導讀: 銅合金具有高強度、高導電、高導熱、高耐蝕、色澤美麗等優(yōu)良性能，被廣泛地應用于電氣、輕工、機械制造、建筑工業(yè)、國防工業(yè)等領(lǐng)域。銅及銅合金板帶材生產(chǎn)約占銅加工材總量的20％～30％。

由于傳統(tǒng)工藝設(shè)備資金投入少、技術(shù)要求低、建設(shè)周期短、見效快、生產(chǎn)靈活、生產(chǎn)成本低、經(jīng)濟效益好等優(yōu)點，目前銅合金帶材生產(chǎn)多數(shù)仍采用***成熟的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法：熔煉--半連續(xù)鑄造--熱軋--冷軋方法；在高精板帶卷式軋制方面采用較為先進的熔煉--水平連鑄--冷軋工藝。

采用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)H68銅合金帶材，生產(chǎn)流程為：低頻感應爐熔煉--半連續(xù)鑄造機獲得鑄坯--鋸切、銑面--環(huán)形加熱爐加熱--熱軋開坯--冷軋粗軋--裁邊、打卷--退火--酸洗--水洗--烘干--冷軋精軋--成品處理。由半連續(xù)鑄造生產(chǎn)的H68銅合金鑄錠，經(jīng)熱軋后出現(xiàn)表面缺陷，帶坯報廢。

從報廢帶坯截取有缺陷部分，規(guī)格35 mm×240mm×45mm(h×b×l)，表面缺陷宏觀形貌如圖1所示。經(jīng)觀察，帶坯表面比較光滑、為黃褐色、有氧化層，內(nèi)部為黃色。表面有沿軋制方向的縱向裂紋或部分沿軋制方向的裂紋、極少垂直軋制方向的橫向裂紋、還有部分類似孔洞類缺陷，缺陷產(chǎn)生區(qū)域較集中，裂紋和孔洞類缺陷有較大的塑性變形。部分缺陷裂紋為長直狀、主要沿軋制方向，較深，數(shù)量較少，***大裂紋長約20 mm，深約3～4 mm；

 依據(jù)有色金屬行業(yè)標準，采用等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)對帶材進行元素含量分析。帶材化學成分元素含量如表1所示。其中雜質(zhì)含量：P<0.01％，Bi，Sb，As均小于0.005％。帶材成分含量符合國家標準要求。

對H68銅合金帶材樣品進行截取、研磨、采用三氯化鐵鹽酸水溶液(配比：6 g FeCl3+10 mlHCl+90 ml水)對其進行腐蝕處理，若黃銅中有β相存在，經(jīng)此種腐蝕液浸蝕變黑。由金相分析：帶材實驗樣品組織為單相α黃銅，不含有β 相。裂紋缺陷以穿晶為主，如圖2所示，在穿晶過程中有撕裂晶界、沿晶擴展現(xiàn)象，有個別短小裂紋以沿晶開裂及擴展為主。

采用掃描電鏡對H68銅合金表面缺陷的微觀形貌進行分析，其典型形貌如圖3所示。分析得出：絕大多數(shù)裂紋的微觀形貌為經(jīng)過塑性變形的孔洞，內(nèi)表面比較光滑，無明顯韌窩，有些明顯顯出孔隙性缺陷的特征。根據(jù)能譜分析缺陷內(nèi)表面有氧化銅和氧化鋅的氧化層。運用能譜分析對缺陷附近與內(nèi)部的元素成分含量進行了面掃描、線掃描、點成分分析，顯示雜質(zhì)元素含量微少，并且主要元素及雜質(zhì)元素不存在明顯的晶界偏析。

由此可知此類缺陷是由皮下氣孔產(chǎn)生。而對于半連續(xù)鑄造氣孔容易在皮下成群出現(xiàn)。在鑄造過程中產(chǎn)生的皮下氣孔，在熱軋前的加熱過程中，爐內(nèi)氣體就可能穿過皮下氣孔與金屬表面之間這層很薄的金屬而進入到氣孔，使皮下氣孔內(nèi)表面氧化，生成氧化鋅和氧化銅為主的氧化層。在帶材熱軋時，氣體體積縮小、壓力增大，由于表面層燒蝕和氣孔壓力增大突破表面金屬層，皮下氣孔破裂變成表面缺陷，且氧化層的存在使得皮下氣孔無法通過壓力加工焊合。由于氣孔在軋制過程中產(chǎn)生塑性變形，引起應力集中，使得裂紋沿氣孔應力集中處萌生和擴展，就出現(xiàn)了沿軋制方向延伸的小裂紋；經(jīng)過多道次的軋制，使得裂紋擴大，產(chǎn)生的裂紋使氣孔連接形成更大的表面缺陷，引起表面的局部撕裂，產(chǎn)生表面層掉落現(xiàn)象。由于以上原因形成的裂紋由表面向內(nèi)擴展，并存在繼續(xù)擴展的傾向。

圖4所示；裂紋內(nèi)部有微小二次裂紋萌生和擴展；

圖5所示。在帶材實驗樣品中，還存在其他種類的缺陷形態(tài)；

圖6所示。

根據(jù)能譜分析對缺陷內(nèi)部及缺陷附近質(zhì)點的元素進行測定，說明帶材表面含有Al，Al2O3，CaO，SiO2等夾雜，還含有Na,Mg,Ag,K,Fe,S,Cl等雜質(zhì)元素，部分雜質(zhì)元素能譜分析結(jié)果如圖7、圖8所示?？梢姶祟惾毕菔怯捎谠阼T造過程中，夾雜和雜質(zhì)元素卷入鑄錠皮下或表面，在軋制過程中暴露，由于和基體的變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生應力集中，顯微空洞生核、長大、聚集，由于孔洞集聚形成裂紋，空洞長大并和其他空洞連接在一起就形成了韌窩形貌。

在實驗的帶材中，發(fā)現(xiàn)裂紋的擴展除了在鈍化的主裂紋頂端形核、連續(xù)擴展的方式之外，還存在微裂紋在無位錯區(qū)中形核、不連續(xù)擴展(Z字形擴展)，如圖9所示。

金屬塑性變形的主要方式是滑移和孿生。根據(jù)Stroh理論，在晶粒邊界、晶粒內(nèi)或晶界的應變集中區(qū)、第二相界面處，容易發(fā)生位錯塞積，微裂紋可在位錯塞積部位形核。面心立方合金中形變孿晶可以按極軸機制產(chǎn)生；在一定的應力條件下，滑移位錯分解成不完全位錯，不完全位錯的運動產(chǎn)生形變孿晶；在裂尖發(fā)射位錯平衡后，形成的無位錯區(qū)域是一個應變很高的異常彈性區(qū)，也可能產(chǎn)生微孿晶；對H68銅合金拉伸時的觀察顯示出裂尖前方存在形變孿晶，裂紋呈Z字形擴展。當主裂紋尖端發(fā)射位錯時，在裂紋前方無位錯區(qū)出現(xiàn)微孿晶，形成微裂紋；由于微裂紋與主裂紋匯合使主裂紋鈍化，微裂紋難以沿原來方向擴展；裂紋前方又有新的微孿晶生成，從而撕裂沿另一方向形成微裂紋；微裂紋鈍化；以上過程反復進行，就形成了Z字形裂紋。 

根據(jù)以上分析，H68銅合金帶材的表面缺陷主要由于鑄造過程皮下氣孔形成，需要從熔煉和鑄造兩方面著手減少或消除此類缺陷。

(1)黃銅熔煉采用獨特的沸騰除氣法。熔煉過程的爐襯、工具、模具等需要保持干燥，進行充分的預熱，爐料、覆蓋劑、脫氧劑等應進行干燥處理，除氣處理要充分，要盡量減少含氣量。

(2)在半連續(xù)鑄造過程中，盡量減少外來水分蒸發(fā)滲入到鑄錠而成氣孔。要保持鑄造溫度合理，保證不會由于溫度過高或過低使含氣量高或影響氣體排出；保證速度在合理范圍內(nèi)，銅液無斷流、力求鑄錠表面光滑；控制一次冷卻強度和二次冷卻水的流量噴水角度等；對其他可能帶來水分的鑄造設(shè)備或材料進行適當處理，保證鑄造過程無水。

表面缺陷產(chǎn)生的次要因素是由夾雜引起。可能是在金屬熔煉過程中，采用人工加料和攪拌，由于熔煉溫度低，時間短，攪拌不充分，加入的純金屬顆粒較大或者加入順序不合理等原因，使得金屬熔化不充分，形成夾雜；或合金熔煉過程的耐火材料爐襯的脫落和摻入，舊料中本身含有雜質(zhì)元素及鑄造過程的覆蓋劑不合格等外在因素導致夾雜產(chǎn)生。需優(yōu)化和規(guī)范熔煉及鑄造工藝，嚴格控制原料來源，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。

來源：銅合金熔鑄