劉海濤

(洛陽(yáng)銅加工集團(tuán)有限責(zé)任公司， 河南 洛陽(yáng) 471039)

H65黃銅不僅具有美麗的光澤，良好的力學(xué)性能、工藝性能和耐蝕性，而且價(jià)格便宜，是銅合金中應(yīng)用最廣泛的合金[1]，應(yīng)用于五金、日用品、螺釘?shù)刃袠I(yè)。目前H65黃銅的水平連鑄生產(chǎn)技術(shù)有了較大提高，但鑄坯的晶粒往往較粗大，低速、不重磨刀具的銑削形式又難以消除所有表面缺陷，因而半連續(xù)鑄錠-熱軋供坯工藝更能滿足表面質(zhì)量的要求[2]。但是采用半連續(xù)鑄錠-熱軋供坯工藝生產(chǎn)H65黃銅帶材時(shí)，在熱軋過(guò)程中處于α相與β相的相變區(qū)，帶材邊部容易出現(xiàn)裂紋、起皮等缺陷，增加了切邊量，降低了成品率，影響了產(chǎn)品質(zhì)量。國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)行H65黃銅扁錠熱軋裂紋機(jī)理的研究[3-4]，但熱軋裂紋至今仍時(shí)有發(fā)生，沒(méi)有從根本上解決，給企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)帶來(lái)極大困擾。本文通過(guò)模擬熱軋過(guò)程中H65黃銅微觀組織變化情況以及β相的分布，對(duì)H65黃銅熱軋裂紋的機(jī)理進(jìn)行了研究，分析了熱軋裂邊的影響因素，并結(jié)合生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)提出了解決措施，對(duì)指導(dǎo)H65黃銅的生產(chǎn)具有一定的積極意義。

1 熱軋裂紋機(jī)理研究

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，在實(shí)驗(yàn)室模擬熱軋降溫過(guò)程，在不同溫度下將試樣取出水淬，使試樣快速冷卻，高溫相保留至室溫，通過(guò)金相組織分析確定高溫時(shí)的組織形貌。試樣從H65黃銅熱軋后的帶材上切取，厚度為15mm。將所有試樣加熱到熱軋溫度850℃，保溫1h，使α相、β相處于平衡狀態(tài)，然后按實(shí)驗(yàn)方法取出試樣快速冷卻，β相比例由圖像分析儀自動(dòng)測(cè)出，熱處理設(shè)備為RJX-75型箱式電阻爐。表1為各試樣的固溶溫度。

表1 試樣固溶溫度

實(shí)驗(yàn)方法為,將8個(gè)試樣一起放在箱式電阻爐中加熱到850℃，到溫后保溫1h，取出1#樣水淬；打開(kāi)爐門(mén)，按表1所示溫度降溫，至800℃時(shí)，取出2#樣水淬；至750℃時(shí)，取出3#樣，依次類推，完成其余試樣的處理。降溫速度約為1℃/s，水淬后冷卻至室溫。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

由Cu-Zn二元合金相圖可知，在室溫時(shí)，Zn在Cu基體中的溶解度不到30wt.%，H65黃銅中約5wt.%的Zn以β相的形式存在基體中，因此，在緩慢冷卻條件下，H65黃銅為α+β雙相黃銅。即使在實(shí)際生產(chǎn)中冷卻速度相對(duì)較快，為非平衡結(jié)晶，但仍然會(huì)有部分β相析出。

圖1為H65合金熱軋后的縱截面微觀組織?？梢钥闯觯瑹彳埡髱Р倪叢喀孪啾壤秊?.88%，心部殘留β相比例為3.08%，邊部β相含量略高。這是由于熱軋后轉(zhuǎn)移至水槽中冷卻，冷卻速度較快，所以組織中殘留3%～4%β相，低于平衡狀態(tài)(5%的β相)。另外，β相沿加工方向(圖片中為縱向)拉長(zhǎng)，局部有長(zhǎng)大的跡象。

圖1 熱軋后H65黃銅的微觀組織Fig.1 Microstructure of H65 alloy after hot rolling

圖2為固溶處理后試樣的邊部和心部組織情況，可以看出，β相分布不均，邊部較多，而心部較少，與參考文獻(xiàn)[5]中水平連鑄帶坯β相分布類似。

圖2 固溶處理后H65黃銅邊部、心部的金相組織Fig. 2 Metallographic structure of H65 brass edge and center after solution treatment

從Cu-Zn相圖中可以看出， Zn在Cu基體中的溶解度在903℃為32.5wt.%，降溫到456℃時(shí)逐漸增加到39.0wt.%，到室溫時(shí)又降低到29.0wt.%，即α相隨著溫度的降低逐漸增加，在456℃時(shí)達(dá)到峰值，繼續(xù)降溫，則α相減少，β相增加。當(dāng)溫度大于760℃時(shí)，Zn在Cu基體的溶解度在35wt.%左右，即H65合金處于完全α相。由于熱軋溫度一般在456℃以上，因此，在熱軋降溫過(guò)程中，Zn在Cu基體中的溶解度逐漸增加，即β相逐漸減少。

從1#樣和2#樣邊部金相組織中可以看到，在β相內(nèi)有骨骼狀α相，這是由于H65黃銅在冷卻過(guò)程中，Zn的固溶度增加，β相發(fā)生分解，由于β相顆粒較多，所以在β相中生成α相。隨著溫度的進(jìn)一步降低，β相的比例進(jìn)一步減少。由于試樣采用電阻爐輻射加熱，在加熱過(guò)程中，試樣邊部溫度高于心部，β相比例要高于心部；而在冷卻過(guò)程中，邊部的過(guò)冷度要大于心部，使邊部大量的β相來(lái)不及轉(zhuǎn)變而保留下來(lái)；心部由于冷卻速度相對(duì)較慢，β相分解時(shí)間較充裕，使β相比例降低。

從圖2中還可以看出，H65黃銅邊部β相比例明顯高于心部。邊部β相一般為粗大的長(zhǎng)條狀，β相的寬度約為30μm～50μm，而且隨著溫度的降低，長(zhǎng)條狀β相逐漸減少；而心部β相一般為網(wǎng)狀分布，但比邊部β相更細(xì)小，β相的寬度約為10μm～30μm，隨著溫度的降低，逐漸變成針狀和點(diǎn)狀。

Б. Н. ЕФРЕМОВ等人[6]研究了不同黃銅在高溫下β相比例。銅含量為64.7%的黃銅在高溫下β相的比例由750℃的0%逐漸增加到850℃的30%，而其它合金在750℃的β相比例均在25%以上。經(jīng)過(guò)定性與定量金相分析顯示，相應(yīng)溫度下延伸率降低的銅合金中β相的體積含量不超過(guò)20%。因此，為了提高合金高溫下加工塑性，β相體積分?jǐn)?shù)最小為20%(體積分?jǐn)?shù))或完全消失。

圖3為H65黃銅試樣邊部和心部β相比例隨溫度變化的趨勢(shì)圖。由圖3可知，H65黃銅邊部和心部基本都隨溫度的降低而減少，但相同溫度下邊部β相的比例明顯高于心部，而冷卻到室溫時(shí)，兩者β相比例接近。當(dāng)溫度降低到600℃以下時(shí)，心部與邊部的溫度梯度越來(lái)越小，心部與邊部的差異也越小。由于H65黃銅帶材表面與心部β相比例相差較大，在700℃以上時(shí)，邊部β相比例大于20%，高溫塑性較好，容易變形；而心部β相比例在0%～20%之間，塑性較低，阻礙邊部的變形，造成邊部撕裂。

圖3 β相比例隨溫度的變化趨勢(shì)Fig.3 Change trend of β phase ratio with temperature

另外，由圖3還以看出，當(dāng)邊部溫度由720℃降低到690℃時(shí)，β相劇烈減少。由于α相晶格為面心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為3.608?～3.693?，而β相為體心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為2.942?～2.949?[7]。在向α相轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，必然引起體積的改變。同時(shí)，在軋制過(guò)程中，兩相變形不均勻，滑移位錯(cuò)在兩相界面形成塞積群，造成局部應(yīng)力集中，沿β相晶界開(kāi)裂，形成裂紋源。

由于H65黃銅在高溫下邊部β相比例比心部高，在同等變形條件下，邊部容易產(chǎn)生裂紋。當(dāng)β相比例較高時(shí)，其能呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，有利于連續(xù)變形而不產(chǎn)生微裂紋；反之，當(dāng)β相體積分?jǐn)?shù)為0%～20%時(shí)，心部金屬由于基體對(duì)β相的阻礙，一般只會(huì)形成應(yīng)力集中，不至于開(kāi)裂；如在此溫度區(qū)間進(jìn)行大變形量軋制時(shí)，由于邊部與心部的高溫延伸率相差較大，兩相變形不協(xié)調(diào)，相變應(yīng)力與加工應(yīng)力累加，在帶材邊部沿β相形成裂紋源，逐漸擴(kuò)展成宏觀裂紋。

2 邊部裂紋影響因素分析

2.1 化學(xué)成份的影響

(1)銅含量的影響。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，H65黃銅的Cu含量范圍為63.5%～68.0%，若將其Cu含量控制在67%～68%，可有效避免熱軋裂紋[8]。但由于Cu含量控制在上限，增加了生產(chǎn)成本，所以銅加工企業(yè)一般將Cu含量控制在63.5%～66.0%。表2為H65黃銅帶熱軋裂邊與銅含量的關(guān)系，當(dāng)銅含量為63.5%～66.0%時(shí)，隨著銅含量的增大，H65合金裂邊率有增加的趨勢(shì)。

通過(guò)上文對(duì)熱軋邊部裂紋機(jī)理的分析，將H65黃銅的銅含量控制在下限，有利于提高合金在終軋溫度下β相比例，避免在軋制過(guò)程中兩相的急劇變化。因此，H65黃銅的銅含量控制在63.5%～64.5%，有利于減少熱軋邊部裂紋。

表2 H65黃銅帶熱軋裂邊與銅含量的關(guān)系

(2)雜質(zhì)含量的影響。鉛在黃銅中常以顆粒狀分布在晶界上的易熔共晶中，當(dāng)α相黃銅中的鉛含量大于0.03wt.%時(shí)，使黃銅在熱加工時(shí)呈熱脆性，但對(duì)冷加工性能無(wú)明顯影響。鉍常呈連續(xù)的脆性薄膜分布在黃銅晶界上，既產(chǎn)生熱脆性，又產(chǎn)生冷脆性，對(duì)黃銅的危害比鉛大5～10倍，因此，規(guī)定黃銅中的鉍含量小于0.002wt.%[9]。另外，Б.Н.ЕФРЕМОВ等人[6]研究發(fā)現(xiàn)在黃銅中添加Al、Si和Ce(一般小于2wt.%)，可以使黃銅在650℃～750℃時(shí)的β相比例顯著增加，從而提高合金的塑性，避免合金在低塑性區(qū)變形。

2.2 鑄錠的影響

(1)鑄錠高溫性能的影響。所有黃銅在200℃～700℃的某一溫度范圍內(nèi)均存在一個(gè)脆性區(qū)，因此熱軋應(yīng)在脆性區(qū)的溫度范圍以上進(jìn)行。王延輝等[10]采用Gleeble1500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行圓柱體等溫壓縮實(shí)驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)在應(yīng)變速率較大(0.1s-1、1.0s-1)時(shí)，H65黃銅試樣在低溫(100℃、200℃)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，其斷口沒(méi)有觀察到明顯的韌窩，而出現(xiàn)纖維組織，且壓縮時(shí)沿纖維組織處出現(xiàn)裂縫，從而說(shuō)明H65黃銅在低溫(100℃、200℃)時(shí)存在脆性區(qū)。蘭利亞[4]通過(guò)對(duì)鑄錠的高溫性能研究，發(fā)現(xiàn)H65黃銅在500℃左右存在中溫脆性區(qū)。中溫脆性產(chǎn)生的原因是由于溶質(zhì)和雜質(zhì)元素偏析于晶界帶來(lái)液相脆化或固相脆化，鉛、鉍在此溫度范圍內(nèi)均形成易溶共晶體，分布于晶界，使塑性嚴(yán)重下降。

表3為H65黃銅鑄錠的高溫力學(xué)性能。可以看出，H65黃銅鑄錠在高溫區(qū)不存在脆性區(qū)，熱軋終軋溫度一般在500℃以上。因此，熱軋前加熱溫度選擇料溫850℃～880℃為佳，在此溫度范圍內(nèi)抗拉強(qiáng)度最小，塑性最好。鑄錠加熱溫度選擇上限，有利于合金中由于偏析而富集在晶界和枝晶網(wǎng)絡(luò)上的可溶解的金屬化合物和第二相發(fā)生溶解和擴(kuò)散，使之向晶內(nèi)移動(dòng)，從而使鑄錠的組織得到改善，在熱軋時(shí)不易產(chǎn)生表面裂紋和裂邊。

表3 H65黃銅鑄錠的高溫力學(xué)性能

(2)鑄錠規(guī)格的影響。熱軋采用的鑄錠分為170mm×620mm×2400mm短鑄錠和170mm×620mm×4800mm長(zhǎng)鑄錠兩種規(guī)格，但在生產(chǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，短鑄錠邊部裂紋嚴(yán)重，占熱軋邊部裂紋的90%以上[11]。由于長(zhǎng)鑄錠和短鑄錠的熔鑄工藝相同，只是根據(jù)需要將長(zhǎng)鑄錠中斷為短鑄錠，兩者的熱軋工藝也基本相同，因此，可以排除成份及工藝的差異。熱軋過(guò)程中，兩塊中斷短鑄錠的表面積并不比一塊長(zhǎng)鑄錠增加多少，軋制過(guò)程為輻射散熱，可以認(rèn)為熱軋過(guò)程中短鑄錠和長(zhǎng)鑄錠在冷卻速度上的差別忽略不計(jì)。兩者在軋制中唯一的不同是，由于短鑄錠長(zhǎng)度為長(zhǎng)鑄錠的一半，所以軋制時(shí)間只有長(zhǎng)鑄錠的一半，在同等降溫條件下，短鑄錠的終軋溫度要遠(yuǎn)高于長(zhǎng)鑄錠。而H65黃銅在720℃時(shí)以上溫度時(shí)β相的比例為10%～20%，同時(shí)在690℃～720℃時(shí)β相劇烈減少，長(zhǎng)鑄錠在此溫度段的變形量相對(duì)短鑄錠來(lái)說(shuō)較小，H65黃銅相變引起體積變化產(chǎn)生應(yīng)力，在較大變形量下容易產(chǎn)生應(yīng)力疊加，從而沿著β相開(kāi)裂，形成邊部裂紋。

2.3 加工工藝的影響

通過(guò)對(duì)裂邊和不裂邊批次的軋制力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，熱軋第一道次軋制力超過(guò)2MN的都易產(chǎn)生邊部裂紋。第一道次軋制力大于2MN時(shí)停止出爐，在870℃再加熱10min～15min出爐，第一道次軋制力就會(huì)小于2MN。帶坯再進(jìn)行軋制沒(méi)有出現(xiàn)邊部裂紋及起皮現(xiàn)象，在后序加工過(guò)程中表面良好。由表3可知，鑄錠的高溫塑性為40%～75%。第一道次軋制力超過(guò)2MN，說(shuō)明錠坯β相比例少，高溫塑性差，所以容易引起邊部裂紋。

2.4 微觀組織的影響

圖4為不同溫度H65黃銅的金相組織，采用加熱到指定溫度，保溫1h后水淬，使高溫相來(lái)不及轉(zhuǎn)變而保留下來(lái)。圖4(a)的加熱溫度為880℃，H65黃銅中β相比例為19.16%；圖4(b)的加熱溫度為850℃，H65黃銅中β相比例為14.6%；圖4(c)的加熱溫度為800℃，H65黃銅中β相比例為9.19%；圖4(d)的加熱溫度為780℃，H65黃銅中β相比例為2.97%。當(dāng)加熱溫度降低時(shí)，β相比例急劇減少。根據(jù)Cu-Zn二元合金相圖可知，在平衡狀態(tài)下，H65黃銅完全轉(zhuǎn)變成α相的溫度為760℃左右；在非平衡狀態(tài)下，H65黃銅的完全轉(zhuǎn)變溫度降低到690℃～720℃，即在720℃以上存在相變區(qū)。在相變引起的體積變化與軋制力產(chǎn)生的應(yīng)力聯(lián)合作用下，鑄錠出現(xiàn)裂紋。另外，鑄錠出爐后，由于輥道的緩冷，實(shí)際開(kāi)軋溫度為800℃左右，由于前幾個(gè)道次錠坯為鑄態(tài)組織，加工率相對(duì)較低；當(dāng)鑄錠進(jìn)一步冷卻，道次加工率最高達(dá)到27%以上。

圖4 不同溫度H65黃銅的金相組織Fig.4 Metallographic structure of H65 brass at different temperatures

3 結(jié)論

(1)在高溫條件下，H65黃銅邊部β相比例明顯高于心部，特別是在690℃～720℃溫度區(qū)間，β相比例急劇降低，增加了邊部裂紋的傾向。

(2)H65黃銅高溫β相比例為0%～20%，高溫延伸率較低，同時(shí)帶材邊部和中間位置延伸率不同，極易形成邊部裂紋。

(3)通過(guò)調(diào)整化學(xué)成份來(lái)改變高溫時(shí)β相比例，減少加工過(guò)程中800℃～850℃和690℃～720℃溫度段的變形量，可以減輕邊部裂紋。

(4)由于H65黃銅在軋制過(guò)程中處于兩相不平衡狀態(tài)，通過(guò)調(diào)整銅含量，使銅含量在合金范圍的下限，如63.5wt.%～65.0wt.%；同時(shí)嚴(yán)格控制鉛、鉍等有害雜質(zhì)的含量。

(5)合理制定加熱溫度，調(diào)整熱軋道次壓下量，在690℃以上時(shí)減少道次加工率；降低短鑄錠的軋制速度，增加軋制道次；同時(shí)控制終軋溫度大于中溫脆性區(qū)，即大于500℃。