黄铜是重要的铜合金材料,因其“高性能、低成本”,广泛应用于国民经济的各个领域。黄铜带材具有美丽的光泽,良好的强度、韧性与耐蚀性,越来越广泛地应用于轻工及装饰等行业,市场前景广阔。
世界铜资源是有限的,近年来随着铜需求量的增大,铜价大幅攀升。因此,在竞争越来越激烈的铜加工行业特别是一些中小企业普遍大量使用旧料生产黄铜带材川。然而盲目地大量使用旧料将会对生产和产品质量带来一系列的问题。笔者所在工厂的黄铜带材生产中,带材表面常常出现轧制裂纹甚至开裂,造成产品改制、报废的数量相当惊人,严重影响生产效率,经济损失巨大。本文主要分析造成黄铜带材冷轧开裂的原因,并提出相应的控制与预防措施,对生产具有一定的理论和现实意义。
1.黄铜带材生产工艺
现代黄铜板带材的生产,通常采用水平连铸获取大卷重带坯〔2〕,经均匀化退火、铣面后,以大加工率冷轧开坯,然后再进行中间退火、精轧等工序。此外,为消除内应力和提高板形必须进行低温处理和拉伸弯曲矫直。主要工艺流程为:配料、熔炼*水平连铸、均匀化退火*铣面、冷粗轧*中间退火一留底轧制一留底退火*成品轧制*脱脂、清洗、钝化处理*拉伸弯曲矫直*低温处理*检验*分切。包装。通过合理控制工艺参数,可实现优质黄铜板带材的生产。
2.冷轧开裂原因分析
在轧制过程中,当金属的局部变形量超过其极限变形程度时,原子间的结合力遭受破坏便出现裂纹。按裂纹的扩展方式,可将开裂分为沿晶开裂和穿晶开裂。裂纹的扩展遵循能量消耗最小原理,也就是裂纹的扩展总是沿着原子键合力最薄弱的方向进行。多晶体材料的开裂大多为沿晶断裂,这种断裂是由于某种原因使晶界面弱化而产生的st]。这些原因包括:晶界处析出脆性第二相;高温作用使界面弱化或杂质原子向晶界偏聚;晶界与环境作用弱化,如应力腐蚀等。黄铜带材开裂多属于前两种原因,当存在有害元素或有害相时,造成晶界偏析或反偏析,导致晶界间结合力减弱,因而在应力作用下产生沿晶开裂或断裂〔`]。
2.1金相组织的影响
以6H5黄铜为例,由Cu一Zn相图可知,缓慢冷却条件下H65为单相a黄铜,而在实际生产中冷却速度较快,为非平衡结晶,包晶反应生成的刀相来不及完全转化为a相而留在组织内部〔’〕。刀相在室温下的塑性较a相差,在轧制过程中两相变形不均匀,势必导致滑移位错在两相界面形成塞积群,当位错塞积造成的局部应力集中达到一定程度时,使月相基体破裂形成裂纹源,进而在附加拉应力作用下形成宏观裂纹〔`」。因此尹相的数量和分布对H65黄铜冷轧裂纹
的产生有重要影响。当月相较多时,呈网状连续分布于枝晶间,这种网状结构可承受较大的应力集中,不大容易形成裂纹;当月相很少时,由于刀相之间间隔较大,不易形成应力集中,因而也不会产生裂纹。研究表明v1[,刀相的体积分数大于20%或小于5%时,H65黄铜的高温塑性均比较好。虽然在热轧条件下月相的塑性较a相好,如果相界应力集中,亦会引起开裂。
黄铜的晶粒度对其开裂也有一定的影响,晶粒越大,开裂倾向越大。由黄铜的金相组织分析知:外表层晶粒比内部明显粗大,外表层又直接与介质接触,所以容易引起开裂。研究表明,开裂与冷变形不均匀有关;铁含量偏析也有不利影响。
2.2杂质的影响
几种杂质对黄铜生产中的影响如下〔’〕:
铁:作为杂质存在,对力学性能没有显著影响。铁在黄铜中的溶解度极小,常以富铁相杂质点分布在基体中,具有细化晶粒的作用;
铅、秘:铅在简单黄铜中是有害杂质,以颗粒状分布在晶界易熔共晶上。当。黄铜的含铅量>0.03%时,轧制过程中常出现开裂现象。秘的影响大致与之相同;
锑:随着温度的降低,锑在a黄铜中的溶解度急剧减少,析出脆性化合物CuZbS,呈网状分布,严重损害黄铜的冷加工性能;磷:很少固溶于Cu一zn合金,在a黄铜中磷含量
若超过0.05%一0.06%,就会出现脆性相Cu3P,降低黄铜塑性;
砷:室温时砷在黄铜中的溶解度<0.1%,过量则产生脆性化合物Cu3sA,分布在晶界上,降低黄铜塑性。含0.02%一0.05%As,可防止黄铜脱锌,提高耐蚀性。
2.3生产工艺的影响
般,黄铜带材是边部开裂、中部不裂。原因有二,其一,生产中实际辊型为平辊时,边部金属有向侧面流动的趋势,所以其纵向流动速度低于带材中部金属。由于带材是一个整体,中部与边部的变形相互牵制,因而板材中部金属受压应力作用,而两边部金属受拉应力作用,当边部拉应力超过金属强度极限时就会产生开裂(裂边);其二,轧制过程中由于温度升高导致轧辊产生热凸度,使中部辊缝变小,边部辊缝相对增大,因而中部压下量大、边部压下量小。这将进一步导致中部的金属流动速度高于边部,增大带材边部开裂趋势〔’“〕。另外,水平连铸工艺参数控制不当、道次轧制率过大等因素,都会导致黄铜带轧制过程中产生开裂。
3.冷轧开裂预防措施
3.1原料
①旧料的杂质成分变化很大,所以应把同一批次的旧料均匀混合后再使用,有助于各炉料的杂质成分趋于一致。前提条件是使最终铸锭的Pb含量控制在0.02%以内。bP含量过高,容易产生开裂现象;
②化验购进旧料的bP含量,当bP的含量很大时就要按比例使用,以降低铸锭中bP的含量;
③在分捡旧料的时候应注意工业卫生,防止其它的金属杂质及黄铜旧料混人。
3.2生产工艺
①控制好熔铸工艺条件,适当降低铸造温度,提高冷却强度,改进拉停工艺,以减轻bP、iB等杂质的有害影响;
②降低加工率、增加中间退火,可有效地避免由于相界应力集中引起的开裂。此法简单易行,在实际生产中也已得到验证;
③对于有规律的边部细裂纹,可适当减小轧辊凸度或调整弯辊力以减小边部拉应力,从而避免或改善边部开裂。
3.3金相组织的控制措施
①为有利于不均匀的柱状晶和等轴晶的铸造组织转变为塑性较好适于加工的组织,道次加工率及轧制速度不易过大;
②熔炼时适当添加一些变质剂,以达到去除杂质、除气与细化晶粒的效果。为解决带材裂边,需要减少晶界上的含bP量,愈少愈好。为此,添加少量的稀土,稀土元素在1100℃以上可与Pb生成高熔点化合物CePb3,合金结晶时首先析出而成为非自发晶核。晶核数增多,可细化晶粒、增多晶界,从而减少晶界上的Pb含量。晶界上的CebP3可提高晶界强度,有利于防止晶界开裂。
预防黄铜带材冷轧开裂现象,关键是保证原料质量,控制好生产过程和工艺参数,改善合金组织结构。
4.结语
①影响铜合金挤压模具寿命的因素很多,除模具材料、结构设计、热处理工艺等模具本身的因素外,模具的使用、维护也是重要影响因素;
②对于大吨位铜合金挤压机,特别是反向挤压机,必须高度重视模具的冷却。合理的冷却方式可使挤压模具的工作温度维持在回火软化温度以下,同时又不会使坯料和模具过冷,避免闷车、影响挤压产品质量的现象发生;
③目前比较理想的冷却方式为液氮冷却,通过调节液氮流量和压力可以控制模具的冷却强度,从而最大程度地延长模具的使用寿命。
来源:中国知网 作者：胥锴
