產業化生產大規格鈹銅合金鑄錠常見缺陷分析及措施

潘建立，劉偉鋒，李永華

(中色(寧夏)東方集團有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

鈹銅合金是一種過飽和固溶體銅基合金，經淬火、冷加工成形和時效處理后，具有高強度、高導電、高彈性、耐疲勞、耐磨、耐寒以及無磁性和受沖擊時不產生火花等優良特性，被譽為“有色彈性材料之王”，成為了各行業電子元器件的首選材料，是國民經濟和國防軍工建設中不可缺少的重要結構和功能材料[1-3]。

按照鈹含量高低可分為低鈹銅合金和高鈹銅合金，鈹含量分別為0.3wt.%～0.6wt.%和1.7wt.%～2.0wt.%，常見的鈹銅合金牌號見表1。高強度加工鈹青銅主要用于各種彈簧、航空航天導航儀表、電機彈簧片、無火花工具、接觸電橋、螺栓、螺釘等領域；高傳導加工鈹青銅主要應用于熔斷器、緊固件、彈簧、開關部件、電接插件、導線、電阻電焊電極頭、縫焊電極盤、模鑄塞棒頭、塑料模具等[4]。

表1 鈹銅合金牌號[5]

目前鈹銅合金的熔煉方法主要有兩種,真空熔煉和非真空熔煉。由于真空爐價格昂貴，占地面積較大，只能生產規格較小、重量較輕的鑄錠，因此，真空熔煉無法實現大規格鑄錠的產業化生產。目前，采用非真空熔煉半連續鑄造的方式有利于實現產業化生產大規格鈹銅合金鑄錠。

1 產業化生產大規格鈹銅合金鑄錠介紹

1.1 生產設備、鑄錠牌號及規格

所用設備為4.5t無芯爐和5t液壓半連續鑄造機，生產的鈹銅合金鑄錠牌號主要有QBe2.0、QBe1.9、C17200、C17410、C17500、C17510、C17530等。鑄錠規格主要有430mm×130mm、425mm×210mm、Φ190mm、Φ290mm等，單根鑄錠重量最大能夠達到4.5t；生產的大規格鈹銅鑄錠如圖1所示。

圖1 鈹銅鑄錠照片Fig. 1 Photo of beryllium copper ingot

1.2 工藝流程圖

大規格鈹銅合金鑄錠的生產工藝流程圖如圖2所示。

圖2 大規格鈹銅合金鑄錠生產工藝流程圖Fig. 2 Production process of large scale cast ingots of high Be Cu alloy

2 成分偏析或不合格原因分析及預防措施

鈹銅合金是一種多元合金，含有多種元素，其中Be元素密度較低，在鑄造過程中容易產生逆偏析，而Ni和Co為高溫難熔金屬，再加上Be較為活潑，容易氧化，進而導致鑄錠容易產生成分偏析，導致鈹銅合金鑄錠的成分和內部組織均勻性不好。

2.1 取樣分析檢測

將鑄錠的頭、尾分別鋸切120mm，用車床將鑄錠表面車光，將車光后鑄錠的頭部、中部和尾部各鋸切10mm厚的切片，試樣上A表示頭部，B表示鑄錠中部，C表示鑄錠尾部。然后在每個切片上分別取5個試樣，如圖3所示。采用ARL3460型火花直讀光譜儀對試樣進行化學成分檢測，為了保證分析檢測的準確性，檢測前用QBe2的標樣進行校準，再對每個試樣檢測5個點，用5次分析檢測值的平均值作為最終的檢測結果，檢測結果見表2，然后對比鑄錠不同位置的化學成分分布。

圖3 鑄錠取樣示意圖Fig.3 Schematic diagram of ingot sampling

2.2 結果分析及預防措施

2.2.1 成分分布特點

由分析結果可知，鈹銅合金鑄錠頭部的Be含量略高于鑄錠中部和鑄錠尾部；橫截面上芯部的Be含量最低，在鑄錠中心存在Be元素的反偏析，尤其是在錠尾端Be元素反偏析現象最為突出，可能與熔煉初始階段Be元素的輕微氧化燒損及不穩定熔煉等有關；Ni、Fe、Al、Si等元素在高度和半徑方向含量變化不大。

表2 化學成分檢測結果(質量分數，%)

2.2.2 原因分析

Be元素反偏析的原因分析：①鑄造過程是一個降溫的過程，同時沒有攪拌作用，進而導致金屬液在中間包內儲存時出現了一定程度的成分不均勻分布；②凝固結晶過程中，結晶器內金屬液橫截面方向得不到攪拌，進而造成Be在凝固結晶過程中向鑄錠邊部富集。鑄錠Be含量頭高尾低原因分析，鑄錠長度一般為5.4m～5.8m，所用時間大約為60min，由于鈹元素較易氧化燒損，在鑄造期間，因高溫狀態且石墨粉覆蓋不嚴，造成鈹元素鑄造期間不斷燒損，所以前后成分有波動。

2.2.3 預防措施

避免鑄錠橫截面上Be元素反偏析的措施：①在鑄造過程中采用振動鑄造的方法；②在澆鑄過程中合理調配功率，通過電磁感應進行電磁攪拌，使得爐內的金屬液得到溫度補償和攪拌作用；③在結晶器外圍加裝電磁攪拌裝置，便于合金元素均勻性擴散。

避免化學成分不合格的措施：①對母合金和舊料提前進行檢驗，明確化學成分；②精準計算，準備配料，對于活潑的Be元素，全面考慮Be元素在熔化和鑄造過程中的燒損量，在配料時取標準的上限甚至超出上限進行配料；③對于較難熔的Ni和Co，應該提前加入，確保足夠的熔化精煉時間，從而避免Ni和Co沒有充分均勻化而出現局部含量不夠、局部超出范圍的現象；④嚴格控制電壓，保持恒溫澆鑄，預防在澆鑄過程中溫度越來越高，偏差較大；⑤在澆鑄之前把渣撈干凈，并且用石墨粉覆蓋好(50mm～100mm)；⑥在澆鑄過程中在爐頭箱內單獨添加石墨粉再次覆蓋。

3 鑄錠夾渣原因分析及預防措施

鈹銅極易氧化，容易造渣，夾渣分為表面夾渣和內部夾雜，在生產過程中產生夾渣的鑄錠照片分別如圖4和圖5所示。

圖4 表面夾渣鑄錠照片Fig.4 Photo of cast ingot with surface slag

3.1 原因分析

形成夾渣的原因主要有，鑄造溫度過低，熔體流動性差；鑄造前扒渣不徹底，造成熔體內熔渣過多；鑄造過程中，結晶器內金屬液面忽高忽低、控制不穩；鑄造過程中，對結晶器內金屬液面上的浮渣不清除或撈渣過于頻繁，撈渣時撈渣勺進入結晶器金屬液下過深；澆管、結晶器、引錠頭三者沒有對中同心；振動頻率過大；鈹青銅合金造渣嚴重，而且渣黏性較大，爐頭箱壁上的渣越積越多，爐體與爐頭箱之間的流口變小，使整體導熱性降低，導致爐內金屬與爐頭箱內金屬溫差較大。

圖5 內部夾渣鑄錠照片Fig.5 Photo of ingot with slag inside

3.2 預防措施

在生產鈹銅合金鑄錠過程中，要想避免鑄錠夾渣的產生，首先要嚴格控制鑄造溫度在1170℃～1180℃；在澆鑄前對爐內徹底撈渣；在鑄造過程中控制結晶器內金屬液面距結晶器上口10mm～15mm；在結晶器內撈渣2次～4次，且撈渣勺不得超過液面下5mm；調整澆管、結晶器、引錠頭的位置，使三者對中同心；控制振動頻率在5次/min～30次/min；清理爐頭箱壁上的積渣，使爐體與爐頭箱之間的流口變大，適當提高爐體內金屬液溫度。

4 鑄錠開裂原因分析及預防措施

低鈹銅合金鑄錠容易產生內部開裂的現象如圖6所示。

4.1 原因分析

裂紋主要是由于鑄錠內部的鑄造應力導致。低鈹銅合金導熱率僅為紫銅的一半，導熱性較差，澆鑄過程鑄錠內外溫差比紫銅大，容易產生熱裂現象。造成熱裂現象的主要原因為，鑄造速度過快、溫度過高，冷卻不均勻。

4.2 預防措施

為了避免鈹銅合金鑄錠在鑄造過程中開裂，首先應該根據不同的鈹銅合金牌號選擇對應的結晶器，選擇合適的鑄造溫度和速度，同時定期檢查結晶器，保證結晶器冷卻均勻。

圖6 內部開裂鑄錠照片Fig.6 Photographs of cracked ingots inside

5 氣孔或疏松原因分析及預防措施

鈹銅合金在熔鑄過程中非常容易產生氣孔或組織疏松。大的氣孔通過肉眼觀察可以識別，如圖7所示。而小的疏松肉眼無法識別，往往表現在鑄錠后續加工過程中的起皮現象。氣孔的形成是因為有水分帶入到銅液中，鑄錠氣孔缺陷的形成機理為，氫的溶解度隨固液溫度急劇變化，銅合金在凝固時，氣體的溶解度急劇降低，析出氫氣[6]。氣孔的存在減少了鑄錠的有效體積和密度，經加工后雖可被壓縮變形，但難以焊合，造成了起皮。

圖7 氣孔鑄錠照片Fig.7 Photo of ingots porosity

5.1 原因分析

爐料、工具、引錠頭、結晶器等沒有充分烘烤；鑄造溫度、冷卻強度、澆鑄速度與冷卻水溫四者不匹配；鑄造時結晶器內液面上沒有用炭黑覆蓋好或所用的炭黑沒有烘烤充分；鑄造溫度過高，熔煉時間過長。

5.2 預防措施

充分烘烤爐料、扒渣勺、引錠頭、結晶器等；在澆鑄速度不變，鑄造溫度、冷卻水溫偏低的情況下，可適當降低冷卻水流量；用烘烤至赤紅狀態的炭黑進行覆蓋結晶器表面，而且要徹底覆蓋好；待成分合格、溫度達到后精煉20min立即開始澆鑄。

6 冷隔缺陷分析及預防措施

鈹銅鑄錠在鑄造過程中還容易產生冷隔現象，分為層疊式和褶皺式，產生冷隔的鑄錠照片如圖8所示。

圖8 鑄錠冷隔照片Fig.8 Photo of ingot cold shuts

6.1 原因分析

產生冷隔的原因有：①在鑄造過程中，鈹銅合金溶液的溫度偏低；②鑄造溫度慢；③結晶器的液面控制不穩或者覆蓋不嚴密。

6.2 預防措施

為了避免冷隔的產生，在鑄造過程中確保鈹銅合金溶液的溫度，實現恒溫鑄造；同時適當減小冷卻水流量，及時將結晶器表面覆蓋嚴密。