环保新材料─无铅易切削抗脱锌黄铜

无铅黄铜的价值

铜是一种坚韧、柔软、富有延展性的紫红色且有光泽的金属，又称为紫铜。1克的铜可以拉成3,000公尺长的细丝，或压成十多平方公尺几乎透明的铜箔。纯铜制成的器物太软、易弯曲，把锌掺到铜里制成铜锌合金的黄铜，可以补强度的不足。

黄铜因色黄而得名。黄铜的机械和耐磨性能都很好，可用于製造精密的仪器、船舶的零件、 炮的弹壳等。含锌量不同，会有不同的颜色，如含锌量18～20％呈红黄色，20～30％就会呈棕黄色，30～40％则呈金黄色。但在铜合金中，锌的电位比铜低很多，因此黄铜在中性盐类溶液中易发生电化学腐蚀。电位低的锌被溶解，铜则呈多孔薄膜残留在表面，并与表层下的黄铜组成微电池，使黄铜成为阳极而快速腐蚀，称为脱锌腐蚀。

一般做为加工用的黄铜，添加金属锌的比率是38～42％。为了让黄铜更好加工，通常含有2％的铅以增加强度与加工性。含铅黄铜具有优良成形性、切削性和耐磨耗性，广泛应用于各种形状的机械加工零件，在铜业中占有较大的比率，是世界公认的重要基础材料。

然而，含铅黄铜在生产或使用过程中，铅容易以固态或气态的形式溶出，而铅对人体造血和神经系统，特别是儿童的 及其他器官的损害较大。各国都很重视铅造成的汙染和引起的危害，美国、日本、德国及欧盟都相继限制和禁止含铅黄铜的使用。美国加州发布A 日起，含铅黄铜就在该州 退出卫浴与自来水管路市场。

因此，唯有透过改良黄铜成分，以无毒或低毒害物质代替含铅黄铜中的铅元素，使其达到易切削并具抗脱锌腐蚀的功能，才能满足工业上的需求，又可保护生态环境。

无铅黄铜的条件

铅的熔点低，为摄氏327.5度，与黄铜合金原不会互相溶解。在凝固时，铅会以细小颗粒散布在黄铜内，使得比不含铅的黄铜具有更好的切削性。因此，用来替代铅的合金元素须具备三项特性：元素在固体状态下不溶解于黄铜中，能以细小颗粒散布在黄铜内；对人体无毒，不会造成环境汙染；可提高黄铜切削性能，而不影响原来的强度和延展性。

根据上述特性，添加的合金元素依其在铜内的存在形式主要分为3类。第1类是在固体状态下少部分溶解于黄铜中，大部分则以纯元素的状态散布在黄铜内，如铋、锑、硒等。第2类是在固体状态完全不溶解于黄铜内并与铜元素形成化合物，如氧、硫、钙等。第3类是固体状态下少部分溶解在黄铜中，其他过饱和的元素和铜形成化合物，如硅、镁、锑、磷等。

绿色元素－铋

铋是一种可安全使用的绿色小原子量元素，与铅在元素周期表中相邻，在性能方面也有较多相似之处。但含铋黄铜可成形性约为含铅黄铜的75％左右，仍有改善的空间。

美国贝尔实验室和日本所研发的铋与硒铜合金，已应用于水 、阀门等供水零件上；德国也已研发出以铋代替铅的红铜铸造合金，英国则研发出一种低铅铸造黄铜合金，主要用于供水系统。国内目前已开发添加0.92％的锰元素于含铋黄铜中的配方，可进一步改善切削性。当锰含量超过2％时，可成形性微幅下降，当锰元素与铋元素含量相近时，适度提升铋元素含量可改善成形性。

物美价廉－镁

镁元素较难溶解于黄铜，且能与锌、铜形成化合物，质地不硬且脆，并均匀散布在黄铜中，切削性与含铅黄铜相似。大陆学者曾製备出以镁代铅的易切削黄铜，拉伸强度达550 MPa，延展率是16.3％，切削性接近含铅黄铜，并具有良好的抗腐蚀性能。

此外，由于地球上的镁资源较丰富，以镁代铅的无铅黄铜，除了具环保方面的优势外，还有价格低的成本优势。

世界首富－硅

硅是地壳上含量 多的半金属元素，以廉价的硅元素替代有毒的铅和昂贵的铋、锑等元素，可获得新型环保铜合金材料。添加少量硅元素于黄铜中可增加强度，在铜合金铸造与銲接製程中，藉由硅的添加也可降低锌的氧化反应，增加合金在高温下的液态流动性。待高温成形冷却后，能在零件表面生成二氧化硅薄膜，有保护内部材质的功能，提高黄铜的耐蚀性。

但当硅含量超过4％时，会导致合金在高温下的液态流动性降低。而以硅代铅的黄铜的切削性是含铅黄铜的70～80％。国外学者提出一种无铅易切削硅磷铜合金，其合金组成是65～70％的铜、2.0～3.5％的硅、0.02～0.15％的磷，其余是锌和不可避免的杂质元素。这合金具有良好的切削性、銲接性、耐磨耗性与抗高温氧化性，适用于切削加工成形的锻件与铸件。

润滑高手－石墨

石墨是元素碳的一种同素异形体，其原子以SP2键结形成六角形，其层与层之间以微弱的凡得瓦尔力结合，不但具有良好的导电及导热性，也是工业上常用的高温润滑剂。因此，以石墨替代铅将提升铜合金的切削性，也是无铅黄铜研发的方向。

美国矿物局的研究人员透过在黄铜中添加石墨，提高合金的润滑性能并降低切削加工 的耗损。在铜合金中加入石墨粉，形成石墨∕黄铜的複合材料，其切削性与含铅黄铜相当。

无铅黄铜的用途广泛，除了添加少量无害的元素来代替含铅黄铜中的铅，使其达到易切削且环保的目的外，透过合金冶炼技术控制黄铜的结构与组织，是未来提升切削成形性的一个重要课题。