黃宗耀，姜功正

(中鋁上海銅業(yè)有限公司，上海 200940)

C65500高硅銅合金屬于硅青銅的一種，主要合金元素包括Si、Mn、Cu及其他一些適當(dāng)?shù)奶砑釉?，在?guó)內(nèi)主要以生產(chǎn)板帶及線材為主，棒材的生產(chǎn)較少。該合金制品具有較高的機(jī)械性能，耐磨、耐蝕、焊接性能好，可熱、冷態(tài)壓力加工，無(wú)磁性，沖擊時(shí)不產(chǎn)生火花，可用于制造各種彈性元件、腐蝕條件下工作的零件以及各種耐磨零件[1]。C65500高硅銅合金結(jié)晶溫度范圍小，在部分制造業(yè)中可作為錫青銅的代用品。

1 產(chǎn)品的基本要求

1.1 化學(xué)及物理性能

表1、表2分別為 ASTM B98有關(guān)C65500銅合金的化學(xué)成分及部分規(guī)格力學(xué)性能的要求。

表1 C65500合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 C65500合金力學(xué)性能要求

1.2 質(zhì)量要求

棒材表面應(yīng)光滑清潔，不允許有裂紋、起皮、氣泡、夾雜物和有手感的環(huán)狀物等缺陷；棒材應(yīng)進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力處理；棒材的彎曲度參照ASTM B249有關(guān)要求執(zhí)行。

2 高硅銅合金中各主要元素的作用

(1)Si在硅青銅中，可增加合金的強(qiáng)度和硬度。研究證明隨著Si含量的增加，強(qiáng)度和延伸率均增加，但當(dāng)Si含量超過(guò)3.5%時(shí)脆性相出現(xiàn)，延伸率及沖擊韌性值降低，所以加工用硅青銅含Si不應(yīng)超過(guò)3.5%[2]；

(2)銅-硅合金中加入適量Mn，可改善機(jī)械性能、耐蝕性能和工藝性能。研究證明Si與Mn在冷卻至450℃以下時(shí)有少量化合物Mn2Si析出，Mn2Si易造成硅青銅材料在冷加工后存放過(guò)程中沉淀出來(lái)，產(chǎn)生相變應(yīng)力而引起材料的自行破裂現(xiàn)象。為避免該現(xiàn)象發(fā)生，Si含量宜取下限，并應(yīng)及時(shí)進(jìn)行去應(yīng)力退火[2]；

(3)Zn能大量溶解于α固溶體，提高硅青銅的強(qiáng)度和硬度，減小結(jié)晶溫度范圍，改善鑄造性能[2]；

(4)在硅青銅中加入少量Fe，可減少應(yīng)變時(shí)效效應(yīng)，減少材料存放時(shí)自行開(kāi)裂的可能性。過(guò)量Fe會(huì)降低合金的耐蝕性[2]；

(5)Ni能提高硅青銅的機(jī)械性能和耐蝕性能，并兼有良好的導(dǎo)電性，但對(duì)本青銅合金所起作用不大[2]。

3 工藝確定

3.1 熔鑄工藝

3.1.1 化學(xué)成分的確定

依據(jù)ASTM B98中有關(guān)C65500銅合金的化學(xué)成分要求及上述有關(guān)合金元素作用的分析，確立了C65500產(chǎn)品成分爐前控制范圍及爐后內(nèi)控范圍(表3)。在保證Si成分范圍滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求同時(shí)，考慮到過(guò)高的Si含量易產(chǎn)生脆性相，故Si的爐前控制范圍質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定為3.0%～3.3%，調(diào)整值為3.1%，爐后內(nèi)控范圍為2.9%～3.5%。同時(shí)為改善鑄造性能，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的強(qiáng)度及硬度并降低產(chǎn)品自行開(kāi)裂的可能性，適當(dāng)添加了Zn及Fe元素[3]。

表3 C65500合金爐前及內(nèi)控控制范圍(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

3.1.2 Φ12～Φ27mm鑄坯的熔鑄工藝

由于硅青銅冷加工性能優(yōu)越而熱加工性能相對(duì)較差,根據(jù)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)硅青銅的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本公司現(xiàn)有的設(shè)備及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，C65500采用中頻熔煉，保溫爐連續(xù)水平鑄造的方式開(kāi)坯。通過(guò)查詢資料及小樣試制，確定材料的熔煉溫度控制在1180～1220℃之間，采用經(jīng)干餾處理的木炭覆蓋[4]。鑄造工藝起初參考QSn6.5-0.1合金，但試制中發(fā)現(xiàn)表面熱裂現(xiàn)象嚴(yán)重，為此，對(duì)鑄造工藝及拉鑄設(shè)備進(jìn)行了調(diào)整。

依據(jù)C65500產(chǎn)品導(dǎo)熱性較差且易產(chǎn)生鑄造裂紋的特點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備特性，將原先的冷卻方式調(diào)整為二次分散噴霧(汽)冷卻方式，鑄造速度調(diào)整為0.45～0.7m/min，節(jié)距3 mm，停拉比按材料特性應(yīng)調(diào)整至1.0以上，但受拉鑄設(shè)備限制現(xiàn)為1∶1，冷卻水壓0.3MPa，鑄造溫度1180～1220℃，保溫爐采用石墨粉覆蓋。經(jīng)反復(fù)試制，確定了現(xiàn)行的上述鑄造工藝參數(shù)，鑄坯規(guī)格范圍也從開(kāi)始試制的Φ12 ～Φ15 mm 線坯，擴(kuò)展至Φ12 ～Φ27mm，并形成批量生產(chǎn)能力。

3.2 冷加工工藝

連鑄錠坯→拉伸→退火→拉伸→刨皮→拉伸成品→校直拋光→剪切→去應(yīng)力退火→檢驗(yàn)→入庫(kù)。

3.2.1 拉伸

拉伸過(guò)程是塑性變形的過(guò)程，即合金晶體滑移過(guò)程，滑移系越多，塑性變形越好。從C65500 Φ12.5mm再結(jié)晶退火后的金相組織(圖1)中可以看出，其相組織為α相單相固溶體(基體)+少量Mn2Si相。α相為面心立方結(jié)構(gòu)，有12個(gè)滑移系，所以該合金有較好的冷加工塑性。隨著冷加工變形的加大，晶粒外形沿變形方向被拉長(zhǎng)，從而阻礙晶體滑移的發(fā)生，即產(chǎn)生了加工硬化，具體表現(xiàn)在其硬度強(qiáng)度不斷升高，延伸率不斷下降。圖2為加工后的金相組織(35%加工率，300℃去應(yīng)力退火)。

圖1金相組織(680℃×3.0h) 150X 圖2加工態(tài)金相組織 (35%加工率) 150X

不同用途的零件，對(duì)成品最終性能的要求不同，將經(jīng)680℃、保溫3h退火后的20mm棒坯，拉伸不同變形量后，測(cè)出相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度和延伸率。測(cè)試結(jié)果表明，隨變形量不斷增大，抗拉強(qiáng)度逐漸上升，而延伸率不斷下降，表4為變形量與力學(xué)性能的關(guān)系。

性能控制。采用變形量控制成品最終性能的方法，經(jīng)多次試驗(yàn)，變形量控制在32%～38%時(shí)滿足ASTM B98 H04性能要求, 變形量控制在15%～25%時(shí)滿足ASTM B98 H02性能要求(表5)。

質(zhì)量控制。為了得到表面光潔、平直度好的直條成品(Φ3.0～Φ16mm)，采用從德國(guó)舒馬格(Schumag)公司引進(jìn)的0B型、ⅠB型聯(lián)合拉拔機(jī)，從拉伸、校直、拋光一次完成，其彎曲度小于1mm/m，滿足了用戶自動(dòng)車床高速切削的使用要求。

表4 冷變形量與力學(xué)性能表

3.2.2 中間退火

當(dāng)C65500合金經(jīng)一定變形量加工后，產(chǎn)生了加工硬化，為了便于進(jìn)一步加工，需中間退火。中間退火即再結(jié)晶退火，使合金被拉長(zhǎng)的晶粒得以恢復(fù)，退火工藝的選擇將直接影響合金的加工性能和成品的最終性能。保溫時(shí)間相同，退火溫度過(guò)低合金再結(jié)晶不充分，不能使合金完全得到軟化，進(jìn)而影響下一步加工；退火溫度過(guò)高，使再結(jié)晶退火進(jìn)入聚集再結(jié)晶階段，晶粒粗大，同樣對(duì)加工不利。表6為C65500合金 (Φ15.88mm棒材、35%加工率)力學(xué)性能與退火溫度的關(guān)系。從表中看出，該合金在450℃時(shí)，已完成再結(jié)晶退火，650～750℃時(shí)，已完全完成了再結(jié)晶，且其延伸率較高，完全具有良好的再加工需要。實(shí)踐證明，該退火工藝較合理。

表5 部分試制規(guī)格變形量及性能值

表6 不同退火溫度(保溫1h)的力學(xué)性能

4 結(jié)論

(1)C65500合金具有明顯的鑄造特點(diǎn)及冷加工特性?？刂浦鞒煞諷i、Mn的含量，尤其控制Si含量低于3.5%，可降低產(chǎn)品加工后的存放自裂現(xiàn)象。適當(dāng)添加Zn及Fe有利于提高機(jī)械性能，改善鑄造性能，降低自裂現(xiàn)象。合理的鑄造工藝，可降低鑄坯熱裂及內(nèi)部缺陷；

(2)C65500合金具有較好的冷加工性能，以變形量控制性能，其H02、H04態(tài)成品變形量分別選擇在15%～25%和32%～38%為易。C65500合金的中間退火溫度選擇在650～750℃、保溫3h，經(jīng)過(guò)該工藝退火的合金加工硬化基本得以消除，且具有良好的冷加

工性能。經(jīng)過(guò)多次試制及批量生產(chǎn)后的C65500Φ3～Φ18mm的直條成品，工藝可靠，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足ASTMB98標(biāo)準(zhǔn)的要求。

C65500高硅青銅作為歐美市場(chǎng)一種用途較廣的銅合金材料，在國(guó)內(nèi)采購(gòu)市場(chǎng)，尤其是采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的棒材產(chǎn)品，目前還處于起步階段，有著廣闊的市場(chǎng)前景。

[1] 鐘衛(wèi)佳,馬克定,吳維治.銅加工技術(shù)實(shí)用手冊(cè)[M].冶金工業(yè)出版社,2007. 217.

[2] 李明洲,夏立信,李著愷等.重有色金屬加工手冊(cè)(第1分冊(cè))[M].冶金工業(yè)出版社,243-247.

[3] 田榮璋,王祝堂等.銅合金及其加工手冊(cè)[M].中南大學(xué)出版社,2002.287.

[4] 鐘衛(wèi)佳,馬克定,吳維治.銅加工技術(shù)實(shí)用手冊(cè)[M].冶金工業(yè)出版社,2007. 332.