歐陽好，巢國輝，鄭良玉

寧波金田銅業(yè)(集團)股份有限公司，浙江 寧波 315031

鉛黃銅具有極高的切削性，優(yōu)異的冷熱鑄造性能，加工工件表面光潔，被廣泛的用于衛(wèi)浴產(chǎn)品中，但是鉛黃銅中含有的鉛對人體健康的影響非常大，因此其應用范圍逐漸受限，無鉛硅黃銅就應時而出，因其具有較好的切削性、耐磨性和冷熱鑄造性能，同時不會釋放被人體吸收的有害物質等特性[1]，成為了一種較好的替代材料．無鉛硅黃銅主要產(chǎn)品是衛(wèi)浴水暖部件，其主要生產(chǎn)工序分為重熔—鑄造—剪邊—精加工—拋光—機加工—電鍍—組裝—檢驗—包裝—入庫，其中鑄造、拋光和電鍍對鑄錠材料要求最高，對鑄錠具有嚴格的成分控制，不能出現(xiàn)雜質、氣孔、夾雜，同時晶粒需細小均勻，熔體的流動性好[2]．

鑄錠晶粒的細化以及熔體的流動性對鑄件后道加工的影響程度非常大，比如晶粒粗大的鑄錠重熔鑄造后會產(chǎn)生熱裂紋和微裂紋，導致衛(wèi)浴成品鑄件出現(xiàn)漏水現(xiàn)象．鑒于此開展對環(huán)保硅無鉛黃銅晶粒細化的研究顯得尤為重要，主要研究了自制鍶系復合細化劑對無鉛硅黃銅組織性能的影響，同時對鍶系復合細化劑在晶粒細化機理方面做簡要的分析．

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

環(huán)保硅無鉛黃銅其化學成分要求如表1所示．熔煉的主要原料是電解銅、銅末、邊角料、磷銅、熔劑、細化劑等．

表1 硅無鉛環(huán)保黃銅成分

1.2 試驗方法

采用50 kg工頻傾倒式感應電爐熔煉原料，以重力澆鑄的形式進行，澆鑄溫度為1000～1080 ℃，鑄錠為長梯形，重量為10 kg左右．通過對添加了不同含量細化劑的熔體的甩杯試驗和澆鑄鑄錠的金相組織的分析，研究細化劑對熔體流動性和晶粒大小的影響．試驗方案列于表2．

表2 試驗方案

1.3 鑄錠的拋光及檢驗方式

澆鑄出的銅錠需要取樣進行拋光觀察，取一小片拋光樣品(長條狀的鑄錠，只需取斷面小片)進行拋光，拋光所用的設備為YD-01型砂袋拋光機，拋光按照80號布輪—180號布輪—320號布輪—600號布輪—麻輪—布輪順序進行，拋光完成后采用肉眼觀察，利用反光原理觀察鏡面是否存在氣孔、開裂、硬質點、夾渣等，由拋光觀察后的結果再根據(jù)鑄錠斷面拋光質量等級(表3)，判定該批產(chǎn)品是否符合客戶要求．鑄錠端面的低倍金相鑄態(tài)組織采用硝酸水溶液腐蝕處理，高倍金相組織采用FeCl3的硝酸溶液進行腐蝕，通過德國徠卡DMIRM金相顯微鏡進行觀察，分析復合細化劑對無鉛含硅黃銅金相組織的細化作用．

表3 鑄錠斷面拋光質量等級

2 試驗結果及討論

2.1 對鑄錠成分的影響

按照表1成分精準配料，熔煉、攪拌等，出爐前采用美國熱電ARL-3460光譜儀對試樣成分進行分析，其成分列于表4．由表4可知，加入細化劑并不會影響體系成分．結果表明，加鍶系復合細化劑拋觀后質量等級達到0級．

表4 爐前光譜成分表

2.2 對熔體流動性的影響

用取樣小勺在熔煉爐中取一小勺熔體倒入樣杯，然后通過快速甩杯得圖1-添加鍶系復合細化劑，圖2-及不加細化劑的甩杯結果，圖1為添加鍶系復合細化劑的甩杯結果．從圖1可見，添加細化劑的甩杯表面光滑明亮，而沒添加細化劑的甩杯表面粗糙且表面有許多凹凸的小顆粒，可以看出鍶系復合細化劑有利于銅水的流動性．這是由于鍶系復合細化劑中稀土元素鍶熔點高、穩(wěn)定性好，晶格結構和銅一樣均為體心立方，可以均勻分布于熔體中，在晶體生長時鍶會富集在相界面上，阻礙晶體長大，又能形成較大的成分過冷，使晶體分枝形成細的縮頸而易于熔斷，促進晶體的游離和晶核的增加[3]．同時，復合細化劑與銅合金進行包晶反應同樣提供足夠多的初生晶核，進而可以細化晶粒，細化晶粒反過來可以抑制晶粒的長大，細化效果得到加強[4]．

圖1 試樣甩杯結果圖(a)添加鍶系復合細化劑；(b)不加細化劑Fig.1 Cup shake test (a)strontium composite refiner added；(b) no refiner added

2.3 對鑄錠組織性能的影響

2.3.1 晶粒細化作用

添加鍶系復合細化劑和不加細化劑的試樣在生產(chǎn)中使用，效果差異較為明顯，主要體現(xiàn)在宏觀和微觀金相組織．圖2是熔鑄過程不加細化劑和加0.03%的新型稀土鍶系復合細化劑后試樣的低倍金相鑄態(tài)組織．從圖2比較得知：不加細化劑的鑄錠晶粒粗大，主要為粗大的柱狀晶區(qū)，中間為等軸晶區(qū)，而且分布不均；加鍶系復合細化劑的鑄錠晶粒細小且均勻．

圖3為熔鑄過程不加細化劑和加鍶系復合細化劑的100倍金相組織．從圖3對比可得，加入鍶系復合細化劑可以細化晶粒，同時晶粒大小均勻．

2.3.2 加入量對鑄錠組織性能的影響

細化劑的加入量會影響晶粒的細化效果，加入過多不利于晶粒的細化，甚至對鑄錠的其他力學性能產(chǎn)生惡性影響，加入過少起不到細化晶粒的效果，因此在現(xiàn)有的工藝生產(chǎn)條件下進行試驗，研究加入鍶系復合細化劑不同量對鑄錠晶粒大小以及晶粒的分布情況的影響．鍶系復合細化劑加入量分別按每噸銅加入0.01%，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%和0.06%進行添加，圖4為復合細化劑不同加入量的試樣組織金相圖，圖5為晶粒度隨細化劑加入量的變化曲線圖．

圖5 晶粒度隨細化劑加入量變化曲線圖Fig.5 Grain size changed with the amount of refiner added

從圖5可見：當復合細化劑添加量小于0.02%時細化效果差，晶粒度的尺寸在45～50 μm；當添加量超過0.02%時，細化效果開始顯現(xiàn)；當鍶系復合細化劑加入量在0.03%～0.04%時可以獲得最好的細化效果，其晶粒度的尺寸在25～30 μm；隨著復合細化劑的不斷加入，當超過0.04%時晶粒有緩慢長大的趨勢，最后又趨于平緩，細化效果基本消失．

鍶系復合細化劑的加入會給熔體帶入了異質形核中心，有利于晶粒的形成，即形核率增加[5]，晶粒的尺寸也會隨著細化劑的加入量的增加而細化程度加大．但是隨著細化劑加入量增加晶粒細化效果會變差，主要是由于復合細化劑會在晶界處發(fā)生團聚作用，一方面降低晶界遷移的速度的作用效果變差，直接導致晶粒的長大，另一方面不利于異質形核的發(fā)生[6]．

細化劑的加入對于拋光銅錠的質量等級也有直接的影響，圖6為細化劑加入量對鑄錠拋光質量的影響．從圖6可見：拋光雜質點數(shù)量呈現(xiàn)出隨著細化劑的加入量增加先減少，然后趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增加細化劑用量，雜質點數(shù)量有上升的趨勢；添加量為0.03%～0.04%時為最佳，產(chǎn)品拋光質量可以達到0級．

圖6 細化劑加入量對鑄錠拋光質量的影響Fig.6 Effect of refiner addition on polishing quality of ingot

3 結 論

(1)新型鍶系復合細化劑加入量在0.03%～0.04%時可以細化晶粒達到50%以上，大幅度減少枝晶的數(shù)量，鑄錠的拋光雜質點少于1個，達到0級產(chǎn)品的要求，熔體的流動性好．

(2)晶粒的細化直接影響到熔體的流動性、金相組織及工件表面的光潔性，要生產(chǎn)高端衛(wèi)浴產(chǎn)品，選擇合適的細化劑顯得尤為重要．自制的新型稀土鍶復合細化劑可以很好的滿足要求，生產(chǎn)的鑄錠經(jīng)拋光后無夾雜、氣孔、硬質點，晶粒細小均勻，產(chǎn)品無開裂、凹陷、缺塊、補縮不到位等質量問題．