H62黃銅板坯熱軋后打卷開裂及其預防措施

鄭冰芳,趙惠芬

(寧波金田銅業(集團)股份有限公司,浙江 寧波 315034)

0 前 言

黃銅性能好而成本低,是國民經濟各個領域應用最廣泛的銅合金品種之一.H62黃銅板坯廣泛應用于輕工及裝飾等行業,具有廣闊的市場前景[1].但是,H62黃銅板坯熱軋后打卷過程中常出現開裂現象,大大降低了成材率.本文根據現場觀察及取樣分析,論述了H62黃銅板坯熱軋后打卷開裂現象、原因以及相應的控制與預防措施.

1 裂紋形貌

圖1(見下頁)為H62黃銅帶材打卷開裂的形貌.從圖1中可以看出,裂紋沿邊部開裂,開裂長度為30～80 mm,且均為一邊開裂,裂紋平直.這種裂紋的出現,不僅嚴重影響帶材邊部質量,增加切邊量,降低成材率,而且嚴重時會導致裂紋加深、加長,甚至造成產品報廢.

圖1 H62黃銅坯料打卷開裂形貌

2 開裂原因分析

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

2.1 化學成分

正常樣品與開裂樣品的化學成分見表1.從表1中可以發現,樣品中Cu的質量分數差別很小,兩個開裂樣品中Zn的質量分數略低于正常樣品.開裂樣品1中Pb的質量分數明顯高于其他正常樣品.因此，材料的脆性增大.

表2為正常樣品與開裂樣品雜質成分的比較.從中可以發現,開裂樣品的雜質總量明顯高于正常樣品.這表明,嚴格控制原料的雜質成分,尤其是Pb,可以避免或者減少H62黃銅打卷開裂現象的發生.

表1 正常樣品與開裂樣品化學成分的比較Tab.1 The comparison of chemical component between the normal sample and the cracking sample (質量分數/%)

表2 正常樣品與開裂樣品雜質總量的比較Tab.2 The comparison of the total content of impurities between the normal sample and the cracking sample (質量分數/%)

2.2 裂紋形貌觀察與微區成分分析

為了深入分析開裂原因,在發生開裂的H62黃銅板坯上截取了兩組樣品,沿水平方向將開裂樣品鋸開,如圖2(見下頁)所示.顯然,斷口沿接近于45°開裂.

圖3(見下頁)為H62黃銅兩組斷口的表面形貌.樣品的表面形貌相似,沒有觀察到明顯的韌窩,為典型的沿晶脆性斷裂.同時,從斷口處可以看到一定數量的小顆粒,為進一步分析小顆粒成分,進行了能譜分析.

圖4(見下頁)為兩個樣品斷口表面放大的照片.能譜測試結果分析見表3和表4(見下頁).從表3的能譜分析結果中可知,顆粒A為富含Na、S等元素的物質.從表4的分析結果中可知,B顆粒為富Pb物質.同時，從圖4中可以看到許多類似B點的圓球顆粒,這些顆粒也為富Pb物質.在打卷過程中,位錯在Pb和S的富集區塞積,產生應力集中,導致板坯開裂.

圖2 開裂樣品形貌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Fig.4 The macrophotograph of fracture surface

表3 A點能譜分析Tab.3 The energy spectrum on poingt A

表4 B點能譜分析Tab.4 The energy spectrum on poingt B

2.3 硬度測試與顯微組織分析

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

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

表5 開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黃銅力學性能與溫度的關系

圖6(見下頁)為H62黃銅力學性能與溫度的關系圖.可以看出,H62黃銅在300～400 ℃時延伸率較低、斷面收縮率最低,且從室溫到300 ℃的區間內延伸率和斷面收縮率急劇降低,說明在此溫度區間內H62黃銅的脆性逐漸增加.測得正常終軋后板帶的溫度范圍為530～560 ℃,經過水冷后(即卷帶前)的溫度范圍為50～70 ℃.而隨著軋制過程的進行,冷卻水的溫度有所上升(冷卻水一直在冷卻池中,沒有進行其他處理),降低了冷卻效果.

圖5 開裂樣品與正常樣品顯微組織的比較

圖6 H62黃銅力學性能與溫度的關系[2]Fig.6 The relationship between mechanical property and temperature of H62 brss

此時,如果H62黃銅板帶軋制后沒有得到充分冷卻,板帶溫度高于100 ℃,甚至更高,材料脆性增加,在卷帶過程中受到較大的彎曲力,導致含有富Pb物質的區域發生斷裂.

3 改進措施

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

3.1 控制合金成分

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

3.2 優化半連鑄工藝

在熔煉過程中,勤攪拌熔體,使Pb等物質分布更為均勻,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鍵的.水冷過程中,要先緩冷,使β相有所長大且呈網狀分布,然后快速冷卻,將板坯的溫度冷卻到遠遠低于300～400 ℃的中溫脆性區.

4 結 論

(1) 開裂樣品的雜質總量高于正常樣品,尤其是Pb,開裂處富含Pb、Na、S雜質元素,打卷時由于位錯塞積使這些元素富集處產生應力集中,導致板坯開裂.

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

(3) 有針對性地控制合金成分、優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,有效避免打卷開裂現象的產生.

參考文獻:

[1] 姚若浩.銅合金加工開裂現象評述[J].銅加工,2002(2):1-2.

[2] 王祝堂,田榮璋.銅合金及其加工手冊[K].長沙:中南大學出版社,2002.