周年潤(rùn)

(九牧廚衛(wèi)股份有限公司,廈門(mén) ３６１００８)

摘 要:從產(chǎn)業(yè)化角度,綜述了衛(wèi)浴行業(yè)用無(wú)鉛易切削鉍黃銅的研究進(jìn)展,重點(diǎn)介紹了鉍硒黃銅、鉍錫黃銅和鉍鋁黃銅等３種鉍黃銅的化學(xué)成分、性能和生產(chǎn)應(yīng)用情況.鉍黃銅可部分替代傳統(tǒng)鉛黃銅用于衛(wèi)浴五金產(chǎn)品,其較成熟的生產(chǎn)方法有鑄造、直接機(jī)加工、冷彎,而熱沖壓、熱鍛、焊接等方法還有待進(jìn)一步的研究.今后的研究重點(diǎn)應(yīng)集中在改善鉍黃銅的熱沖壓性能上.

關(guān)鍵詞:無(wú)鉛鉍黃銅;易切削;化學(xué)成分;性能

中圖分類號(hào):TG１４６．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１０００Ｇ３７３８(２０１７)０８Ｇ０００６Ｇ０６

ResearchProgressofFreeＧCuttingUnleadedBismuthBrassforSanitaryWareIndustry

ZHOUNianrun

(JOMOO Kitchen& Bathroom ApplianceCo．,Ltd．,Xiamen３６１００８,China)

Abstract:Theresearch progressoffreeＧcutting unleaded bismuth brassforsanitary wareindustryis

summarizedfromthepointofindustrialization．Thechemicalcomposition,propertyandpracticalproductionofthree

typesofbismuthbrassesincludingbismuthＧselenium brass,bismuthＧtinbrassandbismuthＧaluminum brassare

highlighted．Thebismuthbrasscanpartiallyreplacethetraditionalleadbrassforthesanitarywareproducts．The

relativelymatureproductionmethodsarecasting,directmachiningandcoldbending,whilethemethodssuchashot

stamping,hotforgingandweldingstillremaintobefurtherstudied．Thefutureresearchshouldbefocusedonthe

improvementofthehotpunchingpropertyofbismuthbrass．

Keywords:unleadedbismuthbrass;freeＧcutting;chemicalcomposition;property

０ 引 言

鉛黃銅具有優(yōu)良的冷熱加工性能、極好的切削性能和物理化學(xué)性能等,被廣泛用于電子電器接插件、儀表零件,飲水系統(tǒng)的水管、水龍頭、閥門(mén)、管接頭,以及液壓閥件等.但是,鉛既不固溶于銅,也不會(huì)與銅形成金屬間化合物,因此在生產(chǎn)和使用過(guò)程中,鉛黃銅中的鉛會(huì)析出而造成環(huán)境污染,并危害人體健康[１].當(dāng)鉛黃銅用作水龍頭材料時(shí),其表面的鉛會(huì)緩慢析出,導(dǎo)致飲用水中鉛含量增多[２].因此,歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家及我國(guó)均制定了相關(guān)的法律法規(guī),嚴(yán)格限制飲用水和過(guò)水件材料中的鉛含量.２００６年美國(guó)加州發(fā)布的 AB１９５３無(wú)鉛法案規(guī)定,對(duì)于管道及附件、給排水設(shè)備及附件,按過(guò)水面衡量的加權(quán)平均鉛含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)不得超過(guò)０．２５％;美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NSF/ANSI６１要求自２０１２年起,飲用水供給系統(tǒng)中鉛的浸出量Q 不得超過(guò)５μg??L－１;歐盟飲用水水質(zhì)指令(９８/８３/EC)規(guī)定,飲用水中鉛質(zhì)量濃度不得超過(guò)１０μg??L－１;我國(guó) GB１８１４５－２０１３標(biāo)準(zhǔn)將水嘴材料中的金屬元素析出作為重要條款,規(guī)定了鉛析出后在水中的質(zhì)量濃度不得超過(guò)５μg??L－１.此外,發(fā)達(dá)國(guó)家還相繼規(guī)定,在電子電器、兒童玩具、汽車(chē)等零配件中,也必須嚴(yán)格限制鉛黃銅等含鉛材料的使用[３Ｇ４].因此,自２０世紀(jì)９０年代以來(lái),國(guó)內(nèi)外便開(kāi)始了無(wú)鉛黃銅的研究,相繼開(kāi)發(fā)出不少無(wú)鉛易切削黃銅新材料[５Ｇ８],其中鉍黃銅在衛(wèi)浴行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用最為成功.

鉍與鉛類似,在黃銅中以獨(dú)立相存在,并且不影響 CuＧZn系的相區(qū)分布和各相結(jié)構(gòu);另外鉍本身性脆,故可用鉍來(lái)代替鉛[９Ｇ１０].但鉍相一般以網(wǎng)狀或連續(xù)薄膜狀分布于銅的晶界上,這會(huì)導(dǎo)致黃銅的熱脆和冷脆,解決此問(wèn)題是行業(yè)研究的一個(gè)熱點(diǎn).為了給從事衛(wèi)浴制品研究的工程技術(shù)人員提供參考,作者從成分設(shè)計(jì)、組織和性能等方面對(duì)衛(wèi)浴用無(wú)鉛易切削鉍黃銅的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況進(jìn)行了綜述.

１ 衛(wèi)浴行業(yè)用無(wú)鉛鉍黃銅的種類與性能

１．１ 無(wú)鉛鉍黃銅的種類

    無(wú)鉛鉍黃銅的切削性能在各類無(wú)鉛環(huán)保黃銅中是最優(yōu)異的,其切削效率一般可達(dá)到 C３６０００鉛黃銅的７５％以上,這也是其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用較多的原因之一.但在黃銅中單獨(dú)添加鉍時(shí),鉍在銅的晶界和相界呈連續(xù)脆性薄膜狀分布,這降低了黃銅的冷熱加工性能.改善鉍黃銅加工性能的方法主要有:① 通過(guò)合金化減小黃銅基體和鉍的表面張力差值,從而使鉍黃銅凝固時(shí)鉍呈球狀分布,進(jìn)而提高鉍黃銅的熱加工性能;② 添加與鉍能形成高熔點(diǎn)化合物的元素,從而降低鉍黃銅的冷熱脆傾向.

    第①種方法一般選擇表面張力比黃銅低且易固溶于銅的元素,這類元素有銻、汞、銦、鎂、錫、鋅、硅、鋁等[１１].其中:銻、汞是有毒元素,不宜用于衛(wèi)浴產(chǎn)品;銦是稀缺資源,價(jià)格極高,難以規(guī)?；瘧?yīng)用;含鎂黃銅需要很苛刻的工藝設(shè)備條件以防止鎂的氧化燒損,因此不適于產(chǎn)業(yè)化;而錫、鋅、硅、鋁是最常見(jiàn)的銅合金化元素,價(jià)格不高,工藝簡(jiǎn)單成熟,因此成為

     降低黃銅基體表面張力的首選元素.此外,第①種方法還可選擇一些可溶于鉍且提升鉍表面張力的元素,如銻、鉛、錫等.銻與鉍在固態(tài)下無(wú)限固溶,但行業(yè)通用的美國(guó) NSF/ANSI６１Ｇ９標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水中銻的析出要求嚴(yán)格,這限制了銻在衛(wèi)浴行業(yè)中的應(yīng)用.而錫在鉍中的最大平衡固溶度為０．１％,屬于既溶于黃銅基體也溶于鉍的元素,可降低鉍相與黃銅基體的表面張力差值,使鉍相球化并改善其分布形態(tài).鉍錫黃銅是變形加工用無(wú)鉛鉍黃銅的一個(gè)大類.

    第②種方法目前還停留于實(shí)驗(yàn)室研究階段,該方法添加的元素有堿土金屬鈣,稀土元素鑭、鈰等.鈣比鎂活潑,在黃銅中添加鈣的工藝難度更大,也難以批量生產(chǎn);黃銅中添加的鑭、鈰元素易氧化、燒損大,而且會(huì)導(dǎo)致熔體發(fā)黏、流動(dòng)性下降,不利于黃銅的鑄造.高熔點(diǎn)化合物的形成能消除鉍的不利影響,但也會(huì)使黃銅中起切削作用的鉍含量減少,降低黃銅的切削性能.目前,衛(wèi)浴行業(yè)用鉍黃銅主要分為以下４類[９]:鉍硒黃銅,以美國(guó)鑄造學(xué)會(huì)(AFS)、美國(guó)銅業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)(CDA)等機(jī)構(gòu)以及多家公司共同開(kāi)發(fā)的新型銅合金SeBiLOY 為代表,如美國(guó) C８９５××系列鑄造用黃銅;鉍錫黃銅,目前已有多家公司的該類產(chǎn)品在市場(chǎng)上銷售,主要以美國(guó) C４９３××系列加工銅材供貨;鉍鋁黃銅,這種黃銅目前已成為國(guó)內(nèi)無(wú)鉛銅鑄造生產(chǎn) 的 主 流 材 料,典 型 牌 號(hào) 有 美 國(guó) C８９５４０ 和C８９５６０;鉍硅黃銅,近期國(guó)內(nèi)少數(shù)廠家推出該類加工銅材,暫無(wú)典型牌號(hào).

１．２ 無(wú)鉛鉍硒黃銅

    美國(guó) Asarco公司研究發(fā)現(xiàn),銅合金中鉍和硒的協(xié)同作用可顯著改善合金的切削性能[１２Ｇ１４].大量研究還發(fā)現(xiàn):黃銅中不含鉍僅添加硒時(shí)其切削性能很差;添加少量的硒能使含鉍黃銅的切削性能接近于鉛黃銅的,而未添加硒的切削性能比添加硒的低２５％.在此基礎(chǔ)上,美國(guó)鑄造學(xué)會(huì)、美國(guó)銅業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)等機(jī)構(gòu)及多家公司共同開(kāi)發(fā)出 SeBiLOY 系列銅合金[１３].由表１可以看出,C８９５１０(SeBiLOYI)和C８９５２０(SeBiLOYII)黃銅中鉍和硒的質(zhì)量比均不小于２.C８９５１０和C８９５２０黃銅分別用于取代含鉛較多的 C８３６００ 和 C８４４００ 紅 黃 銅,而 C８９５５０(SeBiLOYⅢ)黃銅則用于取代C８５８００鉛黃銅[１３,１５].

    在C８９５２０黃銅鑄態(tài)組織中存在單質(zhì)鉍相和鋅/硒相[１６],這兩種相在切削過(guò)程中起斷屑作用.鉍相呈球狀,主要分布于晶界;硒和鋅形成顆粒狀和塊狀化合物相,也富集于晶界;錫則呈網(wǎng)狀富集于晶界,并在晶內(nèi)靠近晶界的部位形成偏析.網(wǎng)狀的錫相將鉍相和鋅/硒相包圍和隔斷,這種相組成形態(tài)可充分發(fā)揮鉍相和鋅/硒相的斷屑作用,并降低鉍的不良影響.

    由表２可見(jiàn),鉍硒黃銅的切削性能優(yōu)越,力學(xué)性能與鉛黃銅的相當(dāng).而且,由于鉍硒黃銅不含鉛、銻等元素,能夠滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求,因此,美國(guó)和加拿大都大力推廣鉍硒黃銅以替代傳統(tǒng)的鉛黃銅.目前,在北美地區(qū),鉍硒黃銅已大量應(yīng)用于飲用水供給系統(tǒng)零部件和衛(wèi)生設(shè)備配件.但硒價(jià)格較高(每噸約１０萬(wàn)元人民幣),且熔鑄時(shí)易揮發(fā)導(dǎo)致含量較難控制,因此,鉍硒黃銅的價(jià)格較高,熔鑄工藝難度較大,這些都制約著鉍硒黃銅的大規(guī)模應(yīng)用[１０].

１．３ 無(wú)鉛鉍錫黃銅

    研究人員在黃銅中同時(shí)加入鉍和錫開(kāi)發(fā)出了無(wú)鉛 鉍 錫 黃 銅,典 型 牌 號(hào) 有 C４９３００、C４９３４０ 和C４９３５０,化學(xué)成分見(jiàn)表３.

    ６１Ｇ９的環(huán)保要求,現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)批量出口.由表４可見(jiàn):鉍錫黃銅的強(qiáng)度、切削性能和熱鍛性能均接近于 C３７７００鉛黃銅的,耐腐蝕性能則更優(yōu)異,伸長(zhǎng)率較 C３７７００鉛黃銅的小但也可滿足衛(wèi)浴五金制品的技術(shù)要求;熱沖壓溫度范圍較 C３７７００鉛黃銅的窄,需要更嚴(yán)格的工藝控制.現(xiàn)鉍錫黃銅已形成量產(chǎn)規(guī)模,被大量用于水暖管道及其配件.

    據(jù)統(tǒng)計(jì),目前僅日本一國(guó)的無(wú)鉛鉍錫黃銅累計(jì)總產(chǎn)量已超過(guò)１００００t[９].但鉍錫黃銅仍存在以下不足:鉍、錫金屬價(jià)格較高,因此該黃銅的成本比 HPb５９Ｇ１變形黃銅的高;較高的鉍含量以及含錫化合物在晶界的富集也使黃銅的熱沖壓溫度范圍變窄、焊接性能變差[９].

１．４ 無(wú)鉛鉍鋁黃銅

    無(wú)鉛鉍鋁黃銅在２０世紀(jì)９０年代初即已研發(fā)成功[１９],截至目前國(guó)內(nèi)外已上市的鉍 鋁 黃 銅 產(chǎn) 品 較多.該 黃 銅 一 般 以 鑄 錠 產(chǎn) 品 供 貨,典 型 牌 號(hào) 有C８９５４０和C８９５６０,其化學(xué)成分見(jiàn)表５.在鉍黃銅中添加鋁主要是為了提高其鑄造性能并改善鑄件的表面質(zhì)量,此外,鋁的添加也能改善黃銅組織中鉍相的分布.

    科勒公司在１９９１年開(kāi)發(fā)出一種鑄造用鉍鋁黃銅[１９],該 黃 銅 的 化 學(xué) 成 分 (質(zhì) 量 分 數(shù)/％)為 ５５~７０Cu,３０~４５Zn,０．２~１．５Bi,０．２~１．５A(chǔ)l,０~１P(pán)b,０．０００１~０．００３０晶 粒 細(xì) 化 劑 元 素 (硼、銦、銀、鈦、鈷、鋯、鈮、坦、鉬、鎵、鉈、釩等元素).根據(jù)不同的性能要求,選擇不同種類和含量的晶粒細(xì)化劑元素.解建會(huì)等[２０]研制了一種適于重力鑄造的無(wú)鉛易切削鉍鋁黃銅,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％)為６２．５~６３．５Cu,≤０．３０Sn,≤０．２０Ni,０．４~０．６Bi,０．６５~０．７５A(chǔ)l,≤ ０．１０Pb,０．００２~０．００６Mg,(８~１２)×１０－４/(１００~１５０)×１０－４B/Ag,≤０．３０Fe,≤０．００５Cr,０．０８％ ~０．１０As,≤０．００５P,≤０．００５S,≤０．０１Si,≤０．０３Sb,≤０．００５S,≤０．０１Si,≤０．０３Sb,≤０．０１Mn,≤０．２其他元素,余 Zn.在鑄態(tài)鉍鋁黃銅中,少量的鉍分布于黃銅α相晶粒內(nèi),多數(shù)則以脆性薄膜形態(tài)分布在黃銅α、β相界上;經(jīng)６５０ ℃保溫１h空冷處理后,極少量的鉍仍分布于α相晶粒內(nèi),多數(shù)分布于β相晶粒內(nèi),其余的則分布于相界上.熱處理后鉍的分布狀態(tài)發(fā)生了改變,形成理想的硬質(zhì)點(diǎn)(鉍析出物)和軟基體α＋β相組織.硬質(zhì)點(diǎn)起到了碎屑的作用,改善了鑄造鉍鋁黃銅的切削性能.經(jīng)測(cè)試,這種材料的鑄造、加工、拋光、電鍍等工藝過(guò)程與普通鑄造鉛黃銅的無(wú)明顯差異.路達(dá)(廈門(mén))工業(yè)有限公司開(kāi)發(fā)了一種無(wú)鉛易切削鉍鋁黃銅[２１],其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％)為５７~６３Cu,０．１~０．５Bi,０．３~０．７Al,０．１~０．４Sn,０．０２~０．５Si,其他元素(０．０１~０．１５鎂、０．００１６~０．００２硼、０．００１~０．０５ 稀 土 元 素、０．０１~０．０５ 鋯)中 的 至 少兩種,余鋅.該 黃 銅 鑄 態(tài) 組 織 的 鉍 相 以 球 狀 彌 散分布于晶界和晶內(nèi).該新材料通過(guò)了中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì) 的 科 技 成 果 鑒 定[９].經(jīng) 檢 測(cè),路 達(dá) 公司鉍鋁黃銅的切削效率可達(dá)到普通鑄造 ZHPb５９Ｇ１鉛黃銅 切 削 效 率 的 ９０％,其 在 水 中 的 金 屬 元 素析出量 符 合 NSF/ANSI６１－２００７ 中 的 飲 用 水 質(zhì)指標(biāo),并且具有優(yōu)良的鑄造、切削加工和拋光電鍍性能,適用于 低 壓 鑄 造 和 重 力 鑄 造 生 產(chǎn) 飲 用 水 系統(tǒng)零部件產(chǎn)品.

    由表６可知,鉍鋁黃銅的性能和國(guó)內(nèi)通用的鑄造ZHPb５９Ｇ１鉛黃銅的相近,其綜合性能良好.鉍鋁黃銅的原料成本比鑄造 ZHPb５９Ｇ１鉛黃銅的每噸高約１０００元人民幣,具有很好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,因而是目前鉍黃銅中應(yīng)用最多的.但鉍鋁黃銅的抗脫鋅腐蝕性能一般,甚至還略遜于普通鉛黃銅,因此鉍鋁黃銅一般適用于對(duì)耐腐蝕性能要求不高的中低端衛(wèi)浴產(chǎn)品.

１．５ 無(wú)鉛鉍硅黃銅

    最近三四年,國(guó)內(nèi)有部分銅材廠采用降低鉍添加量,增加硅含量的方法來(lái)改善鉍黃銅的性能.硅的添加可以彌補(bǔ)鉍含量降低導(dǎo)致的切削性能的損失,并改善含鉍黃銅的熱加工性能.彭鋒等[２２]研制了一 種 耐 腐 蝕 鉍 硅 黃 銅,其 化學(xué)成分(質(zhì) 量 分 數(shù)/％)為 ６２~６４Cu,０．９~１．２Si,０．２０~０．９(Ni＋ Mn＋Sn),０．２５~０．４５Bi,０．０５~０．２Al,０．０２~０．０６１(La＋Ce),０．００３~０．００６B,≤０．５其他元素,余 Zn.該黃銅成本較低,其切削性能與鉛銅和鉍黃銅的相當(dāng),遠(yuǎn)優(yōu)于硅黃銅的,且克服了鉍黃銅的熱脆傾向,并具備了硅黃銅優(yōu)良的熱加工性能,可替代鉛黃銅、鉍黃銅、硅黃銅等應(yīng)用于水暖、衛(wèi)浴、閥門(mén)以及其他需要結(jié)構(gòu)件的行業(yè).目前已有棒材產(chǎn)品少量供貨.

劉柏雄[２３]研究了硅對(duì)易切削鉍黃銅組織和性能的影響,通過(guò)在黃銅中降低鉍的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(≤０．５％),加入質(zhì)量 分 數(shù) 為 ０．３％ ~１．０％ 的 硅,來(lái) 提 高 鉍 黃銅中的β相含量,降低α相含量,從而提升其切削性能.研究結(jié)果表明:隨著硅含量的增加,鉍黃銅的抗拉強(qiáng) 度 增 加,伸 長(zhǎng) 率、斷 面 收 縮 率 下 降,切 削性能提高.鉍硅黃銅現(xiàn)階段的產(chǎn)量較低,尚未有成熟的行

業(yè)認(rèn)可的產(chǎn)業(yè)化牌號(hào),且其工藝性能和使用性能還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證.

１．６ 其他鉍黃銅

    熱沖壓是現(xiàn)代衛(wèi)浴產(chǎn)品的重要生產(chǎn)方式之一,而鉍黃銅熱沖壓溫度范圍窄的缺點(diǎn),嚴(yán)重限制了其在衛(wèi)浴行業(yè)的應(yīng)用.為此,現(xiàn)在鉍黃銅的研究方向主要集中于對(duì)其進(jìn)行合金化改性以擴(kuò)大其熱沖壓溫度范圍,提高其熱沖壓性能.

    胡振青等[２４]發(fā)明了一種鉍黃銅,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％)為 ５７~６４Cu,１．５~５．０Fe,０．３~１．５A(chǔ)l,０．２~１．０Sn,１．７~４．０Mn,０．２~０．５Bi,余 Zn(且鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)需大于３０％).在規(guī)格為?２９mm 的此黃銅水平連鑄棒上切取尺寸為?２９mm×３５mm 的試樣,在６８０~７５０ ℃下進(jìn)行熱沖壓變形,結(jié)果表明,該鉍黃銅的變形情況良好,無(wú)沖壓裂紋產(chǎn)生,且熱沖壓性能略優(yōu)于 C３６０００鉛黃銅的.

    黃國(guó)杰等[２５]發(fā)明了一種無(wú)鉛易切削鉍鎂黃銅,其化 學(xué) 成 分 (質(zhì) 量 分 數(shù)/％)為 ５０~６２Cu,０．５~３．０Mg,０．１~１．０Bi,余 Zn.由于鎂及鎂鉍化合物可以均勻彌散地分布在晶內(nèi)及晶界上,避免了晶界處單一的鉍脆性相的生成,因此大大改善了該鉍鎂黃銅的加工性能.在鉍鎂黃銅、C３６０００鉛黃銅和國(guó)產(chǎn)HBi５９Ｇ１鉍黃銅上截取尺寸為?１０mm×２０mm 的試樣進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn),溫度７００℃,保溫時(shí)間２０min,軸向加載,變形量為８０％,壓縮至長(zhǎng)度為４mm 后,觀察不同試樣的表面情況,發(fā)現(xiàn)鉍黃銅試樣表面出現(xiàn)明顯的裂紋,C３６０００鉛黃銅試樣和鎂鉍黃銅試樣均未見(jiàn)明顯的裂紋.可見(jiàn),該易切削無(wú)鉛鎂鉍黃銅的熱加工性能要優(yōu)于鉍黃銅的,與 C３６０００鉛黃銅的相當(dāng).

    總的來(lái)說(shuō),對(duì)鉍黃銅進(jìn)行合金化改性,擴(kuò)大熱沖壓溫度范圍的研究大多仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,合金化改性對(duì)鉍黃銅的熔煉制備、加工過(guò)程以及綜合性能的影響還有待批量驗(yàn)證.

２ 衛(wèi)浴行業(yè)用鉍黃銅的標(biāo)準(zhǔn)和適用范圍

２．１ 各國(guó)政策和標(biāo)準(zhǔn)

    ２００７年９月歐洲銅研究所在«鉍不能作為鉛的替代材料使用的建議»報(bào)告中指出,鉍作為鉛的可能替代物,在變形兩相黃銅中一直未能取得成功.原因之一是鉍單質(zhì)相凝固時(shí)發(fā)生體積膨脹,導(dǎo)致黃銅中產(chǎn)生高殘余應(yīng)力,進(jìn)而使變形黃銅,如銅棒、銅線、銅制品等的制造過(guò)程復(fù)雜化.這也是鉍黃銅制品對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性高的原因.關(guān)于鉍黃銅產(chǎn)品是否具有與鉛黃銅相同的可靠性,還需要更廣泛的測(cè)試和評(píng)估,另外對(duì)于鉍與環(huán)境的相容性問(wèn)題,人們?nèi)灾跎?

    鉍在大多數(shù)金屬中不固溶,在鈦中有限固溶,與錫會(huì)形成熔點(diǎn)為１３９ ℃的共晶化合物,與鉛形成熔點(diǎn)為１２５℃的共晶化合物.這些共晶化合物存在于晶界,不利于銅合金的熱軋過(guò)程,鉍鉛共存時(shí)較單獨(dú)含鉛或鉍的危害更甚.據(jù)報(bào)道高合金化黃銅對(duì)鉍鉛共存并不敏感,因?yàn)殂G鉛共晶形成了顆粒化合物.含鉍鉛的金屬?gòu)U料和切屑需要建立獨(dú)立的回收體系,與含鉛銅合金及其他金屬的回收體系嚴(yán)格加以區(qū)分,廢料回收鏈中混入鉍將對(duì)銅產(chǎn)業(yè)造成不利的影響.回收鉍在技術(shù)上仍不可行,需要額外的處理工藝,其回收處理成本較高.

另外,鉍是鉛礦的副產(chǎn)品,生產(chǎn)３０~２００t的鉛才可獲得１t的鉍,增加對(duì)鉍的需求意味著更多鉛的產(chǎn)生,這會(huì)導(dǎo)致鉍價(jià)上漲而鉛則失去商業(yè)價(jià)值,且環(huán)境也面臨巨大的負(fù)擔(dān).

基于以上原因,歐洲銅研究所認(rèn)為鉍不具有與鉛相同的技術(shù)特質(zhì),并建議其成員國(guó)在實(shí)際應(yīng)用中不要采用鉍來(lái)替代鉛.歐盟鑄造黃銅標(biāo)準(zhǔn) EN１９８２:２００８和變形黃銅標(biāo)準(zhǔn) EN１２１６４:２０１１中均無(wú)含鉍黃銅牌號(hào),歐洲各品牌也確實(shí)不使用鉍黃銅生產(chǎn)衛(wèi)浴產(chǎn)品及其配件.

    美國(guó) ASTM B３０Ｇ０９«銅合金錠標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范»納入了 C８９５１０、C８９５２０、C８９５３０、C８９５３５、C８９５４０ 等 鉍硒鑄造黃銅,而 ASTM B１２４Ｇ１０«銅和銅合金鍛制線材、棒材及型材規(guī)格»有 C４９２６０、C４９３００、C４９３４０、C４９３５０等變形含鉍黃銅,ASTM B２８３Ｇ０９a«銅及銅合金壓模鍛件(熱壓)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范»則未納入鉍黃銅.作為全球最大的衛(wèi)浴產(chǎn)品市場(chǎng),北美地區(qū)最早開(kāi)始使用鉍黃銅,目前未見(jiàn)有限制鉍黃銅使用的報(bào)道.

    而且對(duì)鉍在人體病理學(xué)的作用研究方面,北美地區(qū)也持更為正面積極的態(tài)度.日本伸銅協(xié)會(huì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)JCBA T２０４:２００５«無(wú)鉛易切削黃銅棒»中有 C６８０１、C６８０２、C６８０３、C６８０４等變形鉍黃銅.但日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS H３２５０:２００６«銅及 銅 合 金 桿 材 和 棒 材 »未 納 入 鉍 黃 銅.JISH２２０２:２００６«鑄 造 用 銅 合 金 錠 »有 CACIn９０１、CACIn９０２、CACIn９０３、CACIn９１１等含鉍鑄造銅合金,但均為青銅,而沒(méi)有鉍黃銅.日本最大的銅棒生產(chǎn)商三越金屬公司的主打環(huán)保黃銅棒材為 C６８０１和 C６８０２變形鉍黃銅,已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn),供給衛(wèi)浴行業(yè).中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T５２３１－２０１２«加工銅及銅合 金 牌 號(hào) 和 化 學(xué) 成 分 »中 有 T４９２３０、T４９２４０、C４９２６０、T４９３１０、T４９３２０、T４９３３０、T４９３６０、C４９３５０等含鉍變形黃銅.YS/T７６１－２０１１«飲用水系統(tǒng)零部件用易切削銅合金鑄錠»中除了鉍硒黃銅外還有ZHBi６０Ｇ０．５Ｇ０．６鉍黃銅.YS/T５４４－２００９«鑄造銅合金錠»納入了 ZHBi６０Ｇ０．８鉍黃銅.而 GB/T１１７６－２０１３«鑄造銅及銅合金»中并沒(méi)有納入鉍黃銅.總的來(lái)說(shuō),國(guó)內(nèi)各技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中牌號(hào)繁多、命名相對(duì)混亂、

各牌號(hào)成分范圍交疊,這也反映了國(guó)內(nèi)鉍黃銅生產(chǎn)廠家眾多而繁雜,無(wú)統(tǒng)一規(guī)范.實(shí)際上鉍黃銅占據(jù)了國(guó)內(nèi)無(wú)鉛鑄造黃銅市場(chǎng)的大半,而衛(wèi)浴行業(yè)是其中最主要的應(yīng)用領(lǐng)域.

２．２ 鉍黃銅適用范圍

    衛(wèi)浴行業(yè)中鉍黃銅雖然具有鑄造時(shí)易熱裂、熱沖壓溫度范圍窄、加工過(guò)程中有熱脆和冷脆傾向等缺點(diǎn),但其優(yōu)良的切削加工性能和鑄造性能仍使其占據(jù)了環(huán)保易切削黃銅用量的首位.

    針對(duì)鉍黃銅鑄造時(shí)的開(kāi)裂隱患,目前衛(wèi)浴行業(yè)成熟的應(yīng)對(duì)措施為對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和模具進(jìn)行合理設(shè)計(jì),如增設(shè)加強(qiáng)筋、加大倒角等.然而對(duì)于熱沖壓溫度范圍窄這個(gè)問(wèn)題,目前仍無(wú)有效解決措施,只能盡量精準(zhǔn)控制溫度范圍,但這又會(huì)明顯影響生產(chǎn)效率,因此,目前在衛(wèi)浴行業(yè)中熱沖壓產(chǎn)品基本不采用鉍黃銅.同樣,對(duì)于需焊接的產(chǎn)品,也盡量避免使用鉍黃銅.克服鉍黃銅冷脆缺點(diǎn)的有效方法有:通過(guò)添加合金元素使鉍相以小球形顆粒狀均勻分布于基體中;將熱處理去應(yīng)力工序安排在機(jī)加工工序之后,并且為避免加工后螺牙變形,應(yīng)選擇盡量低的熱處理溫度,如可定為３００ ℃左右.

    總的來(lái)說(shuō),在銅合金中添加鉍會(huì)影響其工藝性能和使用性能,這在純銅、高銅低合金化黃銅或單相黃銅中更加明顯;而在合金化程度較高的高鋅黃銅(鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于３５％)中,通過(guò)合理的合金化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝優(yōu)化、生產(chǎn)物料嚴(yán)格區(qū)分管控等手段,這些問(wèn)題已得到了較有效的解決.經(jīng)過(guò)多年的研究和生產(chǎn)實(shí)踐,鉍黃銅已被證實(shí)可部分替代傳統(tǒng)鉛黃銅用于衛(wèi)浴五金產(chǎn)品.鉍黃銅衛(wèi)浴五金產(chǎn)品較成熟的生產(chǎn)方法有鑄造、直接機(jī)加工、冷彎,而熱沖壓、熱鍛、焊接等方法還有待進(jìn)一步

的研究和改善.

３ 結(jié)束語(yǔ)

    雖然目前鉍黃銅仍不能完全取代傳統(tǒng)的鉛黃銅,且歐洲地區(qū)并不推薦使用鉍黃銅,但廣大的亞洲、北美市場(chǎng)對(duì)鉍黃銅仍有很高的市場(chǎng)接受度.作為切削性能較好、使用量較大、使用時(shí)間較長(zhǎng)的一種無(wú)鉛環(huán)保黃銅,鉍黃銅仍值得進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā).從衛(wèi)浴行業(yè)來(lái)看,如何克服鉍黃銅的不足,特別是改善鉍黃銅的熱沖壓性能,仍是目前的研究重點(diǎn).

（文章來(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)-機(jī)械工程材料）