无铅铋磷黄铜的结构和性能

无铅铋磷黄铜的结构和性能

第3 8卷

第 2期

有色金属加工NONF ERR OUS ME TAL PROCESSI S NG

VOJ 8 N0. .3 2ADr¨2O 9 O

20 0 9年 4月

无铅铋磷黄铜的结构和性能杨善宏，闰亮明，小民邓’( .安徽工业大学材料科学与工程学院，徽马鞍山 2 3 0 ) 1安 4 02 ( .安徽工业大学金属材料与加工重点实验室，徽马鞍山 2 3 O ) 2安 4 0 2 ( .北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室，京 10 8 ) 3北 00 8

摘

要：过添加磷和铋代替铅黄铜中的铅制得一种新的环保易切削黄铜。观察其组织结构，究其力学性通研

能和切削性能，果表明，以脆且低硬度的化合物分布于晶界，和铜形成脆性的共晶组织，们有利于提结铋磷它高合金的切削性能。研制合金的抗拉强度、伸率、面收缩率分别是 2 8 5MP、.延断 4 . a8 5%、. 7%。该合金 86的切屑和 HP5 .相当，状为 C型屑。 b9 1形 关键词：;削性能；;铜铋切磷黄中图分类号：G 4 T 16文献标识码： A文章编号：6 1— 7 5 2O ) 2一 O 7一O 17 6 9 ( 0 9 O O 1 3

由于铅黄铜具有良好的易切削性能、理性能、物 机械性能得到广泛应用…。在发达国家黄铜管件几乎占所有管件的 9 0%。铅黄铜是双相黄铜，中其

用三相 3 0V电压， 8其功率为 8k,高温度为 13 0 w最 o℃; D z一用 R 9调节式测温控制器测量熔炼温度，参数为：8三相， w, 3 0V, 8k温度控制范围在 l O 0℃;墨 3石

铅粒分布于晶内和晶界处，旧铅黄铜中的铅很容易废进入河流和土壤中。如果废旧铅黄铜被焚烧，会转铅化成 P O进入到空气中。铅黄铜常用来生产供水设 b备，水的冲刷下，离的铅粒会进入水中。它将在游严重损坏人体健康，以铅黄铜制品被逐渐限所制“。人们研究通过加锡来消除黄铜中游离的铅， 从而消除铅的有害作用。很明显，过这种方法，通铅

坩锅；车床。表 1研制合金的化学成分

Ta e l The c m i a On pO Ii ft V l pe lO bl he c lc l stOn O he de e O d a ly

制备试样工艺：温升到 8 0c一石墨坩埚放入炉 0=【炉中预热一预热 5 m n坩埚出炉加人 H 3 8 0 i一 6— O℃入炉一升温到 ll 0℃时取出坩埚一加入 C P 4 o u l、

的有害作用不能被完全消除。发达国家已经立法逐渐禁止铅黄铜制品在供水系统和玩具中使用。最终， 铅黄铜将被无铅黄铜代替。美国、日本、国已经在德做这方面的研究，研制出无铅易切削黄铜。美国研并制出铋硒黄铜，日本研制出无铅铋黄铜，硅快削黄含

锌和铋搅拌到半固态入炉升温到 12 0 c保温 5 0 c, mi一出炉搅拌浇注。 n

2试验结果及分析2 1组织分析 .

铜

。本文通过添加磷和铋元素来提高黄铜的切图 1 a是试样放大 3 0倍时 S M背散射电子 () 0 E

削性能，而研制出能代替铅黄铜的合金。从

1试验过程 1 1试验材料 .

像，中的小白点是铋粒，粒均匀地分布于整个视图铋场中。图 1 b是放大 2 0 0倍的 s M电子像，以 () 0 E可清楚看出铋粒以球状和块状分布于晶界处。 单纯添加铋和铅到黄铜中，们在黄铜中的存在它方式不同，是以颗粒状分布在黄铜合金的基体中，铅 而如果单纯以铋代替铅加入黄铜中，在合金中将以铋薄片状存在于晶界处’,可能与它们的表面张力 这有关。如图 2所示，在凝固后期低熔点组元铅和铋仍以液态存在于晶界，当低熔点组元的界面张力， 与铜晶体的表面张力。到平衡时，面角与表面达二

本试验在 H b9 1的基础上添加铋和磷，验所 P5—试

采用的原材料为 H 3纯锌、铋、 6、纯铜磷中间合金。制得的磷铋黄铜的化学成分如表 l所示。1 2试验方法和设备 .

合金熔炼用 s J一8—1 R 3型高温箱型电阻炉，采收稿日期： 0 8 1一6 2 0 .2O

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张力的关系满足下式…:

a n h s s m0 g p a eDi M

表 2车削

工艺参数Ta e2 The c tng par bl uti am e e s t r

CuKBI I

. l J K

i

Cu L

圈l_【 1

在相同的切削参数下进行切削实验，获得的研制合金和 HP 5 - b 91的切屑形貌如图 3所示，研制合金和 H b9 1的切屑都非常小。可以看出所研制合金的切 P5·屑与铅黄铜的切屑相当，为直径较小的“”屑，都 c型但研制合金的切屑更加光洁。

Z K nBi M

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()HP 5一切屑彤貌 a b9l

()研制台金的切屑形貌 b

图3切屑形貌Fg 3 Th hp p t r i. e c i at e

根据合金的切削原理，细小的铅粒均匀分散在铅‘ 黄铜的晶界和晶内，粒在刀刃的接触线上，粒很铅铅容易断屑，降低合金与刀具的粘着。由于铅的熔点并低 (7. 3 2 5℃ )在刀刃与切屑的接触区域温度较高，, 铅粒在极端的时间内熔化，到断屑和润滑的作用。起 铋同铅黄铜中的铅粒一样，同之处在于这里的铋本不

土 B i M

lB I Z i n k

身是一种较脆，度较低的金属，硬因此它的存在可视图 1研制合金的 SEM和 DXS析分Fg 1 i . Th e SEM n XS a a y i O e ma e a1y a d D n Iss f h d I t O

为合金基体中产生了微小的空间，而割断了基体的从连续性，为应力集中源，生所谓的“口效应”成产切构

当 c> c变小、。远大于，,趋于 c,、 c远 时

成许多弱化微区，温度较低的剪切区，些铋粒在这是很好的内部固体断裂剂。根据这一机理，削这类切

0或者说低熔点组元完全润湿晶体，固后会呈薄膜，凝状分布于晶界。磷在铜中的固溶度较大，不溶解于但铋，且它们的表面能明显低于铜，它能降低铜的而故表面张力。 2 2合金的切削性能 .把制备好的试样在普通车床上进行车削，比其对

切屑来评判其切削性能。车削参数列于表 2。

材料时，在刀刃的接触线上就有大量脆而硬度低的铋粒存在，当于减小了切削层面积，得刀具磨损减相使小，削温度和切削力降低，加工表面粗糙度也减切已小。这些铋粒分割基体后，使剪切滑移变得容易，促 故剪切角增大，一屑接触长度因此减小，得切屑刀使变的短小。另外，布于晶界上的脆性铜磷共晶组织分

也能改善黄铜的切削性能。从图 1的能谱图谱分析结果可以看出，元素全部集中在晶界处，铜形成磷与

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共晶组织，晶内不含磷。这也证实了在铜合金中添而加的磷，室温下几乎是不溶于铜，以铜磷共晶组在而

3结论 ①合金中白色的第二相以球状和块状分布于合金的晶界和晶内，些第二相脆而硬度低，利于提这有高合金的切削性能；

织存在于晶界上，低了晶界的强度。当切削时，降脆而硬度低的铜磷共晶组织特别容易断屑。 2 3合金的力学性能 .该合金的力学性能列于表 3。表 3研制合金和 HP 5 b—1的力学性能Ta e 3 Them e ha c lpr pe te he bl c nia O ri s0ftm a ly an HPb de aI d O S9—1

②磷元素的存在使得铋在合金中以球状和块状分布于合金的晶界和晶内； ③合金的抗拉强度、伸率、面收缩率分别为延断2 8. 4 5M Pa 8 5%、 . 7%。、. 86

参考文献[]田荣璋，祝堂. 1王铜合金及其加工手册[ .中南大学出版社， M]

从设备表盘中不能读出屈服强度，表 3中看从出，制合金的断面收缩率为 8 6%,伸率为研 .7延 8 5%, .表明研制合金的塑性相对较差。一方面由于铋在合金中的硬度小，的强化作用比较小，它另外脆性的球状含铋化合物分散在晶界，们降低了合金的它塑性，时脆性的磷铜共晶组织也降低了合金的同塑性。

2 02. l 9—1 3 O 5: O l

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rN. n un eo a a 0gnc u e u m l r nmecr s n0 a e rs j ptbew t【] c r s n at or i f eddbas n oal ae J . 0r i eo oo 1 r 0oS jn e.2 O 42: 3—6 ce c O 0. 5 6

[]K rl 8 r n G F L a n te t c tsi d n ig 3 a e s c.ca . eda d0hr r eme】 n k“ ak P u a a w t 【eb s n mer 0; nae【] Ne n1w a rw0k ae j h 0t t p1a ra J, w E t rs rn 0 0 t g eA sO, l 7, 0: 6— 2 sc 9 6 5 l 5

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合金的抗拉强度见表 3,制合金比 H b 9一l研 P5 略低，铋形成的化合物在晶界上起分离作用，降低了

合金的强度，布在晶内的脆性相也降低了合金的强分度。根据强度理论，布在晶内的第二相对合金的强分度的影响是相对的，主要取决于第二相的强度，这球状脆性铋化物分布在晶界，低了合金的强度，外降另脆性的磷铜共晶组织也大大降低合金的强度。

[]杨晓婵 . 6日本开发无铅、低铅黄铜合金[]现代材料动态，O 2 J, 2O,l: l8

[] M8sm0 .F my 0 u oT—】 g0 edf eb8sao 7 l u t T u aM, k b .D ln fl l rs l y 0 j a r e l

“ c B A s J . ora 0 Jpn R sac ntuef dacd E 0 R s”[] Jun1 f a a eerhIstt 0 A vne i rc e_aeMa l adT cn l i,o 24 ( )7 8 叩p r s t as n eh o ge20,l 1:6— O b e o

Mi r tu t r n Op ry O e d·r e Bi m U h Ph S O U a S c Os r c u e a d Pr e -

f L a fe S t t O ph r S Br SYA NG ha h ng, AN a g. i g, S n- O Y Li n m n DEN G a . i Xi O m n’( . o e e0 t j c n ea dE g er g n u U i ri f e h o0y Ma nh n n u, 4 0 2 hn ) 1 C l g f e a S i c n n i e n,A h i nV s yo T c n lg, 8 s a,A h i 2 3 O,C i8 l Ma l e r n i e t ( .K yL b rt yf t t j n rcs, n u nvri f e h o g; a s a, n u,4 0 2 C ia 2 e a oao 0 Me l e a a dP 0e s A h i ie t o T c n 1 y Ma n h n A h i 3 0, hn ) r r a Ma r 1 u sy o 2 ( . t eK y L b r 1 y f a r a o n cs 0 0 f ru tl, e ea R s 8c n tuef 3 S t e a oa r r bi t na dP‘ es f ne 0 sMe s G n rl ee r Is tt 0 a 0 0F ci r】 N r a h i r N ne 0 s t s B n, 0 8, hn ) 0 f ru a, e g l 0 8 C i r Me l a

Ab ta t y s b l u i g P a d Bj O b it h r s b 9 1 a n w n i n s r c:B u s i t n r P n O t e b a s HP 5·, e e vr me t lp O e t e a d fe . u t g b a s wa t n f O n a r t c i n r e c t n r s s v i

O t ie b a n d.Th 0 g b e Vn . c O tu t r r u h O s r ig t mir s r c u e,s u y l c a is p O e t s a d c t n r p r e s t d t me h nc r p r e n u t g p O e t s,t e r s l h w l a s i j j h e ut s O h t sBimu 1 i ds r u e n g a n b u d r n t e f n i l n O h r n s O s U it| t d i r i O n a y i h o^ ofbrt a d lw a d e s c mp u d a d h s h r s f r t e r t s b n te O n n p O p O u O m h

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T e e s J te g h, I n a i n, h t n _ s r n t e O g t e 0

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