C17200鈹銅合金鍛造開裂原因分析

岳麗娟，張 勇，焦曉亮，曹虎成

（寧夏中色新材料有限公司，寧夏 石嘴山 753000）

鈹青銅是一種典型的沉淀強化型合金，經冷加工和固溶時效熱處理后，可達到高強高硬的目的，享有有色金屬“彈性之王”的美譽。因鈹銅合金具有高強高彈，優良的耐磨性、抗腐蝕性及彈性滯后小等特點，被廣泛應用于航空航天、儀器儀表、礦山冶金、汽車家電等行業，主要用于制造彈簧彈片、汽車零配件、耐磨軸承、接插件、溫控器以及無火花工具等。

隨著信息技術、通訊設施及電阻焊機零部件、安全工具、金屬模具材料等方面的開發應用，鑄鍛鈹銅合金的需求量增長迅速，特別是近些年興起的海底通訊電纜中繼器外殼用套管、發電機環、非晶帶用急冷軋輥等等，應用領域非常廣闊。限于鈹資源的稀缺和生產工藝的復雜性，只有少數幾個國家能夠生產鈹青銅，由于鈹銅合金在鍛造加工過程中容易開裂，生產成本高、成材率低，導致產品供不應求。

本文針對鈹銅合金鍛造中開裂現象，通過分析材料化學成分，利用掃描電鏡觀察開裂的組織形貌以及能譜分析方法，對鈹銅合金鍛造開裂的原因進行分析，為提高產品質量和改進工藝提供相關依據[1]。

1 試驗方法與結果

1.1 取樣

為了找出鈹青銅合金鑄錠在鍛造過程中開裂的根本原因，本文的相關研究是基于外部條件（熔鑄工藝、鑄錠規格、鍛造工藝等）完全相同的情況下，主要分析材料的內部組織。分別取3組開裂和未開裂的樣品進行化學成分、組織形貌和微區成分分析，確定材料成分、內部組織對鍛造性能的影響。

1.2 化學成分

利用ICP等離子體光電直讀光譜儀對樣品的化學成分進行檢測，結果見表1。

表1 樣品的化學成分（%）

表2 樣品的雜質含量（%）

從表1的結果可以看出，從化學成分上來講，開裂和未開裂處的成分均滿足GB/T5231-2012《加工銅 化學成分和產品形狀》中的要求。可以說，開裂和未開裂的樣品中，作為合金元素主成分的Be、Co沒有明顯差異。雜質元素含量見表2，從表2中可以看出，兩類樣品的雜質含量特別是總量上存在顯著差異，3組開裂樣品的雜質總量要高出未開裂樣品的雜質總量。

在鈹銅合金中，Ca、Ba、Mg等元素是對合金性能有不良影響的有害雜質元素。Ca幾乎不溶于銅，Ba是活潑的堿土金屬元素，作為雜質存在的Ca、Ba在鈹銅合金中以氧化物的形式存在。Mg在鈹銅中會抑制Be元素的固溶度，由于第二相的產生會影響合金的加工性能，隨著有害雜質元素含量的升高其影響就越大。因此，在鈹銅合金冶煉過程中，要嚴格控制Ca、Mg、Ba等雜質元素的含量，各種雜質元素越低越好[2]。

1.3 金相檢驗

采用0lympus Gx5 1金相顯微鏡，分別觀察開裂和未開裂樣品的微觀組織，裂紋的成因進行組織分析，有助于了解形成裂紋的內在原因。金相結果見圖1和圖2。

從金相檢測結果來看，開裂處的樣品中存在夾雜點和粗大β相，而且晶粒大小非常不均勻；而未開裂處的樣品則晶界清晰、晶粒均勻、晶內無夾雜異物。

圖1 開裂處的金相 200X

圖2 未開裂樣品金相 200X

1.4 開裂處形貌及能譜分析

圖3 裂紋宏觀形貌 200X

圖4 裂紋宏觀形貌 1000X

通過對鍛造開裂樣品進行掃描電鏡和能譜分析可知，材料內部存在金屬Co的富集，并且存在Ca、Al、Ba、O、Si、Fe等雜質元素。

圖5 夾雜及顆粒物微區分析(a分布圖；b面總譜圖；c、d、e、f點掃譜圖)

1.5 鑄錠內部組織分析

為了進一步搞清楚鍛造開裂的原因，進一步對原材料——鍛造開裂的鑄錠保留樣進行分析，采用金相、掃描電鏡、能譜分析的方法，分析鑄態組織及冶金缺陷。鑄態金相如圖6、圖7所示。

圖6 鑄態金相100X

圖7 鑄態金相 200X

鑄態樣品在掃描電鏡下觀察，100倍時發現許多小亮點，如圖8所示。

圖8 鑄態SEM組織100X

進一步對亮點區域放大并進行能譜分析可知，亮點為Ca、Ba、O等氧化物夾雜點，如圖9所示。

圖9 鑄態組織中夾雜物分析（a分布圖；b、c點掃譜圖）

對鍛造前鑄錠的樣品進行追蹤分析，發現開裂鑄錠的內部存在片層狀的共晶組織，結果見圖10和圖11。

圖10 鑄錠的共晶組織（a 500X；b 1000X）

圖11 共晶組織能譜分析（a分布圖；b面總譜圖）

共晶組織形成的原因是由于合金自高溫冷卻時，從母相中同時析出緊密相鄰的兩種不同的相構成的組織。

鈹青銅在高溫下具有良好塑性，完全具備順利地進行鍛造加工的要求。但由于合金熔鑄過程中，原材料內部組織和化學成份會存在一定的不均勻性，銅與其中的雜質形成了低熔點共晶物。加熱時，晶界上的低熔點物質發生熔化引起晶界弱化，會嚴重降低材料的塑性；鍛造過程中晶界處的變形較大，而晶界處又往往是冶金缺陷、第二相和非金屬夾雜比較集中的地方。另外，鑄錠中的共晶組織使鈹銅表現出了明顯的熱脆性，在鍛造應力的作用下容易產生熱裂紋。上述多種原因是合金在鍛造過程中裂紋產生和擴展的主要原因。

2 結論

（1）從化學成分上來講，開裂處和未開裂處的宏觀成分并無顯著差異，開裂樣品的雜質含量稍高。

（2）通過金相組織分析，開裂樣的金相組織與正常樣品的金相組織相比，晶粒大小不均較為明顯。

（3）開裂樣品的分析結果顯示，合金中存在金屬Co的富集，且富集區中存在較多的Ca、Al、Ba、O、Si、Fe等雜質元素。

（4）通過掃描電鏡和能譜分析手段對鍛造開裂的鑄錠進行追溯分析，發現鑄態組織中存在Ca、Ba、O等氧化物夾雜點，而且鑄態合金中存在較多的共晶組織。

由于雜質含量偏高，存在氧化物夾雜，導致基體材料的塑性變差，在鍛造應力的作用下，夾雜物將成為材料抵抗變形的薄弱點，極易產生應力集中并形成裂紋源。因此，為了防止鍛造裂紋的產生，熔鑄過程中要嚴格控制冶金質量，降低減少和消除夾雜物，盡可能改善坯料成分、組織的均勻性，避免出現共晶組織。另外鑄錠采用高溫均勻化處理，能夠在一定程度上改善組織不均勻性，提高材料的塑性。