合金元素对环保易切削铜合金的影响
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【摘 要】随着世界各国对环保要求越来越高，新型环保易切削铜合金的开发已成为研究热点之一。本文根据铅黄铜的易切削机理和环保易切削铜合金的设计原则，深入分析了不同合金元素在环保易切削铜合金中的作用，并展望了未来环保易切削铜合金的发展方向。
【关键词】黄铜；合金元素；环保；易切削；微合金化
0 引言
黄铜根据合金元素成分不同可分为普通黄铜和特殊黄铜。铅黄铜作为特殊黄铜的一种，因具有冷热加工性好、切削性好和耐腐性高等特点，被广泛应用于电子、钟表、汽车、电器等领域[1]。但是研究表明[2]，铅对人体神经系统、造血器官和肾脏损害较大，特别是对儿童的生长发育影响很大。因此，新型环保易切削铜合金材料已成为研究和开发的热点[3-6]。
1 铅黄铜易切削机理分析[7-8]
根据Cu-Pb二元合金相图可知，铅在黄铜中的溶解度极低，主要以细小的独立相弥散分布在黄铜合金基体上。铅质点较软，且呈游离态分布，在加工过程中既可起到作用，又可使切屑易碎，因此铅能有效改善黄铜的机械加工性能，提高工件表面光洁度。由此可知，基体上弥散均匀分布着起断屑作用的细小质点是铅黄铜切削性能优良的根本原因。
2 环保易切削铜合金的设计原则[1，7-10]
依据铅黄铜易切削机理，新型环保铜合金基体上也应存在细小弥散分布的质点，并起到与铅质点类似的作用和断屑作用。能够替代铅元素并能够提高铜合金切削性能且不显著降低其他性能的合金元素，按其在铜中的存在形式可分为三类[11]：第1类是与铜微量固溶并形成共晶的元素，如铋、硒和碲等；第2类是与铜互不固溶并形成化合物的元素，如硫和氧等；第3类是与铜部分固溶也形成化合物的元素，如硅、磷、锑和镁等。
3 合金元素在环保易切削铜合金中的作用
3.1 铋[3-4，11-13]
铋是一种可安全使用的“绿色”金属元素，与铅在元素周期表中处于相邻位置，其在铜中的溶解度与铅接近，在铜合金中也以细小弥散分布的独立相存在，因此是替代铅的最佳选择。但是，铋本身性脆，其熔点（271.4℃）比铅（327.5℃）低，液态铋表面张力（0.35N/m）也比液态铅（0.45N/m）小，凝固时铋在合金晶界处偏析并呈网状或薄膜状分布，使铜合金更易产生冷脆和热脆现象。因此，在铜合金中单独添加铋，会降低铜合金的冷热加工性能和塑性，必须采取一定的措施来改变铋在铜合金中的析出形态和分布状态。通常添加硒、锡、磷、稀土等元素来改变铋在铜合金中的存在形态。随着铋含量的增加，铜合金的切削性能逐步提高，但加工性能有所下降，因此铋含量一般应控制在0.6wt%～1.2wt%之间。
3.2 硒[9，11]
硒的熔点较低（220℃），沸点也较低（695℃），化学性质活泼，在熔炼过程中损耗大，因此硒只能以铜硒或铋硒中间合金的形式加入铜合金熔体中。由于硒加入后可以提高液态铋的表面张力，从而有助于铋黄铜熔体凝固时铋以块状或球状而不是以网状或膜状分布在基体晶界上，进而改善合金的加工性能和切削性能。
3.3 碲[9，14-16]
碲不溶于铜合金，在基体中以第二相形式弥散分布与晶间或晶内，且形成的第二相与铅质点相似，也很软，断屑效果明显，从而提高材料的切削性能，硒、碲价格昂贵，铜合金中加入量不宜过大。
3.4 硫和氧[10-11]
熔炼时，硫和氧分别于铜发生反应生成Cu2S和Cu2O。虽然Cu2S和Cu2O对铜合金的切削性能有益，但对加工性能和使用性能等其他性能相当有害，故硫和氧应当被当做有害杂质而严加控制。
3.5 硅[5，8，17]
硅元素可以改变铜合金中α和β相区的比例。熔炼时加入硅可使铜合金中较软的α相区缩小，强度和硬度较大、塑性较好的β相区增大，因此铜合金熔炼时加入硅可以提高合金的强度和硬度，同时保证其具有较好的塑性。当合金中硅含量低于0.1wt%时，效果不明显。只有加入适量的硅才能提高铜合金的切削性能。当加入的硅含量超过1wt%并添加一定的变质剂时，可得到β+γ两相合金，硬而脆的γ相呈细粒状弥散分布于β相基体中。研究发现，在结晶过程中由于二者的收缩率不同，β相和γ相之间出现了很小的间隙空间。可以认为，在β基体上存在的诸多微小空洞起到了断屑效果。此外，硅还可以改善铜合金的耐蚀性能和焊接性能。
3.6 磷[17]
磷是成效显著、成本低廉的脱氧剂；在熔炼过程中可以改善熔体的流动性；与杂质元素形成化合物，强化晶界并使化合物脆化相更加细小均匀地分布在晶界上；可以抑制脱锌、增强耐腐蚀性能和抗应力作用，同时提高合金的切削性能和强度。因此，加入适量的磷，能够在一定程度上提高铜合金熔体的流动性，抑制脱锌，改善铜合金材料的焊接性能和耐腐蚀性能。
3.7 锑[18-19]
锑与铋类似，本身性脆。但与铋不同的是，锑部分固溶于铜，并与铜形成脆而不硬的金属间化合物。通过一定的热处理手段，使金属间化合物弥散分布于铜合金基体上，就有可能在不影响铜合金加工性能的前提下，改善其切削性能。研究表明，均匀化热处理可以使金属间化合物弥散分布在铜合金基体上及相界面处。这种铜合金综合力学性能优异，切削性能极好。
3.8 镁[20-21]
与锑类似，镁部分固溶于铜，并与铜形成金属间化合物。镁铜金属间化合物具有脆而不硬的特点。研究表明，镁在铜合金α相和β相中的固溶度非常小，固溶强化作用不明显；脆而不硬的镁铜金属间化合物分布于晶内和晶界处。镁在铜合金中的分布特征对切削时发生断屑非常有利，从而减小碎屑的尺寸和连续性，进而改善铜合金的切削性能。镁资源丰富，价格较便宜，在环保和成本方面比铋、锑更具有优势。
3.9 石墨[22-24]
石墨是一种优良的固体剂，质软，强度较差，在切削加工过程中，通过暴露出来的新生表面形成膜，减少刀头的磨损，从而改善工件的表面质量。因此，含有一定粒度分散的石墨粉的铜合金通常具有良好的切削性能。研究结果表明，在铜合金中添加一定粒度分散的石墨粉，其切屑尺寸小，切削性能大致与铅黄铜相当，但强度等力学性能较差。
3.10 铝[25-27]
熔炼时加入少量的铝可以使黄铜合金的α相区缩小，β相区增加，同时形成γ相区，进而提高铜合金的强度和硬度，但会降低塑性；γ相越多，合金的切削力越大，切削性能越差。铝能够在铜合金表面形成一层Al2O3钝化膜，降低铜合金的腐蚀速率，提高其抗蚀性能和表面质量。熔炼时铝可以减少锌的蒸发，浇注时铝可以提高合金的流动性。研究表明，铝与铋一起添加时，铝可以改变铋的润湿性，促使薄膜状的铋减少，并使组织更加细化，同时可以提高合金的耐蚀性能。
3.11 锡[28]
研究表明，在黄铜中加入1wt%的锡，可以大幅提高合金的力学性能和抗腐蚀性能，但加入过多的锡会降低合金的塑性，同时对合金的抗脱锌和抗耐腐蚀性能起不到抑制作用。在α相黄铜中，锡可以形成一层钝化膜对脱锌起到减缓作用；在α+β两相黄铜中，锡起到惰性气体的作用，延缓锌的选择性溶解。
3.12 钙[29]
钙是易切削元素，经过合金化处理后，以无毒且有利于健康的金属化物聚集于晶界处，使合金材料具有良好的切削性能。研究表明，钙在合金中含量低于0.004wt%时，易切削性能较差；当含量大于0.25wt%时，易切削性能优于铅黄铜，但铸造结晶疏松，易出现夹杂影响材料的气密性，并使其力学性能急剧降低。
3.13 镍[30]
镍与铜可以无限固溶。加入适量镍，可以使两相黄铜转变为单相黄铜，在一定程度上改善合金的微观组织、力学性能和加工性能，同时可在合金表面形成一层良好的防腐蚀层，提高合金的耐腐蚀性和脱锌性。
3.14 稀土[31-32]
稀土在黄铜合金中具有除气去杂、净化金属、细化晶粒和使合金组织致密的作用。研究表明，一定量的混合稀土与铋一同添加时，稀土可以影响铋在合金中的润湿效应，从而减少薄膜状单质铋在晶界处偏聚。当混合稀土含量为0.1wt%时，合金综合力学性能最佳。
3.15 铁[26]
铁在黄铜合金中溶解度较低，超过一定量时会析出富铁化合物。研究表明，铁对黄铜合金的切削性能没有直接影响，但是富铁相FeZn的微观晶粒组织比加铁前合金的晶粒更加粗大，使得合金的强度、塑性以及耐蚀性降低。
3.16 锰[33]
研究表明，锰与铋一起添加时，锰可以减少薄膜状铋单质的存在，进而改善铜合金的耐腐蚀性能。
3.17 钛[34]
钛是细化晶粒的元素。研究表明，当少量钛与铋一起添加时，钛与铋会发生反应生成中间相，减少铋在晶界处的分布数量，从而提高合金的力学性能，特别是塑性。
4 结论
从各类环保易切削铜合金的研究进展来看，在今后一段时间内，新型环保易切削铜合金的微合金化研究将是热门方向之一。微合金化即以一两种元素为主要添加成份，同时加入数种其他微量合金元素，充分发挥协同效应，在一定程度上改善合金的切削性能、冷热加工性能、综合力学性能和耐腐蚀性能。
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