无铅环保黄铜研究新进展

由于优异的力学性能、耐蚀性能、铸造性能和成形性能,黄铜被广泛应用于卫浴、电工电气、装备制造等诸多产业。通常,黄铜中需加入约3%(质量分数)Pb来改善其切削加工性能。Pb在Cu-Zn合金中以独立相存在,由于Pb质软、脆性大且熔点低,可发挥断屑、润滑和降温作用,从而改善黄铜的切削性能。然而,Pb属于有毒元素,在其生产、加工和使用过程中均会造成环境污染。尤其是当铅黄铜用于与水环境接触的产品时,Pb会以离子形式析出溶于水。Pb中毒会损害人体的血液、神经、消化和生殖系统,极大危害人体健康。鉴于此,研发对人体和环境无毒、无害的无铅环保黄铜成为亟待解决的重要课题。根据铅黄铜的易切削机理可知,新型无铅环保黄铜合金要获得优异的切削性能,则其基体上应存在细小弥散的质点,在切削加工时发挥类似Pb质点的断屑作用。按照质点的存在形式,有益于黄铜合金切削性能的元素可分为微量固溶于Cu并与Cu形成共晶、不固溶于Cu但与Cu形成化合物以及部分固溶于Cu且与Cu形成化合物的三类元素。目前,国内外对第一类替代元素中的Bi等元素进行了系统研究,但这些元素资源有限,且大多有毒,使其难以推广应用;对第二类替代元素的研究也取得了一些成果,然而其易氧化烧损或形成有害夹杂,影响材料的制备和加工。针对第三类替代元素来改善黄铜合金的切削性能则开展了大量研究,如以Sb代Pb、以Mg代Pb和以Si代Pb。然而,Sb与Pb一样属于有毒元素;无铅镁黄铜在熔炼过程中易发生吸气、氧化等铸造缺陷,使熔炼工艺复杂。Si的锌当量系数较大,且资源丰富,无毒害作用,通过调控其含量易于调控无铅硅黄铜的组织结构,且硅黄铜熔炼工艺简单,有望彻底实现黄铜合金“无铅化”,这对保护人体健康与生态环境、节约资源均有积极意义,实现了绿色制造。本文结合无铅黄铜第三组元的选择特性和锌当量规则,从组织结构、切削性能和耐腐蚀性能等三个方面综述了国内外无铅环保易切削黄铜合金的研究进展,详细分析了Si、AI代替Pb对合金的综合影响,重点介绍了无铅环保易切削硅黄铜合金的成分与组织设计、切削性能和生产工艺,最后对未来的研究趋势进行了展望,希望能在无铅环保易切削黄铜的开发及应用中起到有益的指导作用。