產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)大規(guī)格鈹銅合金鑄錠常見缺陷分析及措施

潘建立，劉偉鋒，李永華

(中色(寧夏)東方集團(tuán)有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

鈹銅合金是一種過飽和固溶體銅基合金，經(jīng)淬火、冷加工成形和時(shí)效處理后，具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、高彈性、耐疲勞、耐磨、耐寒以及無磁性和受沖擊時(shí)不產(chǎn)生火花等優(yōu)良特性，被譽(yù)為“有色彈性材料之王”，成為了各行業(yè)電子元器件的首選材料，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防軍工建設(shè)中不可缺少的重要結(jié)構(gòu)和功能材料[1-3]。

按照鈹含量高低可分為低鈹銅合金和高鈹銅合金，鈹含量分別為0.3wt.%～0.6wt.%和1.7wt.%～2.0wt.%，常見的鈹銅合金牌號(hào)見表1。高強(qiáng)度加工鈹青銅主要用于各種彈簧、航空航天導(dǎo)航儀表、電機(jī)彈簧片、無火花工具、接觸電橋、螺栓、螺釘?shù)阮I(lǐng)域；高傳導(dǎo)加工鈹青銅主要應(yīng)用于熔斷器、緊固件、彈簧、開關(guān)部件、電接插件、導(dǎo)線、電阻電焊電極頭、縫焊電極盤、模鑄塞棒頭、塑料模具等[4]。

表1 鈹銅合金牌號(hào)[5]

目前鈹銅合金的熔煉方法主要有兩種,真空熔煉和非真空熔煉。由于真空爐價(jià)格昂貴，占地面積較大，只能生產(chǎn)規(guī)格較小、重量較輕的鑄錠，因此，真空熔煉無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)格鑄錠的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。目前，采用非真空熔煉半連續(xù)鑄造的方式有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)大規(guī)格鈹銅合金鑄錠。

1 產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)大規(guī)格鈹銅合金鑄錠介紹

1.1 生產(chǎn)設(shè)備、鑄錠牌號(hào)及規(guī)格

所用設(shè)備為4.5t無芯爐和5t液壓半連續(xù)鑄造機(jī)，生產(chǎn)的鈹銅合金鑄錠牌號(hào)主要有QBe2.0、QBe1.9、C17200、C17410、C17500、C17510、C17530等。鑄錠規(guī)格主要有430mm×130mm、425mm×210mm、Φ190mm、Φ290mm等，單根鑄錠重量最大能夠達(dá)到4.5t；生產(chǎn)的大規(guī)格鈹銅鑄錠如圖1所示。

圖1 鈹銅鑄錠照片F(xiàn)ig. 1 Photo of beryllium copper ingot

1.2 工藝流程圖

大規(guī)格鈹銅合金鑄錠的生產(chǎn)工藝流程圖如圖2所示。

圖2 大規(guī)格鈹銅合金鑄錠生產(chǎn)工藝流程圖Fig. 2 Production process of large scale cast ingots of high Be Cu alloy

2 成分偏析或不合格原因分析及預(yù)防措施

鈹銅合金是一種多元合金，含有多種元素，其中Be元素密度較低，在鑄造過程中容易產(chǎn)生逆偏析，而Ni和Co為高溫難熔金屬，再加上Be較為活潑，容易氧化，進(jìn)而導(dǎo)致鑄錠容易產(chǎn)生成分偏析，導(dǎo)致鈹銅合金鑄錠的成分和內(nèi)部組織均勻性不好。

2.1 取樣分析檢測(cè)

將鑄錠的頭、尾分別鋸切120mm，用車床將鑄錠表面車光，將車光后鑄錠的頭部、中部和尾部各鋸切10mm厚的切片，試樣上A表示頭部，B表示鑄錠中部，C表示鑄錠尾部。然后在每個(gè)切片上分別取5個(gè)試樣，如圖3所示。采用ARL3460型火花直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，為了保證分析檢測(cè)的準(zhǔn)確性，檢測(cè)前用QBe2的標(biāo)樣進(jìn)行校準(zhǔn)，再對(duì)每個(gè)試樣檢測(cè)5個(gè)點(diǎn)，用5次分析檢測(cè)值的平均值作為最終的檢測(cè)結(jié)果，檢測(cè)結(jié)果見表2，然后對(duì)比鑄錠不同位置的化學(xué)成分分布。

圖3 鑄錠取樣示意圖Fig.3 Schematic diagram of ingot sampling

2.2 結(jié)果分析及預(yù)防措施

2.2.1 成分分布特點(diǎn)

由分析結(jié)果可知，鈹銅合金鑄錠頭部的Be含量略高于鑄錠中部和鑄錠尾部；橫截面上芯部的Be含量最低，在鑄錠中心存在Be元素的反偏析，尤其是在錠尾端Be元素反偏析現(xiàn)象最為突出，可能與熔煉初始階段Be元素的輕微氧化燒損及不穩(wěn)定熔煉等有關(guān)；Ni、Fe、Al、Si等元素在高度和半徑方向含量變化不大。

表2 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.2.2 原因分析

Be元素反偏析的原因分析：①鑄造過程是一個(gè)降溫的過程，同時(shí)沒有攪拌作用，進(jìn)而導(dǎo)致金屬液在中間包內(nèi)儲(chǔ)存時(shí)出現(xiàn)了一定程度的成分不均勻分布；②凝固結(jié)晶過程中，結(jié)晶器內(nèi)金屬液橫截面方向得不到攪拌，進(jìn)而造成Be在凝固結(jié)晶過程中向鑄錠邊部富集。鑄錠Be含量頭高尾低原因分析，鑄錠長(zhǎng)度一般為5.4m～5.8m，所用時(shí)間大約為60min，由于鈹元素較易氧化燒損，在鑄造期間，因高溫狀態(tài)且石墨粉覆蓋不嚴(yán)，造成鈹元素鑄造期間不斷燒損，所以前后成分有波動(dòng)。

2.2.3 預(yù)防措施

避免鑄錠橫截面上Be元素反偏析的措施：①在鑄造過程中采用振動(dòng)鑄造的方法；②在澆鑄過程中合理調(diào)配功率，通過電磁感應(yīng)進(jìn)行電磁攪拌，使得爐內(nèi)的金屬液得到溫度補(bǔ)償和攪拌作用；③在結(jié)晶器外圍加裝電磁攪拌裝置，便于合金元素均勻性擴(kuò)散。

避免化學(xué)成分不合格的措施：①對(duì)母合金和舊料提前進(jìn)行檢驗(yàn)，明確化學(xué)成分；②精準(zhǔn)計(jì)算，準(zhǔn)備配料，對(duì)于活潑的Be元素，全面考慮Be元素在熔化和鑄造過程中的燒損量，在配料時(shí)取標(biāo)準(zhǔn)的上限甚至超出上限進(jìn)行配料；③對(duì)于較難熔的Ni和Co，應(yīng)該提前加入，確保足夠的熔化精煉時(shí)間，從而避免Ni和Co沒有充分均勻化而出現(xiàn)局部含量不夠、局部超出范圍的現(xiàn)象；④嚴(yán)格控制電壓，保持恒溫澆鑄，預(yù)防在澆鑄過程中溫度越來越高，偏差較大；⑤在澆鑄之前把渣撈干凈，并且用石墨粉覆蓋好(50mm～100mm)；⑥在澆鑄過程中在爐頭箱內(nèi)單獨(dú)添加石墨粉再次覆蓋。

3 鑄錠夾渣原因分析及預(yù)防措施

鈹銅極易氧化，容易造渣，夾渣分為表面夾渣和內(nèi)部夾雜，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生夾渣的鑄錠照片分別如圖4和圖5所示。

圖4 表面夾渣鑄錠照片F(xiàn)ig.4 Photo of cast ingot with surface slag

3.1 原因分析

形成夾渣的原因主要有，鑄造溫度過低，熔體流動(dòng)性差；鑄造前扒渣不徹底，造成熔體內(nèi)熔渣過多；鑄造過程中，結(jié)晶器內(nèi)金屬液面忽高忽低、控制不穩(wěn)；鑄造過程中，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)金屬液面上的浮渣不清除或撈渣過于頻繁，撈渣時(shí)撈渣勺進(jìn)入結(jié)晶器金屬液下過深；澆管、結(jié)晶器、引錠頭三者沒有對(duì)中同心；振動(dòng)頻率過大；鈹青銅合金造渣嚴(yán)重，而且渣黏性較大，爐頭箱壁上的渣越積越多，爐體與爐頭箱之間的流口變小，使整體導(dǎo)熱性降低，導(dǎo)致爐內(nèi)金屬與爐頭箱內(nèi)金屬溫差較大。

圖5 內(nèi)部夾渣鑄錠照片F(xiàn)ig.5 Photo of ingot with slag inside

3.2 預(yù)防措施

在生產(chǎn)鈹銅合金鑄錠過程中，要想避免鑄錠夾渣的產(chǎn)生，首先要嚴(yán)格控制鑄造溫度在1170℃～1180℃；在澆鑄前對(duì)爐內(nèi)徹底撈渣；在鑄造過程中控制結(jié)晶器內(nèi)金屬液面距結(jié)晶器上口10mm～15mm；在結(jié)晶器內(nèi)撈渣2次～4次，且撈渣勺不得超過液面下5mm；調(diào)整澆管、結(jié)晶器、引錠頭的位置，使三者對(duì)中同心；控制振動(dòng)頻率在5次/min～30次/min；清理爐頭箱壁上的積渣，使?fàn)t體與爐頭箱之間的流口變大，適當(dāng)提高爐體內(nèi)金屬液溫度。

4 鑄錠開裂原因分析及預(yù)防措施

低鈹銅合金鑄錠容易產(chǎn)生內(nèi)部開裂的現(xiàn)象如圖6所示。

4.1 原因分析

裂紋主要是由于鑄錠內(nèi)部的鑄造應(yīng)力導(dǎo)致。低鈹銅合金導(dǎo)熱率僅為紫銅的一半，導(dǎo)熱性較差，澆鑄過程鑄錠內(nèi)外溫差比紫銅大，容易產(chǎn)生熱裂現(xiàn)象。造成熱裂現(xiàn)象的主要原因?yàn)?，鑄造速度過快、溫度過高，冷卻不均勻。

4.2 預(yù)防措施

為了避免鈹銅合金鑄錠在鑄造過程中開裂，首先應(yīng)該根據(jù)不同的鈹銅合金牌號(hào)選擇對(duì)應(yīng)的結(jié)晶器，選擇合適的鑄造溫度和速度，同時(shí)定期檢查結(jié)晶器，保證結(jié)晶器冷卻均勻。

圖6 內(nèi)部開裂鑄錠照片F(xiàn)ig.6 Photographs of cracked ingots inside

5 氣孔或疏松原因分析及預(yù)防措施

鈹銅合金在熔鑄過程中非常容易產(chǎn)生氣孔或組織疏松。大的氣孔通過肉眼觀察可以識(shí)別，如圖7所示。而小的疏松肉眼無法識(shí)別，往往表現(xiàn)在鑄錠后續(xù)加工過程中的起皮現(xiàn)象。氣孔的形成是因?yàn)橛兴謳氲姐~液中，鑄錠氣孔缺陷的形成機(jī)理為，氫的溶解度隨固液溫度急劇變化，銅合金在凝固時(shí)，氣體的溶解度急劇降低，析出氫氣[6]。氣孔的存在減少了鑄錠的有效體積和密度，經(jīng)加工后雖可被壓縮變形，但難以焊合，造成了起皮。

圖7 氣孔鑄錠照片F(xiàn)ig.7 Photo of ingots porosity

5.1 原因分析

爐料、工具、引錠頭、結(jié)晶器等沒有充分烘烤；鑄造溫度、冷卻強(qiáng)度、澆鑄速度與冷卻水溫四者不匹配；鑄造時(shí)結(jié)晶器內(nèi)液面上沒有用炭黑覆蓋好或所用的炭黑沒有烘烤充分；鑄造溫度過高，熔煉時(shí)間過長(zhǎng)。

5.2 預(yù)防措施

充分烘烤爐料、扒渣勺、引錠頭、結(jié)晶器等；在澆鑄速度不變，鑄造溫度、冷卻水溫偏低的情況下，可適當(dāng)降低冷卻水流量；用烘烤至赤紅狀態(tài)的炭黑進(jìn)行覆蓋結(jié)晶器表面，而且要徹底覆蓋好；待成分合格、溫度達(dá)到后精煉20min立即開始澆鑄。

6 冷隔缺陷分析及預(yù)防措施

鈹銅鑄錠在鑄造過程中還容易產(chǎn)生冷隔現(xiàn)象，分為層疊式和褶皺式，產(chǎn)生冷隔的鑄錠照片如圖8所示。

圖8 鑄錠冷隔照片F(xiàn)ig.8 Photo of ingot cold shuts

6.1 原因分析

產(chǎn)生冷隔的原因有：①在鑄造過程中，鈹銅合金溶液的溫度偏低；②鑄造溫度慢；③結(jié)晶器的液面控制不穩(wěn)或者覆蓋不嚴(yán)密。

6.2 預(yù)防措施

為了避免冷隔的產(chǎn)生，在鑄造過程中確保鈹銅合金溶液的溫度，實(shí)現(xiàn)恒溫鑄造；同時(shí)適當(dāng)減小冷卻水流量，及時(shí)將結(jié)晶器表面覆蓋嚴(yán)密。