无铅易切削铋黄铜的研究动态与展望-有色金属科学与工程

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1、国家自然科学基金资助（NO.50974063）梅军，女1968.02出生，高级工程师主要从事有色冶金及材料信息、情报与数据分析。无铅易切削铋黄铜的研究动态与展望张敬恩、王智祥、梅军*（江西理工大学材料科学与工程学院，江西，赣州341000）摘要：本文系统回顾了无铅易切削铜合金的发展背景和铋黄铜的研究开发动态，对比分析了铅及其主要替代元素铋对黄铜合金微观组织及综合性能影响状况，重点介绍了铋黄铜合金成分优化、Bi在铜晶界的扩散和偏析行为及改善铋黄铜耐腐蚀性能等研究热点问题，对未来铋黄铜的研究和开发方向提出了建议。关键字：无铅黄铜；铋黄铜；切削性能；扩散与偏析；腐蚀性能。前言简化了无铅化发展

2、变化，对铅在黄铜中的作用、危害健康、铋黄铜研究的引入进行了修改铅熔点为327.5℃、具有硬度低、在铜中几乎不固溶的特性，含铅黄铜在结晶凝固时，铅会以单质沿晶界呈弥散球形颗粒析出，形成脆硬低熔点单质相，铅黄铜因此具有良好的切削性能和较好的冷、热加工性能，典型的商用铅黄铜牌号有C36000等。铅黄铜被广泛用于水暖卫浴、电子电器、钟表仪器等各个领域，每年国内流通和使用的量在180万吨左右。然而由于黄铜中的铅易溶出，进入人体后会对神经和消化系统产生较大的危害，特别是对儿童的智力发育造成不可逆的损害，因此含铅黄铜在使用范围方面受到较大的约束。发达国家较早就高度重视了铅等重金属有害物质的污染的问题

3、，1986年美国最早颁布安全饮用水条例修正案（SDWA），明确要求在公共饮用水供应系统中使用“无铅”水管、焊料和配件。2006年9月30日，加利福尼亚州长施瓦辛格签署1953法案正式成为加州地方法律，该法律定义“无铅”的标准为在公共供水管道和管道配件中铅的含量平均重量百分比不能超过0.25%。2011年1月4号美国饮用水减少铅行动（ReductionofLeadinDrinkingWaterAct）成为公共法律（No:111-380），对饮用水的铅含量作了明确规定，其中S.3874规定所谓“无铅”概念，是在安全饮用水条例框架内体现两个方面：（1）使用的铅焊料和焊剂(电流法)铅含量不超过

4、0.2%。（2）饮用水管道和卫生洁具及其配件加权平均含铅量不超过0.25%。欧盟议会和欧盟理事会于2003年1月通过了“在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令”——TheRestrictionoftheUseofCertainHazardousSubstancesinElectnicalandElectronicEquipment，即著名的2002/95/EC指令-“RoHS指令”。并在2005年以2005/618/EC决议的形式对该指令进行了修正，明确规定了六种有害物质的最大限量值，其中铅、汞及六价铬等的最大允许含量为0.1%(1000ppm)。中国2007年3月1日起实行的《电子

5、信息产品污染控制管理办法》（信息产业部第39号令），明确限制和禁止使用的有毒有害物质或元素为：铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯（PBB）、多溴二笨醚（PBDE）等。可以说无铅化已得到各国政府日益关注。依据加铅有利于提高铜及其合金的切削性能的机理，从铜的二元相图看，替代铅有益于提高铜材切削性能的元素按其在铜中存在的形式主要分为3类：第1类是微量固溶于铜，但与铜形成共晶的元素；第2类是不固溶于铜但与铜形成化合物的元素；第3类是部分固溶于铜、也与铜形成化合物的元素[1,2]。为此，多年来国内外陆续开发了铋系、硅系、锡系、锑系及添加石墨的无铅易切削铜合金。其中铋与铅在元素周期表中处于相邻的位置，其

6、物理和化学性质存在很多相似之处：如熔点较低、硬度小、脆性大、在铜中的固溶度几乎为零等。因此，在铜合金中添加适量的铋元素可以替代铅的作用，实现易切削的目的。另外由于微量的铋元素对人体无毒害作用，因此成为人们研究无铅易切削黄铜时替代铅的首先元素。1易切削铋黄铜合金的开发现状自1986年SDWA修正案颁布以后，发达国家较早就进行了供水管道及配件的低铅化和无铅化的研究与开发，近年来国内研究机构和企业对无铅铜合金也进行了一些研究，表1是国内外已报道的部分易切削Bi黄铜合金一览表。表1易切削Bi黄铜合金一览表删除了原序号1和3（1含铅高，3与2同一文献，且含量在2范围内）序号合金化学成分，wt%C

7、uBiSnAlFeSbSeNiTePbPSiZn1[3]85.0~87.01.6~2.25.0~6.00.0050.200.250.8~1.11.0S0.080.250.050.0054.0~6.02[4]86.51.43.00.657.03[5]59.781.00.010.60.020.010.02余量4[6]57.0~61.00.5~4.0Re0.09余量5[7]60.5~63.50.5~2.00.5~1.80.04~0.150.02~0.