易志輝

(銅陵金威銅業(yè)有限公司,安徽 銅陵 244000)

0 前 言

C7025銅合金是一種Cu-Ni-Si系合金,具有很強(qiáng)的時效強(qiáng)化性能較高的導(dǎo)電性和較高的強(qiáng)度,是一種理想的引線框架材料[1].該合金的生產(chǎn)具有一定難度,尤其是鑄錠的生產(chǎn)比較困難.

鑄錠化學(xué)成分和內(nèi)外質(zhì)量在很大程度上影響到材料的后序加工和最終的性能,本文重點在合金的成分設(shè)計、鑄錠的內(nèi)部質(zhì)量及表面質(zhì)量控制等方面進(jìn)行了探索.

1 生產(chǎn)工藝

C7025銅合金鑄錠在11 t中頻無芯熔化爐中熔煉,采用立式半連續(xù)方式鑄造,鑄錠規(guī)格為220 mm×640 mm×8 000 mm.

生產(chǎn)工藝流程為:Cu+舊料(木炭履蓋)→Ni→全部熔化后扒渣→Si→CuMg20→靜置→取樣分析、提溫→鑄造→鋸切.

原料:陰極銅、電解鎳、硅和鎂銅合金,具體原料要求見表1.

表1 試驗材料Tab.1 The experimental materials

采用熒光光譜儀測定其化學(xué)成分,表面質(zhì)量采用目視檢查,內(nèi)部質(zhì)量采用低倍和高倍檢查.

2 結(jié)果與討論

2.1 C7025銅合金特性

C7025銅合金是Cu-Ni-Si三元系為基的合金,含有0.1%～0.3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Mg，Ni和Si形成化合物Ni2Si.Cu-Ni2Si偽二元系相圖見圖1.富銅角為共晶型,在960 ℃共晶溫度下,Ni2Si在銅中的溶解度約為8.5%,室溫時下降到0.5%,可見C7025銅合金是典型的時效強(qiáng)化型合金.

圖1 Cu-Ni2Si偽二元系相圖Fig.1 Cu-Ni2Si pseudo-binary phase diagram

2.2 C7025銅合金的化學(xué)成分

在奧林公司黃銅產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中,C7025產(chǎn)品的Ni和Si含量范圍較大,Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.2%～4.2%之間,Si在0.25%～1.2%之間.國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)在研究C7025銅合金時,Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.6%,Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%.本試驗在設(shè)計C7025銅合金成分時,考慮了兩個方面:一是Ni含量盡可能取下限,降低生產(chǎn)成本;另外考慮了Ni對固溶熱處理有較大的影響,當(dāng)Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.6%時,固溶溫度需大于850 ℃,這對熱處理設(shè)備提出了較高要求,因此,控制Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.3%～2.6%之間.

根據(jù)金屬導(dǎo)電理論,固溶在銅基體中的原子引起的點陣畸變對電子的散射作用比第二相引起的散射作用強(qiáng)得多,尤其是固溶于合金中的Si元素對電子的散射作用非常大,使銅合金導(dǎo)電率下降很大.為使生產(chǎn)的C7025銅合金帶材具有較高的導(dǎo)電率,希望固溶在合金中的Si能以Ni2Si第二相的形式充分析出.理論上Ni和Si形成Ni2Si析出物,Ni與Si的原子比為2∶1(質(zhì)量比為4.2∶1),但實際生產(chǎn)過程中,Ni和Si不可能充分析出,要確保Si元素在時效后不過剩.因此,在設(shè)計成分時,Ni和Si的質(zhì)量比最好控制在4.2～5.0之間,此時合金帶材具有較高的硬度和導(dǎo)電率.

按照上述方案進(jìn)行了鑄錠試驗,并最終生產(chǎn)出厚度為0.11 mm的C7025銅合金成品帶材.對成品帶材取樣分析化學(xué)成分，并進(jìn)行硬度和導(dǎo)電率測試,分析結(jié)果為:Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.56%,Ni與Si的質(zhì)量之比為4.3.采用了兩種工藝方案進(jìn)行試驗,用1#工藝方案生產(chǎn)出的帶材導(dǎo)電率可達(dá)到43%IACS,硬度(HV)為243,產(chǎn)品具有較高的硬度和適中的導(dǎo)電性;如果調(diào)整熱處理工藝,則2#工藝方案生產(chǎn)的帶材,導(dǎo)電率可達(dá)到55%IACS,硬度(HV)為201,導(dǎo)電率和硬度都在較高水平上,帶材的性能見表2.可見,設(shè)計的C7025銅合金成分完全滿足性能要求.

表2 C7025銅合金成品帶材檢測結(jié)果Tab.2 The test results of finished strip of C7025 copper alloy

2.3 內(nèi)部質(zhì)量控制

為了便于后續(xù)加工和保證產(chǎn)品質(zhì)量,半連續(xù)鑄造C7025銅合金鑄錠內(nèi)部不應(yīng)有氣孔和裂紋等缺陷.

2.3.1 氣孔

氣孔主要是熔煉及鑄造時合金內(nèi)部含有氣體造成的,Ni、Si的熔點都比較高(Ni,1 453 ℃;Si,1 412 ℃),C7025銅合金熔煉溫度控制在1 260～1 340 ℃之間,熔煉溫度較高,增加了吸氫幾率;另外合金中Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.3%～2.6%,隨著Ni的增加,H2的溶解度也呈直線上升,較其他元素的影響更加顯著.因而,C7025銅合金的吸氣性比較強(qiáng),鑄錠中容易出現(xiàn)氣孔缺陷,見圖2.

試驗過程中,從熔煉保護(hù)和鑄造排氣兩方面著手,避免鑄造C7025合金鑄錠時產(chǎn)生氣孔缺陷.

圖2 C7025銅合金鑄錠斷面氣孔Fig.2 The casting cross-section blowhole of C7025 copper alloy

(1) 無芯爐和流槽需完全干燥,新爐生產(chǎn)時,前幾爐生產(chǎn)紫銅鑄錠,待爐壁完全干燥后再轉(zhuǎn)為生產(chǎn)C7025銅合金鑄錠.

(2) 采用煅燒木炭覆蓋熔體,木炭的覆蓋層厚度控制在150～200 mm,避免熔體與空氣接觸,減少氣體的吸入量.

(3) 所用的原料必須干燥，使用的工具,如攪拌棒、撈渣勺、澆注時所用的引錠座和結(jié)晶器都不得沾有水分.

(4) 采取低溫熔煉,熔煉溫度控制在1 220 ℃,待所有添加原料全部熔化后,取樣分析成分合格后迅速提溫到1 320 ℃,準(zhǔn)備鑄造.

(5) 結(jié)晶器內(nèi),熔體表面要用烤紅呈散狀的煙灰覆蓋嚴(yán)密,澆注管埋入液面不能太深,便于氣體的排出.

(6) 嚴(yán)格控制鑄造速度,如果速度太快,氣體來不及排出.

(7) 選用合適的結(jié)晶器,使液穴淺平,利于氣體排出.

通過采取以上措施,可以避免C7025銅合金鑄錠產(chǎn)生氣孔缺陷.

2.3.2 內(nèi)部裂紋

C7025銅合金凝固溫度區(qū)間較大,導(dǎo)熱性較差,在鑄造過程中,當(dāng)強(qiáng)烈的二次水噴射到紅熱的鑄錠上,使鑄錠斷面上產(chǎn)生了極大的溫度梯度,造成很大的鑄造應(yīng)力.如果鑄造應(yīng)力超過了該溫度下的晶界強(qiáng)度,會導(dǎo)致晶界裂紋,如圖3.有時雖然鑄造應(yīng)力未能對鑄錠造成裂紋,但是在熱軋前的加熱過程中,因晶界強(qiáng)度的下降,鑄造應(yīng)力與熱應(yīng)力共同作用,促使內(nèi)部微小裂紋的產(chǎn)生,造成帶材表面起皮現(xiàn)象,影響成品質(zhì)量,所以C7025銅合金鑄錠生產(chǎn)時應(yīng)盡可能減小鑄造應(yīng)力.

圖3 C7025合金鑄錠裂紋和氣孔缺陷Fig.3 The alloy ingot defects of C7025 copper alloy

2.3.2.1 鑄造制度對內(nèi)部裂紋的影響

合金凝固時,在鑄錠的橫、縱截面上的溫度分布總是不均勻的,即鑄錠表面溫度低,中心溫度高.避免鑄錠內(nèi)部裂紋,關(guān)鍵在于減小內(nèi)外溫差.為了保證C7025熔體的流動性,采用了較高的鑄造溫度,通過調(diào)整鑄造速度進(jìn)行工藝試驗,試驗參數(shù)列于表4.

表4 C7025銅合金對比試驗工藝參數(shù)Tab.4 The contrast test technological parameter of C7025 copper alloy

在較高的鑄造速度下,熔融金屬在結(jié)晶器內(nèi)沒有充分的結(jié)晶時間,凝固的外殼拉出結(jié)晶器時,鑄錠內(nèi)部還保持了相當(dāng)一部分末凝固的和處于半凝固狀態(tài)的金屬,外殼立刻受到強(qiáng)烈的二次冷卻,使中心部分的熔體很快地凝固收縮,由于收縮而產(chǎn)生了很大的鑄造應(yīng)力.當(dāng)凝固和半凝固的金屬晶界強(qiáng)度承受不了鑄造應(yīng)力時,便產(chǎn)生內(nèi)部裂紋.從試驗中可以看出,采用1#鑄造工藝,鑄造速度較低,沒有產(chǎn)生內(nèi)部裂紋,鑄錠的低倍組織和高倍組織見圖4和圖5(見下頁).邊部有一層并不細(xì)致的等軸晶粒,次層的柱狀晶斜生,中心部分為比較細(xì)的等軸晶和柱狀晶混合區(qū).高倍基體為α相,殘留有粗大NiSi粒子.提高鑄造速度,用2#鑄造工藝,內(nèi)部裂紋隨即產(chǎn)生.

圖4 鑄錠的低倍組織Fig.4 The macrostructure of the ingot

圖5 鑄錠的顯微組織Fig.5 The microstructure of the ingot

2.3.2.2 結(jié)晶器對內(nèi)部裂紋的影響

采用傳統(tǒng)的結(jié)晶器生產(chǎn)C7025銅合金鑄錠時,強(qiáng)烈的一次水直接作為二次水噴射到鑄錠上作為二次冷卻,會增大鑄造應(yīng)力,導(dǎo)致鑄錠內(nèi)部裂紋出現(xiàn).這可以通過改進(jìn)結(jié)晶器結(jié)構(gòu),如提高結(jié)晶器高度或改善冷卻水分配方式等,降低鑄錠的內(nèi)外溫差,減小鑄造應(yīng)力,避免內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生.

(1) 結(jié)晶器高度對內(nèi)部裂紋的影響.增加結(jié)晶器高度意味著一次冷卻區(qū)域擴(kuò)大,使得鑄錠的液穴深度處于結(jié)晶器范圍內(nèi),鑄錠拉出結(jié)晶器時內(nèi)部已經(jīng)凝固,從而提高了合金強(qiáng)度,減小了鑄造應(yīng)力,可以生產(chǎn)出合格的鑄錠.國外某銅加工廠采用360 mm高的結(jié)晶器生產(chǎn)C7025銅合金鑄錠,鑄造速度為120 mm/min,可以生產(chǎn)出無內(nèi)部裂紋的鑄錠.而本試驗采用250 mm高的結(jié)晶器,當(dāng)鑄造速度超過70 mm/min時,鑄錠內(nèi)部便產(chǎn)生了裂紋,其對比見表5.可見結(jié)晶器高度對鑄錠內(nèi)部裂紋影響較大,提高結(jié)晶器高度,可以提升鑄造速度,但液穴較深,不利于熔體排氣.

(2) 采用一、二次水分開的結(jié)晶器,合理分配冷卻強(qiáng)度,紅錠生產(chǎn)C7025銅合金鑄錠.在鑄造過程中,先確保一次水的流量,使合金從液相到固相時,有足夠的過冷度,使得凝固的外殼達(dá)到一定的厚度和強(qiáng)度,然后調(diào)整并控制二次水的流量,讓鑄錠保持紅錠狀態(tài),延緩鑄錠冷卻,減少了金屬內(nèi)部固相線附近的強(qiáng)烈收縮,減小鑄造應(yīng)力,避免了內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生.

表5 結(jié)晶器高度對C7025銅合金鑄錠的影響Tab.5 The effect of the crystallizer height on the C7025 copper alloy ingot

在試驗中,合金的初始結(jié)晶溫度為960 ℃,當(dāng)采用傳統(tǒng)結(jié)晶器鑄造C7025銅合金鑄錠時,鑄錠表面溫度可認(rèn)為與二次水溫相同,內(nèi)外溫差為900 ℃以上;紅錠生產(chǎn)C7025銅合金鑄錠,表面溫度在750 ℃以上,則溫差在200 ℃左右.在鑄造2.5 h內(nèi),采用傳統(tǒng)結(jié)晶器鑄造,鑄錠自拉出結(jié)晶器后,一直處于強(qiáng)烈二次水的急冷狀態(tài)中,鑄錠吊出鑄造井時溫度已經(jīng)降到室溫;紅錠生產(chǎn)C7025銅合金鑄錠,鑄錠離開二次水霧后,自始至終在空氣中冷卻,鑄造完畢后仍需緩慢冷卻幾個小時,方才放水冷卻到室溫,這個過程是利用鑄造余熱進(jìn)行消除應(yīng)力退火,使鑄錠的鑄造應(yīng)力降到較低的水平.

2.4 表面質(zhì)量

C7025銅合金中含有易氧化的硅和鎂元素,高溫下熔體容易氧化造渣,導(dǎo)致熔體流動性降低,加上結(jié)晶器內(nèi)液面波動,極易造成鑄錠表面夾渣和由此引起的表面裂紋.

鑄造時,熔融金屬在結(jié)晶器內(nèi)的周邊冷卻凝殼,該凝殼溫度較高,強(qiáng)度較低,如液面上渣體翻入凝殼中,形成表面夾渣,造成了鑄錠表面不光滑,增加了凝殼與結(jié)晶器壁的摩擦力.當(dāng)凝殼的強(qiáng)度不足以抵抗與結(jié)晶器壁間的摩擦力時,鑄錠表面出現(xiàn)拉裂.

從生產(chǎn)現(xiàn)場觀察到,當(dāng)采取較好的熔體保護(hù)時,結(jié)晶器內(nèi)熔體表面有少量的渣,前4 m長的鑄錠表面良好,隨著時間的延長,結(jié)晶器內(nèi)的渣量越來越多,到5 m長以后,鑄錠表面出現(xiàn)夾渣和拉裂現(xiàn)象,如圖6.當(dāng)采取較好的熔體保護(hù),再輔以合適的溶劑保護(hù)時,結(jié)晶器內(nèi)熔體表面雖有少量的渣,在鑄造過程中沒有增加,減小了凝殼與結(jié)晶器壁的摩擦力,使得鑄造較為順利,鑄錠表面沒有出現(xiàn)大量夾渣和拉裂現(xiàn)象.

圖6 C7025銅合金鑄錠表面夾渣及拉裂Fig.6 The casting surface defects of C7025 copper alloy

避免鑄錠表面夾渣和拉裂,關(guān)鍵是從熔煉到鑄造過程中減少熔體氧化造渣,采取了以下措施:

(1) 保證進(jìn)入結(jié)晶器的熔體潔凈,出爐前應(yīng)徹底撈渣;轉(zhuǎn)入流槽中的熔體除了良好覆蓋外,還要采用合適的溶劑除渣.

(2) 烤紅的煙灰嚴(yán)密覆蓋結(jié)晶器內(nèi)的液面,同時輔以合適的熔劑,并保持液面穩(wěn)定.

(3) 及時清除結(jié)晶器內(nèi)液面上的浮渣.

3 結(jié) 論

(1) C7025銅合金中Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)定在2.3%～2.6%之間,Ni和Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比控制在4.2～5.0之間,合金帶材具有較高的硬度和導(dǎo)電率.

(2) 應(yīng)從熔煉保護(hù)和鑄造排氣兩方面采取措施,避免氣孔缺陷.

(3) 減小鑄造應(yīng)力可以避免內(nèi)部裂紋產(chǎn)生.一方面是嚴(yán)格控制鑄造速度和冷卻強(qiáng)度,另一方面是改進(jìn)結(jié)晶器結(jié)構(gòu),提高結(jié)晶器高度或合理分配冷卻強(qiáng)度.

(4) 鑄造時熔體容易氧化造渣,造成鑄錠表面夾渣及拉裂缺陷,要保證進(jìn)入結(jié)晶器的熔體潔凈,同時輔以合適的熔劑,并保持液面穩(wěn)定.

參考文獻(xiàn):

[1] 潘志勇,汪明樸,李周,等.超高強(qiáng)度Cu-Ni-Si合金的研究進(jìn)展[J].金屬熱處理,2007,32(7):55-59.