铍青铜棒锻造裂纹产生原因的分析

铍青铜棒锻造裂纹产生原因的分析来源：研发与运用发表时间：2009-04-28文献编号：1008—5939(2008)12～036—04期刊（期次）：作者：李陈，朱宝辉，王培军，姜韬，任晓(宁夏东方钽业股份有限公司，宁夏石嘴山753000)编辑：关键字：铍青铜；棒材；锻造；裂纹；夹杂物概要：采用金相、扫描电镜和电子探针分析等方法，对铍青铜棒在锻造过程中出现的开裂现象进行了分析。结果表明，铍青铜棒的开裂是由于锻坯原材料中存在较多的铜、钙的氧化物和硫化物等夹杂物造成的。锻坯原材料是控制铍青铜棒锻造质量的关键要素。1前肓铍青铜(又称铍铜合金)是一种典型的沉淀强化型高传导、高弹性铜合金。它除了具有高的弹性、强度、硬度、耐磨性和抗疲劳等优点外，还具有优良的导电性、导热性、耐蚀性、耐高低温、无磁性、冲击时不产生火花等特性，是工业中具有良好综合性能的重要材料之一，广泛用做各种高级弹性元件、换向开关、电接触器、耐磨零件以及矿山和石油厂用的冲击时不产生火花的工具等【lI2]，具有广阔的应用前景。铍青铜具有良好的锻造性能，易于通过热加工生产出尺寸精确、质量完好并能充分进行时效强化的工件。锻造加工对制造形状和尺寸大幅变化的工件具有很强的适应性，所以成为加工铍青铜不可缺少的重要方法之一。但是，由于铍铜合金在实际锻造生产过程中常发生中心和表面开裂现象，致使很难继续加工或导致成材率大幅度下降。因此，本研究针对铍青铜棒材在锻造过程中发生的端面中心开裂(如图1箭头所指位置)问题采用多种手段进行了分析和讨论，以期为高质量铍青铜锻造的生产提供参考依据。2实验方法与结果2．1取样为了观察铍青铜合金锻棒裂纹附近的状况，沿棒坯横断面锯切约10mm厚的薄片进行抛光腐蚀观测低倍组织。在未开裂部位和裂缝纵向、横向附近取样进行化学成分对比分析。在裂缝处取金相样品进行微观组织分析，沿开裂面制取试样进行断口扫描电镜分析。2．2低倍观测低倍样品的检验面为靠近铍青铜合金锻棒端面的横剖面，实际上相当于原铍青铜铸锭靠近上端面的横截面。将低倍样品用1：1(硝酸：水，／％)硝酸浸蚀后，观察到检验面中心有不同程度的疏松和夹杂物分布，如图2箭头所指位置。夹杂物以镶嵌的形式存在，颜色为黄褐色。有些夹杂物在腐蚀时被腐蚀脱落，表现为边缘不整齐的类似海绵状的空洞，见图2。2．3化学成分分析采用ICP(感应耦合等离子体，InductiverlyCou—pledP1asma)全谱直读光谱仪和TC一600氧氮分析仪测定了试样的化学成分，分析结果(质量分数)见表1。从不同位置的分析结果可以看出，开裂部位除了氧元素含量稍高外，其它各元素含量均符合标准要求。2．4金相检验在开裂部位取金相样品，观察面为试样的横截面。采用MM6型金相显微镜观察样品的微观组织，发现存在大小不均的夹杂物，最大夹杂物粒径接近100m(见图3箭头所指位置)。除了个别晶粒粒径超过100Ixm外，大多数晶粒比较均匀，平均粒径为3O～45m(一般在20～45txm为宜[51)，根据ASTME112—1996~金属平均晶粒度的测定方法》判定晶粒度为6～7级。分析结果说明，晶粒大小为正常范围，但夹杂物较多，而且大小不均匀，较大的夹杂物危害最大。2．5断口分析采用CAMEBAX—MICRO614型扫描电镜和电子探针对开裂断口进行了形貌观察和定性、半定量分析，微观形貌见图4。检验结果表明，在断口面伴有二次裂纹(见图4a)，局部有清楚的韧性断裂区见图4b和4c)。但大部分是因夹杂物引起的碎裂区(图4b和4d)。在韧窝区，部分韧窝底部有大小不一的颗粒夹杂物(见图4b和4c)，在碎裂区则有大量的夹杂物堆簇(见图4b和4d箭头所指)。对图4b和4d中箭头所指的夹杂物颗粒采用电子探针分析，波谱分析，结果见图5。从图5可以判断，该颗粒区含有大量的Ca，0和少量的S，P，Si，A1元素，估计是铜和钙的夹杂物。用电子探针对韧窝处进行微区分析(采用WDS波谱仪测量特征x射线强度并对比分析)，波谱分析结果见图6。从图中可以看出，杂质元素含量均很低，不存在微区杂质偏聚，成分分布正常。3分析和讨论铍青铜锭坯在自由锻过程中受到冲击力并产生形变应力，要求材料必须具有足够的强度、韧性和良好的塑性。从以上分析结果可知，锻棒开裂部位化学成分符合要求，晶粒度6～7级，但材料的冶金质量欠佳，断口处存在大量的夹杂物。这些夹杂物，经电子探针微区分析确定含大量的O，Ca元素和少量的S，P，Si，A1元素，估计是含铜和钙的夹杂物。其中，含铜的夹杂物可能是大量的氧化物(Cu0和CuO)和少量的硫化物(Cu2S和CuS)；含钙的夹杂物可能是大量的氧化物和少量的硫化物、铝酸盐及硅酸盐。由于这些夹杂物与铍青铜基体之间的物理性质和变形性能存在着较大的差异，所以在自由锻变形过程中，铍青铜基体的均匀、连续性受到破坏，引起应力集中，成为材料的薄弱环节，致使材料局部强度和韧性下降。因此当受外力作用时，这些应力集中区会首先开裂形成裂纹源。而且，夹杂物尺寸越大危害越大。图3中的个别夹杂物尺寸超过了平均晶粒尺寸，这种较大尺寸的夹杂物的危害性是不容忽视的。因为含有夹杂物的基体材料在开裂过程中，首先在颗粒较大的夹杂物处形成裂纹源，并进一步扩展形成空洞，这些空洞的聚集和长大又推进较小颗粒的夹杂物与材料基体分离，然后形成较大的裂纹，最终导致材料的开裂。其中，基体材料中的夹杂物在裂纹形核方面起着主要的作用。