C7025銅合金鑄錠生產工藝探討

易志輝

(銅陵金威銅業有限公司,安徽 銅陵 244000)

0 前 言

C7025銅合金是一種Cu-Ni-Si系合金,具有很強的時效強化性能較高的導電性和較高的強度,是一種理想的引線框架材料[1].該合金的生產具有一定難度,尤其是鑄錠的生產比較困難.

鑄錠化學成分和內外質量在很大程度上影響到材料的后序加工和最終的性能,本文重點在合金的成分設計、鑄錠的內部質量及表面質量控制等方面進行了探索.

1 生產工藝

C7025銅合金鑄錠在11 t中頻無芯熔化爐中熔煉,采用立式半連續方式鑄造,鑄錠規格為220 mm×640 mm×8 000 mm.

生產工藝流程為:Cu+舊料(木炭履蓋)→Ni→全部熔化后扒渣→Si→CuMg20→靜置→取樣分析、提溫→鑄造→鋸切.

原料:陰極銅、電解鎳、硅和鎂銅合金,具體原料要求見表1.

表1 試驗材料Tab.1 The experimental materials

采用熒光光譜儀測定其化學成分,表面質量采用目視檢查,內部質量采用低倍和高倍檢查.

2 結果與討論

2.1 C7025銅合金特性

C7025銅合金是Cu-Ni-Si三元系為基的合金,含有0.1%～0.3%質量分數的Mg，Ni和Si形成化合物Ni2Si.Cu-Ni2Si偽二元系相圖見圖1.富銅角為共晶型,在960 ℃共晶溫度下,Ni2Si在銅中的溶解度約為8.5%,室溫時下降到0.5%,可見C7025銅合金是典型的時效強化型合金.

圖1 Cu-Ni2Si偽二元系相圖Fig.1 Cu-Ni2Si pseudo-binary phase diagram

2.2 C7025銅合金的化學成分

在奧林公司黃銅產品標準中,C7025產品的Ni和Si含量范圍較大,Ni的質量分數在2.2%～4.2%之間,Si在0.25%～1.2%之間.國內一些研究機構在研究C7025銅合金時,Ni的質量分數為3.6%,Si的質量分數為1.0%.本試驗在設計C7025銅合金成分時,考慮了兩個方面:一是Ni含量盡可能取下限,降低生產成本;另外考慮了Ni對固溶熱處理有較大的影響,當Ni的質量分數大于2.6%時,固溶溫度需大于850 ℃,這對熱處理設備提出了較高要求,因此,控制Ni的質量分數在2.3%～2.6%之間.

根據金屬導電理論,固溶在銅基體中的原子引起的點陣畸變對電子的散射作用比第二相引起的散射作用強得多,尤其是固溶于合金中的Si元素對電子的散射作用非常大,使銅合金導電率下降很大.為使生產的C7025銅合金帶材具有較高的導電率,希望固溶在合金中的Si能以Ni2Si第二相的形式充分析出.理論上Ni和Si形成Ni2Si析出物,Ni與Si的原子比為2∶1(質量比為4.2∶1),但實際生產過程中,Ni和Si不可能充分析出,要確保Si元素在時效后不過剩.因此,在設計成分時,Ni和Si的質量比最好控制在4.2～5.0之間,此時合金帶材具有較高的硬度和導電率.

按照上述方案進行了鑄錠試驗,并最終生產出厚度為0.11 mm的C7025銅合金成品帶材.對成品帶材取樣分析化學成分，并進行硬度和導電率測試,分析結果為:Ni的質量分數為2.56%,Ni與Si的質量之比為4.3.采用了兩種工藝方案進行試驗,用1#工藝方案生產出的帶材導電率可達到43%IACS,硬度(HV)為243,產品具有較高的硬度和適中的導電性;如果調整熱處理工藝,則2#工藝方案生產的帶材,導電率可達到55%IACS,硬度(HV)為201,導電率和硬度都在較高水平上,帶材的性能見表2.可見,設計的C7025銅合金成分完全滿足性能要求.

表2 C7025銅合金成品帶材檢測結果Tab.2 The test results of finished strip of C7025 copper alloy

2.3 內部質量控制

為了便于后續加工和保證產品質量,半連續鑄造C7025銅合金鑄錠內部不應有氣孔和裂紋等缺陷.

2.3.1 氣孔

氣孔主要是熔煉及鑄造時合金內部含有氣體造成的,Ni、Si的熔點都比較高(Ni,1 453 ℃;Si,1 412 ℃),C7025銅合金熔煉溫度控制在1 260～1 340 ℃之間,熔煉溫度較高,增加了吸氫幾率;另外合金中Ni的質量分數為2.3%～2.6%,隨著Ni的增加,H2的溶解度也呈直線上升,較其他元素的影響更加顯著.因而,C7025銅合金的吸氣性比較強,鑄錠中容易出現氣孔缺陷,見圖2.

試驗過程中,從熔煉保護和鑄造排氣兩方面著手,避免鑄造C7025合金鑄錠時產生氣孔缺陷.

圖2 C7025銅合金鑄錠斷面氣孔Fig.2 The casting cross-section blowhole of C7025 copper alloy

(1) 無芯爐和流槽需完全干燥,新爐生產時,前幾爐生產紫銅鑄錠,待爐壁完全干燥后再轉為生產C7025銅合金鑄錠.

(2) 采用煅燒木炭覆蓋熔體,木炭的覆蓋層厚度控制在150～200 mm,避免熔體與空氣接觸,減少氣體的吸入量.

(3) 所用的原料必須干燥，使用的工具,如攪拌棒、撈渣勺、澆注時所用的引錠座和結晶器都不得沾有水分.

(4) 采取低溫熔煉,熔煉溫度控制在1 220 ℃,待所有添加原料全部熔化后,取樣分析成分合格后迅速提溫到1 320 ℃,準備鑄造.

(5) 結晶器內,熔體表面要用烤紅呈散狀的煙灰覆蓋嚴密,澆注管埋入液面不能太深,便于氣體的排出.

(6) 嚴格控制鑄造速度,如果速度太快,氣體來不及排出.

(7) 選用合適的結晶器,使液穴淺平,利于氣體排出.

通過采取以上措施,可以避免C7025銅合金鑄錠產生氣孔缺陷.

2.3.2 內部裂紋

C7025銅合金凝固溫度區間較大,導熱性較差,在鑄造過程中,當強烈的二次水噴射到紅熱的鑄錠上,使鑄錠斷面上產生了極大的溫度梯度,造成很大的鑄造應力.如果鑄造應力超過了該溫度下的晶界強度,會導致晶界裂紋,如圖3.有時雖然鑄造應力未能對鑄錠造成裂紋,但是在熱軋前的加熱過程中,因晶界強度的下降,鑄造應力與熱應力共同作用,促使內部微小裂紋的產生,造成帶材表面起皮現象,影響成品質量,所以C7025銅合金鑄錠生產時應盡可能減小鑄造應力.

圖3 C7025合金鑄錠裂紋和氣孔缺陷Fig.3 The alloy ingot defects of C7025 copper alloy

2.3.2.1 鑄造制度對內部裂紋的影響

合金凝固時,在鑄錠的橫、縱截面上的溫度分布總是不均勻的,即鑄錠表面溫度低,中心溫度高.避免鑄錠內部裂紋,關鍵在于減小內外溫差.為了保證C7025熔體的流動性,采用了較高的鑄造溫度,通過調整鑄造速度進行工藝試驗,試驗參數列于表4.

表4 C7025銅合金對比試驗工藝參數Tab.4 The contrast test technological parameter of C7025 copper alloy

在較高的鑄造速度下,熔融金屬在結晶器內沒有充分的結晶時間,凝固的外殼拉出結晶器時,鑄錠內部還保持了相當一部分末凝固的和處于半凝固狀態的金屬,外殼立刻受到強烈的二次冷卻,使中心部分的熔體很快地凝固收縮,由于收縮而產生了很大的鑄造應力.當凝固和半凝固的金屬晶界強度承受不了鑄造應力時,便產生內部裂紋.從試驗中可以看出,采用1#鑄造工藝,鑄造速度較低,沒有產生內部裂紋,鑄錠的低倍組織和高倍組織見圖4和圖5(見下頁).邊部有一層并不細致的等軸晶粒,次層的柱狀晶斜生,中心部分為比較細的等軸晶和柱狀晶混合區.高倍基體為α相,殘留有粗大NiSi粒子.提高鑄造速度,用2#鑄造工藝,內部裂紋隨即產生.

圖4 鑄錠的低倍組織Fig.4 The macrostructure of the ingot

圖5 鑄錠的顯微組織Fig.5 The microstructure of the ingot

2.3.2.2 結晶器對內部裂紋的影響

采用傳統的結晶器生產C7025銅合金鑄錠時,強烈的一次水直接作為二次水噴射到鑄錠上作為二次冷卻,會增大鑄造應力,導致鑄錠內部裂紋出現.這可以通過改進結晶器結構,如提高結晶器高度或改善冷卻水分配方式等,降低鑄錠的內外溫差,減小鑄造應力,避免內部裂紋的產生.

(1) 結晶器高度對內部裂紋的影響.增加結晶器高度意味著一次冷卻區域擴大,使得鑄錠的液穴深度處于結晶器范圍內,鑄錠拉出結晶器時內部已經凝固,從而提高了合金強度,減小了鑄造應力,可以生產出合格的鑄錠.國外某銅加工廠采用360 mm高的結晶器生產C7025銅合金鑄錠,鑄造速度為120 mm/min,可以生產出無內部裂紋的鑄錠.而本試驗采用250 mm高的結晶器,當鑄造速度超過70 mm/min時,鑄錠內部便產生了裂紋,其對比見表5.可見結晶器高度對鑄錠內部裂紋影響較大,提高結晶器高度,可以提升鑄造速度,但液穴較深,不利于熔體排氣.

(2) 采用一、二次水分開的結晶器,合理分配冷卻強度,紅錠生產C7025銅合金鑄錠.在鑄造過程中,先確保一次水的流量,使合金從液相到固相時,有足夠的過冷度,使得凝固的外殼達到一定的厚度和強度,然后調整并控制二次水的流量,讓鑄錠保持紅錠狀態,延緩鑄錠冷卻,減少了金屬內部固相線附近的強烈收縮,減小鑄造應力,避免了內部裂紋的產生.

表5 結晶器高度對C7025銅合金鑄錠的影響Tab.5 The effect of the crystallizer height on the C7025 copper alloy ingot

在試驗中,合金的初始結晶溫度為960 ℃,當采用傳統結晶器鑄造C7025銅合金鑄錠時,鑄錠表面溫度可認為與二次水溫相同,內外溫差為900 ℃以上;紅錠生產C7025銅合金鑄錠,表面溫度在750 ℃以上,則溫差在200 ℃左右.在鑄造2.5 h內,采用傳統結晶器鑄造,鑄錠自拉出結晶器后,一直處于強烈二次水的急冷狀態中,鑄錠吊出鑄造井時溫度已經降到室溫;紅錠生產C7025銅合金鑄錠,鑄錠離開二次水霧后,自始至終在空氣中冷卻,鑄造完畢后仍需緩慢冷卻幾個小時,方才放水冷卻到室溫,這個過程是利用鑄造余熱進行消除應力退火,使鑄錠的鑄造應力降到較低的水平.

2.4 表面質量

C7025銅合金中含有易氧化的硅和鎂元素,高溫下熔體容易氧化造渣,導致熔體流動性降低,加上結晶器內液面波動,極易造成鑄錠表面夾渣和由此引起的表面裂紋.

鑄造時,熔融金屬在結晶器內的周邊冷卻凝殼,該凝殼溫度較高,強度較低,如液面上渣體翻入凝殼中,形成表面夾渣,造成了鑄錠表面不光滑,增加了凝殼與結晶器壁的摩擦力.當凝殼的強度不足以抵抗與結晶器壁間的摩擦力時,鑄錠表面出現拉裂.

從生產現場觀察到,當采取較好的熔體保護時,結晶器內熔體表面有少量的渣,前4 m長的鑄錠表面良好,隨著時間的延長,結晶器內的渣量越來越多,到5 m長以后,鑄錠表面出現夾渣和拉裂現象,如圖6.當采取較好的熔體保護,再輔以合適的溶劑保護時,結晶器內熔體表面雖有少量的渣,在鑄造過程中沒有增加,減小了凝殼與結晶器壁的摩擦力,使得鑄造較為順利,鑄錠表面沒有出現大量夾渣和拉裂現象.

圖6 C7025銅合金鑄錠表面夾渣及拉裂Fig.6 The casting surface defects of C7025 copper alloy

避免鑄錠表面夾渣和拉裂,關鍵是從熔煉到鑄造過程中減少熔體氧化造渣,采取了以下措施:

(1) 保證進入結晶器的熔體潔凈,出爐前應徹底撈渣;轉入流槽中的熔體除了良好覆蓋外,還要采用合適的溶劑除渣.

(2) 烤紅的煙灰嚴密覆蓋結晶器內的液面,同時輔以合適的熔劑,并保持液面穩定.

(3) 及時清除結晶器內液面上的浮渣.

3 結 論

(1) C7025銅合金中Ni的質量分數定在2.3%～2.6%之間,Ni和Si的質量分數之比控制在4.2～5.0之間,合金帶材具有較高的硬度和導電率.

(2) 應從熔煉保護和鑄造排氣兩方面采取措施,避免氣孔缺陷.

(3) 減小鑄造應力可以避免內部裂紋產生.一方面是嚴格控制鑄造速度和冷卻強度,另一方面是改進結晶器結構,提高結晶器高度或合理分配冷卻強度.

(4) 鑄造時熔體容易氧化造渣,造成鑄錠表面夾渣及拉裂缺陷,要保證進入結晶器的熔體潔凈,同時輔以合適的熔劑,并保持液面穩定.

參考文獻:

[1] 潘志勇,汪明樸,李周,等.超高強度Cu-Ni-Si合金的研究進展[J].金屬熱處理,2007,32(7):55-59.