Mn57-2-2-0.5錳黃銅鑄造裂紋成因分析及對策

姜煥成，王宏偉，李和美，來盛騫

(黑龍江北方華安工業集團有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161046)

Mn57-2-2-0.5錳銅合金因具有高強度、高耐磨性，且綜合力學性能優越而成為桑塔納、捷達等轎車的同步器齒環材料之一。國內該類合金傳統的生產方式有水平連鑄、離心連鑄、擠壓及粉末冶金法等，得到的材料成分分布不均，晶粒粗大，強度和耐磨性不高，在β基體內也未構成以球狀強化相為主的耐磨架構[1]。文中以 Mn57-2-2-0.5錳黃銅半連續直接水冷鑄造工藝為例，介紹了該類復雜銅合金半連續鑄造裂紋缺陷的產生原因及其對策。

1 鑄造工藝設計

Mn57-2-2-0.5錳黃銅是在銅-鋅合金中有選擇性地加入錳、硅、鐵等相互間具有強烈化合作用的合金元素而形成的，在基體上形成了均勻、穩定分布的高硬相質點，使材料具有優良的耐磨性能。生產中必須嚴格按耐磨相的原子比例控制添加合金組元，保證在充分形成耐磨相的前提下，盡量減少其殘留數量，尤其是一些在基體中有較大固溶度、鋅當量大的元素(如硅元素)必須嚴格控制，避免對基體組織產生嚴重影響。

鑄造過程中為了得到淺、平的倒V型液穴，減少縮孔、疏松、氣孔等缺陷，保證鑄錠自下而上、由外及里的方向性凝固，因而利用短結晶器實施立式半連續鑄造。Mn57-2-2-0.5錳黃銅材料化學成分要求見表 1[2]。

表1 Mn57-2-2-0.5合金化學成分Table1 The Chemical composition of the Mn57-2-2-0.5 alloy %

2 鑄造裂紋缺陷的特征描述

Mn57-2-2-0.5錳黃銅半連續鑄造裂紋產生情況如圖1所示。產品在澆鑄過程中形成裂紋，冷卻至室溫后裂紋繼續延伸、擴展。裂紋目視特征為呈直線狀，由鑄錠中部向兩端延伸。縫壁表面粗糙，內部可見明顯氧化色。從澆口部位切取的縱剖面上可明顯看到輪廓清晰的“V”型液穴，液穴縱深接近鑄錠底部。低倍觀察到裂紋屬穿晶和沿晶混合斷裂，如圖2所示。

圖1 鑄錠裂紋Fig.1 Casting crack

圖2 低倍下裂紋Fig.2 Crack macrograph

3 裂紋缺陷產生的原因分析

裂紋缺陷有2種:熱裂和冷裂。裂紋斷面氧化嚴重，沿晶界邊界產生和擴展。外形曲折的裂紋稱為熱裂紋;斷面光潔，有金屬光澤，走向規則的稱為冷裂紋[3]。銅合金在鑄造過程中最常見的裂紋是熱裂紋。Mn57-2-2-0.5錳黃銅半連續鑄造產生的裂紋很可能是由熱裂紋擴展促使形成的冷裂紋，所以合金熱裂紋是形成缺陷的主要原因。

熱裂紋形成因素主要受合金本性和生產工藝等兩方面影響。

3.1 熱裂的合金因素

Mn57-2-2-0.5錳黃銅中包含的復雜金屬組元(尤其是硅元素)會急劇縮小α區，使合金偏離共晶點，有效結晶溫度范圍變寬。結晶溫度范圍寬的合金呈糊狀或海綿狀凝固方式，合金凝固時晶粒間的液相通過“滲流”來填補“收縮裂縫”的能力差，容易產生裂紋。

3.2 熱裂的工藝因素

形成鑄錠裂紋的主要工藝因素是鑄造溫度、冷卻強度和鑄造速度。

鑄造過程中，當鑄錠尺寸和澆注溫度一定時，凝固過程主要與冷卻強度有關。生產中使用短結晶器直接水冷半連續鑄造，當鑄錠離開結晶器以后，受到二次水強烈的直接冷卻，凝殼迅速增厚并開始急劇收縮，鑄錠表層產生拉應力。隨著從鑄錠表層向鑄錠中心凝固過程的不斷推進，上述熱收縮過程逐步緩和。最后，鑄錠中心部位的凝固和收縮反而妨礙了表面層，使表層受到壓縮應力，與此同時，中心部位受到拉伸應力，直到表面出現最大的壓縮應力和中心出現最大的拉應力。當拉伸應力超過合金高溫塑性極限時，裂紋隨之形成并擴展，最終導致鑄錠整根劈裂。

冷卻強度與結晶器及二次冷卻裝置的結構有關。當結晶器結構一定時，其冷卻強度的增大是有限的。鑄造速度受制于鑄造過程的安全性和鑄造裝置。

4 裂紋缺陷的控制措施

4.1 合金成分控制

在化學成分允許的條件下對加寬合金結晶溫度的元素、形成粗大晶粒的元素按標準要求的下限控制，或從工藝上采取措施控制其不良影響。如硅元素以中間合金形式加入，按0.6%(質量分數)控制，以便降低熱應力，加入稀土等變質劑細化晶粒，凈化晶界，提高合金綜合性能等。

4.2 鑄造工藝優化

4.2.1 工藝設計

采用紅錠鑄造的工藝方式，降低鑄錠內外表面溫度梯度，減少鑄造應力，從而消除由熱應力產生裂紋的條件，避免了熱裂的發生。

4.2.2 冷卻系統設計

半連續鑄造中廣泛使用的短結晶器將冷卻水孔直接與結晶器下緣相通，經由結晶器水室的全部冷卻水都轉換成了直接噴射向鑄錠表面的二次冷卻水。這樣雖然強化了二次冷卻效果，有利于晶粒細化，但并不適合鑄造熱裂傾向較強的合金。當鑄錠橫截面溫度梯度較大時，鑄造應力容易集中在鑄錠最后凝固的區域，并在那里產生裂紋[4]。

紅錠鑄造工藝成功的關鍵在于合理設計結晶器結構。改進后的結晶器調整了長度和內部供水結構，將二次冷卻水由直接噴射到鑄錠表面的強烈冷卻方式改成分散的、緩慢的柔性冷卻方式，有效地避免了鑄錠裂紋的發生。

4.2.3 工藝參數選擇

1)澆鑄溫度。使用感應爐熔煉銅合金時，可由“噴火”溫度確定澆注溫度，一般“噴火”2～3次即可。實際上感應器電流表指針出現擺動時，表明熔溝熔體已在發生鋅沸騰現象，即達到澆注溫度。

2)冷卻水壓。采用一、二次水分開，水量可調的紅錠鑄造專用結晶器，初始水壓為0.5～0.1 MPa，正常水壓為0.2 ～0.4 MPa。

3)鑄造速度。為保證鑄造過程的安全，鑄錠凝殼應達到足夠的厚度。該厚度足以承受液穴內液體金屬的靜液壓力作用和熔體的熱沖擊而不產生拉漏。實際試驗中取5～9 m/h。

5 生產實踐驗證

經紅錠鑄造工藝共生產Mn57-2-2-0.5錳黃銅4.3 t，鑄棒表面質量良好，無裂紋，如圖3所示。顯微鏡下觀察到晶界完整，晶粒致密，基體中彌散分布塊狀強化相，如圖4所示。擠壓后成品管材經直讀光譜、掃描電鏡和EDS能譜分析證明其各項指標均符合YS/T 669—2008標準要求，達到預期效果。

圖3 鑄錠切餅Fig.3 Blanks cut from casting

圖4 內部組織(×100)Fig.4 Inner metallographic structure

6 結語

1)Mn57-2-2-0.5錳黃銅半連續鑄造工藝中，當冷卻水強度過大時，在澆注工序易產生熱裂紋，嚴重時整根劈裂。

2)合理控制合金成分和添加微量元素(如稀土)是預防Mn57-2-2-0.5錳黃銅鑄錠裂紋產生的有效工藝手段。

3)利用紅錠鑄造技術，合理分配二次冷卻強度和澆注速度，能夠解決Mn57-2-2-0.5錳黃銅鑄造裂紋問題。

[1]陳洪.特種黃銅同步器齒環耐磨性能影響因素研究[J].理化檢測 － 物理分冊，2005，41(12):604 －607.

[2]YS/T 669—2008，同步器齒環用擠制銅合金管[S].

[3]盧功輝.金屬型重力鑄造鋁合金油底殼裂紋成因分析及對策[J].鑄造技術，2006(3):635－637.

[4]鐘衛佳.銅加工技術使用手冊[M].北京:冶金工業出版社，2007:424.