（材料学专业论文）无铅易切削铋黄铜的制备及腐蚀、切削性能研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 以制备一种新型的无铅易切削铋黄铜合金为目的，以替代现有应用广泛的易 切削铅黄铜。采用熔铸挤压的方法制备了易切削铋黄铜棒材，利用x r d 、金相 显微镜、扫描电镜、动电位极化和交流阻抗等方法研究添加t i 、a i 、c e 对铋黄 铜的微观组织及耐蚀性的影响。并利用电子万能试验机、金属切削机床等仪器测 试了材料的力学性能和切削性能，着重研究了合金的腐蚀过程和切削机理，得出 如下研究结果： 1 ) c e 对c u - z n b i 合金铸态组织的细化作用明显，a l 对合金加工后的组织 具有一定的细化作用。添加了a l 的铋黄铜的抗拉强度、屈服强度较c u - z n b i 、 c u z n b i c e 和c u z n b i t i 高，合金的塑性较好。 2 ) c u - z n b i 合金中铋主要以薄膜状存在合金中，而a l 、c e 的添加使得b i 的反润湿效应明显，添加了t i 、a i 、c e 后，薄膜状的铋减少，主要以颗粒状存 在于合金中。c u - z n b i 和c u z n b i - a i 的平均脱锌层厚度在3 0 0 t u n 左右，而 c u - z n - b i c e 的耐腐蚀性能较差，脱锌层的平均厚度大于1 0 0 0 1 t m 。 3 ) 分别研究了c u - z n b i 和c u z 1 1 b i a l 合金在1 0 c u c l 2 溶液中的微观腐 蚀形貌，发现挤压态合金的腐蚀表面存在一定的微裂纹，分析了腐蚀表面裂纹形 成的微观机制，认为其主要是腐蚀过程和样品中的拉应力共同作用的结果。测量 其在1 0 c u c l 2 溶液中的开路电位，分别为- 4 0 7 2 m v 和1 4 4 6 7 m v 。 4 ) 研究了c u z n b i 和c u z n b i a l 合金在1 0 c u c l 2 溶液中不同浸泡时间 的交流阻抗图谱，分析表面膜形成过程，得到腐蚀的等效电路图。由腐蚀过程可 知，其表面膜在腐蚀6 h 前形成，6 h 后被溶液中的c l 。侵蚀，表面膜破坏。 c u - z n b i a i 合金中的表面膜先于c u - z n - b i 中的表面膜形成，a l 的加入有利于 合金中保护膜的生成。 5 ) 根据脱锌层厚度计算了添加不同合金元素的铋黄铜中锌的扩散系数，其 扩散系数的数量级在1 0 。1 0 1 0 r 9 之间，c u z n b i - a 1 的扩散系数较c u - z n b i 的小， 而c u - z n b i 的扩散系数较c u - z n b i c e 的小。 6 ) c u - z n - b i t i 合金中，随着铋含量的增加，合金的切削性能提高： c u - z n b i - a i 的切屑细小，呈针状，三向切削力均小于h p b 5 9 1 切削性能优异； c u - z n - b i c e 的切屑主要呈螺旋状和小片状，但其切削力较h p b 5 9 1 有所增大。 7 ) 研究了切削热对变形区的影响，发现切削变形时，在铋颗粒中产生的热 应力，在温度变化很小时已经超过了铋颗粒的屈服应力，使铋颗粒发生变形。并 应用g r i f f i t h 的断裂理论计算了断屑时铋颗粒的临界尺寸，计算得到只要铋颗粒 中南大学硕士学位论文摘要 的尺寸达到0 3 4 4 6 0 m 时，切屑发生断裂。 8 ) 所制备的c u - z n b i - a i 合金具有较高的强度、塑性，耐腐蚀性能良好， 并具备优异的切削性能，达到了预期的性能指标，可以替代现有的广泛应用的铅 黄铜，具有一定的应用前景。 关键词：无铅黄铜，铋黄铜，切削性能，脱锌层，耐腐蚀性，扩散系数，切屑 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i ss t u d yi st od e v e l o pan e wk i n do fe a s yc u t t i n gl e a d l e s s b i s m u t hb r a s s ，w h i c hi st os u b s t i t u t ef o rt h ew i d e l yu s e dt o x i cl e a d e db r a s s i nt h i s w o r k , t h ee a s yc u t t i n gb i s m u t hb r a s sw a sf a b r i c a t e db ym e l t i n g ，c a s t i n ga n de x t r u d i n g p r o c e s s e s t h ee f f e c to fa d d i n gt i ，a ia n dc eo nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dc o r r o s i v e p r o p e r t i e sw e r es t u d i e db yx r a yd i f f r a c t i o n ，o p t i c a lm i c r o s c o p e ，s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ，p o t e n t i o d y n a m i cp o l a r i z a t i o n a n de l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c e s p e c t r o s c o p y , t h em e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dm a c h i n a b i l i t yw e r et e s t e db ye l e c t r o n u n i v e r s a lt e s tm a c h i n ea n dm e t a ls t o c kr e m o v i n gm a c h i n e t h ec o r r o s i o np r o c e s sa n d f u n d a m e n t a l so ft h ec u t t i n gp r o c e s sw e r em a i n l yd i s c u s s e d t h ef o l l o w i n gr e s u l t s w e r eo b t a i n e d ： 1 ) b ya d d i n g c et ot h ec u - z n b i a l l o y , t h e a s - c a s tm i c r o - s t r u c t u r eo f c u - z n - b i - c ea l l o yw a sr e f i n e d t h e g r a i ns i z e o fa s e x t r u d e da n da n n e a l e d c u - z n - b i - a i a l l o yw e r es m a l l e r t h a nc u - z n - b i ，c u - z n b i c ea n dc u - z n - b i - t ia l l o y s a tt h es a m ec o n d i t i o n t h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ha n dy i e l ds t r e n g t ho fc u - z n - b i a 1 w e r em u c hh i g h e rt h a nt h eo t h e rt h r e ea l l o y s ，a n da l s oc u - z n b i - a ia l l o yh a sg o o d p l a s t i cp r o p e r t y 2 ) t h e b ie x i s ta sf i l ma l o n g p h a s eb o u n a r i e si nc u - z n - b ia l l o y ，b u tt h eb if i l m c h a n g e dt op a r t i c l e sw i t l lt h ea d d i t i o no ft i ，a 1a n dc e t h ea v e r a g ed e z i n c i f yl a y e ro f c u - z n - b ia n dc u z n - b i - a i a l l o y sa r ea b o u t3 0 0 i t m ，b u tt h ec o r r o s i o nl a y e ro f c u - z n - b i - c ei sm o r et h a n10 0 0 b m 3 ) t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ec u - z n - b ia n dc u - z n - b “la l l o y si n1 o c u c l 2 s o l u t i o nw e r ee x a m i n e d a l s oe x a m i n e dt h em e c h a n i s mo fc r a c kf o r m a t i o np r o c e s so n t h ec o r r o s i o ns u r f a c e ，a n di ti sar e s u l to fe f f e c t so fc o r r o s i o na n dr e s i d u a ls t r e s s 1 1 1 e o p e np o t e n t i a lo fc u - z n - b ia n dc u z n b i 剁a r e - 4 0 7 2 m va n d - 14 4 6 7 m v 4 ) t h et y p i c a ln y q u i s tp l o t s 谢t hd i f f e r e n ti m m e r s i o nt i m eo fc u - z n b ia n d c u - z n - b i _ 甜a l l o y sw e r ee x a m i n e d ，a n dt h ee q u i v a l e n tc i r c u i tw e r eo b t a i n e d t h e f o r m a t i o no f p r o t e c t i o nf i l mo ft h ea l l o y sw e r es t u d i e d ，a n di tw a sf o u n dt h ef i l m w a sf o r m e db e f o r ei m m e r s i n g6 h ，a n dt h ef i l mw a sd e s t r o y e db yc 1 。t h ea d d i n go f e l e m e n ta ia c c e l e r a t et h ef o r m a t i o no ft h ep r o t e c t i o nf i l m 5 ) a c c o r d i n gt ot h ed e p t ho ft h ec o r r o s i o nl a y e r , t h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n to fz n w e r ec a l c u l a t e d ，a n dt h eo r d e ro fm a g n i t u d eo fi ti s10 。1 10 9 md i f f u s i o n c o e f f i c i e n to fc u - z n - b i a 1i sm u c hl o w e rt h a nt h a to fc u z n b i b u tt h ed i f f u s i o n m 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o e f f i c i e n to fc u z n b ii sl o w e rt h a nt h a to fc u - z n - b i - c e 6 ) w i t ht h ei n c r e a s i n go fb ic o n t e n t , t h em a c h i n a b i l i t yo fc u - z n - b i - t ia l l o y i m p r o v e d t h ec h i po fc u z n - b i a ii sn e e d l el i k e ，a n dt h ec u t t i n gf o r c ei sl o w e rt h a n t h a to fh p b 5 9 1 t h ec h i po fc u - z n b i c ei sh e l i c a l ，b u tt h ec u t t i n gf o r c ei sm u c h h i g h e rt h a nh p b 5 9 一1 力硒ee f f e c to fc u t t i n gh e a to nt h ed e f o r m e da r e aw a sa l s os t u d i e d i tw a s f o u n das l i mc h a n g eo ft h et e m p e r a t u r ec a nl e a dt ot h eh e a ts t r e s so fb i ，w h i c hc a n r e s u l ti nt h ed e f o r mo fb i a c c o r d i n gt ot h ef r a c t u r et h e o r yo fg r i f f i t h ，t h ec r i t i c a l d i m e n s i o no fb iw a sc a l c u l a t e d ，w h i c hi s0 3 4 4 6 1 u n 8 ) c u - z n - b i - a ia l l o yh a sg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，c o r r o s i v en a t u r ea n d m a c h i n a b i l i t y i tc a l ls u b s t i t u d ef o rt h ew i d e l yu s e dl e a d e db r a s sa n dh a v eap r a t i c a l a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：l e a d l e s sb r a s s ，b i s m u t hb r a s s ，m a c h i n a b i l i t y , d e z i n c i f i c a t i o nl a y e r , c o r r o s i v ep r o p e r t y , t h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n t ，c h i p 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特j j j j d i ：l 以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：里聋亟 日期：塑墨年月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：陋导师签名整日期：旦年月兰日 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 黄铜的基本性质 第一章文献综述弟一早义陬琢迎 1 1 1 普通黄铜的组织结构及性能 黄铜( 铜锌合金) 包括铜一锌二元合金和铜锌中加入其他组元的多元合金。 黄铜有良好的工艺性能、机械性能和耐腐蚀性，有的还有较高的导电性，是有色 金属中应用最为广泛的合金材料之一。 锌可大量固溶于铜，f l j c u - z n 合金相图( 图1 1 ) 可知，在铜一锌系中，固态下 分别存在a 、p 、丫、o 、1 1 等六个相。 l 嘲 ll 。 量适 吣 n j、 心 r 令 高u 、 p | l汰 1 h 1a 。八 i - i k 乒 i 7 上一、 、 5 秘 l 翻l 档 ，r 一 | - - o f 弋； ； 图卜lc u - z n 合金相图 黄铜的机械性能与其相结构密切相关。现阶段，工业上应用的黄铜，含锌量 一般不超过4 6 ，故组织上只有和1 3 ( 或b ) 两相。当锌含量较高时，铸态组织 中会出珊相。早期的研究认为丫相的出现会使合金的机械性能变差，但近年来高 锌黄铜的研制说明经过变质处理，可改变丫相的分布及其形态甚至其性能，具有 一定的应用前景。黄铜中的主要相的性质如下所示： a 相：z n 溶于铜中的固溶体，具有与铜相同的晶格( 面心立方) 。随含锌量的 增加由紫变黄，质软而塑性大，铸态下成树枝状或针状，退火后呈多边形晶粒组 织。 p 相：以电子化合物c u z n 为基的固溶体，具有体心立方晶格，灰黄色，强度 和硬度比a 相大，塑性比值相小，但比旺相具有高的高温塑性。p 相i ：t a 相容易被腐 蚀，故在显微镜下呈暗色。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 p 相：为p 相的有序化转变相，其硬度比p 相稍大。 7 相：以电子化合物c u 2 z n 3 ：为基的固溶体，呈淡黄色，铸态下质硬而脆，在 传统黄铜中为不利因素，常予以避免。各相的结构特征如表1 1 ： 表1 1c u - z n 合金各相的结构特征【1 】 简单黄铜在生产条件下按含锌量范围及组织特性分类如表1 2 ： 表1 2 简单黄铜按相组织分类f 2 】 黄铜室温机械性能时由其成分和组织决定的，含锌量的增加，改善了q 相的 塑性，且其强度随含锌量的增加而增高。p 相则强度更高，但在室温下呈有序状 态，塑性降低。丫相在室温下硬而脆，使合金硬度提高，导致合金的强度和塑性 同时急剧下降。铸态黄铜的机械性能与含锌量及组织的关系如图1 2 所示。 2 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 ， y a l ： ： y ： 多 ； ： 蛾i 悠 o 盈 图1 - 2 铸态黄铜的机械性能与含锌量及组织的关系 黄铜的强度和硬度随温度的升高而下降，且( 叶b ) 黄铜比0 【黄铜更易软化。 a 相黄铜塑性好，可冷热加工。两相黄铜热轧或高锌单相黄铜高温热轧均需加热 到p 相区的温度进行，因为p 无序，较软，同时，通过加热发生a + b 一b 转变，能 使易溶杂质由晶界转入晶内，提高黄铜的高温塑性。所有黄铜在2 0 0 - - 6 0 0 的温 度范围内存在低塑性区，热加工通常不低于6 0 0 。 t 晶粒度是决定黄铜质量的重要指标，不同晶粒度的材料具有不同的使用功 效。晶粒愈细，材料的硬度愈高。同一黄铜的晶粒大小决定于其冷变形程度、退 火温度及退火时间，冷变形大，并在较低温度下短时间退火，可得到较细的再结 晶晶粒。 a 黄铜冷加工后，长期存放或在低于再结晶温度退火时，通常会出现异常硬 化现象。而且晶粒愈细，低温退火硬化愈显著。关于异常硬化现象，一般有以下 几种解释l l l ： l 、变形合金因低温退火或长期存放，原子产生了近程有序排列和有序相、 无序相之间的共格连接，引起0 【黄铜强化； 2 、变形的q 黄铜低温退火时锌原子上坡扩散，偏聚成b 相的核心，引起合金 强化。 3 、形变产生空位，在低温退火时积聚起来。锌原子富集在这些缺陷区。即 产生了偏聚区与空位或位错等交互作用，使合金强化。 黄铜的耐腐蚀性能是及其重要的使用性能。黄铜在大气及低速、干燥、纯净 的蒸汽中腐蚀极微，在纯净淡水中腐蚀速率不大，在海水中腐蚀速率略有增加， 但在含有0 2 、c 0 2 、h 2 s 、s 0 2 、n h 3 等的气体中，腐蚀速度加剧。黄铜的腐蚀主 要有两种形式，即脱锌腐蚀和应力腐蚀。 为了避免腐蚀破裂，所有黄铜冷加工的制件均需在大约2 7 0 左右退火，这 样可以消除主要的内应力，而不致显著降低合金的机械性能，但可显著提高其抗 3 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 应力腐蚀破裂的能力【3 】。在( q + b ) 两相黄铜中加入锡或加入少量的硅，认为对 抵抗腐蚀破裂有好处【4 】。 1 1 2 复杂黄铜 为提高黄铜的耐蚀性、强度、硬度、切削性等，在c u - z n 合金中加入少量( 一 般为1 - 2 ，少数达3 - 4 ，极个别5 6 ) 锡、铝、锰、铁、硅、镍、铅等元素， 构成多元合金，即复杂黄铜。 在黄铜总加入锡、铝、锰、硅、铅等元素，这些元素多半固溶于( i t 和1 3 相中， 合金组织并不发生根本性的变化，只是与增加锌含量的意义一样，改变了a 和p 相的相对含量，而其各种性能与单纯增加锌时候有较大不同。但合金元素的加入 量超过一定的限度时，也会产生新相，但它们多半以独立的小质点分布在a 和1 3 相之中，具体表现在： l 、a 和1 3 相的相对含量：q 和b 相对比值对合金的机械性能有较大影响。当合 金由单相a 相组成时，合金一般具有较好塑性和韧性，但其切削性能较差，切削 多为长条丝状。当基体有1 0 0 1 3 相组成时合金具有较大的强度，但是这时候其塑 性较差，且其耐蚀性能远不及仅相黄铜。因此在传统黄铜中，为获得较好的合金 综合机械性能一般要求a 相占2 0 3 0 。 2 、泖b 相的尺寸、形状和分布：( a + p ) 相两相黄铜的组织特征主要由a 和p 相的百分含量决定，如果a 相占的比例很大，b 相的份量很小，则在仅相晶粒的交 界处加夹杂着b 相；如果仅相和p 相的比例基本相当，则两个相为均匀相隔分布j 如果b 相占较大比例，在金相显微镜下p 相作为基体，a 相一般以针状均匀分布于p 相基体中。b 相一般为多边形晶粒，晶粒愈细，强度愈高。a 相最好以细针状均匀 分布在基体中，粗大的针状和块状以及沿晶界网络分布都是不利的。 复杂黄铜的组织通常相当于单相黄铜增加或减少锌含量的合金组织。故可根 据黄铜中加入元素的“锌当量系数”来推算。 某些复杂黄铜，如h a l 6 6 632 、h a l 5 9 3 2 等由于丫相的出现，很难进行冷 压力加工，在许多情况下将其作为铸造黄铜使用。用“锌当量系数”来说明组织变 化带来的性能变化，只能是定性的。从定量角度来讲，复杂黄铜中的q 相及b 相时 多元固溶体，强化效果大。而普通黄铜中的( i t 相和b 相是简单的c u z n 固溶体，强 化效果低。 4 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 2 铅黄铜及无铅易切削黄铜的研究现状 1 2 1 铅黄铜的组织及性能 铅不固溶于铜，呈黑色质点存在于晶界上，经过压力加工，呈游离态的孤立 分布于固溶体中，有相当强的润滑与减磨作用，使合金具有极高的可加工性能， 切削易脆，工作表面光洁。 含铅c u - z n 合金，是易于切削的黄铜，最好的易切削铅黄铜含铅约l 一2 ， 所加入的铅( 达3 ) 以细小的弥散的形式存在，h 5 9 黄铜的可切削性能与铅含 量的关系如图1 3 所示，随着铅含量的增加，合金的切削性能有了一定的提高， 不过当铅含量大于3 后，不会进一步改善合金的可切削性能，反而会是合金的 力学性能全面下降卯。黄铜的可切削性能通常以铅黄铜c 3 6 0 0 0 ( 含5 7 9 2 c u 、 2 9 5 p b 、0 0 5 f e 、其余为z n ) 为1 0 0 。向铅黄铜中添加微量的m g 、c a 、n a 、 稀土等元素可进一步提高可切削性能。 切 削 性 含铅量 图i - 3h 5 9 f f - 。金的可切削性能与铅含量的关系 双相q + p 铅黄铜可进行热加工，而单相a 铅黄铜一般只进行冷轧或热挤压。 向h p b 6 3 3 铅黄铜添加o 15 0 3 f e 、0 15 0 , - 0 5 n i 、0 0 5 一0 0 8 s n 可提高强 度，0 0 0 5 r e 可细化h p b 5 9 1 铅黄铜的铸锭晶粒，铅分布更加均匀化，热轧温度 上限由6 5 0 ( 2 扩大n 8 0 0 c 。含0 4 a 1 的h p b 6 3 3 黄铜可在7 2 0 7 5 0 c 热轧。少量 触也可以扩大h p b 5 9 1 的半连续铸造圆锭的热加工温度范围和提高其表面质量。 铅黄铜的典型力学性能及工艺性能如表1 3 所示。p b 对铜的电导率与热导率无显 著影响，p b 严重降低c u 的高温塑性。 h p b 7 4 3 的主要用在汽车、拖拉机及一般及其上要求可切削性好的零件以及 钟表和汽车上要求可切削性好的零件。h p b 6 1 1 和h p b 6 0 3 主要用在钟表要求可 切削性极高的零件。h p b 5 9 1 和h p b 5 9 2 主要适于热压和可切削性好的零件，如 销子、螺钉、垫圈、垫片、捻子、衬套、管嘴、螺帽、底座、轴承保持器等。 5 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 袁1 3 铜的典型力学性能及工艺性能 抗拉强度屈服点伸长率布氏硬度洛氏硬度可切削性 合金 仃 m p a万。m p a6hb h r b h p b 7 4 33 5 0 6 5 01 2 0 4 7 04 0 35 51 6 ，8 8 8 0 h p b 6 4 - - 23 5 0 6 5 0l o o 5 0 05 5 ，55 0 ，1 1 015 8 49 0 h p l ) 6 3 3 3 5 0 5 8 01 2 0 ，5 0 05 5 ，5 。1 7 ，8 61 0 0 h p b 6 3 一l3 5 0 5 0 01 2 0 ，5 0 05 4 ，5 2 8 8 87 5 h p b 5 9 14 2 0 5 5 014 0 4 0 04 5 57 5 14 94 4 8 08 0 注：分子上的数为6 0 0 退火时的数值，分母上的数为加工率材料的5 0 。 1 2 2 无铅易切削黄铜的研究现状 随着人类活动及工业发展，铅对环境的污染日趋严重，因此在工业生产中必 须严格控制各种产品的铅含量。目前民用及工业供水系统的铜合金管件通常都是 采用c 8 4 4 0 0 与c 8 3 6 0 0 铜合金铸造而成的，c 8 4 4 0 0 铜合金含铅量为7 ，c 8 3 6 0 0 含铅量为5 。这两种铜合金管件所含的铅，在供水过程中会部分地溶解于水中， 导致水中的铅含量在5 0m g l 以上1 6 - 7 1 。铅是一种有害元素，可对人体造成各种 危害：损伤大脑中枢及周围神经系统；破坏造血系统，阻碍血红素的合成，导致 贫血；影响消化系统功能；抑制免疫系统功能，等等。美国环境保护局对饮用水 的铅含量做了明确规定，要求9 0 以上家庭的饮用水的铅含量从现在5 0m g l 降低n 1 5m g l 。因此，采用铅含量低的铜合金来代替现用的c 8 3 6 0 0 是大势所 趋【8 。1 叭。 为了降低铅的有害作用，科研人员就饮用水对黄铜的腐蚀机理及添加元素对 黄铜的腐蚀性影响进行了系统的研究，并采取了多种措施，如添加锡、镍等合金 元素来提高铅黄铜的耐蚀性能，或将可溶性的铅去除或抑制铅的浸出等。由于铅 是黄铜的合金元素，黄铜中始终存在着铅，所以上述方法只能从一定程度上减轻 铅的毒副作用，而无法从根本上消除铅的有害作用。目前国内外已经开展了广泛 的替代铅黄铜的研究【l 主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 铋黄铜l 忆0 7 1 日本研究人员早在2 0 世纪9 0 年代就致力于无铅易切削黄铜的研究，开发出了 不加任何其他微量元素的b i 黄铜。为了说明b i 黄铜的切削性能，用带显微切削装 置的电子扫描显微镜对各种b i 含量的黄铜进行了正交切削实验。结果表明，c u - z n 比为6 ：4 时，含0 2 0 3 b i 的铋黄铜的切屑呈剪断型，而c u ：z n 比为7 ：3 时， 含0 2 0 3 b i 的铋黄铜的切屑呈流动型。c u ：z n 比为6 ：4 的铋黄铜的切削角度随 其铋含量的增大而增大。铋含量高于l 时，对切削与刀具间的接触长度的影响 6 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 比较显著；接触长度随铋黄铜的铋含量增加而减小。这说明黄铜中的铋犹如铅一 样可起润滑作用。 2 0 0 4 年日本新日东金属与住友轻金属研究开发中心共同开发出了无铅和低 铅黄铜n b 系列产品，采用铋和锡替代铅。该产品已形成批量生产规模，并已 向3 0 多家公司提供试制品。铋系黄铜不添加铅等有害微量元素，通过严格控制金 属组织，可使铋系粒子微细、均匀，主要用于家电、电子器械、警报器械、汽车 零部件等；锡系无铅黄铜具有与不锈钢相同的硬度，耐磨性能比不锈钢高数倍， 机械性能优于黄铜，切削性与黄铜相同，而加工成本比不锈钢低得多。另外，美 国已开发出8 个牌号的以铋代铅的铋黄铜，它们分别为：c 8 9 5 1 0 、c 8 9 5 2 0 、 c 8 9 5 5 0 、c 8 9 3 2 5 、c 8 9 8 3l 、c 8 9 8 3 3 、c 8 9 8 3 5 、c 8 9 8 3 7 。 目前国内无铅易切削铋黄铜的研究主要集中在海亮集团、四川大学、江西理 工大学等单位。海亮集团【l 黏1 9 1 在2 0 0 4 年申请了无铅易切削铋黄铜合金的专利，其 研制的合金的c u ：5 7 0 6 3 o ，b i ：0 1 3 5 ，f e ：9 5 ，s n ：9 5 ，这种无 铅易切削铋黄铜主要应用于水暖卫浴和其他各种生产领域。四川大学闫静等 2 0 - 2 4 人研究了一种添加m n 的无铅铋黄铜，并主要研究了加工工艺、热处理对无铅易 切削黄铜耐腐蚀性能的影响，发现热轧和半连续铸造的耐腐蚀性能要强于冷拔 态，并发现2 5 0 时退火可以改变冷变形造成的黄铜耐腐蚀性能下降。江西理工 大学的陈丙璇等1 2 5 1 人研究了一种添加少量稀土元素的无铅易切削铋黄铜，发现 稀土的加入能细化晶粒，增大了晶界面，阻碍了z n 的扩散通道。 ( 2 ) 锑黄铜 锑资源丰富，价格便宜，锑特性类似于铋，但铋几乎不固溶于铜，而锑部分 固溶于铜，并与铜形成金属间化合物。锑铜金属间化合物具有脆而不硬的特点， 采取一定的手段使这种脆而不硬的金属间化合物弥散分布于铜合金，也有可能在 不降低铜合金加工成形性的前提下，使锑黄铜获得良好的切削性能。 宁波博威集团 2 6 - 2 8 l 研发并申报了区别于国外专利的c u z n s b 原始创新型发明 专利，现已进入实审公开阶段，c u z n s b 合金系专利已被国际专利组织受理，并 在2 0 0 5 年1 1 月在东京召开的国际铜加工协会( i w c c ) 的技术年会上发布公开， 得到了国际同行的密切关注。 ( 3 ) 硅黄铜 硅黄铜的特点是力学性能高，铸造性能好，低温力学性能令人满意，可焊 接，压力加工性能也好，抗腐蚀性强。a i 、a s 、s b 、p 、p b 等都是硅黄铜的有害 杂质，应加以控制。在制造船舶零件时，可用硅黄铜代替铅黄铜，以降低成本。 7 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 广东工业大学的肖寅听等人研究发现【8 1 ：通过研究含铅黄铜的易切削性能， 从其机理出发，以硅代替铅，实现易切削，并消除铅的污染；经过对叶b 两相黄 铜的研究发现，p 相的强度、硬度虽然比a 相高，但可以进行冷、热加工，特别 是热加工，其塑性比a 相还好；而1 f 相则不同，它是一个硬而脆的相，在铸态下 以星花状分布于基体中，严重影响其压力加工性能；于是为了实现易切削性并保 证良好的热加工性能，加入大于l 的硅，并加入一定的变质剂，得到以b 相为 基、在基体上均匀分布着细粒状丫相的黄铜，并且能够对其进行热加工；在进行 机械加工时，细小的丫相可起断屑作用；在扫描电镜的观察下发现，y 相与b 相 之间存在很小的间隙空间，这是在结晶以后温度下降时p 相与t 相的收缩率不同 所致，所以可以认为，在p 相的基体上存在着许许多多的微小空洞，这些微小的 空洞中填充的是较b 相更硬的与空洞形状相似的丫相，这些微小空洞恰好起到了 断屑作用。但这种以硅代铅的黄铜的切削性能只能达到h p b 5 旺l 的7 0 8 0 ， 还有待改进。 ( 4 ) 镁黄铜 镁部分固溶于铜，与铜形成金属间化合物。镁对铜合金的固溶强化效果并不 明显，且含镁黄铜的力学性能并不高。目前，关于易切削镁黄铜的报道很少，主 要有黄劲松【2 9 】等人做了相关的研究。镁铜金属间化合物的强化效果不明显，且 镁铜合金中间化合物不硬。如果使这种不硬的金属间化合物弥散分布于铜合金 中，也有可能在不降低铜合金加工成形性的前提下，使铜合金获得良好的切削性 能。与锑相比，镁的资源更丰富。价格也更便宜，如果能开发出以镁代铅的易切 削铜合金，在环保及成本方面将会具有巨大的优势，也能带来更大的社会效益和 经济效益。 ( 5 ) 以石墨代铅的易切削复合材料 石墨是一种优良的固体润滑剂，它能减少切削刀头与切屑的摩擦，从而起到 减少刀头磨损的作用。此外，当切屑从基体切削剥离时，石墨颗粒较软，强度、 韧性较差，易断裂，裂纹易在石墨颗粒处萌生并扩展。裂纹扩展时切屑就会发生 断裂，从而减少屑的尺寸。由于石墨颗粒在铜台金中有上述作用，含石墨颗粒的 石墨铜复合材料通常具有良好的切削性能。以石墨代铅开发无铅易切削复合材 料，是一条值得探索的方法。r o h a t g i l 3 0 】等用铸造的方法制备了石墨铜复合材 料( 其中石墨颗粒的尺寸为5 - - 2 0 0 1 t m ) ，对其微现组织进行了观察并对其可镀性、 可焊性和耐蚀性进行了研究，尤其对其切削性进行了详细的研究。结果表明，铸 造铜合金中加入粒度分散的石墨粉( 尺寸为5 - - 2 0 0 9 m ) ) 后，石墨铜复合材料的切 8 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 屑尺寸减少、切削胜能良好，大致与含铅黄铜的切削性相当；石墨铜复合材料 的脱锌性与基体类似，石墨铜界面处的腐蚀不明显，石墨铜复合材料的耐蚀 性比基体合金的高；石墨铜复合材料能很好地进行镀铬和银焊处理。由于石墨强 度低，且颗粒的尺寸较大，如何使石墨颗粒的分布更细小而弥散，进一步提高铸 造石墨铜复合材料的力学性能，是值得深入研究的课题。 1 3 材料的切削加工性及其影响因素 1 3 1 工件材料的切削加工性 不同的工件材料，进行切削加工的难易程度也有所不同。进行切削加工的难 易程度称为材料的切削加工性。工件材料切削加工性的好坏，一般以刀具的耐用 度或一定耐用度下许用切削速度的高低来衡量。精加工时的切削加工性，一般以 获得预定加工精度和表面质量的难易来衡量。有时在特定情况下，也有用切削力 和切削功率的大小或断屑的难易来衡量材料的切削加工性。 工件材料的切削加工性主要决定于材料的力学、物理性能( 如硬度、强度、 塑性、韧性和导热系数等) ，而材料的化学成分、金相组织又是影响力学、物理 性能的主要因素。 1 3 2 衡量切削加工性的指标 在不同的情况下，可以用不同的指标来衡量材料的切削加工性，有时只用一 项主要的指标，有时则兼用几项指标： 以刀具寿命t 或一定寿命下切削速度v t 衡量加工性；以切削力或切削温度 衡量切削加工性；以已加工表面质量衡量切削加工性；凡容易获得较好的加工表 面质量，包括表面粗糙度、冷作硬化程度及残余应力等的材料，其切削加工性能 较好；反之较差；以切屑控制或断屑难易衡量切削加工性；凡切屑容易控制或容 易断屑的材料，其切削加工性较好，反之则较差。 1 3 3 影响切削加工性的因素 以下常用的切削加工性指标：v t 或k r 为主来讨论各种因素对工件材料切削 加工性的影响。 一金属材料物理性能的影响 1 硬度和强度 一般材料的硬度和强度越高，则切削力越大，切削温度越高，刀具磨损越快， 9 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 故切削加工性越差。并不是材料的硬度越低，越好加工。有些金属如低碳钢、纯 铁、纯铜等硬度虽低，但塑性很好，也不好加工。硬度适中( h b l 6 0 2 0 0 ) 的钢 材较好加工。此外，适当提高材料的硬度，有利于获得较好的加工表面质量。以 上所说的硬度，是指材料的宏观硬度，未考虑局部的微观硬度。因为切削加工时， 切削温度很高，所以，工件材料的高温硬度对其加工性有着显著的影响【3 1 1 。 在切削加工中，被切削层材料发生剧烈的塑性变形，从而发生硬化。材料经 过加工硬化后，其硬度比原始硬度提高很多，使刀具发生磨损。故加工硬化现象 严重，刀具寿命越短，即材料的加工性越差。 2 塑性 材料的塑性通常以延伸率表示。一般，材料的塑性越大，越难切削加工。因 为塑性大的材料，加工变形和硬化、刀具表面的冷焊现象都比较严重，不易断屑， 不易获得较好的已加工表面质量。此外，切屑与前刀面的接触长度也将加大，使 摩擦力增大。而当材料的塑性很小时，则成为脆性材料，对切削加工也有不利的 影响。 3 、韧性 韧性以冲击值表示。材料的韧性越高，则切削时消耗的能量越多，切削力和 切削温度也都较高，且不易切削，故加工性较差。有些合金结构钢不仅强度高于 碳素结构钢，冲击值也较高，故较难加工。 4 、导热性 被加工材料的导热系数越大，由切屑带走和传入工件的热量就越多，越有利 于降低切削区的温度，故切削性能较好。 5 、其他物理机械性能及化学性质 其他物理机械性能对切削加工性也有一定的影响。如切削镁合金时，粉末状 的碎屑易与氧化和燃烧。 6 、弹性模数 弹性模数越小，在一定应力作用下弹性变形越大。在切削过程中，存在着弹 性变形。弹性模数小的工件材料，在已加工表面形成过程中弹性回复大，引起后 刀面和已加工表面之间的强烈没查，因此，应选择较大的后角。 7 、线膨胀系数 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 线膨胀系数用a 表示，单位是毫米毫米度。它表示共建材料热胀冷缩的性 能。它对工件的尺寸精度和切削过程有一定的影响。 对工件尺寸精度的影响：工件在切削热作用下温度将升高，因此，在刚加工 完时测量和室温时测量的尺寸不一样。在相同温度差的条件下，对高精度零件严 格控制切削温度，采用必要的控温方法，是保证产品质量的重要措施。 对切削过程的影响：在钻孔时，膨胀系数大的工件材料，冷却后会出现孔径 比钻头尺寸小的情况。 在金属切削加工中，对影响切削加工性的诸因素不能孤立地分析，而应当全 面地加以研究。在切削加工时，找出具体加工条件下影响材料加工性的主要因素。 为了方便的找出主导因素，兼顾其他的影响因素，找出适当的解决办法。为此， 可以把常用材料中影响切削加工性的几个主要性能指标，按量的变化分成l o 1 2 级，用以综合衡量切削加工性的好坏。 1 - 4 中列出了材料的切削加工性等级号， 从而解决实际问题。 根据具体材料的力学、物理性能，在表 并可看出影响切削加工性的主要因素， 表1 - 4 工件材料切削加工性分级表 1 3 4 合金元素对切削性能的影响 从铅黄铜的切削机理可以看出，有益于铜材切削性能的元素或者杂质，按其 在铜中的存在形式主要分为三类1 3 3 3 4 l ：第一类是微量固溶于铜，但与铜形成共晶 的元素：如铅、铋、硒、碲等；第二类是不固溶于铜但与铜形成化合物的元素， 如：硫与氧分别形成c u 2 s 和c u 2 0 ：第三类是部分固溶于铜、也与铜形成化合物 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 的元素，如磷和硅等。 ( 1 ) 铅、铋、硒和碲对切削性能的影响 第一类的四个元素是公认的对切削性能非常有益的元素，其中铅的切削效果 最好，铋次之，硒、碲过于昂贵基本没有市场。故我们着重讨论铅、铋对切削性 能的影响。 铅是总所周知的能提高切削性能的元素，从c u - z n p b 合金在不同温度( 8 5 0 、4 0 0 c 、2 0 c ) 下的等温截面图可知，见图1 _ 4 【3 5 1 。铅几乎不固溶于c u - z n 合 金，存在于固溶体晶界处，经压力加工，呈有力状态的孤立相分布于固溶体中， 有相当强的润滑与减磨作用，使合金具有极高的可切削性能，切屑易碎，工件表 面光洁。 i b l p c 图1 - 4c u - z n - p b 三元相图( a ) 8 5 0 c ，( b ) 4 0 0 c ，( c ) 2 0 c 铋与铅在黄铜熔体中的溶解度都很大，而在铜中的固溶度几乎为零，因此铋 黄铜在凝固时，铋也会和铅一样成弥散的颗粒状分布，但与铅不同的是少量的铋 会以薄膜状分布在基体中。这种薄膜状的铋的分布对切削性能的影响有着不利的 影响，从而切削性能不如铅黄铜，这中薄膜状铋的分布是与铋和铅的表面张力大 小不同相关的。如图1 5 所示，凝固后期低熔点的铋和铅仍以液态存在于晶界， 当低熔点组元的界面张力a i c 与铜晶体界面的啦c 达到平衡时，二面角0 与表面张 力的关系为： c o s ( o