[发明专利]一种无铅易切削铜合金及制备方法

说明书

技术领域

本发明是一种金属材料，涉及无铅易切削铜合金及制备方法。

背景技术

铅在含铅铜合金熔体浇铸凝固时，在合金中沉淀而形成弥散、微细的铅颗粒，含铅铜合金中这种弥散分布的铅微小颗粒在晶界和晶内都有。铅有脆而软的特性，当含铅铜合金进行切削加工时，切屑被刀头从工件上切削剥离，这些弥散细小的铅颗粒相当于含铅铜合金中的空洞，成为应力集中源，产生所谓的“切口效应”，从而导致切屑易于在此断裂；而且这些弥散的铅颗粒较软，可以使刀头磨损减少到最低。由于铅颗粒在晶内和晶界都有，当含铅铜合金在切削加工时，切屑很快就遇到铅颗粒而断裂，所以切屑细而短。另外，铅颗粒的熔点较低(铅的熔点仅为327.5℃)，切削加工时刀头对切削工件做功，变形能、摩擦能转变成热能，使刀头与切屑接触的局部瞬间快速升温，很容易接近甚至超过铅的熔化温度。软化甚至熔化的铅可以起到润滑刀具的作用，能降低切削阻力并提高切削效率。因此，铅在铜合金材料的切削加工过程中起着碎裂切屑、减少粘结和焊合以及提高切削速度的作用，可大大增加刀具的使用寿命。

由于铅固有的禀性，其在含铅铜合金中的大小、形貌、数量、特性、分布状况、分布位置不但使含铅铜合金具有优异的切削性能，而且使含铅铜合金具有优良的铸造性能、冷加工性能、热加工性能以及自润滑等优点，能满足各种形状零部件的机加工要求。含铅铜合金、特别是铅黄铜一度被世界公认为一种重要的基础材料，广泛应用到民用供水系统的铸件及其配件、电子、汽车及机械制造等许多领域。

含铅铜合金零配件报废之后，其中的很多小件被作为垃圾遗弃，只有少量被回收利用。废弃的含铅铜合金与土壤接触，其所含的铅在雨水及大气的长期作用下，进入土壤，从而污染土壤及水源。废弃含铅铜合金被当作垃圾焚烧时，铅蒸气散发于大气之中，对人体产生极大危害，因而其应用日益受到严格的限制。在饮用水中的杂质及有机酸等的作用下含铅铜合金中的铅以离子的形式缓慢析出，现有的含铅铜合金很难满足环保法令的要求。

对铜合金切削性能有改善的元素有：铅、铋、锑、硅、磷、镁、碳、硫等。铅已经不能再添加，铋的产量有限，且对人体的安全性还不是很清楚，没有广泛的市场推广基础；锑对人体有微毒，其浸出受到严格的限制；硅的锌当量系数最高，故硅黄铜的含铜量高，还易产生硬脆相，对改善切削性能有不利影响；碳对改善切削性能明显，但碳只能以纳米级的石墨颗粒加入铜合金，而且对熔铸要求高、成本高，目前还不能向市场广泛推广；硫也能明显改善切削性能，但硫对环境的污染问题限制了其应用与生产，而且硫会降低铜合金的使用性能，目前市场也没有以硫代铅的易切削铜合金；磷、镁虽然也能提高铜合金切削性能，但效果远非理想。目前铸造无铅易切削铜合金的切削性能还大有改进的空间才能满足市场的需求。

粉末法与铸造法相比，有省材、节能、成本低的优点。更重要的是，粉末法它能保证组成元素密度差大的材料的成分均匀性。在铜合金粉中加入微小石墨颗粒能大幅度提高合金的切削性能，甚至达到含铅铜合金的切削性能，这是目前成本最低的改进铜合金切削性能的最佳方法。但是碳在铜合金中的界面强度低。当粉末铜合金烧结件在抛光的时候，石墨微粒就表现为一种杂质粒子，使抛光面的光洁度下降，个别情况会出现微小凹坑。抛光缺陷有时会使后续的电镀出现次品、甚至废品。目前迫切需要一种切削性能优秀、抛光及电镀性能皆佳的铜合金粉末。