鐵白銅BFe10-1-1組織性能變化規(guī)律研究

徐興莉，李文兵

（1.甘肅有色冶金職業(yè)技術學院，甘肅 金昌 737100；2.金川集團精密銅材有限公司，甘肅 金昌 737100）

BFe10-1-1銅合金管廣泛應用于火力發(fā)電、艦船、海水淡化、制糖制鹽以及化工核電等熱交換凝汽器中，具有很大的市場空間。通過檢測分析BFe10-1-1銅合金冷凝管生產(chǎn)過程中，在不同工藝條件下該材料的組織結(jié)構與性能，進而優(yōu)化其制備工藝參數(shù)，形成低成本高質(zhì)量的最終產(chǎn)品。

本文結(jié)合國內(nèi)某銅鎳合金無縫管生產(chǎn)企業(yè)的鑄造工藝和生產(chǎn)實際，研究BFe10-1-1銅合金管在鑄態(tài)和擠壓態(tài)下試樣的組織結(jié)構與性能演變規(guī)律[1]。

1 研究內(nèi)容

國內(nèi)某銅鎳合金無縫管生產(chǎn)企業(yè)提供的兩批BFe10-1-1合金鑄錠與管材，其中鑄錠直徑為Φ310、擠壓管尺寸為Φ110×10。兩批料分別命名為1號與2號。分別在兩批樣的鑄錠上各剖切樣品10件，其中6件為觀察微觀金相組織樣品，1件為宏觀組織觀察樣品，3件為拉伸試驗樣品。分別在兩批樣的擠壓后的管材的頭部和尾部上各剖切樣品4件，其中2件為觀察微觀金相組織樣品，2件為拉伸試驗樣品。重點分析研究在鑄態(tài)和擠壓態(tài)下試樣的組織結(jié)構與性能演變規(guī)律。

2 實驗部分

2.1 金相組織觀察

2.1.1 實驗儀器

鋸切機、SD100-III端面式氣砂輪機、數(shù)碼相機。

2.1.2 實驗方法與條件

（1）取樣：分別在相同條件下連鑄出兩根Φ310鑄錠，試樣編號分別為1號與2號，分別在1號與2號的中間切取兩個圓餅。

（2）磨光：采用端面式氣砂輪機將切取的試樣依次用60#、80#、120#、180#、240#、320#百葉片進行打磨表面，在每換下一種百葉片前，要保證該平面每一個地方都用這種百葉片完全打磨過。

（3）拋光：采用尼龍纖維拋光輪進行拋光，拋光時可以選水潤滑，得到平整、光滑、無痕的鏡面為止。

（4）腐蝕試樣：侵蝕劑成分：30%～50%硝酸水溶液，侵蝕后迅速用大量清水沖洗。侵蝕要均勻適度，侵蝕過輕，組織和缺陷顯示不充分，侵蝕過重，表面會出現(xiàn)腐蝕麻坑。

（5）組織觀察與拍攝：觀察合金的宏觀組織的晶粒形狀、晶粒大小以及分布特征。此外，準備做宏觀照相的試樣應精細制備，侵蝕均勻，組織清晰，保持清潔[2]。

2.2 金相試樣制備與觀測

2.2.1 實驗儀器

雙盤式金相預磨機；雙盤式金相拋光機；MIAPS金相顯微鏡。

2.2.2 實驗方法與條件

試樣經(jīng)取樣、磨光、拋光、腐蝕后用金相顯微鏡和數(shù)碼相機觀察。在金相顯微鏡上觀察金相組織，分別選用放大倍數(shù)為100×、200×。觀察合金晶粒尺寸、分布，形狀并拍攝照片供后續(xù)微觀組織分析。

2.3 拉伸力學性能測試

在鑄態(tài)、擠壓態(tài)管材上各取三個拉伸試樣，測試拉伸力學性能：抗拉強度σb、彈性模量E、屈服強度σ0.2、延伸率δ。結(jié)果為三個試樣的平均值。拉伸試樣的尺寸根據(jù)GB/T228-2010的標準要求制定。

2.4 檢測結(jié)果

2.4.1 鑄錠宏觀組織

直接水冷半連續(xù)鑄造Φ310鑄錠的橫向組織中，從表至里，結(jié)晶組織明顯分為三個區(qū)帶，表層細等軸晶帶、中心區(qū)域的粗大等軸晶帶和位于二者之間的柱狀晶帶[3]。

2.4.2 鑄錠微觀組織

在熔體中的結(jié)晶過程分為生核和晶體長大兩個階段。熔體中首先生成很小但很穩(wěn)定的固體質(zhì)點，即晶核，然后長大變成晶體。從微觀上分析，該晶體是按照樹枝狀結(jié)構長大。枝晶粗化很容易觀察到，如圖1，其中圖（a）為2號鑄錠微觀組織圖，圖（b）為1號鑄錠微觀組織圖。一次軸接近0.7mm，它的上面大約有二十個二次軸，并且這些二次軸與一次軸具有一定角度規(guī)則排列。相鄰兩個二次軸的距離大約為0.02mm。二次軸的生長朝著與其相鄰的二次軸方向生長。由于最終彼此阻礙繼續(xù)生長，從而消失。此外，在結(jié)晶過程中，晶體數(shù)量的增加也能觀察到。

2.4.3 BFe10-1-1合金擠壓態(tài)顯微組織分析

選取熱擠壓后有代表性的樣品的橫截面、縱斷面經(jīng)過磨平，拋光，腐蝕后觀察并照金相照片，如圖2（a）、（b）、所示，其中（a）為2號擠壓管材頭部橫截面微觀組織圖，（b）為1號擠壓管材頭部橫截面微觀組織圖，從（a）、（b）、2張圖中可以看出熱擠壓得到的微觀組織是相，晶粒尺寸較擠壓前鑄態(tài)的晶粒尺寸有明顯減小。由于熱擠壓溫度較高，所以BFe10-1-1合金擠壓態(tài)的微觀組織全部是再結(jié)晶組織。通過比較圖（a）與圖（b），在管材相同部位的2號擠壓態(tài)管材的晶粒尺寸比1號擠壓態(tài)管的晶粒尺寸相對小一些。

圖2 BFe10-1-1合金擠壓態(tài)管材微觀組織圖

2.4.4 拉伸力學性能結(jié)果分析

針對BFe10-1-1合金的鑄錠以及擠壓態(tài)的管材分別進行了拉伸試驗，其中1號和2號鑄錠上取2組試樣，1號和2號擠壓管材上分別在管子的中部各取一組試樣。經(jīng)拉伸試驗測得，2號鑄態(tài)的抗拉強度分別為259MPa、263MPa，屈服強度分別為209MPa、209MPa，斷后伸長率分別為38.8%、41.7%；1號鑄態(tài)的抗拉強度分別為249MPa、245MPa，屈服強度分別為209MPa、208MPa，斷后伸長率分別為35.25%、31.4%；2號擠壓態(tài)管材的抗拉強度分別為289.7MPa、288.7MPa，屈服強度分別為249.6MPa、253.9MPa，斷后伸長率分別為38.1%、41.2%；1號擠壓態(tài)管材的抗拉強度分別為299.5MPa、296.3MPa，屈服強度分別為259.4MPa、261.5MPa，斷后伸長率分別為41.2%、38.9%；其中熱擠壓管材的抗拉強度與伸長率滿足YS/T622-2007《銅及銅合金擠制管》的標準要求。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)以及圖3總結(jié)發(fā)現(xiàn)，圖（a）與圖（c）、（d）比較可知道，鑄態(tài)組織的抗拉強度低于擠壓態(tài)管材的抗拉強度。圖（a）與圖（b）比較可知道，2號鑄態(tài)的抗拉強度與1號鑄態(tài)的抗拉強接近。此外，2號和1號擠壓管材的頭部抗拉強度與其尾部的抗拉強度接近。

3 結(jié)論

（1）白銅BFe10-1-1合金的鑄錠組織為典型的正常的枝晶組織，晶內(nèi)存在成分偏析，晶間成分均勻，為均勻的單相固溶體。

（2）熱擠壓后得到的管材晶粒均勻，有纖維組織以及孿晶出現(xiàn)，但無粗大尺寸晶粒。

（3）熱擠壓后的管材抗拉強度及屈服強度均優(yōu)于其擠壓前鑄態(tài)時的強度。

圖3 BFe10-1-1合金不同狀態(tài)下拉伸試驗曲線