较低，在合金中形成脆、软且弥散的小质点，因此铋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，成为应力集中源，产生所谓的“切口效应”，构成许多弱化微区。在温度较高的剪切区，这些铋粒是很好的内部固体断裂剂。切削时在刀刃的接触面上就有大量脆而不硬的铋粒存在，相当于减小了切削层面积，使得刀具磨损减小，切削温度和切削力降低，加工表面粗糙度也减小，达到易切削的目的。0.3bi和0.6bi的车屑成螺旋状和小片状，而0.6bi的切屑更加细小，而0.9bi的切屑均成小片状，颗粒较前两种均细小。随着颗粒状的铋含量的增加，切口效应越明显，在切削时更易形成细且小的切屑，螺旋状的切屑减少，切削性能提高。

结束语

随着铋含量的增加黄铜的强度变化不明显，而塑性下降，添加了0.6％的铋的黄铜其力学性能适中，且切削性能与铅黄铜相当，铋作为无毒的铅的替代物具有广阔的应用前景。

参考文献：