Mn57-2-2-0.5錳黃銅鑄造裂紋成因分析及對(duì)策

姜煥成，王宏偉，李和美，來(lái)盛騫

(黑龍江北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161046)

Mn57-2-2-0.5錳銅合金因具有高強(qiáng)度、高耐磨性，且綜合力學(xué)性能優(yōu)越而成為桑塔納、捷達(dá)等轎車的同步器齒環(huán)材料之一。國(guó)內(nèi)該類合金傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式有水平連鑄、離心連鑄、擠壓及粉末冶金法等，得到的材料成分分布不均，晶粒粗大，強(qiáng)度和耐磨性不高，在β基體內(nèi)也未構(gòu)成以球狀強(qiáng)化相為主的耐磨架構(gòu)[1]。文中以 Mn57-2-2-0.5錳黃銅半連續(xù)直接水冷鑄造工藝為例，介紹了該類復(fù)雜銅合金半連續(xù)鑄造裂紋缺陷的產(chǎn)生原因及其對(duì)策。

1 鑄造工藝設(shè)計(jì)

Mn57-2-2-0.5錳黃銅是在銅-鋅合金中有選擇性地加入錳、硅、鐵等相互間具有強(qiáng)烈化合作用的合金元素而形成的，在基體上形成了均勻、穩(wěn)定分布的高硬相質(zhì)點(diǎn)，使材料具有優(yōu)良的耐磨性能。生產(chǎn)中必須嚴(yán)格按耐磨相的原子比例控制添加合金組元，保證在充分形成耐磨相的前提下，盡量減少其殘留數(shù)量，尤其是一些在基體中有較大固溶度、鋅當(dāng)量大的元素(如硅元素)必須嚴(yán)格控制，避免對(duì)基體組織產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

鑄造過(guò)程中為了得到淺、平的倒V型液穴，減少縮孔、疏松、氣孔等缺陷，保證鑄錠自下而上、由外及里的方向性凝固，因而利用短結(jié)晶器實(shí)施立式半連續(xù)鑄造。Mn57-2-2-0.5錳黃銅材料化學(xué)成分要求見表 1[2]。

表1 Mn57-2-2-0.5合金化學(xué)成分Table1 The Chemical composition of the Mn57-2-2-0.5 alloy %

2 鑄造裂紋缺陷的特征描述

Mn57-2-2-0.5錳黃銅半連續(xù)鑄造裂紋產(chǎn)生情況如圖1所示。產(chǎn)品在澆鑄過(guò)程中形成裂紋，冷卻至室溫后裂紋繼續(xù)延伸、擴(kuò)展。裂紋目視特征為呈直線狀，由鑄錠中部向兩端延伸。縫壁表面粗糙，內(nèi)部可見明顯氧化色。從澆口部位切取的縱剖面上可明顯看到輪廓清晰的“V”型液穴，液穴縱深接近鑄錠底部。低倍觀察到裂紋屬穿晶和沿晶混合斷裂，如圖2所示。

圖1 鑄錠裂紋Fig.1 Casting crack

圖2 低倍下裂紋Fig.2 Crack macrograph

3 裂紋缺陷產(chǎn)生的原因分析

裂紋缺陷有2種:熱裂和冷裂。裂紋斷面氧化嚴(yán)重，沿晶界邊界產(chǎn)生和擴(kuò)展。外形曲折的裂紋稱為熱裂紋;斷面光潔，有金屬光澤，走向規(guī)則的稱為冷裂紋[3]。銅合金在鑄造過(guò)程中最常見的裂紋是熱裂紋。Mn57-2-2-0.5錳黃銅半連續(xù)鑄造產(chǎn)生的裂紋很可能是由熱裂紋擴(kuò)展促使形成的冷裂紋，所以合金熱裂紋是形成缺陷的主要原因。

熱裂紋形成因素主要受合金本性和生產(chǎn)工藝等兩方面影響。

3.1 熱裂的合金因素

Mn57-2-2-0.5錳黃銅中包含的復(fù)雜金屬組元(尤其是硅元素)會(huì)急劇縮小α區(qū)，使合金偏離共晶點(diǎn)，有效結(jié)晶溫度范圍變寬。結(jié)晶溫度范圍寬的合金呈糊狀或海綿狀凝固方式，合金凝固時(shí)晶粒間的液相通過(guò)“滲流”來(lái)填補(bǔ)“收縮裂縫”的能力差，容易產(chǎn)生裂紋。

3.2 熱裂的工藝因素

形成鑄錠裂紋的主要工藝因素是鑄造溫度、冷卻強(qiáng)度和鑄造速度。

鑄造過(guò)程中，當(dāng)鑄錠尺寸和澆注溫度一定時(shí)，凝固過(guò)程主要與冷卻強(qiáng)度有關(guān)。生產(chǎn)中使用短結(jié)晶器直接水冷半連續(xù)鑄造，當(dāng)鑄錠離開結(jié)晶器以后，受到二次水強(qiáng)烈的直接冷卻，凝殼迅速增厚并開始急劇收縮，鑄錠表層產(chǎn)生拉應(yīng)力。隨著從鑄錠表層向鑄錠中心凝固過(guò)程的不斷推進(jìn)，上述熱收縮過(guò)程逐步緩和。最后，鑄錠中心部位的凝固和收縮反而妨礙了表面層，使表層受到壓縮應(yīng)力，與此同時(shí)，中心部位受到拉伸應(yīng)力，直到表面出現(xiàn)最大的壓縮應(yīng)力和中心出現(xiàn)最大的拉應(yīng)力。當(dāng)拉伸應(yīng)力超過(guò)合金高溫塑性極限時(shí)，裂紋隨之形成并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致鑄錠整根劈裂。

冷卻強(qiáng)度與結(jié)晶器及二次冷卻裝置的結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)結(jié)晶器結(jié)構(gòu)一定時(shí)，其冷卻強(qiáng)度的增大是有限的。鑄造速度受制于鑄造過(guò)程的安全性和鑄造裝置。

4 裂紋缺陷的控制措施

4.1 合金成分控制

在化學(xué)成分允許的條件下對(duì)加寬合金結(jié)晶溫度的元素、形成粗大晶粒的元素按標(biāo)準(zhǔn)要求的下限控制，或從工藝上采取措施控制其不良影響。如硅元素以中間合金形式加入，按0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))控制，以便降低熱應(yīng)力，加入稀土等變質(zhì)劑細(xì)化晶粒，凈化晶界，提高合金綜合性能等。

4.2 鑄造工藝優(yōu)化

4.2.1 工藝設(shè)計(jì)

采用紅錠鑄造的工藝方式，降低鑄錠內(nèi)外表面溫度梯度，減少鑄造應(yīng)力，從而消除由熱應(yīng)力產(chǎn)生裂紋的條件，避免了熱裂的發(fā)生。

4.2.2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

半連續(xù)鑄造中廣泛使用的短結(jié)晶器將冷卻水孔直接與結(jié)晶器下緣相通，經(jīng)由結(jié)晶器水室的全部冷卻水都轉(zhuǎn)換成了直接噴射向鑄錠表面的二次冷卻水。這樣雖然強(qiáng)化了二次冷卻效果，有利于晶粒細(xì)化，但并不適合鑄造熱裂傾向較強(qiáng)的合金。當(dāng)鑄錠橫截面溫度梯度較大時(shí)，鑄造應(yīng)力容易集中在鑄錠最后凝固的區(qū)域，并在那里產(chǎn)生裂紋[4]。

紅錠鑄造工藝成功的關(guān)鍵在于合理設(shè)計(jì)結(jié)晶器結(jié)構(gòu)。改進(jìn)后的結(jié)晶器調(diào)整了長(zhǎng)度和內(nèi)部供水結(jié)構(gòu)，將二次冷卻水由直接噴射到鑄錠表面的強(qiáng)烈冷卻方式改成分散的、緩慢的柔性冷卻方式，有效地避免了鑄錠裂紋的發(fā)生。

4.2.3 工藝參數(shù)選擇

1)澆鑄溫度。使用感應(yīng)爐熔煉銅合金時(shí)，可由“噴火”溫度確定澆注溫度，一般“噴火”2～3次即可。實(shí)際上感應(yīng)器電流表指針出現(xiàn)擺動(dòng)時(shí)，表明熔溝熔體已在發(fā)生鋅沸騰現(xiàn)象，即達(dá)到澆注溫度。

2)冷卻水壓。采用一、二次水分開，水量可調(diào)的紅錠鑄造專用結(jié)晶器，初始水壓為0.5～0.1 MPa，正常水壓為0.2 ～0.4 MPa。

3)鑄造速度。為保證鑄造過(guò)程的安全，鑄錠凝殼應(yīng)達(dá)到足夠的厚度。該厚度足以承受液穴內(nèi)液體金屬的靜液壓力作用和熔體的熱沖擊而不產(chǎn)生拉漏。實(shí)際試驗(yàn)中取5～9 m/h。

5 生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證

經(jīng)紅錠鑄造工藝共生產(chǎn)Mn57-2-2-0.5錳黃銅4.3 t，鑄棒表面質(zhì)量良好，無(wú)裂紋，如圖3所示。顯微鏡下觀察到晶界完整，晶粒致密，基體中彌散分布?jí)K狀強(qiáng)化相，如圖4所示。擠壓后成品管材經(jīng)直讀光譜、掃描電鏡和EDS能譜分析證明其各項(xiàng)指標(biāo)均符合YS/T 669—2008標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到預(yù)期效果。

圖3 鑄錠切餅Fig.3 Blanks cut from casting

圖4 內(nèi)部組織(×100)Fig.4 Inner metallographic structure

6 結(jié)語(yǔ)

1)Mn57-2-2-0.5錳黃銅半連續(xù)鑄造工藝中，當(dāng)冷卻水強(qiáng)度過(guò)大時(shí)，在澆注工序易產(chǎn)生熱裂紋，嚴(yán)重時(shí)整根劈裂。

2)合理控制合金成分和添加微量元素(如稀土)是預(yù)防Mn57-2-2-0.5錳黃銅鑄錠裂紋產(chǎn)生的有效工藝手段。

3)利用紅錠鑄造技術(shù)，合理分配二次冷卻強(qiáng)度和澆注速度，能夠解決Mn57-2-2-0.5錳黃銅鑄造裂紋問(wèn)題。

[1]陳洪.特種黃銅同步器齒環(huán)耐磨性能影響因素研究[J].理化檢測(cè) － 物理分冊(cè)，2005，41(12):604 －607.

[2]YS/T 669—2008，同步器齒環(huán)用擠制銅合金管[S].

[3]盧功輝.金屬型重力鑄造鋁合金油底殼裂紋成因分析及對(duì)策[J].鑄造技術(shù)，2006(3):635－637.

[4]鐘衛(wèi)佳.銅加工技術(shù)使用手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2007:424.