合金元素对环保易切削铜合金影响

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1、合金元素对环保易切削铜合金影响【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

2、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］o1铅黄铜易切削机理分析［7-8］根据Cu-Pb-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润滑作用,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润

3、滑作用和断屑作用。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，如铳、硒和蹄等；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、铢和镁等。3合金元素在环保易切削铜合金中的作用3.1钱［3-4,11-13］钱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，钱本身性脆，其熔点（271.4。0比

4、铅（327.5°C）低，液态钱表面张力（0.35N/m）也比液态铅（0.45N/m）小,凝固时钱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報,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钱在铜合金中的析出形态和分布状态。通常添加硒、锡、磷、稀土等元素来改变钱在铜合金中的存在形态。随着钱含量的增加，铜合金的切削性能逐步提高，但加工性能有所下降，因此钱含量一般应控制在0.6wt%〜1.2wt%之间。3.2硒[9,11]硒的熔点较低(220°C),沸点也较低(695°C),化学性质活泼，在熔炼过程

5、中损耗大，因此硒只能以铜硒或钱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钱的表面张力，从而有助于铳黄铜熔体凝固时钱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碼[9,14-16]蹄不溶于铜合金，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、碼价格昂贵，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Cu20o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

6、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a和B相区的比例。熔炼时加入硅可使铜合金中较软的a相区缩小，强度和硬度较大、塑性较好的B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.lwt%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lwt%并添加一定的变质剂时，可得到B+Y两相合金，硬而脆的Y相呈细粒状弥散分布于B相基体中。研究发现，在结晶过程中由于二者的收缩率不同，B相和V相之间出现了很小的间隙空间。可以认为，

7、在B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O3.7铸[18-19]舖与钱类似，本身性脆。但与铳不同的是，锁部分固溶于铜，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

8、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