无铅易切削硒铋黄铜的研究.kdh
无铅易切削硒铋黄铜的研究
杨斌１，２，张丽娜２，刘柏雄２，熊仕显２
（１．北京科技大学材料学院，北京１０００８３；２．江西理工大学材料与化学工程学院，江西赣州３４１０００）摘要：介绍了无铅易切削硒铋黄铜的制备工艺，于中频感应炉中制备了无铅易切削硒铋黄铜铸锭，并对其组织和力学性能以及抗腐蚀性进行了测定。结果表明，铋以铜铋中间合金形式在１２００℃加入时，铋均匀分布在铜合金中。该工艺制备的无铅易切削硒铋黄铜具有较ＨＰｂ５９－１好的力学性能、机加工性能和抗脱锌腐蚀性能。通过物相与组织形貌分析，解释了铋改善铜合金切削性能的机理。
关键词：无铅；易切削；黄铜；铋；硒
中图分类号：ＴＧ１４６．１＋１文献标识码：Ａ文章编号：１００１－３８１４（２００７）０１－００１１－０３
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＬｅａｄ－Ｆｒｅｅ＆ＦｒｅｅＣｕｔｔｉｎｇＳｅ－ＢｉＢｒａｓｓ
ＹＡＮＧＢＩＮ１，２，ＺＨＡＮＧＬｉ－ｎａ２，ＬＩＵＢａｉ－ｘｉｏｎｇ２，ＸＩＯＮＧＳｈｉ－ｘｉａｎ２
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ；
２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇａｎｚｈｏｕ３４１０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｔｏｐｒｅｐａｒｅｌｅａｄ－ｆｒｅｅａｎｄｆｒｅｅｃｕｔｔｉｎｇＳｅ－Ｂｉｂｒａｓｓｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｃａｓｔｉｎｇｉｎｇｏｔｓｏｆｔｈｅｌｅａｄ－ｆｒｅｅａｎｄｆｒｅｅｃｕｔｔｉｎｇＳｅ－Ｂｉｂｒａｓｓｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｉｎａｍｅｄｉｕｍｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｎｄｕｔｉｏｎｆｕｒｎａｃｅ．Ｔｈｅｉｒｍｉｃｒｏｓｔｒｕｔｕｒｅ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｗｅｒｅｍｅｎｓｕｒａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ｗｈｅｎｔｈｅＢｉｉｓａｄｄｅｄｉｎｔｈｅｆｏｒｍｏｆＣｕ－Ｂｉｍａｓｔｅｒａｌｌｏｙａｔ１２００℃，Ｂｉｉｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｉｎｔｈｅｃｏｐｐｅｒａｌｌｏｙｕｎｉｆｏｒｍｌｙ．Ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｍａｃｈｉｎａｂｉｌｉｔｙａｎｄｄｅｚｉｎｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅａｌｌｏｙａｒｅｂｅｔｔｅｒｔｈａｎＨＰｂ５９－１ａｌｌｏｙ．ＴｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｔｈａｔＢｉｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆｃｏｐｐｅｒａｌｌｏｙｓｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｂｙＳＥＭａｎｄＸＲＤａｎａｌｙｓｉｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ；ｆｒｅｅｃｕｔｔｉｎｇ；ｂｒａｓｓ；ｂｉｓｍｕｔｈ；ｓｅｌｅｎｉｕｍ
铅黄铜具有优良的冷热加工性能、极好的切削性能和自润滑等特点，能满足各种形状零部件的机加工，因此含铅黄铜被世界公认为重要的基础材料而广泛应用到民用供水系统的铸件及配件、电子、汽车及机械制造等领域［１～３］。但就环境污染而言，铅污染是影响人体和环境的重要污染源之一［４～６］。当铅加热到４００￣４５０℃时，即有一定数量的铅蒸气逸出。由于高温时铅及其化合物的挥发量较大，铅蒸气可形成高分散度的气溶胶状态而污染环境，从而危害人类［７，８］。
在一定范围内，硒、铋元素是对人体无害甚至有益的元素［９～１１］。本研究旨在利用硒、铋与铅一样几乎不溶于铜而在晶界（或相界）上析出的性质［１２，１３］，用硒、铋代替铅黄铜中的铅，达到易切削目的。１试验材料及方法
本试验采用的原料有：电解铜、Ｃｕ－Ｂｉ中间合金、Ｃｕ－Ｓｅ中间合金、工业纯锌、磷铜中间合金。将电解铜装入石墨坩埚中，于中频炉中加热，待铜熔化后用石墨鳞片与木炭覆盖，升温至１２００℃后，加入一定量的锌、Ｃｕ－Ｂｉ中间合金、Ｃｕ－Ｓｅ中间合金与少量的磷铜中间合金，用石墨棒搅拌均匀后扒渣，浇注成!２４ｍｍ×５０ｍｍ、!８０ｍｍ×１８５ｍｍ铸锭。合金的化学成分（质量分数，％）为：６０．０Ｃｕ，０．８Ｂｉ，０．２Ｓｅ，余为Ｚｎ。
!２４ｍｍ×５０ｍｍ铸锭经线切割机切割、砂纸打磨、绒布抛光后，用ＭＩＮＩＦＬＥＸ日本产Ｘ射线衍射仪分析物相。然后用３％ＦｅＣｌ３溶液腐蚀，用ＰＨＩＬＩＰＳ－ＸＬ３０型扫描电镜与能谱分析仪对组织进行分析。
用３００ｔ立式挤压机将!８０ｍｍ×１８５ｍｍ铸锭挤压成!１６ｍｍ圆棒，再用拉床拉制成!１３．９ｍｍ圆棒，然后用ＷＤＷ３２００型电子拉伸机进行拉伸试验，测其抗拉强度与伸长率；用ＨＢＥ３０００布氏硬度计测量硬度。
将总加工率相同的无铅易切削硒铋黄铜
收稿日期：２００６－１１－０２
作者简介：杨斌（１９６５－），男，江西赣州人，教授，在读博士，主要从事有色金属新材料开发；电话：０７９７－８３１２０１５；
Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｇｂｉｎ６５＠１２６．ｃｏｍ
（ＪＬＣｕ）和铅黄铜（ＨＰｂ５９－１）圆棒加工成直径１２ｍｍ、
高１０ｍｍ的柱状试样，经打磨、抛光，使表面光滑、规则。然后将试样垂直放入装有标准量的
１．０％ＣｕＣ１２溶液的烧杯中（溶液量与试样面积成
正比，２４０ｍ１／ｃｍ２），再一并置于水浴（温度为
７５℃）内进行脱锌腐蚀，腐蚀时间为２４ｈ。脱锌腐
蚀完毕后，将试样取出、清洗、酒精清洗、吹干，置于干燥器中。５天后，将试样从中心对称轴线处用线切割机刨开，打磨光滑，在Ａｘｉｏｓｋｏｐ２显微镜下测其腐蚀层厚度。
２试验结果与分析
２．１物相分析
图１是自制的ＪＬＣｕ的Ｘ射线衍射检测结果。可看出，在制备的铜合金中存在制备的铜合金中存在!相Ｃｕ０．７Ｚｎ０．３、"相ＣｕＺｎ和Ｂｉ三种物相。由于硒含量微量，所以没有出现衍射峰。Ｂｉ没有与Ｃｕ或者Ｚｎ形成金属间化合物，这与Ｃｕ－Ｂｉ、
Ｚｎ－Ｂｉ相图相吻合。
２．２微观组织分析
图２为ＪＬＣｕ铸态的显微组织形貌及能谱分析结果。从ＢＳＥ像图可以看出，由于β相更易侵蚀，因此图中凹陷部分为β相，突起部分为α相。该图还表明在α相与β相的相界上存在１号箭头所指的白色物相，而且分布较为均匀，通过电子探针能谱点分析可知白色相为单质铋，如图２（ｂ）所示，２号箭头所指颗粒为Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｅ、Ｂｉ组成的物相，如图２（ｃ）所示，具体是什么物相，有待进一步探索。由此可知铋以单质形式且呈颗粒较为均匀地分布于易切削铜合金中，硒以Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｅ、Ｂｉ四种元素组成的金属间化合物分布在α相与β相的相界上。ＬａＦｏｎｔａｉｎｅＡ等人在制备ＴＥＭ样时发现该化合物是一种脆性相，采用离子减薄时很容易脱
落，没法用ＴＥＭ进一步分析其组成。在熔体凝固时，由于铋的熔点只有２７１．３℃，所以在同一区域α相先凝固，β相凝固时，由于铋的熔点较低留在液相中，所以铋往往就在α相与β相的相界上凝固。
铋可以改善铜合金的切削性能，这是由于铋本身是一种较脆，硬度较低的金属，Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｅ、Ｂｉ四种元素组成的金属间化合物也是一种脆性相，因此它们的存在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。在温度较低的剪切区，这些铋粒是很好的内部固体断裂剂，从而改善切削性能。
２．３性能检测
为了评价所开发的ＪＬＣｕ的切削性能，本研究采用车床的主轴转速为１４００ｒ／ｍｉｎ，进给速度为０．０５ｍｍ／ｒ，切削深度为０．４ｍｍ，刀具前角为４°的车削工艺分别对ＪＬＣｕ、ＨＰｂ５９－１进行切削，然后通过对碎屑进行比较得出切削难易次序。图３为切削碎屑照片，表明ＪＬＣｕ断屑细小，其切削性能较ＨＰｂ５９－１好。
２
６
１０
１４１８
Ｅ／ｋｅＶ（ｂ）
Ｂｉ
Ｂｉ
图２ＪＬＣｕ铸态的显微组织形貌及能谱分析
（ｃ）
Ｃｕ
Ｓｅ
Ｓｅ
Ｂｉ
Ｚｎ
ＣｕＣｕＺｎ
２４６
８１０１２１４Ｅ／ｋｅＶ
１２０００１００００８０００６０００４０００２００００２０
４０
６０
８０
１１
１３
３３２!／（°
）ＣＰＳ
１：Ｃｕ０．７Ｚｎ０．３固溶体（!相）２：ＣｕＺｎ（"相）３：Ｂｉ
图１ＪＬＣｕ物相分析结果
２２
２２
１１（ａ）
１
２
"
α
表１为ＪＬＣｕ与ＨＰｂ５９－１在加工率为２５％时的力学性能测定结果。可看出，ＪＬＣｕ具有较
ＨＰｂ５９－１更好的力学性能。
图４为在金相显微镜下拍的脱锌腐蚀层厚度照片。可以看出，ＨＰｂ５９－１脱锌腐蚀平均厚度为
３６１．９μｍ，ＪＬＣｕ脱锌腐蚀平均厚度２３４．６４μｍ，表
明ＪＬＣｕ具有较ＨＰｂ５９－１好的抗脱锌腐蚀性能。
从上述材料性能可以看出，利用硒、铋代替铅黄铜中的铅达到环保要求是完全可能的。
３结论
（１）在ＪＬＣｕ中存在α相、β相和Ｂｉ三相，绝
大多数的铋以单质游离态均匀分布在α与β相界上。
（２）ＪＬＣｕ具有良好的机加工性能，车削时断屑细小，其切削性能较ＨＰｂ５９－１好。
（３）ＪＬＣｕ具有良好的力学性能与工艺性能，在加工率为２５％时的伸长率为９．６％，抗拉强度为
５８９．４ＭＰａ，屈服强度为５１０ＭＰａ，硬度为１５８．３ＨＢ。
（４）ＪＬＣｕ具有较ＨＰｂ５９－１好的抗脱锌腐蚀性能。
参考文献：
［１］张明，谢潇．环保健康型无铅易切削耐腐蚀低硼钙黄铜合金
［Ｐ］．中国专利：２００５１００４９８４２．７，２００５－０５－２６．
［２］ＤｅａｎＭＰｅｔｅｒｓ．Ｌｅａｄ－ｆｒｅｅｂｒａｓｓａｌｌｏｙｓｓｅｅｋｍｅｗｍａｒｋｅｔｓ［Ｊ］．ＦｏｕｎｄｒｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００２，１３０（７）：８－９．［３］
Ｋｏｉｃｈｉ
Ｈａｇｉｗａｒａ，Ｍａｓａｒｕ
Ｙａｍａｚａｋｉ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｏｆ
“ＫＥＥＰＡＬＬＯＹ”，ｌｅａｄ－ｆｒｅｅｃｏｐｐｅｒａｌｌｏｙ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅ
ＪａｐａｎＣｏｐｐｅｒａｎｄＢｒａｓｓＲｅｓｅａｒｃｈＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，２０００，３９（１）：１－７．
［４］张正洁，李东红，许增贵．我国铅污染现状、原因及对策［Ｊ］．环境保护科学，２００５，３１（４）：４１－４２．
［５］
ＲｏｈａｔｇｉＰＫ，ＮａｔｈＤ，ＫｉｍＪＫ，ｅｔａｌ．Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎａｎｄｄｅａｌｌｏｙｉｎｇｏｆｃａｓｔｌｅａｄ－ｆｒｅｅｃｏｐｐｅｒａｌｌｏｙ－ｇｒａｐｈｉｔｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＣｏｒｒｏｓｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ，２０００，４２（９）：１５５３－１５７１．
［６］
ＹｏｕＳｅｕｎｇ－Ｊａｅ，ＣｈｏｉＹｏｏｎ－Ｓｅｏｋ，ＫｉｍＪｕｎｇ－Ｇｕ，ｅｔａｌ．Ｓｔｒｅｓｓｃｏｒｒｏｓｉｏｎｃｒａｃｋｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙｆｒｉｅｎｄｌｙｕｎｌｅａｄｅｄｂｒａｓｓｅｓｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｂｉｓｍｕｔｈｉｎｍａｔｔｓｓｏｎ＇ｓｓｏｌｕｔｉｏｎ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡ，２００３，３４５（１－２）：２０７－２１４．
［７］彭小玲．铅污染与儿童健康的研究进展［Ｊ］．四川省卫生管理干部学院学报，２００５，２４（２）：１３６－１３８．
［８］
ＰｅｔｅｒｓＤＴ．Ｎｅｗｂｉｓｍｕｔｈ／ｓｅｌｅｎｉｕｍｒｅｄｂｒａｓｓａｌｌｏｙｓｓｏｌｖｅｌｅａｄｃｏｎｃｅｒｎｓ［Ｊ］．ＭｏｄｅｒｎＣａｓｔｉｎｇ，１９９７，８７（２）：５７－５９．
［９］
ＪａｎｇＹＨ，ＫｉｍＳＳ，ＫｉｍＩＳ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆａｌｌｏｙｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｓｏｎｅｌｅｖａｔｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｅｎｓｉｌｅｄｕｃｔｉｌｉｔｙｏｆｂｉ－ａｄｄｅｄ，Ｐｂ－ｆｒｅｅｂｒａｓｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＫｏｒｅａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｔａｌｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，２００４，４２（７）：５３７－５４２．
［１０］ＴｅｔｓｕｙａＡｎｄｏ，ＴｅｔｓｕｒｏＡｔｓｕｍｉ，ＹｏｓｈｉｈｉｒｏＹｏｓｈｉｋａｗａ．
ＭｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＢｉｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄｆｏｒＰｂｉｎｆｒｅｅｃｕｔｔｉｎｇｂｒａｓｓｏｎｍａｃｈｉｎａｂｉｌｉｔｙ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＪａｐａｎＣｏｐｐｅｒａｎｄＢｒａｓｓＲｅｓｅａｒｃｈＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，２００１，ｌ４０（１）：２５３－２５６．［１１］
ＭｉｃｈｅｌｓＨａｒｏｌｄＴ．Ｒｅｐｌａｃｉｎｇｌｅａｄｉｎｂｒａｓｓｐｌｕｍｂｉｎｇｃａｓｔｉｎｇｓ［Ｊ］．ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌａｎＰｒｏｃｅｓｓｅｓ，２００２，（１）：７５－７７．
［１２］ＴｅｔｓｕｙａＡｎｄｏ，ＴｅｔｓｕｒｏＡｔｓｕｍｉ，ＹｏｓｈｉｈｉｒｏＹｏｓｈｉｋａｗａ．
Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ
ｏｆ
ｍａｃｈｉｎａｂｉｌｉｔｙ
ｏｆ
ｂｉｓｍｕｔｈ
ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ
ｆｒｅｅ－ｃｕｔｔｉｎｇｂｒａｓｓ［Ｊ］．ＳｕｍｉｔｏｍｏＬｉｇｈｔＭｅｔａｌＴｅｃｈｎｉｃａｌＲｅｐｏｒｔ，２００２，４３（１）：１０５－１０９．
［１３］ＴｏｓｈｉｋａｚｕＭａｔｓｕｍｏｔｏ，ＭｏｔｏｎｏｂｕＦｕｒｕｙａ．Ｄｒｉｌｌｉｎｇｏｆｌｅａｄｆｒｅｅ
ｂｒａｓｓａｌｌｏｙ“ＥＣＯＢＲＡＳＳ”［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＪａｐａｎ
ＣｏｐｐｅｒａｎｄＢｒａｓｓＲｅｓｅａｒｃｈＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，２００２，４１（１）：７６－８０．
合金
!ｂ／ＭＰａ!ｓ／ＭＰａ"（％）硬度（ＨＢ）
ＪＬＣｕＨＰｂ５９－１５８９．４
５５０．０
４７５．０４００．０
９．６５．０
１５８．３１４９．０
表１ＪＬＣｕ与ＨＰｂ５９－１的力学性能测试结果
图４脱锌腐蚀层厚度×１００
（ｂ）ＨＰｂ５９－１
（ａ）ＪＬＣｕ
（ａ）
（ｂ）
图３切削碎屑照片（ａ－ＪＬＣｕ；ｂ－ＨＰｂ５９－１）