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环境友好无铅铋黄铜研究进展

时间:2014-01-09 15:20 文章来源:http://www.lunwenbuluo.com 作者:聂轮 点击次数:

  摘要:目前研究以铋代铅生产环境友好无铅黄铜较为常见.系统地描述了无铅铋黄铜的发展背景和国内外研究开发动态,分别介绍了铋黄铜合金成分优化、组织结构及冷热加工性能对其切削性能、耐脱锌腐蚀性等方面的影响,并对将来开发、应用环境友好无铅黄铜存在的问题及研发方向提出了几点建议.

  关键词:环境友好;铋黄铜;易切削;耐蚀性

  中图分类号:TG146.1+1文献标志码:A

  0前言

  黄铜中加入适量的铅,能够提高其铸造性能,改善其切削加工性能,满足各种形状零部件的机械加工,提高精密零件的生产效率和表面光洁度.因此,铅黄铜被广泛应用于水暖卫浴、制冷阀门、电器、电子和汽车等领域[1].但由于铅黄铜制造的阀门和管道的表面会随着水的冲刷、浸泡或与水中的某些物质发生反应而使铅进入水中,从而对人体血液和神经系统造成不可逆转的损伤,甚至会造成血铅、脑铅中毒,引起神经受阻、智力迟钝、痴呆、好动等不良后果,对人的生命健康造成不利影响[2].随着社会的发展和人们对健康及环保意识的增强,一件好的产品不但要具备完善的功能,还应具有明显的绿色环保主题.可见,铅黄铜已不能适应生活和环保的要求.为此,美国、欧盟和中国等都先后出台了限制含铅合金使用的法令法规[3].

  随着绿色环保意识的深入,为了减少铅黄铜产品及报废后丢弃的含铅产品对人类造成的严重污染,必须开发出无铅的环境友好黄铜来代替铅黄铜[4].近年来,国内外学者均致力于铋系、锡系、锑系、硅系及添加石墨等的无铅易切削铜合金的开发研究.其中,铋与铅的物理和化学性质较相似.另外,微量的铋对人体有益,因此,铋成为研究环境友好无铅黄铜的首选元素.可以通过在铜合金中添加适量的铋和其他微量元素来代替铅的作用,改变黄铜中的成分组成,以达到铅黄铜的各项性能[5].

  1国内外研究现状

  目前,开发研制替代铅黄铜的无铅黄铜是各国共同关注的焦点,已成为材料工作者的重要研究方向.发达国家学者很早就对无铅环保黄铜进行了深入的研究,现在已有许多研究成果及专利.从其研究的内容可以看出,关于以铋代铅生产无铅环保铋黄铜研究最多,并已实现了大规模的产业化,铋黄铜已占据发达国家市场的很大份额[4].

  1.1国外研究现状

  20世纪90年代,日本学者钓谷宏行、上坂美治和蔌原光一[6-8]开发了不添加其他微量元素的铋黄铜.同时,为了研究铋黄铜的切削性能,用带显微切削装置的扫描电子显微镜对各种铋含量的黄铜进行了正交切削试验.结果表明,m(Cu)∶m(Zn)=6∶4时,铋的质量分数为0.2%~0.3%时的切屑呈剪断型;而m(Cu)∶m(Zn)=7∶3时,铋的质量分数为0.2%~0.3%的铋黄铜切屑呈流动型.前者切屑角度随着铋含量的增加而增大.铋的质量分数高于1%时,对切屑与刀具的接触长度的影响比较显著;接触长度随铋黄铜中的铋含量增加而减小.由此也表明黄铜中的铋与铅一样可以起到润滑作用.

  2004年日本新日东金属与住友轻金属研究中心共同开发出了采用铋和锡代替铅的无铅和低铅黄铜—NB系列产品.该产品已形成批量规模生产,并已开始向30多家公司提供试制品.铋系黄铜不添加任何铅等有害微量元素,通过控制金属组织结构,使铋颗粒微细且均匀分布,能广泛用于电子器械、家电、汽车零部件和警报器械等;而锡系无铅黄铜的硬度与不锈钢相近,耐磨性能比不锈钢高数倍,力学性能优于黄铜,切削性能与黄铜相当,且加工成本比不锈钢低[9].

  美国研发人员Bown[10]已开发出了C89510、C89520和C898370等多个牌号的铋黄铜,这些产品的切削性能没有铅黄铜好.但是,通过研究发现[11],在铋黄铜中加入微量的磷可提高其切削性能.当含磷的质量分数为0.1%时,可以提高黄铜的抗拉强度和延伸率.

  德国学者开发了一种以铋代铅的赤铜铸造合金,即CuSn3Zn8Bi2-7合金.研究结果表明,该合金的微观组织、铸造性能、力学性能和加工性能与原铅黄铜合金类似.

  英国学者研制了一种质量分数为:0.5%~1.5%铋、0.25%铅、0.30%铁、0.35%~0.70%硒、1.0%镍、4.0%~6.0%锡、4.0%~6.0%锌和86.0%~88.0%铜的低铅铸造黄铜合金.其抗拉强度为241MPa、屈服强度为124MPa、延伸率为20%、硬度(HB)为55.该合金具有良好的铸造性能、加工性能及强度,可以在供水系统中广泛使用[12-13].

  Peters[14]用铋代替铅研制环保易切削黄铜.研究结果表明,铅黄铜中的铅以花瓣状存在于枝晶间隙中,在水的冲刷下容易剥落.而铋则能充满黄铜的枝晶间隙,在水中不易剥落,铋的添加量约为铅的30%.

  Seung-JaeYou[15]对铋黄铜和铅的质量分数为3.2%的铅黄铜在Mattsson,s溶液中进行电化学腐蚀和应力腐蚀断裂的研究.结果表明:铋能提高黄铜对电化学腐蚀和应力腐蚀断裂的抗力.还发现铅黄铜和铋黄铜在无应力条件下均会发生脱锌腐蚀,由此说明脱锌腐蚀与腐蚀断裂机制的联系十分密切.应变诱发脱锌是应力腐蚀断裂的主要原因,在断裂表面最外层的锌首先溶解,在应力作用下脱锌层成为断裂源.

  1.2国内研究现状

  国内在无铅易切削黄铜方面的研究起步较晚,但也取得了较好的成果.近年来的研究主要集中在铋黄铜的组织、冷热加工性能、切削性能和耐腐蚀性能等方面.但国内所研究的铋黄铜中不仅添加铋一种元素,还添加了其他微量元素,如硅、铝及稀土等,目的是获得较好的综合性能.对不添加其他组元的铋黄铜研究得较少.


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