鄭冰芳,趙惠芬

(寧波金田銅業(yè)(集團(tuán))股份有限公司,浙江 寧波 315034)

0 前 言

黃銅性能好而成本低,是國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的銅合金品種之一.H62黃銅板坯廣泛應(yīng)用于輕工及裝飾等行業(yè),具有廣闊的市場(chǎng)前景[1].但是,H62黃銅板坯熱軋后打卷過(guò)程中常出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象,大大降低了成材率.本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察及取樣分析,論述了H62黃銅板坯熱軋后打卷開(kāi)裂現(xiàn)象、原因以及相應(yīng)的控制與預(yù)防措施.

1 裂紋形貌

圖1(見(jiàn)下頁(yè))為H62黃銅帶材打卷開(kāi)裂的形貌.從圖1中可以看出,裂紋沿邊部開(kāi)裂,開(kāi)裂長(zhǎng)度為30～80 mm,且均為一邊開(kāi)裂,裂紋平直.這種裂紋的出現(xiàn),不僅嚴(yán)重影響帶材邊部質(zhì)量,增加切邊量,降低成材率,而且嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致裂紋加深、加長(zhǎng),甚至造成產(chǎn)品報(bào)廢.

圖1 H62黃銅坯料打卷開(kāi)裂形貌

2 開(kāi)裂原因分析

取帶有開(kāi)裂缺陷和未開(kāi)裂的帶材樣品,用光譜儀分析了化學(xué)成分;用掃描電鏡觀察開(kāi)裂樣品的形貌,分析微區(qū)成分;用維氏硬度計(jì)測(cè)試硬度;用金相顯微鏡觀察樣品腐蝕后的顯微組織.

2.1 化學(xué)成分

正常樣品與開(kāi)裂樣品的化學(xué)成分見(jiàn)表1.從表1中可以發(fā)現(xiàn),樣品中Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差別很小,兩個(gè)開(kāi)裂樣品中Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略低于正常樣品.開(kāi)裂樣品1中Pb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于其他正常樣品.因此，材料的脆性增大.

表2為正常樣品與開(kāi)裂樣品雜質(zhì)成分的比較.從中可以發(fā)現(xiàn),開(kāi)裂樣品的雜質(zhì)總量明顯高于正常樣品.這表明,嚴(yán)格控制原料的雜質(zhì)成分,尤其是Pb,可以避免或者減少H62黃銅打卷開(kāi)裂現(xiàn)象的發(fā)生.

表1 正常樣品與開(kāi)裂樣品化學(xué)成分的比較Tab.1 The comparison of chemical component between the normal sample and the cracking sample (質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表2 正常樣品與開(kāi)裂樣品雜質(zhì)總量的比較Tab.2 The comparison of the total content of impurities between the normal sample and the cracking sample (質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

2.2 裂紋形貌觀察與微區(qū)成分分析

為了深入分析開(kāi)裂原因,在發(fā)生開(kāi)裂的H62黃銅板坯上截取了兩組樣品,沿水平方向?qū)㈤_(kāi)裂樣品鋸開(kāi),如圖2(見(jiàn)下頁(yè))所示.顯然,斷口沿接近于45°開(kāi)裂.

圖3(見(jiàn)下頁(yè))為H62黃銅兩組斷口的表面形貌.樣品的表面形貌相似,沒(méi)有觀察到明顯的韌窩,為典型的沿晶脆性斷裂.同時(shí),從斷口處可以看到一定數(shù)量的小顆粒,為進(jìn)一步分析小顆粒成分,進(jìn)行了能譜分析.

圖4(見(jiàn)下頁(yè))為兩個(gè)樣品斷口表面放大的照片.能譜測(cè)試結(jié)果分析見(jiàn)表3和表4(見(jiàn)下頁(yè)).從表3的能譜分析結(jié)果中可知,顆粒A為富含Na、S等元素的物質(zhì).從表4的分析結(jié)果中可知,B顆粒為富Pb物質(zhì).同時(shí)，從圖4中可以看到許多類(lèi)似B點(diǎn)的圓球顆粒,這些顆粒也為富Pb物質(zhì).在打卷過(guò)程中,位錯(cuò)在Pb和S的富集區(qū)塞積,產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致板坯開(kāi)裂.

圖2 開(kāi)裂樣品形貌Fig.2 The profile of cracking samples

圖3 兩組斷裂樣品斷口的表面形貌Fig.3 The profile of fracture surface

圖4 斷口表面放大照片F(xiàn)ig.4 The macrophotograph of fracture surface

表3 A點(diǎn)能譜分析Tab.3 The energy spectrum on poingt A

表4 B點(diǎn)能譜分析Tab.4 The energy spectrum on poingt B

2.3 硬度測(cè)試與顯微組織分析

表5為開(kāi)裂樣品與正常樣品硬度值的比較.從表5中可知,開(kāi)裂樣品比正常樣品的平均硬度值(HV)低13 左右.

開(kāi)裂樣品與正常樣品的顯微組織,如圖5(見(jiàn)下頁(yè))所示.從圖5中可以看出,開(kāi)裂樣品的β相尺寸較小,呈點(diǎn)狀分布于α相基體中;而正常樣品的β相尺寸較大,且呈網(wǎng)狀分布.網(wǎng)狀分布的β相增加了β相承受載荷的能力,且硬度值明顯高于呈點(diǎn)狀分布的β相,強(qiáng)化效果更加明顯.

表5 開(kāi)裂樣品與正常樣品硬度值的比較Tab.5 The comparison of the hardness between the normal sample and the cracking sample

2.4 H62黃銅力學(xué)性能與溫度的關(guān)系

圖6(見(jiàn)下頁(yè))為H62黃銅力學(xué)性能與溫度的關(guān)系圖.可以看出,H62黃銅在300～400 ℃時(shí)延伸率較低、斷面收縮率最低,且從室溫到300 ℃的區(qū)間內(nèi)延伸率和斷面收縮率急劇降低,說(shuō)明在此溫度區(qū)間內(nèi)H62黃銅的脆性逐漸增加.測(cè)得正常終軋后板帶的溫度范圍為530～560 ℃,經(jīng)過(guò)水冷后(即卷帶前)的溫度范圍為50～70 ℃.而隨著軋制過(guò)程的進(jìn)行,冷卻水的溫度有所上升(冷卻水一直在冷卻池中,沒(méi)有進(jìn)行其他處理),降低了冷卻效果.

圖5 開(kāi)裂樣品與正常樣品顯微組織的比較

圖6 H62黃銅力學(xué)性能與溫度的關(guān)系[2]Fig.6 The relationship between mechanical property and temperature of H62 brss

此時(shí),如果H62黃銅板帶軋制后沒(méi)有得到充分冷卻,板帶溫度高于100 ℃,甚至更高,材料脆性增加,在卷帶過(guò)程中受到較大的彎曲力,導(dǎo)致含有富Pb物質(zhì)的區(qū)域發(fā)生斷裂.

3 改進(jìn)措施

由上述分析可知,H62黃銅板帶熱軋后打卷開(kāi)裂的原因主要取決于富S、富Pb物質(zhì)的出現(xiàn),β相的形狀及H62黃銅的中溫脆性區(qū).因此,可從以下幾方面來(lái)消除或改善H62黃銅熱軋后打卷開(kāi)裂的現(xiàn)象.

3.1 控制合金成分

富S、富Pb物質(zhì)增加了H62黃銅的脆性,因此,要嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素含量,尤其是S和Pb.許多銅加工企業(yè)為降低生產(chǎn)成本,往往加入低品位、雜質(zhì)元素含量較高的廢渣銅,要嚴(yán)格控制其加入量.

3.2 優(yōu)化半連鑄工藝

在熔煉過(guò)程中,勤攪拌熔體,使Pb等物質(zhì)分布更為均勻,避免Pb等元素的富集.

3.3 控制冷卻條件

熱軋后水冷是較為關(guān)鍵的.水冷過(guò)程中,要先緩冷,使β相有所長(zhǎng)大且呈網(wǎng)狀分布,然后快速冷卻,將板坯的溫度冷卻到遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于300～400 ℃的中溫脆性區(qū).

4 結(jié) 論

(1) 開(kāi)裂樣品的雜質(zhì)總量高于正常樣品,尤其是Pb,開(kāi)裂處富含Pb、Na、S雜質(zhì)元素,打卷時(shí)由于位錯(cuò)塞積使這些元素富集處產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致板坯開(kāi)裂.

(2) H62黃銅在300～400 ℃區(qū)間存在明顯的脆性區(qū),抗拉強(qiáng)度、延伸率和斷面收縮率出現(xiàn)了急劇降低的趨勢(shì).

(3) 有針對(duì)性地控制合金成分、優(yōu)化半連鑄工藝及打卷前充分冷卻板坯,可改善帶坯的顯微組織,有效避免打卷開(kāi)裂現(xiàn)象的產(chǎn)生.

參考文獻(xiàn):

[1] 姚若浩.銅合金加工開(kāi)裂現(xiàn)象評(píng)述[J].銅加工,2002(2):1-2.

[2] 王祝堂,田榮璋.銅合金及其加工手冊(cè)[K].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社,2002.