Machinability assesment of leaded and lead-free brass alloys: exploring sustainable alternatives

The growing environmental and health concerns associated with lead toxicity have led to increasing regulatory restrictions on its use, particularly in brass alloys where lead is traditionally added to enhance machinability. Consequently, the demand for leadfree alternatives has intensified, necessitating the development and evaluation of new alloy compositions that maintain desirable machining characteristics while complying with safety standards. This master’s thesis investigates the machinability of four brass alloys, including a leaded reference alloy (CW617N), a lead-free base alloy without compensatory elements (CW510L), and two lead-free alternatives enhanced with silicon and magnesium. A comprehensive experimental approach was employed, incorporating CALPHAD simulations to predict phase stability and guide alloy design. Detailed microstructural analysis was conducted using Scanning Electron Microscopy (SEM), Electron Backscatter Diffraction (EBSD), and Optical Microscopy to examine phase distribution and grain morphology. Microhardness testing was performed to evaluate mechanical properties, while micro-milling experiments were carried out under four distinct cutting conditions to assess the micromachinability of the alloys. Surface quality and chip morphology were further analyzed using Alicona 3D optical profilometry and SEM to understand the influence of alloy composition and cutting parameters on surface roughness and chip formation. This study confirms that in micro-machining, especially near the minimum chip thickness, machining behaviour is influenced by the interplay of process kinematics, cutting parameters, and material composition.

Le crescenti preoccupazioni ambientali e sanitarie legate alla tossicità del piombo hanno portato a un aumento delle restrizioni normative sul suo utilizzo, in particolare nelle leghe di ottone in cui il piombo è tradizionalmente aggiunto per migliorare la lavorabilità. Di conseguenza, la domanda di alternative prive di piombo è aumentata, rendendo necessario lo sviluppo e la valutazione di nuove composizioni di leghe che mantengano caratteristiche di lavorabilità desiderabili nel rispetto degli standard di sicurezza. Questa tesi di laurea magistrale investiga la lavorabilità di quattro leghe di ottone, includendo una lega di riferimento con piombo (CW617N), una lega base senza piombo e senza elementi compensativi (CW510L) e due alternative prive di piombo migliorate con silicio e magnesio. È stato adottato un approccio sperimentale completo, che ha integrato simulazioni CALPHAD per prevedere la stabilità delle fasi e guidare la progettazione delle leghe. Un'analisi microstrutturale dettagliata è stata condotta utilizzando Microscopia Elettronica a Scansione (SEM), Diffrazione degli Elettroni Retrodiffusi (EBSD) e Microscopia Ottica per esaminare la distribuzione delle fasi e la morfologia dei grani. Sono stati eseguiti test di microdurezza per valutare le proprietà meccaniche, mentre esperimenti di micro-fresatura sono stati condotti in quattro diverse condizioni di taglio per analizzare la microlavorabilità delle leghe. La qualità della superficie e la morfologia del truciolo sono state ulteriormente analizzate utilizzando la profilometria ottica 3D di Alicona e SEM per comprendere l'influenza della composizione delle leghe e dei parametri di taglio sulla rugosità della superficie e sulla formazione del truciolo. Questo studio conferma che, nella micro-lavorazione, specialmente vicino allo spessore minimo del truciolo, il comportamento di lavorazione è influenzato dall’interazione tra la cinematica del processo, i parametri di taglio e la composizione del materiale.