劉 娜,郭麗麗,張縣委

1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 機械工程學(xué)院,濟南 250353；2.中色奧博特銅鋁業(yè)有限公司,聊城 252699

Cu-Ni-Sn系合金是一種高強度、高彈性的銅合金[1-3],同時還具有優(yōu)良的耐磨性能、耐蝕性能[4]、抗熱應(yīng)力松弛能力[5-6]、熱處理過程中變形小[7-9]、導(dǎo)電穩(wěn)定性高[10-13]、無毒環(huán)保等優(yōu)點。在電子電器和通訊工程等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[14-15],特別是近年來人們環(huán)境保護意識的覺醒和電子通訊行業(yè)的迅猛發(fā)展,對銅鎳錫合金這類無毒環(huán)保的高性能彈性銅合金的產(chǎn)能需求和質(zhì)量要求都日益加大[16-18]。目前我國銅鎳錫合金還處于研制階段高性能銅鎳錫合金主要依賴進口。

水平連鑄技術(shù)成本低、流程短,非常適合用于銅合金板材的生產(chǎn)制備。由于銅鎳錫合金中錫元素極易反偏析,影響連鑄板坯的均勻性和表面質(zhì)量,因此需要優(yōu)化銅鎳錫合金的水平連鑄工藝參數(shù),以期獲得成分均勻、具有良好表面質(zhì)量的銅鎳錫合金連鑄板材。

本文以Cu-15Ni-8Sn合金為對象,研究了保溫爐內(nèi)保溫溫度、拉鑄過程的拉坯速度和鑄型內(nèi)冷卻水流量等工藝參數(shù)對水平連鑄銅鎳錫合金凝固的固-液界面位置、形狀和連鑄板材表面質(zhì)量的影響規(guī)律,優(yōu)化了工藝參數(shù),獲得了具有良好表面質(zhì)量的連鑄板材。

1 實 驗

實驗合金成分為Cu-15Ni-8Sn,采用水平連鑄工藝制備寬度450 mm、厚度15 mm的Cu-15Ni-8Sn合金板材。熔煉過程如下:將稱量好的電解純Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.95%、電解純Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.9%熔化,木炭覆蓋,依次加入純錳、純錫和純鋅,升溫至1 380 ℃后攪拌熔化,扒渣木炭覆蓋,靜置轉(zhuǎn)爐,再次扒渣木炭覆蓋,當(dāng)保溫爐中熔體溫度達到目標(biāo)溫度并保溫一段時間后,開啟牽引機構(gòu)和冷卻水機構(gòu),以預(yù)定的拉坯速度開始進行水平連鑄實驗,并根據(jù)實驗要求改變冷卻水流量。銅鎳錫合金熔煉后進行取樣,其化學(xué)成分果如表1所示。

表1 銅鎳錫合金的化學(xué)成分

選取水平連鑄過程的保溫爐內(nèi)保溫溫度、拉鑄過程的拉坯速度和鑄型內(nèi)冷卻水流量作為可變參數(shù)來控制合金固-液界面位置、形狀進而影響合金的表面質(zhì)量。具體取值如表2所示。

表2 水平連鑄實驗參數(shù)

采用Procast軟件研究工藝參數(shù)對合金板材固-液界面形狀與位置的影響。連鑄板材的表面形貌通過數(shù)碼相機拍攝,板材的表面粗糙度通TIME TR200 型表面輪廓儀進行測量。

2 影響表面質(zhì)量的因素

2.1 保溫爐內(nèi)的保溫溫度

改變保溫爐內(nèi)的保溫溫度并維持拉坯速度等于80 mm/min和冷卻水流量為400 L/h不變,對Cu-15Ni-8Sn合金進行水平連鑄,獲得的板材表面的數(shù)碼相片如圖1所示,獲得的表面粗糙度值如表3所示。可見隨著保溫爐內(nèi)保溫溫度的增加,合金的表面質(zhì)量和粗糙度均先提高,后逐漸降低。當(dāng)保溫溫度較低為1 200 ℃和1 250 ℃ 時,合金表面質(zhì)量較好,結(jié)晶線平直,拉鑄紋較少較淺,表面粗糙度分別為3.5 μm和2.8 μm；當(dāng)溫度達到1 300 ℃時,合金表面粗糙度增大到7.7 μm,拉鑄紋增多加深,結(jié)晶線加深且略為彎曲；當(dāng)溫度為1 350 ℃時,合金表面出現(xiàn)周期性裂紋,粗糙度達到21.2 μm,結(jié)晶線更加彎曲。

(a)1 200 ℃；(b)1 250 ℃；(c)1 300 ℃；(d)1 350 ℃圖1 不同保溫溫度下合金水平連鑄板材的表面形貌

表3 不同保溫溫度下合金連鑄板材的表面粗糙度

2.2 拉鑄過程的拉坯速度

改變拉鑄過程的拉坯速度并維持保溫溫度為1 250 ℃和冷卻水流量為400 L/h不變,對Cu-15Ni-8Sn合金進行水平連鑄,獲得的板材表面的數(shù)碼相片如圖2所示,獲得的表面粗糙度值如表4所示。

(a)60 mm/min；(b)80 mm/min；(c)100 mm/min；(d)120 mm/min圖2 不同拉坯速度下水平連鑄合金板材的表面形貌

表4 不同拉坯速度下合金連鑄板材的表面粗糙度

可見隨著拉坯速度的增加,合金的表面質(zhì)量和粗糙度均逐漸降低。當(dāng)拉坯速度為60和80 mm/min時,合金表面粗糙度分別為3.0和2.8 μm,結(jié)晶線平直,拉鑄紋較少；隨著拉坯速度的不斷提高(100、120 mm/min),合金結(jié)晶線越來越彎曲,甚至出現(xiàn)補縮不足和裂紋,表面粗糙度增大到10.8和18.6 μm。

2.3 鑄型內(nèi)冷卻水流量

改變鑄型內(nèi)冷卻水流量并維持保溫溫度為1 250 ℃和拉坯速度80 mm/min不變,對Cu-15Ni-8Sn合金進行水平連鑄,獲得的板材表面的數(shù)碼相片如圖3所示,獲得的表面粗糙度值如表5所示。

(a)100 L/h；(b)400 L/h；(c)700 L/h圖3 不同冷卻水流量下水平連鑄合金板材表面形貌

表5 不同冷卻水流量條件下合金連鑄板材的表面粗糙度

可見隨著鑄型內(nèi)冷卻水流量的增大,合金的表面質(zhì)量和粗糙度均逐漸提高。當(dāng)冷卻水流量為100 L/h時,合金表面粗糙度為8.5 μm,表面粗糙,拉鑄紋很深；當(dāng)冷卻水流量的增大到400和700 L/h時,板材表面質(zhì)量明顯提高,結(jié)晶線平直,拉鑄紋很淺,表面粗糙度降至2.8和3.7 μm。

綜上,為了獲得良好的表面質(zhì)量,Cu-15Ni-8Sn合金水平連鑄的工藝參數(shù)應(yīng)保持在保溫溫度1 200～1 250 ℃、拉坯速度60～80 mm/min和冷卻水流量400～700 L/h的范圍。

3 影響固-液界面位置和形狀的因素

在水平連鑄過程中,由于固-液界面位置和形狀既會影響板材與石墨鑄型的接觸狀態(tài),又會影響凝固時的熱傳導(dǎo)行為,進而影響對板材表面質(zhì)量[19]。同時由于固-液界面位置和形狀處于熔體內(nèi)部很難通過實驗方法測得,因此本文通過ProCAST軟件,模擬仿真了不同工藝參數(shù)條件下固-液界面位置和形狀的變化規(guī)律。

3.1 保溫爐內(nèi)的保溫溫度

在拉坯速度為80 mm/min,冷卻水流量為400 L/h的條件下,模擬不同的保溫溫度下板材固-液界面的位置和形狀,結(jié)果如圖4所示。

(a)1 200 ℃；(b)1 250 ℃；(c)1 300 ℃；(d)1 350 ℃圖4 不同保溫溫度條件下的模擬結(jié)果

由圖4可知,隨著保溫溫度升高,固-液界面位置逐漸向石墨板熔體出口端移動。當(dāng)保溫溫度為1 200℃時,固-液界面位置位于石墨板熔體入口處,固-液界面形狀平直,兩相區(qū)寬度很窄,易造成凝固完成過早,劃傷石墨鑄型；提高保溫溫度至1 250 ℃,固-液界面位置位于靠近石墨板熔體入口區(qū)域,固-液界面形狀仍較為平直,兩相區(qū)寬度略為增大；繼續(xù)增加保溫溫度至1 300 ℃,固-液界面的位置進入石墨板中間區(qū)域,界面形狀非常彎曲,兩相區(qū)寬度很寬；當(dāng)保溫溫度為1 350 ℃時,固-液界面位置位于靠近石墨板熔體出口處,界面形狀進一步彎曲,兩相區(qū)寬度持續(xù)增大?？紤]到保溫溫度對固-液界面位置和形狀的影響,合理的保溫爐內(nèi)熔體的保溫溫度為1 250 ℃。

3.2 拉鑄過程的拉坯速度

在合金保溫溫度1 250 ℃,冷卻水流量為400 L/h的條件下,模擬不同拉坯速度條件下板材固-液界面的位置和形狀,結(jié)果如圖5所示。

(a)60 mm/min；(b)80 mm/min；(c)100 mm/min；(d)120 mm/min圖5 不同拉坯速度條件下的模擬結(jié)果

由圖5可知,當(dāng)拉坯速度為60 mm/min時,固-液界面位置處于石墨板熔體入口處,固-液界面形狀非常平直,兩相區(qū)寬帶非常狹窄,易造成凝固完成過早,劃傷石墨鑄型；當(dāng)拉坯速度為80 mm/min時,固-液界面位置靠近石墨板熔體入口處,固-液界面形狀較為平直,兩相區(qū)寬度較窄；繼續(xù)增大拉坯速度至100 mm/min時,固-液界面向石墨板熔體出口處移動位于石墨板中部區(qū)域,固-液界面形狀變彎曲,兩相區(qū)寬度增大；當(dāng)拉坯速度為120 mm/min時,固-液界面位置接近石墨板熔體出口位置,固-液界面形狀彎曲程度和兩相區(qū)寬度均增大。由以上分析可知,合理的拉坯速度在80 mm/min附近。

3.3 鑄型內(nèi)冷卻水流量

在合金保溫溫度為1 250 ℃和拉坯速度為80 mm/min的條件下,模擬不同冷卻水流量條件下板材固-液界面的位置和形狀,結(jié)果如圖6所示。

(a)100 L/h；(b)400 L/h；(c)700 L/h圖6 不同冷卻水流量條件下的模擬結(jié)果

當(dāng)冷卻水流量為100 L/h時,固-液界面處于石墨板中間區(qū)域,界面形狀非常彎曲,兩相區(qū)寬度很大；加大冷卻水流量至400 L/h時,固-液界面靠近石墨板熔體入口區(qū)域,固-液界面形狀較為平直,兩相區(qū)寬度明顯減小；繼續(xù)增加水流量至700 L/h時,固-液界面位置繼續(xù)向石墨板入口方向靠近,固-液界面形狀較為平直,兩相區(qū)寬度變窄。由以上分析可知,合理的冷卻水流量為400～700 L/h。

根據(jù)上述Cu-15Ni-8Sn合金板材水平連鑄過程溫度場模擬的實驗結(jié)果,可以初步確定合理的制備工藝參數(shù)范圍為:保溫溫度1 250 ℃,冷卻水流量為400～700 L/h,拉坯速度為80 mm/min。

4 固-液界面位置對合金連鑄板材表面質(zhì)量的影響

為了進一步將固-液界面位置、形狀和表面質(zhì)量之間建立起關(guān)系,根據(jù)圖4～圖6中固-液界面位置的變化情況,將其分為4大類:①石墨板熔體入口處、②距離石墨板熔體入口1/4處、③石墨板1/2處和④石墨板出口處,如圖7所示。

圖7 固-液界面位置分類示意圖

固-液界面位置通過對鑄坯與石墨鑄型接觸狀態(tài)和初生凝殼的長度、厚度的影響,進而對連鑄合金表面質(zhì)量產(chǎn)生作用[20]。

當(dāng)固-液界面位置處于圖7中①位置石墨板熔體入口處時,對應(yīng)的工藝參數(shù)由圖4(a)和圖5(a)可知是保溫溫度1 200 ℃和拉坯速度60 mm/min,此時固-液兩相區(qū)寬度很窄,熔體的冷卻強度大,結(jié)晶時間短,凝殼長度短且厚,不易形成裂紋等缺陷,如圖1(a)、圖2(a)所示。

當(dāng)固-液界面處于圖7中②位置石墨板熔體入口1/4處時,對應(yīng)的工藝參數(shù)由圖4(b)、圖5(b)和圖6(c)、6(c)可知是保溫溫度1 250 ℃、拉坯速度80 mm/min、冷卻水流量400～700 L/h,此時固-液兩相區(qū)寬度略有增大,熔體的冷卻強度略有降低,雖然凝殼長度有所增加,但由于凝固收縮也隨結(jié)晶時間的延長而增大,板材和石墨板內(nèi)表面的摩擦反而減小,不易在板材表面形成拉鑄紋,如圖1(b)、圖2(b)、圖3(b)和圖3(c)所示。

當(dāng)固-液界面位置處于圖7中③位置石墨板1/2處時,對應(yīng)的工藝參數(shù)由圖4(c)、圖5(c)和圖6(a)可知是保溫溫度1 300 ℃、拉坯速度100 mm/min、冷卻水流量100 L/h,此時熔體的冷卻強度進一步降低,固-液兩相區(qū)寬度明顯增大,界面形狀明顯彎曲,隨著凝固時間的延長凝殼長度繼續(xù)增加厚度繼續(xù)減薄,晶粒主要在石墨鑄型內(nèi)壁形核,加大了凝殼與內(nèi)壁的摩擦力,使拉鑄紋較深,板材表面較粗糙,如圖1(c)、圖2(c)和圖3(a)所示。

當(dāng)固-液界面位置處于圖7中④位置石墨板出口處時,對應(yīng)的工藝參數(shù)由圖4(d)和圖5(d)可知是保溫溫度1 350 ℃、拉坯速度120 mm/min,此時由于冷卻強度很低,結(jié)晶時間很長,界面形狀十分彎曲,凝殼的長度很長而厚度很薄,極易被拉裂,同時固-液兩相區(qū)寬度很大,熔體的流動性很差,板材表面一旦出現(xiàn)裂紋,后續(xù)合金熔體很難及時補充到裂紋區(qū)域,從而極易形成裂紋和補縮不足等缺陷[19],如圖1(d)和圖2(d)所示。

5 結(jié) 論

1)當(dāng)保溫溫度從1 200 ℃提高至1 250 ℃時,拉坯速度由60 mm/min增大至80 mm/min時,冷卻水流量在400～700 L/h時,合金固-液界面位置從石墨板熔體入口向1/4處移動,固-液界面形狀較為平直,固-液兩相區(qū)寬度較小,板材表面質(zhì)量較好。

2)當(dāng)保溫溫度從1 300 ℃提高至1 350 ℃時,拉坯速度由100 mm/min增大至120 mm/min時,冷卻水流量在100 L/h時,合金固-液界面位置從石墨板熔體入口1/2處向出口處移動,固-液界面彎曲程度增大,固-液兩相區(qū)寬度增寬,板材表面質(zhì)量下降,甚至出現(xiàn)裂紋和補縮不足等缺陷。

3)為了使Cu-15Ni-8Sn合金水平連鑄板材獲得良好的表面質(zhì)量,應(yīng)將工藝參數(shù)控制在保溫爐內(nèi)熔體保溫溫度1 250 ℃,拉鑄過程的拉坯速度80 mm/min,鑄型內(nèi)冷卻水流量400～700 L/h。