銅合金鑄錠典型缺陷產生的原因及解決辦法

袁孚勝，郭峰

（中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌，330031）

銅合金鑄錠典型缺陷產生的原因及解決辦法

袁孚勝，郭峰

（中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌，330031）

總結了銅及其合金鑄錠生產中產生的偏析、氣孔、縮孔與縮松、夾雜、裂紋及冷隔等幾種典型缺陷，并分析了這些缺陷產生的原因，探討了相應的解決方法。

銅合金;鑄錠;缺陷;原因分析;解決辦法

隨著銅在電子信息、通訊及航空等領域的應用越來越廣泛，下游企業(yè)對銅產品的質量要求也越來越高。而在銅及其合金的鑄錠生產過程中，經常出現諸如偏析、氣孔、縮孔與縮松、夾雜、裂紋及冷隔等缺陷，影響鑄錠質量。本文擬針對銅鑄錠生產中的主要缺陷，逐一進行分析，探討其產生原因及解決方法。

1 偏析

偏析是指金屬凝固后，鑄錠中出現的化學成分不均勻的現象，可分為顯微偏析和宏觀偏析。顯微偏析是指在一個晶粒范圍內的偏析，它包括晶內偏析和晶界偏析。宏觀偏析是指在較大區(qū)域內的偏析，亦稱區(qū)域偏析，包括正偏析、反偏析、比重偏析等。銅合金中最典型的反偏析合金為錫磷青銅[1]，嚴重時該合金鑄錠表面出現呈灰白色的大塊狀偏析瘤，俗稱“錫汗”。

1.1 產生原因

偏析的產生原因經分析主要有以下幾點：1)合金凝固特性引起顯微偏析和正偏析;不同液態(tài)相比重不同，冷卻緩慢引起比重偏析。2)在凝固過程中，由于體積收縮形成的較大壓力差和粗大枝晶間孔隙構成的毛細管力聯(lián)合作用以及其它原因，會引起反偏析(錫磷青銅)。3)熔化溫度低、時間短、攪拌不均勻等原因均能引起點狀隨機偏析或區(qū)域偏析。

1.2 解決辦法

解決辦法：1）雜質會引起凝固的晶界處出現晶界偏析，控制雜質含量能有效減少晶界偏析；2）細化晶粒，增加結晶形核，使同時結晶的粒子增加，能有效減少正、反偏析；3）采取均勻化處理(即在一定的溫度下保溫一定時間),會使晶內不同濃度的溶質元素發(fā)生運動，最終達到晶內成分均勻，能有效處理枝晶偏析；4）減小鑄錠與結晶器間的間隙，減少結晶器內表面摩擦阻力，可使冷速下降，擴散充分，如采用短結晶器、熱頂鑄造、電磁鑄造等；5）增大冷卻強度，降低澆溫，加強二次冷卻，使液穴淺平等，可提高冷卻速度，增大過冷度，使形核率增大，結晶快。

2 氣孔

氣孔是指金屬在凝固過程中，氣體未能及時逸出而滯留于熔體內形成氣孔。氣孔一般呈圓形、橢圓形或長條形，單個或成串狀分布，內壁光滑。按氣孔在鑄錠中出現的位置分為內部氣孔、皮下氣孔和表面氣孔[2-3]。

2.1 產生原因

氣孔的產生原因主要有：1）爐襯、工模具、覆蓋劑、原輔材料等潮濕或含氣量高，除氣、精煉不充分，導致產生的氣體形成氣泡后，來不及上浮逸出而形成反應型氣孔；2）鑄造溫度高，速度快，冷卻水壓大或二次冷卻水射角大，形成析出型氣孔；3）熔鑄時保護不良，熔體吸氣或環(huán)境潮濕水氣較大；4）結晶器滲水，潤滑油中含水分或給油量過大等，使其反應生成氫氣和水蒸汽等氣體進入凝固區(qū)，在柱狀晶表面形成氣泡，來不及脫離柱狀晶表面被柱狀晶封住，形成皮下氣孔。

2.2 解決辦法

解決辦法：1）嚴格控制銅液和造型材料成分，特別注意水分含量；2）合理控制銅液澆注溫度和澆注速度；3）澆注時銅液不斷流，液柱短，減少空氣的卷入；4）改進母模設計，氣體不易排出的部位留夠出氣孔。

3 縮孔與縮松

縮孔或縮松是指金屬在凝固過程中，發(fā)生體積收縮，熔體不能及時補充，出現收縮孔洞。容積大而集中的縮孔稱為集中縮孔，細小而分散的縮孔稱為縮松，其中出現在晶界和枝晶間借助于顯微鏡觀察的縮松稱為顯微縮松?？s孔表面多參差不齊，近似鋸齒狀，晶界和枝晶間的縮孔多帶棱角，有些縮孔常為析出的氣體所充填，孔壁較平滑，此時的縮孔也是氣孔，縮孔內往往伴生低熔點物。

3.1 產生原因

縮孔或縮松的產生原因主要有：1）熔煉工藝不合理，澆鑄溫度較低，補縮不良，斷流；2）冷卻強度較大，澆鑄速度快；3）結晶器設計不合理，保溫帽太低、潮濕；4）合金結晶溫度范圍寬，流動性差。

3.2 解決辦法

1）根據合金的體收縮特性、結晶溫度范圍大小及鑄錠結構等，制定正確的鑄錠工藝；2）在保證鑄錠自下而上順序凝固的條件下，盡可能使縮松轉化為鑄錠頭部的縮孔，然后通過人工補縮來消除；3）在錠模鑄錠的情況下，合理設計模壁厚度和錠坯的寬厚比或高徑比，采用上大下小的錠模及加補縮冒口；4)在澆注時適當提高澆溫、降低澆速，澆注完畢隨即進行補縮，可以減小縮孔并使其集中在冒口部分[4]。

4 夾雜

夾雜是指在鑄錠中存在與基體有明顯分界面、性能相差懸殊的金屬或非金屬物。其在金屬基體內有一定的形狀和顏色，常見的有點狀、球狀、不規(guī)則塊狀以及針、片狀或薄膜狀等，經浸蝕后，顏色與基體有較大差異[5]。

4.1 產生原因

夾雜產生的原因主要有：1）熔煉溫度低，時間短，純金屬顆粒較大，攪拌不充分；2）去渣精煉不良，扒渣不凈，潤滑油或涂料過多；3）鑄造溫度低，速度快或熔體翻動劇烈以及鑄造工藝不當或爐料混雜等。

4.2 解決辦法

針對夾雜的產生原因,可通過徹底精煉去渣，適當提高澆溫和降低澆速,確保供流平穩(wěn)均勻，保持工模具干燥等途徑減少夾雜的產生。

5 裂紋

金屬在凝固過程中產生的裂紋稱為熱裂紋。凝固后產生的裂紋稱為冷裂紋。裂紋形態(tài)各異，種類繁多。熱裂紋多沿晶界擴展，曲折而不規(guī)則，常出現分枝，裂紋內可能夾有氧化膜或表面略帶氧化色；冷裂紋常為穿晶裂紋，多呈直線擴展，裂紋較規(guī)則、挺拔平直[6]。

5.1 產生原因

裂紋產生的原因主要有：1）鑄造溫度不合適，速度快，冷卻速度過大或過小，冷卻不均勻；2）連鑄拉停工藝不當；3）合金本身有熱脆性，強度差；4）覆蓋劑或潤滑劑選擇不合理；5）結晶器、坩堝、托座、澆鑄管等設計不良，變形或安裝不當。

5.2 解決辦法

解決辦法：1)合理控制成分，避開臨界共晶量范圍，提高其強度塑性；2）選擇合適的工藝措施，采用低溫澆注、低澆速、低金屬液面水平、均勻供流及冷卻等措施，均有利于防止產生通心裂紋。3）變質處理，加入適量的變質劑，可減少晶界上低熔點共晶量，改善其分布，細化晶粒，分散低熔點物質等，能減輕鑄錠產生裂紋的傾向[7]。

6 冷隔

冷隔是對鑄錠表面出現折皺或層疊狀的缺陷，或者內部出現金屬不連續(xù)現象的統(tǒng)稱。冷隔的鑄錠外表面不平整，層與層之間不連續(xù)，橫斷面分層，中間往往有氧化膜并伴生氣孔等缺陷。冷隔按出現的部位不同分表面冷隔、皮下冷隔和中心冷隔[8]。

6.1 產生原因

冷隔的產生原因主要有：1)澆鑄溫度低，冷卻水壓高，澆速不穩(wěn)定，液面波動大；2)中間斷流，補縮不良；3)結晶器內壁結構設計不合理，選材不當。

6.2 解決辦法

解決辦法：1）減輕金屬液面氧化程度，使金屬液面不形成氧化膜或使氧化膜的表面張力小于金屬液水平流動壓力；2）保持金屬液面具有較高的溫度；3）改進澆注系統(tǒng)，提高澆注溫度和澆注速度。

7 結語

綜上所述，銅及銅合金吸氣、氧化是造成鑄錠缺陷的主要原因，必須從原輔材料的選擇、熔煉前的原料準備、熔煉過程中各工序的把控入手，對整個工藝過程進行嚴格控制，才能有效防止。不同規(guī)格和合金成分的鑄錠，其工藝要求也不一樣，生產過程中產生的缺陷也不一樣，因此在具體生產過程中，需認真分析原由，綜合考慮各項因素，并且結合生產單位的現有條件，采取有效措施加以控制和防止。一般而言，嚴格控制生產工藝過程，同時選擇先進可靠的生產設備和檢測設備是保證生產正常進行的有效途徑。

[1]劉相甫.QSn6.5-0.1水平連鑄帶坯質量的探討[J].銅加工,1992(4): 86-87.

[2]隋艷偉,李邦盛,劉愛輝,等.離心鑄造鋁銅合金縮孔缺陷研究[J].鑄造,2008,57(12):1284-1287.

[3]子澍.銅鑄件針孔形成機理及消除措施[J].鑄造技術,2009,30(11): 1468-1471.

[4]湯偉,周子民,俞世德.無鉛錫青銅鑄件氣縮孔缺陷的防止對策[J].鑄造技術,2006(4):422-424.

[5]鐘衛(wèi)佳.銅加工技術實用手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2007.

[6]馬宏聲,孝云禎.有色金屬熔煉與鑄錠[M].沈陽:東北大學出版社, 1994.

[7]陳在平,肖寧,朱成才.一種新型銅基合金鑄錠的缺陷及預防措施[J].航空制造技術,2009(19):85-86.

[8]蘇義祥,門志慧.純銅熔煉及鑄件缺陷分析和預防措施[J].鑄造, 2005,54(9):919-921.

Reason of Common Defect of Copper Alloy Ingot and Its Solution

YUAN Fu-sheng,GUO Feng
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

This paper summarizes such common defects as segregation,air hole,shrinkage hole and shrinkage porosity,inclusion, crack and cold shut produced during copper and its alloy ingot production,analyzes the caused reason and discusses corresponding solution.

copper alloy;ingot;defect;reason analysis;solution

TG146.1+1

B

1004-4345(2014)03-0027-02

2014-03-31

袁孚勝（1984—），男，工程師，主要從事有色金屬加工設計工作。