新型稀土鍶復(fù)合細(xì)化劑對環(huán)保硅無鉛黃銅組織性能的影響

歐陽好，巢國輝，鄭良玉

寧波金田銅業(yè)(集團(tuán))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(yīng)用范圍逐漸受限，無鉛硅黃銅就應(yīng)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(zhì)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(jī)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(yán)格的成分控制，不能出現(xiàn)雜質(zhì)、氣孔、夾雜，同時晶粒需細(xì)小均勻，熔體的流動性好[2]．

鑄錠晶粒的細(xì)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(dǎo)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(xì)化的研究顯得尤為重要，主要研究了自制鍶系復(fù)合細(xì)化劑對無鉛硅黃銅組織性能的影響，同時對鍶系復(fù)合細(xì)化劑在晶粒細(xì)化機(jī)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(xué)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(xì)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(yīng)電爐熔煉原料，以重力澆鑄的形式進(jìn)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(xì)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(xì)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(jìn)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(jìn)行拋光，拋光所用的設(shè)備為YD-01型砂袋拋光機(jī)，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(jìn)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(zhì)點、夾渣等，由拋光觀察后的結(jié)果再根據(jù)鑄錠斷面拋光質(zhì)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(jìn)行腐蝕，通過德國徠卡DMIRM金相顯微鏡進(jìn)行觀察，分析復(fù)合細(xì)化劑對無鉛含硅黃銅金相組織的細(xì)化作用．

表3 鑄錠斷面拋光質(zhì)量等級

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 對鑄錠成分的影響

按照表1成分精準(zhǔn)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(jìn)行分析，其成分列于表4．由表4可知，加入細(xì)化劑并不會影響體系成分．結(jié)果表明，加鍶系復(fù)合細(xì)化劑拋觀后質(zhì)量等級達(dá)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(fù)合細(xì)化劑，圖2-及不加細(xì)化劑的甩杯結(jié)果，圖1為添加鍶系復(fù)合細(xì)化劑的甩杯結(jié)果．從圖1可見，添加細(xì)化劑的甩杯表面光滑明亮，而沒添加細(xì)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(fù)合細(xì)化劑有利于銅水的流動性．這是由于鍶系復(fù)合細(xì)化劑中稀土元素鍶熔點高、穩(wěn)定性好，晶格結(jié)構(gòu)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(xì)的縮頸而易于熔斷，促進(jìn)晶體的游離和晶核的增加[3]．同時，復(fù)合細(xì)化劑與銅合金進(jìn)行包晶反應(yīng)同樣提供足夠多的初生晶核，進(jìn)而可以細(xì)化晶粒，細(xì)化晶粒反過來可以抑制晶粒的長大，細(xì)化效果得到加強[4]．

圖1 試樣甩杯結(jié)果圖(a)添加鍶系復(fù)合細(xì)化劑；(b)不加細(xì)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(xì)化作用

添加鍶系復(fù)合細(xì)化劑和不加細(xì)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(xì)化劑和加0.03%的新型稀土鍶系復(fù)合細(xì)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(xì)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(fù)合細(xì)化劑的鑄錠晶粒細(xì)小且均勻．

圖3為熔鑄過程不加細(xì)化劑和加鍶系復(fù)合細(xì)化劑的100倍金相組織．從圖3對比可得，加入鍶系復(fù)合細(xì)化劑可以細(xì)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(xì)化劑的加入量會影響晶粒的細(xì)化效果，加入過多不利于晶粒的細(xì)化，甚至對鑄錠的其他力學(xué)性能產(chǎn)生惡性影響，加入過少起不到細(xì)化晶粒的效果，因此在現(xiàn)有的工藝生產(chǎn)條件下進(jìn)行試驗，研究加入鍶系復(fù)合細(xì)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(fù)合細(xì)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(jìn)行添加，圖4為復(fù)合細(xì)化劑不同加入量的試樣組織金相圖，圖5為晶粒度隨細(xì)化劑加入量的變化曲線圖．

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

鍶系復(fù)合細(xì)化劑的加入會給熔體帶入了異質(zhì)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(xì)化劑的加入量的增加而細(xì)化程度加大．但是隨著細(xì)化劑加入量增加晶粒細(xì)化效果會變差，主要是由于復(fù)合細(xì)化劑會在晶界處發(fā)生團(tuán)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(dǎo)致晶粒的長大，另一方面不利于異質(zhì)形核的發(fā)生[6]．

細(xì)化劑的加入對于拋光銅錠的質(zhì)量等級也有直接的影響，圖6為細(xì)化劑加入量對鑄錠拋光質(zhì)量的影響．從圖6可見：拋光雜質(zhì)點數(shù)量呈現(xiàn)出隨著細(xì)化劑的加入量增加先減少，然后趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增加細(xì)化劑用量，雜質(zhì)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(zhì)量可以達(dá)到0級．

圖6 細(xì)化劑加入量對鑄錠拋光質(zhì)量的影響Fig.6 Effect of refiner addition on polishing quality of ingot

3 結(jié) 論

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

(2)晶粒的細(xì)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(xì)化劑顯得尤為重要．自制的新型稀土鍶復(fù)合細(xì)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(zhì)點，晶粒細(xì)小均勻，產(chǎn)品無開裂、凹陷、缺塊、補縮不到位等質(zhì)量問題．