铜合金锻件常见的缺陷与对策

铜合金锻件常见的缺陷与对策（一）概述铜的最大特点是具有很高的导电、导热性能，以及良好的耐蚀性。但是，工业纯铜的强度不高（约200MPa），因而限制了它作为结构材料的使用。为了提高铜的强度，并赋予特殊的性能，在铜中加人适量的合金元素，从而获得铜合金。铜合金具有较高的强度、韧性、耐磨性以及良好的导电、导热性能，特别是在空气中耐腐蚀。因此，在电力、仪表、船舶等工业中得到了广泛的应用。一些要求强度高、耐热、耐压又耐蚀的轴类、凸缘类和阀体类零件都用钢合金锻件来制造。铜合金主要分为黄铜和青铜两大类。以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜；以锡为主要合金元素的铜合金称为青铜。此外，还有白钢等其它铜合金。黄铜的牌号、代号和化学成分见表5-19。变形青铜的牌号、代号和化学成分见表5-20及表5-21。表5-19黄铜的化学成分组别牌号代号化学成分（余量为锌）（质量分数）（%）铜铅锡锰铝其他杂质≤普通黄铜90黄铜70黄铜68黄铜62黄铜H90H70H68H6288～9169～7267～7060.5～63.50.20.30.30.5铅黄铜60-1铅黄铜59-1铅黄铜HPb60-1HPb59-159～6157～600.6～1.00.8～0.90.50.75锡黄铜62-1锡黄铜60-1锡黄铜HSn62-1HSn60-161～6359～610.7～1.11.0～1.50.31.0锰黄铜58-2锰黄铜HMn58-257～601.0～2.01.2铁黄铜59-1-1铁黄铜HFe59-1-157～600.3～0.70.5～0.80.1～0.40.6～1.2（铁）0.25镍黄铜65-5镍黄铜HNi65-564～67（镍）5.0～6.50.3硅黄铜80-3硅黄铜HSi80-379～81（硅）2.5～4.01.5表5-20锡青铜的化学成分牌号代号化学成分（余量为铜）（质量分数）（%）锡磷锌铅杂质≤4-3锡青铜4-4-2.5锡青铜4-4-4锡青铜6.5-0.1锡青铜6.5-0.4锡青铜7-0.2锡青铜4-0.3锡青铜QSn4-3QSn4-4-2.5QSn4-4-4QSn6.5-0.1QSn6.5-0.4QSn7-0.2QSn4-0.33.5～4.03～53～56～76～76～83.6～4.00.1～0.250.3～0.40.1～0.250.2～0.32.7～3.33～53～51.5～3.53.5～4.50.20.20.20.10.10.30.1表5-21特殊青铜的化学成分组别牌号代号化学成分（余量为铜）（质量分数）（%）铝铁锰镍其它杂质≤铝青铜5铝青铜7铝青铜9-2铝青铜9-4铝青铜10-3-1.5铝青铜10-4-4铝青铜QAl5QAl7QAl9-2QAl9-4QAl10-3-1.5QAl10-4-44～66～88～108～109～119.5～112～42～43.3～5.51.5～2.61～23.5～5.51.61.61.71.70.750.8铍青铜5铍青铜2.15铍青铜2.5铍青铜1.7铍青铜1.9铍青铜QBe2QBe2.15QBe2.5QBe1.7QBe1.90.2～0.60.2～0.50.2～0.40.2～0.4铍1.0～2.2铍2.0～2.3铍2.3～2.6铍1.6～1.85钛0.10～0.25铍1.85～2.10钛0.10～0.250.51.20.50.50.5硅青铜1-3硅青铜3-1硅青铜QSi1-3QSi3-10.1～0.4硅0.6～1.1硅2.75～3.50.41.1锰青铜镉青铜铬青铜5锰青铜1镉青铜0.5铬青铜QMn5QCd1QCr0.54.5～5.5镉0.9～1.2铬0.4～1.00.90.5纯铜中的杂质主要有铅、铋、氧、硫、氢等。铜中杂质的存在不仅对使用性能有较大影响，而且对铜的工艺性能也有极坏的作用。加热温度和变形程度对铜合金的组织和性能影响很大，当变形程度处于临界变形程度范围时，将引起粗晶。铜合金的临界变形程度范围大致是10％～15％，温度愈高，变形和再结晶后的晶粒尺寸也愈大。对于α＋β铜合金（包括H62、H68、HPb59-1、QAl19-4等），如果加热温度超过α＋β→β的转变点，此时由于失去了α相对β相晶界迁移的机械阻碍作用，因而晶界迁移速度很快，β晶粒迅速长大，使合金塑性降低，锻造中容易开裂，并常在锻件表面出现“蛤模皮”。粗化后的铜合金晶粒，即使采用大变形程度进行塑性变形，再结晶后的晶粒也是很粗的。这是因为铜合金的层错能低，动态再结晶的速度快，而且，大变形时的热效应也较显著，故在高温下很快再结晶并迅速长大。铜合金锻件组织中产生粗晶后，不能像碳钢那样，通过热处理的办法加以细化。因此，将使产品的力学性能降低（见表5-22）。表5-22过热与未过热试样的力学性能试样情况σb/MPaδ（%）试样情况σb/MPaδ（%）过热粗晶29034.5正常细晶41544冷变形和冷变形加时效处理对铜和铜合金性能有较大影响。纯铜的强度较低，但塑性很高。因此，可以通过冷态形变使其强化。图5-24为变形程度对纯铜力学性能的影响。冷变形使铜的强度和硬度有较大提高，但塑性指标显著降低。冷变形使铜的电导率稍有降低（约2．7％）。纯铜一般是在加工硬化状态下用作导线。还有些铜合金，也需用冷变形来提高其强度和硬度。例如，制造电极用的镉青铜（含镉的质量分数为0.8％～1.2％），经过冷变形后，可使抗拉强度从原来的600～850MPa提高到1100MPa。锆青铜也常用于制造滚焊轮，硬度要求为100～140HBS，而一般热锻和固溶时效达不到技术要求。因此，锆青铜滚焊轮一般是热锻后，950℃固溶处理，再冷变形和时效处理。图5-24变形程度对纯铜力学性能的影响铜合金的锻造特点是：1.多数铜合金在室温和高温下具有良好的塑性。大多数铜合金在室温和高温下塑性很好，可以顺利地进行锻造，而且对应力状态和变形速度均不敏感，即使在高速变形或具有拉应力存在的条件下变形仍具有足够的塑性。图5-25～图5-27为几种黄铜和青铜的塑性图。但是，有少数铜合金，例如，含锡较高的锡磷青铜（如QSn7-0.2）和含铅较高的铅黄铜（如HPb59-1、HPb64-2），塑性较低，对拉应力状态较敏感。在静拉伸应力状态下变形时，QSn7-0.2在室温呈单相α固溶体，具有很高的塑性，可以进行冷变形，但在高温下塑性很低（见图5-27），其原因是在高温下有低熔点的（α＋β＋Cu3P）共晶体存在。含铅较高的铅黄铜对变形速度很敏感，在静拉伸和动拉伸二种变形条件下的塑性有明显不同（见图5-28），这类铜合金适合在压力机上进行锻造。图5-25黄铜的塑性图图5-26铅黄铜的塑性图图5-27青铜的塑性图图5-28HPb74-3铅黄铜在不同温度下的力学性能2.存在中温脆性区从图5-25、图5-26、图5-27可以看到，铜合金存在中温脆性区。以黄铜为例，在20～200℃和650～900℃两个温度范围内有很高的塑性，而在250～650℃之间是一个脆性区，合金的塑性显著降低，很容易锻裂。其原因是合金中有铅、铋等杂质存在，它们在α固溶体中的溶解度极小，与铜形成Cu-Pb和Cu-Bi低熔点的共晶体，呈网状分布于α固溶体的晶界上，从而削弱了α晶粒之间的联系，当加热到500℃以上时，发生α→α+β转变，铅和铋溶于β固溶体中，于是塑性提高。表5-23为几种铜合金的脆性温度区。由于中温脆性区的存在，很多铜合金的α+β双相区的塑性比α单相区的塑性高。因此，锻造变形主要在α+β双相区的温度范围进行。3.锻造温度范围窄铜合金的锻造温度范围比碳钢窄。所有铜合金的锻造温度范围都不越过100～200℃，其中铅黄铜HPb59-1、铝黄铜HAl77-2、HAl60-1-1、HAl59-3-2及锡青铜QSn7-0.2、QSn6.5-0.4等合金的锻造温度范围尚不足100℃。以HPb59-1为例，当加热温度超过α+β→β转变温度（～700℃）时，β晶粒急剧长大，使塑性降低；当变形温度低于650℃时，变形抗力迅速增大，并可能进人中温脆性区。表5-23几种铜合金的脆性温度区（ε＜40%）合金牌号脆性（可低塑性）区/℃合金牌号脆性（可低塑性）区/℃H62250～650QAl5370～530H68250～650QSn4-4-2.5＞300H80400～500QSn6.5-0.1420～620H90400～650HPb64-2＞300HPb74-3＞2504.导热性好钢具有很高的导热性，热导率λ为385.48W/m℃。铜中加入合金元素后，导热性有所降低。例如。H62黄铜的热导率λ为108.94W/m℃；QAl4铝青铜的热导率则更低些，为58.66W/m℃。但总的来说，铜合金的导热性比钢好，而且铜合金的导热性随温度升高而增加。所以，铜合金可以直接高温装炉，快速加热。由于铜合金的导热性好，锻造时应采取必要的工艺措施，以尽量减少金属的热量散失。5.某些钢合金的热效应现象较显著一些铜合金，例如锡磷青铜和锰青铜，锻造时热效应现象较显著。若变形速度过快，则由于热效应的作用，容易产生过热，甚至过烧。含铅量较高（超过2.5％）的铅黄铜模锻件，在变形程度较大的部位极易开裂。其原因也就是由于变形程度较大的部位热效应显著，使合金的温度升高，引起合金中低熔点杂质的熔化，破坏了晶间的联系。另外，铜合金锻造时的外摩擦系数较大，所以流动性较差，模锻时难以成形。（二）铜合金锻造过程中的缺陷与对策1.过热、过烧铜合金加热温度超过始锻温度时要产生过热，α黄铜和（α+β）黄铜的过热倾向较大。这类黄铜，如加热温度超过β转变温度，晶粒会剧烈长大，锻造时坯料形成桔皮表面，甚至开裂。过热的（α+β）黄铜和（α+δ）铝青铜等快冷时，要出现魏氏组织。为避免过热这类铜合金的加热温度不宜超过β转变温度，即在（α+β）两相区锻造为宜。图片5-32、5-33是不同加热温度下铅黄铜的高倍组织。铅黄铜的含铜量变动范围较大（57％～60％），其实际含铜量对其β转变温度影响很大。因此，确定这种铅黄铜的转变温度时要考虑到实际钢含量的影响。根据试验，HPb59-1加热温度控制在710～730℃为宜。铜合金过烧时，模锻件表面粗糙，无金属光泽，边缘处开裂；自由锻时开裂更为严重。铜合金过烧后，断口氧化很严重，无金属光泽，裂纹沿晶界扩展。图片5-34为HPb59-1铅黄铜产生轻微过烧的显微组织。从图中可看到，β晶粒粗大，部分α相沿β晶界析出，部分呈块状在晶内析出，裂纹沿晶界扩展。图片5-35是HMn58-2铜合金严重过烧的实物图片。图片5-32HPb59-1，740℃、7.5min盐水淬火后的显微组织250×图片5-33HPb59-1，785℃、8min盐水淬火后的显微组织250×图片5-34HPb59-1铜合金锻造裂纹沿晶界扩展100×图片5-35HMn58-2铜合金严重过烧为防止过热、过烧，应严格控制加热温度和时间。在油炉和煤炉中加热时，更应准确控制炉温以保证加热质量。为避免火焰直接喷射到坯料上引起局部过烧，可以在坯料上面覆盖一层薄铁皮。2.锻造裂纹铜合金锻裂的原因主要有下列几方面：①坯料内部或表面有缺陷；②锻造温度不合适,材料塑性低；③变形程度过大或拉应力过大。钢锭的表面质量较差，内部也常常有较严重的偏析，锻造时常易开裂。因此，钢锭需经均匀化退火，锻前要进行车皮。锻造温度对铜合金的塑性影响很大。铜合金中由于加人了大量合金元素，始锻温度低，锻造温度范围窄，并存在中温脆性区。加热温度过高，容易产生过热、过烧，引起锻裂或粗晶。锻造温度过低时，有些铜合金（例如铁青铜），由于再结晶不充分，塑性降低，也常常产生裂纹。图片5-36是在高速锤上锻造的黄铜螺母，锻造温度在250～650℃范围内，在转角处均出现了裂纹，后来把锻造温度提高到750℃就再未出现裂纹。因此，要控制锻造温度不要过高或过低，并要避开中温脆性区。有些钢合金锻件由于变形程度过大（热效应显著）或局部地方应力集中等原因也常产生锻裂。自由锻操作时，要勤翻轻击，避免在同一方向连续重击，以防止因热效应而引起过热、过烧。图片5-36H62铜合金在脆性温度范围内锻裂情况3.切边撕裂铜合金锻件在胎模锻和模锻后，如立