c17200铍铜合金锻造开裂原因分析

C17200铍铜合金锻造开裂原因分析

岳丽娟，张 勇，焦晓亮，曹虎成

（宁夏中色新材料有限公司，宁夏 石嘴山 753000）

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科学技术

通过对C17200铍铜合金锻造开裂的样品进行化学成分、微观组织及微区成分分析，利用扫描电镜和能谱分析手段，从摘  要：

微观组织和原料内部组织两方面对锻造开裂的原因进行了分析。结果表明，铸态组织中存在夹杂和片层状的共晶组织是导致C17200铍铜合金锻造开裂的主要原因。

铍铜合金；锻造；开裂；共晶组织关键词：

TB31󰀃󰀃A󰀃󰀃󰀃11-5004（2019）11-0111-3中图分类号：文献标识码：文章编号：

铍青铜是一种典型的沉淀强化型合金，经冷加工和固溶时

效热处理后，可达到高强高硬的目的，享有有色金属“弹性之王”的美誉。因铍铜合金具有高强高弹，优良的耐磨性、抗腐蚀性及弹性滞后小等特点，被广泛应用于航空航天、仪器仪表、矿山冶金、汽车家电等行业，主要用于制造弹簧弹片、汽车零配件、耐磨轴承、接插件、温控器以及无火花工具等。

随着信息技术、通讯设施及电阻焊机零部件、安全工具、金属模具材料等方面的开发应用，铸锻铍铜合金的需求量增长迅速，特别是近些年兴起的海底通讯电缆中继器外壳用套管、发电机环、非晶带用急冷轧辊等等，应用领域非常广阔。限于铍资源的稀缺和生产工艺的复杂性，只有少数几个国家能够生产铍青铜，由于铍铜合金在锻造加工过程中容易开裂，生产成本高、成材率低，导致产品供不应求。

本文针对铍铜合金锻造中开裂现象，通过分析材料化学成分，利用扫描电镜观察开裂的组织形貌以及能谱分析方法，对铍铜合金锻造开裂的原因进行分析，为提高产品质量和改进工艺提供相关依据[1]。

1 试验方法与结果

1.1 取样

为了找出铍青铜合金铸锭在锻造过程中开裂的根本原因，本文的相关研究是基于外部条件（熔铸工艺、铸锭规格、锻造工艺等）完全相同的情况下，主要分析材料的内部组织。分别取3组开裂和未开裂的样品进行化学成分、组织形貌和微区成分分析，确定材料成分、内部组织对锻造性能的影响。1.2 化学成分

利用ICP等离子体光电直读光谱仪对样品的化学成分进行检测，结果见表1。

表1  样品的化学成分（%）

ElementsBeCoFeAlSiPbGB/T5231标准1.8~2.10.2~0.5≤0.15≤0.15≤0.15≤0.005开裂样品1#1.880.220.0670.0430.053＜0.002开裂样品2#1.920.210.0930.0370.062＜0.002开裂样品3#1.870.240.0580.0490.084＜0.002未开裂样品1#1.850.230.0720.0320.027＜0.002未开裂样品2#1.0.220.0450.0420.031＜0.002未开裂样品3#

1.84

0.22

0.051

0.033

0.046

＜0.002

收稿日期：

2019-11基金项目：

宁夏回族自治区重点研发计划重大（重点）项目（2018BCE01003）。作者简介：

岳丽娟，女，生于1976年，汉族，宁夏石嘴山人，工程硕士，高级工程师，研究方向：铜及铜合金生产研究。

表2  样品的杂质含量（%）

ElementsCaMgBa总量开裂样品1#0.0250.0350.0610.284开裂样品2#0.0470.0310.0240.294开裂样品3#0.0280.0280.00930.256未开裂样品1#0.0220.0110.0110.175未开裂样品2#0.0190.0190.0150.171未开裂样品3#

0.026

0.020

0.0083

0.184

从表1的结果可以看出，从化学成分上来讲，开裂和未开裂

处的成分均满足GB/T5231-2012《加工铜󰀃化学成分和产品形状》中的要求。可以说，开裂和未开裂的样品中，作为合金元素主成分的Be、Co没有明显差异。杂质元素含量见表2，从表2中可以看出，两类样品的杂质含量特别是总量上存在显著差异，3组开裂样品的杂质总量要高出未开裂样品的杂质总量。

在铍铜合金中，Ca、Ba、Mg等元素是对合金性能有不良影响的有害杂质元素。Ca几乎不溶于铜，Ba是活泼的碱土金属元素，作为杂质存在的Ca、Ba在铍铜合金中以氧化物的形式存在。Mg在铍铜中会抑制Be元素的固溶度，由于第二相的产生会影响合金的加工性能，随着有害杂质元素含量的升高其影响就越大。因此，在铍铜合金冶炼过程中，要严格控制Ca、Mg、Ba等杂质

元素的含量，各种杂质元素越低越好[2]

。1.3 金相检验

采用0lympus󰀃Gx5󰀃1金相显微镜，分别观察开裂和未开裂样品的微观组织，裂纹的成因进行组织分析，有助于了解形成裂纹的内在原因。金相结果见图1和图2。

图1   开裂处的金相 200X

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图2  未开裂样品金相 200X

从金相检测结果来看，开裂处的样品中存在夹杂点和粗大β相，而且晶粒大小非常不均匀；而未开裂处的样品则晶界清晰、晶粒均匀、晶内无夹杂异物。1.4 开裂处形貌及能谱分析

图3  裂纹宏观形貌 200X

图4  裂纹宏观形貌 1000X

通过对锻造开裂样品进行扫描电镜和能谱分析可知，材料

内部存在金属Co的富集，并且存在Ca、Al、Ba、O、Si、Fe等杂质元素。

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图5  夹杂及颗粒物微区分析

(a分布图；b面总谱图；c、d、e、f点扫谱图)

1.5 铸锭内部组织分析

为了进一步搞清楚锻造开裂的原因，进一步对原材料——锻造开裂的铸锭保留样进行分析，采用金相、扫描电镜、能谱分析的方法，分析铸态组织及冶金缺陷。铸态金相如图6、图7所示。

图6  铸态金相100X

图7  铸态金相 200X

铸态样品在扫描电镜下观察，100倍时发现许多小亮点，如

图8所示。

图8  铸态SEM组织100X

进一步对亮点区域放大并进行能谱分析可知，亮点为Ca、Ba、O等氧化物夹杂点，如图9所示。

图9  铸态组织中夹杂物分析（a分布图；b、c点扫谱图）

对锻造前铸锭的样品进行追踪分析，发现开裂铸锭的内部存在片层状的共晶组织，结果见图10和图11。

图10  铸锭的共晶组织（a 500X；b 1000X）

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图11  共晶组织能谱分析（a分布图；b面总谱图）

共晶组织形成的原因是由于合金自高温冷却时，从母相中

同时析出紧密相邻的两种不同的相构成的组织。

铍青铜在高温下具有良好塑性，完全具备顺利地进行锻造加工的要求。但由于合金熔铸过程中，原材料内部组织和化学成份会存在一定的不均匀性，铜与其中的杂质形成了低熔点共晶物。加热时，晶界上的低熔点物质发生熔化引起晶界弱化，会严重降低材料的塑性；锻造过程中晶界处的变形较大，而晶界处又往往是冶金缺陷、第二相和非金属夹杂比较集中的地方。另外，铸锭中的共晶组织使铍铜表现出了明显的热脆性，在锻造应力的作用下容易产生热裂纹。上述多种原因是合金在锻造过程中裂纹产生和扩展的主要原因。

2 结论

（1）从化学成分上来讲，开裂处和未开裂处的宏观成分并无显著差异，开裂样品的杂质含量稍高。（2）通过金相组织分析，开裂样的金相组织与正常样品的金相组织相比，晶粒大小不均较为明显。（3）开裂样品的分析结果显示，合金中存在金属Co的富集，且富集区中存在较多的Ca、Al、Ba、O、Si、Fe等杂质元素。（4）通过扫描电镜和能谱分析手段对锻造开裂的铸锭进行追溯分析，发现铸态组织中存在Ca、Ba、O等氧化物夹杂点，而且铸态合金中存在较多的共晶组织。

由于杂质含量偏高，存在氧化物夹杂，导致基体材料的塑性变差，在锻造应力的作用下，夹杂物将成为材料抵抗变形的薄弱点，极易产生应力集中并形成裂纹源。因此，为了防止锻造裂纹的产生，熔铸过程中要严格控制冶金质量，降低减少和消除夹杂物，尽可能改善坯料成分、组织的均匀性，避免出现共晶组织。另外铸锭采用高温均匀化处理，能够在一定程度上改善组织不均匀性，提高材料的塑性。

参考文献

[1]󰀃重有色金属材料加工手册编写组.重有色金属材料加工手册《第一分册》北

京：北京冶金工业出版社，1979.

[2]󰀃

钟卫佳,马可定,吴维治.铜加工技术实用手册．北京：冶金工业出版社.2007.1

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