銅合金鍛件常見(jiàn)的缺陷與對(duì)策

1、銅合金鍛件常見(jiàn)的缺陷與對(duì)策(一概述銅的最大特點(diǎn)是具有很高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能,以及良好的耐蝕性。但是,工業(yè)純銅的強(qiáng)度不高(約200MPa,因而限制了它作為結(jié)構(gòu)材料的使用。為了提高銅的強(qiáng)度,并賦予特殊的性能,在銅中加人適量的合金元素,從而獲得銅合金。銅合金具有較高的強(qiáng)度、韌性、耐磨性以及良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能,特別是在空氣中耐腐蝕。因此,在電力、儀表、船舶等工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。一些要求強(qiáng)度高、耐熱、耐壓又耐蝕的軸類(lèi)、凸緣類(lèi)和閥體類(lèi)零件都用鋼合金鍛件來(lái)制造。銅合金主要分為黃銅和青銅兩大類(lèi)。以鋅為主要合金元素的銅合金稱(chēng)為黃銅;以錫為主要合金元素的銅合金稱(chēng)為青銅。此外,還有白鋼等其它銅合金。黃銅的牌號(hào)、

2、代號(hào)和化學(xué)成分見(jiàn)表5-19。變形青銅的牌號(hào)、代號(hào)和化學(xué)成分見(jiàn)表5-20及表5-21。表5-19 黃銅的化學(xué)成分化學(xué)成分(余量為鋅(質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%組別牌號(hào)代號(hào)銅鉛錫錳鋁其他雜質(zhì)普通黃銅90黃銅70黃銅68黃銅62黃銅H90H70H68H6288916972677060.563.50.20.30.30.5鉛黃銅60-1鉛黃銅59-1鉛黃銅HPb60-1HPb59-1596157600.61.00.80.90.50.75錫黃銅62-1錫黃銅60-1錫黃銅HSn62-1HSn60-1616359610.71.11.01.50.31.0錳黃銅58-2錳黃銅HMn58-2 5760 1.02.0 1.2 鐵

3、黃銅59-1-1鐵黃銅HFe59-1-15760 0.30.7 0.50.8 0.10.40.61.2(鐵0.25鎳黃銅65-5鎳黃銅HNi65-5 6467(鎳5.06.50.3硅黃銅80-3硅黃銅HSi80-3 7981(硅2.54.01.5表5-20 錫青銅的化學(xué)成分牌號(hào)代號(hào)化學(xué)成分(余量為銅(質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%錫磷鋅鉛雜質(zhì)4-3錫青銅4-4-2.5錫青銅4-4-4錫青銅6.5-0.1錫青銅6.5-0.4錫青銅7-0.2錫青銅4-0.3錫青銅QSn4-3QSn4-4-2.5QSn4-4-4QSn6.5-0.1QSn6.5-0.4QSn7-0.2QSn4-0.33.54.035356767683

4、.64.00.10.250.30.40.10.250.20.32.73.335351.53.53.54.50.20.20.20.10.10.30.1表5-21 特殊青銅的化學(xué)成分化學(xué)成分(余量為銅(質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%組別牌號(hào)代號(hào)鋁鐵錳鎳其它雜質(zhì)鋁青銅5鋁青銅7鋁青銅9-2鋁青銅9-4鋁青銅10-3-1.5鋁青銅10-4-4鋁青銅QAl5QAl7QAl9-2QAl9-4QAl10-3-1.5QAl10-4-446688108109119.51124243.35.51.52.6123.55.51.61.61.71.70.750.8鈹青銅5鈹青銅2.15鈹青銅2.5鈹青銅1.7鈹青銅1.9鈹青銅QBe2Q

5、Be2.15QBe2.5QBe1.7QBe1.90.20.60.20.50.20.40.20.4鈹1.02.2鈹2.02.3鈹2.32.6鈹1.61.85鈦0.100.25鈹1.852.10鈦0.100.250.51.20.50.50.5硅青銅1-3硅青銅3-1硅青銅QSi1-3QSi3-10.10.4 硅0.61.1硅2.753.50.41.1錳青銅鎘青銅鉻青銅5錳青銅1鎘青銅0.5鉻青銅QMn5QCd1QCr0.54.55.5鎘0.91.2鉻0.41.00.90.5純銅中的雜質(zhì)主要有鉛、鉍、氧、硫、氫等。銅中雜質(zhì)的存在不僅對(duì)使用性能有較大影響,而且對(duì)銅的工藝性能也有極壞的作用。加熱溫度和變

6、形程度對(duì)銅合金的組織和性能影響很大,當(dāng)變形程度處于臨界變形程度范圍時(shí),將引起粗晶。銅合金的臨界變形程度范圍大致是10%15%,溫度愈高,變形和再結(jié)晶后的晶粒尺寸也愈大。對(duì)于+銅合金(包括H62、H68、HPb59-1、QAl19-4等,如果加熱溫度超過(guò)+的轉(zhuǎn)變點(diǎn),此時(shí)由于失去了相對(duì)相晶界遷移的機(jī)械阻礙作用,因而晶界遷移速度很快,晶粒迅速長(zhǎng)大,使合金塑性降低,鍛造中容易開(kāi)裂,并常在鍛件表面出現(xiàn)“蛤模皮”。粗化后的銅合金晶粒,即使采用大變形程度進(jìn)行塑性變形,再結(jié)晶后的晶粒也是很粗的。這是因?yàn)殂~合金的層錯(cuò)能低,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的速度快,而且,大變形時(shí)的熱效應(yīng)也較顯著,故在高溫下很快再結(jié)晶并迅速長(zhǎng)大。銅合金

7、鍛件組織中產(chǎn)生粗晶后,不能像碳鋼那樣,通過(guò)熱處理的辦法加以細(xì)化。因此,將使產(chǎn)品的力學(xué)性能降低(見(jiàn)表5-22。表5-22 過(guò)熱與未過(guò)熱試樣的力學(xué)性能試樣情況/MPa (%試樣情況b/MPa (%b過(guò)熱粗晶290 34.5 正常細(xì)晶415 44冷變形和冷變形加時(shí)效處理對(duì)銅和銅合金性能有較大影響。純銅的強(qiáng)度較低,但塑性很高。因此,可以通過(guò)冷態(tài)形變使其強(qiáng)化。圖5-24為變形程度對(duì)純銅力學(xué)性能的影響。冷變形使銅的強(qiáng)度和硬度有較大提高,但塑性指標(biāo)顯著降低。冷變形使銅的電導(dǎo)率稍有降低(約2.7%。純銅一般是在加工硬化狀態(tài)下用作導(dǎo)線。還有些銅合金,也需用冷變形來(lái)提高其強(qiáng)度和硬度。例如,制造電極用的鎘青銅(含鎘

8、的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%1.2%,經(jīng)過(guò)冷變形后,可使抗拉強(qiáng)度從原來(lái)的600850MPa提高到1100MPa。鋯青銅也常用于制造滾焊輪,硬度要求為100140HBS,而一般熱鍛和固溶時(shí)效達(dá)不到技術(shù)要求。因此,鋯青銅滾焊輪一般是熱鍛后,950固溶處理,再冷變形和時(shí)效處理。 圖5-24 變形程度對(duì)純銅力學(xué)性能的影響銅合金的鍛造特點(diǎn)是:1.多數(shù)銅合金在室溫和高溫下具有良好的塑性大多數(shù)銅合金在室溫和高溫下塑性很好,可以順利地進(jìn)行鍛造,而且對(duì)應(yīng)力狀態(tài)和變形速度均不敏感,即使在高速變形或具有拉應(yīng)力存在的條件下變形仍具有足夠的塑性。圖5-25圖5-27為幾種黃銅和青銅的塑性圖。但是,有少數(shù)銅合金,例如,含錫較高的

9、錫磷青銅(如QSn7-0.2和含鉛較高的鉛黃銅(如 HPb59-1、HPb64-2,塑性較低,對(duì)拉應(yīng)力狀態(tài)較敏感。在靜拉伸應(yīng)力狀態(tài)下變形時(shí),QSn7-0.2在室溫呈單相固溶體,具有很高的塑性,可以進(jìn)行冷變形,但在高溫下塑性很低(見(jiàn)圖5-27,其原因是在高溫下有低熔點(diǎn)的(+Cu3P共晶體存在。含鉛較高的鉛黃銅對(duì)變形速度很敏感,在靜拉伸和動(dòng)拉伸二種變形條件下的塑性有明顯不同(見(jiàn)圖5-28,這類(lèi)銅合金適合在壓力機(jī)上進(jìn)行鍛造。 圖5-25 黃銅的塑性圖圖5-26 鉛黃銅的塑性圖 圖5-27 青銅的塑性圖圖5-28 HPb74-3鉛黃銅在不同溫度下的力學(xué)性能2.存在中溫脆性區(qū)從圖5-25、圖5-26、圖

10、5-27可以看到,銅合金存在中溫脆性區(qū)。以黃銅為例,在20200和650 900兩個(gè)溫度范圍內(nèi)有很高的塑性,而在250650之間是一個(gè)脆性區(qū),合金的塑性顯著降低,很容易鍛裂。其原因是合金中有鉛、鉍等雜質(zhì)存在,它們?cè)诠倘荏w中的溶解度極小,與銅形成Cu-Pb和Cu-Bi 低熔點(diǎn)的共晶體,呈網(wǎng)狀分布于固溶體的晶界上,從而削弱了晶粒之間的聯(lián)系,當(dāng)加熱到500以上時(shí),發(fā)生+轉(zhuǎn)變,鉛和鉍溶于固溶體中,于是塑性提高。表5-23為幾種銅合金的脆性溫度區(qū)。由于中溫脆性區(qū)的存在,很多銅合金的+雙相區(qū)的塑性比單相區(qū)的塑性高。因此,鍛造變形主要在+雙相區(qū)的溫度范圍進(jìn)行。3.鍛造溫度范圍窄銅合金的鍛造溫度范圍比碳鋼窄。

11、所有銅合金的鍛造溫度范圍都不越過(guò)100200,其中鉛黃銅HPb59-1、鋁黃銅HAl77-2、HAl60-1-1、HAl59-3-2及錫青銅QSn7-0.2、QSn6.5-0.4等合金的鍛造溫度范圍尚不足100。以HPb59-1為例,當(dāng)加熱溫度超過(guò)+轉(zhuǎn)變溫度(700時(shí),晶粒急劇長(zhǎng)大,使塑性降低;當(dāng)變形溫度低于650時(shí),變形抗力迅速增大,并可能進(jìn)人中溫脆性區(qū)。表5-23 幾種銅合金的脆性溫度區(qū)(<40%合金牌號(hào)脆性(可低塑性區(qū)/合金牌號(hào)脆性(可低塑性區(qū)/H62 250650 QAl5 370530H68 250650 QSn4-4-2.5 >300H80 400500 QSn6.5-

12、0.1 420620H90 400650HPb64-2 >300HPb74-3 >2504.導(dǎo)熱性好鋼具有很高的導(dǎo)熱性,熱導(dǎo)率為385.48W/m。銅中加入合金元素后,導(dǎo)熱性有所降低。例如。H62黃銅的熱導(dǎo)率為108.94 W/m;QAl4鋁青銅的熱導(dǎo)率則更低些,為58.66 W/m。但總的來(lái)說(shuō),銅合金的導(dǎo)熱性比鋼好,而且銅合金的導(dǎo)熱性隨溫度升高而增加。所以,銅合金可以直接高溫裝爐,快速加熱。由于銅合金的導(dǎo)熱性好,鍛造時(shí)應(yīng)采取必要的工藝措施,以盡量減少金屬的熱量散失。5.某些鋼合金的熱效應(yīng)現(xiàn)象較顯著一些銅合金,例如錫磷青銅和錳青銅,鍛造時(shí)熱效應(yīng)現(xiàn)象較顯著。若變形速度過(guò)快,則由于熱效

13、應(yīng)的作用,容易產(chǎn)生過(guò)熱,甚至過(guò)燒。含鉛量較高(超過(guò)2.5%的鉛黃銅模鍛件,在變形程度較大的部位極易開(kāi)裂。其原因也就是由于變形程度較大的部位熱效應(yīng)顯著,使合金的溫度升高,引起合金中低熔點(diǎn)雜質(zhì)的熔化,破壞了晶間的聯(lián)系。另外,銅合金鍛造時(shí)的外摩擦系數(shù)較大,所以流動(dòng)性較差,模鍛時(shí)難以成形。(二銅合金鍛造過(guò)程中的缺陷與對(duì)策1.過(guò)熱、過(guò)燒銅合金加熱溫度超過(guò)始鍛溫度時(shí)要產(chǎn)生過(guò)熱,黃銅和(+黃銅的過(guò)熱傾向較大。這類(lèi)黃銅,如加熱溫度超過(guò)轉(zhuǎn)變溫度,晶粒會(huì)劇烈長(zhǎng)大,鍛造時(shí)坯料形成桔皮表面,甚至開(kāi)裂。過(guò)熱的(+黃銅和(+鋁青銅等快冷時(shí),要出現(xiàn)魏氏組織。為避免過(guò)熱這類(lèi)銅合金的加熱溫度不宜超過(guò)轉(zhuǎn)變溫度,即在(+兩相區(qū)鍛造

14、為宜。圖片5-32、5-33是不同加熱溫度下鉛黃銅的高倍組織。鉛黃銅的含銅量變動(dòng)范圍較大(57%60 %,其實(shí)際含銅量對(duì)其轉(zhuǎn)變溫度影響很大。因此,確定這種鉛黃銅的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)要考慮到實(shí)際鋼含量的影響。根據(jù)試驗(yàn),HPb59-1加熱溫度控制在710730為宜。銅合金過(guò)燒時(shí),模鍛件表面粗糙,無(wú)金屬光澤,邊緣處開(kāi)裂;自由鍛時(shí)開(kāi)裂更為嚴(yán)重。銅合金過(guò)燒后,斷口氧化很?chē)?yán)重,無(wú)金屬光澤,裂紋沿晶界擴(kuò)展。圖片5-34為HPb59-1鉛黃銅產(chǎn)生輕微過(guò)燒的顯微組織。從圖中可看到,晶粒粗大,部分相沿晶界析出,部分呈塊狀在晶內(nèi)析出,裂紋沿晶界擴(kuò)展。圖片5-35是HMn58-2銅合金嚴(yán)重過(guò)燒的實(shí)物圖片。 圖片5-32 HP

15、b59-1,740、7.5min鹽水淬火后的顯微組織 250× 圖片5-33 HPb59-1,785、8min鹽水淬火后的顯微組織 250× 圖片 5-34 HPb59-1 銅合金鍛造裂紋沿晶界擴(kuò)展 100× 圖片 5-35 HMn58-2 銅合金嚴(yán)重過(guò)燒 為防止過(guò)熱、過(guò)燒，應(yīng)嚴(yán)格控制加熱溫度和時(shí)間。在油爐和煤爐中加熱時(shí)，更應(yīng)準(zhǔn)確控制爐溫以保證 加熱質(zhì)量。為避免火焰直接噴射到坯料上引起局部過(guò)燒，可以在坯料上面覆蓋一層薄鐵皮。 2.鍛造裂紋 銅合金鍛裂的原因主要有下列幾方面：坯料內(nèi)部或表面有缺陷；鍛造溫度不合適,材料塑性低； 變形程度過(guò)大或拉應(yīng)力過(guò)大。 鋼錠的表面質(zhì)

16、量較差，內(nèi)部也常常有較嚴(yán)重的偏析，鍛造時(shí)常易開(kāi)裂。因此，鋼錠需經(jīng)均勻化退火， 鍛前要進(jìn)行車(chē)皮。 鍛造溫度對(duì)銅合金的塑性影響很大。銅合金中由于加人了大量合金元素，始鍛溫度低，鍛造溫度范圍 窄，并存在中溫脆性區(qū)。加熱溫度過(guò)高，容易產(chǎn)生過(guò)熱、過(guò)燒，引起鍛裂或粗晶。鍛造溫度過(guò)低時(shí)，有 些銅合金（例如鐵青銅），由于再結(jié)晶不充分，塑性降低，也常常產(chǎn)生裂紋。圖片 5-36 是在高速錘上鍛 造的黃銅螺母，鍛造溫度在 250650范圍內(nèi)，在轉(zhuǎn)角處均出現(xiàn)了裂紋，后來(lái)把鍛造溫度提高到 750 就再未出現(xiàn)裂紋。因此，要控制鍛造溫度不要過(guò)高或過(guò)低，并要避開(kāi)中溫脆性區(qū)。有些鋼合金鍛件由于 變形程度過(guò)大（熱效應(yīng)顯著）或局部

17、地方應(yīng)力集中等原因也常產(chǎn)生鍛裂。自由鍛操作時(shí)，要勤翻輕擊， 避免在同一方向連續(xù)重?fù)?，以防止因熱效?yīng)而引起過(guò)熱、過(guò)燒。 圖片 5-36 H62 銅合金在脆性溫度范圍內(nèi)鍛裂情況 3.切邊撕裂 銅合金鍛件在胎模鍛和模鍛后，如立即進(jìn)行切邊，往往會(huì)在切邊處有撕裂鍛件本體的現(xiàn)象。當(dāng)鍛件冷 卻后再切邊時(shí)，就可避免這種缺陷。 4.折疊 銅合金變形時(shí)，表面容易起皺。因此，較易產(chǎn)生折疊。例如，拔料時(shí)，如變形后的臺(tái)階較尖銳，在第 二次錘擊時(shí)就容易產(chǎn)生折疊。又例如，當(dāng)閥體鍛件的大本體上有小管接時(shí)，如采用壓肩倒角的成形工 藝，小管接處會(huì)由于變形不均勻產(chǎn)生縮孔；若再用鐓粗法將其端面拍平，便會(huì)在管接與本體交接處形成 折疊。

18、因此，鍛造銅合金時(shí)，工具和模具轉(zhuǎn)角處的圓角半徑要大一些，并要注意潤(rùn)滑；對(duì)于一些高度與 直徑比例不大的管接，適于采用在漏盤(pán)中擠壓成型；對(duì)較易產(chǎn)生折疊的銅合金鍛件，要考慮到以后的清 理，在確定加工余量和計(jì)算用料時(shí)，應(yīng)比碳鋼取得大些。 5.晶粒粗大 銅合金晶粒長(zhǎng)大后不能像碳鋼那樣通過(guò)熱處理加以細(xì)化，因此，晶粒粗大將使產(chǎn)品性能下降。銅合金 晶粒粗大的原因：坯料過(guò)熱；終鍛溫度過(guò)高；鍛造時(shí)的變形程度處于臨界變形程度范圍（10 15）內(nèi)。 為了避免形成上述粗大晶粒，應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)：鍛造時(shí)每次變形程度應(yīng)大于 1015；為保 證適宜的終鍛溫度，應(yīng)根據(jù)成形方式和變形量大小選擇合適的始鍛溫度。例如，QAl9-11 合金胎模鍛時(shí) 900始鍛，而自由鍛時(shí) 850始鍛，原因是胎模鍛較自由鍛散熱快。（+）黃銅和青銅的加熱溫度應(yīng) 稍低于 + 的轉(zhuǎn)變溫度。 6.應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂 如果銅合金鍛件內(nèi)存在殘余應(yīng)力，則在潮濕大氣中，特別是在含氮鹽的大氣中會(huì)引起應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂， 也稱(chēng)季裂。防止這種缺陷