铜合金铸锭典型缺陷产生的原因及解决办法

袁孚胜，郭峰

（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌，330031）

铜合金铸锭典型缺陷产生的原因及解决办法

袁孚胜，郭峰

（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌，330031）

总结了铜及其合金铸锭生产中产生的偏析、气孔、缩孔与缩松、夹杂、裂纹及冷隔等几种典型缺陷，并分析了这些缺陷产生的原因，探讨了相应的解决方法。

铜合金;铸锭;缺陷;原因分析;解决办法

随着铜在电子信息、通讯及航空等领域的应用越来越广泛，下游企业对铜产品的质量要求也越来越高。而在铜及其合金的铸锭生产过程中，经常出现诸如偏析、气孔、缩孔与缩松、夹杂、裂纹及冷隔等缺陷，影响铸锭质量。本文拟针对铜铸锭生产中的主要缺陷，逐一进行分析，探讨其产生原因及解决方法。

1 偏析

偏析是指金属凝固后，铸锭中出现的化学成分不均匀的现象，可分为显微偏析和宏观偏析。显微偏析是指在一个晶粒范围内的偏析，它包括晶内偏析和晶界偏析。宏观偏析是指在较大区域内的偏析，亦称区域偏析，包括正偏析、反偏析、比重偏析等。铜合金中最典型的反偏析合金为锡磷青铜[1]，严重时该合金铸锭表面出现呈灰白色的大块状偏析瘤，俗称“锡汗”。

1.1 产生原因

偏析的产生原因经分析主要有以下几点：1)合金凝固特性引起显微偏析和正偏析;不同液态相比重不同，冷却缓慢引起比重偏析。2)在凝固过程中，由于体积收缩形成的较大压力差和粗大枝晶间孔隙构成的毛细管力联合作用以及其它原因，会引起反偏析(锡磷青铜)。3)熔化温度低、时间短、搅拌不均匀等原因均能引起点状随机偏析或区域偏析。

1.2 解决办法

解决办法：1）杂质会引起凝固的晶界处出现晶界偏析，控制杂质含量能有效减少晶界偏析；2）细化晶粒，增加结晶形核，使同时结晶的粒子增加，能有效减少正、反偏析；3）采取均匀化处理(即在一定的温度下保温一定时间),会使晶内不同浓度的溶质元素发生运动，最终达到晶内成分均匀，能有效处理枝晶偏析；4）减小铸锭与结晶器间的间隙，减少结晶器内表面摩擦阻力，可使冷速下降，扩散充分，如采用短结晶器、热顶铸造、电磁铸造等；5）增大冷却强度，降低浇温，加强二次冷却，使液穴浅平等，可提高冷却速度，增大过冷度，使形核率增大，结晶快。

2 气孔

气孔是指金属在凝固过程中，气体未能及时逸出而滞留于熔体内形成气孔。气孔一般呈圆形、椭圆形或长条形，单个或成串状分布，内壁光滑。按气孔在铸锭中出现的位置分为内部气孔、皮下气孔和表面气孔[2-3]。

2.1 产生原因

气孔的产生原因主要有：1）炉衬、工模具、覆盖剂、原辅材料等潮湿或含气量高，除气、精炼不充分，导致产生的气体形成气泡后，来不及上浮逸出而形成反应型气孔；2）铸造温度高，速度快，冷却水压大或二次冷却水射角大，形成析出型气孔；3）熔铸时保护不良，熔体吸气或环境潮湿水气较大；4）结晶器渗水，润滑油中含水分或给油量过大等，使其反应生成氢气和水蒸汽等气体进入凝固区，在柱状晶表面形成气泡，来不及脱离柱状晶表面被柱状晶封住，形成皮下气孔。

2.2 解决办法

解决办法：1）严格控制铜液和造型材料成分，特别注意水分含量；2）合理控制铜液浇注温度和浇注速度；3）浇注时铜液不断流，液柱短，减少空气的卷入；4）改进母模设计，气体不易排出的部位留够出气孔。

3 缩孔与缩松

缩孔或缩松是指金属在凝固过程中，发生体积收缩，熔体不能及时补充，出现收缩孔洞。容积大而集中的缩孔称为集中缩孔，细小而分散的缩孔称为缩松，其中出现在晶界和枝晶间借助于显微镜观察的缩松称为显微缩松。缩孔表面多参差不齐，近似锯齿状，晶界和枝晶间的缩孔多带棱角，有些缩孔常为析出的气体所充填，孔壁较平滑，此时的缩孔也是气孔，缩孔内往往伴生低熔点物。

3.1 产生原因

缩孔或缩松的产生原因主要有：1）熔炼工艺不合理，浇铸温度较低，补缩不良，断流；2）冷却强度较大，浇铸速度快；3）结晶器设计不合理，保温帽太低、潮湿；4）合金结晶温度范围宽，流动性差。

3.2 解决办法

1）根据合金的体收缩特性、结晶温度范围大小及铸锭结构等，制定正确的铸锭工艺；2）在保证铸锭自下而上顺序凝固的条件下，尽可能使缩松转化为铸锭头部的缩孔，然后通过人工补缩来消除；3）在锭模铸锭的情况下，合理设计模壁厚度和锭坯的宽厚比或高径比，采用上大下小的锭模及加补缩冒口；4)在浇注时适当提高浇温、降低浇速，浇注完毕随即进行补缩，可以减小缩孔并使其集中在冒口部分[4]。

4 夹杂

夹杂是指在铸锭中存在与基体有明显分界面、性能相差悬殊的金属或非金属物。其在金属基体内有一定的形状和颜色，常见的有点状、球状、不规则块状以及针、片状或薄膜状等，经浸蚀后，颜色与基体有较大差异[5]。

4.1 产生原因

夹杂产生的原因主要有：1）熔炼温度低，时间短，纯金属颗粒较大，搅拌不充分；2）去渣精炼不良，扒渣不净，润滑油或涂料过多；3）铸造温度低，速度快或熔体翻动剧烈以及铸造工艺不当或炉料混杂等。

4.2 解决办法

针对夹杂的产生原因,可通过彻底精炼去渣，适当提高浇温和降低浇速,确保供流平稳均匀，保持工模具干燥等途径减少夹杂的产生。

5 裂纹

金属在凝固过程中产生的裂纹称为热裂纹。凝固后产生的裂纹称为冷裂纹。裂纹形态各异，种类繁多。热裂纹多沿晶界扩展，曲折而不规则，常出现分枝，裂纹内可能夹有氧化膜或表面略带氧化色；冷裂纹常为穿晶裂纹，多呈直线扩展，裂纹较规则、挺拔平直[6]。

5.1 产生原因

裂纹产生的原因主要有：1）铸造温度不合适，速度快，冷却速度过大或过小，冷却不均匀；2）连铸拉停工艺不当；3）合金本身有热脆性，强度差；4）覆盖剂或润滑剂选择不合理；5）结晶器、坩埚、托座、浇铸管等设计不良，变形或安装不当。

5.2 解决办法

解决办法：1)合理控制成分，避开临界共晶量范围，提高其强度塑性；2）选择合适的工艺措施，采用低温浇注、低浇速、低金属液面水平、均匀供流及冷却等措施，均有利于防止产生通心裂纹。3）变质处理，加入适量的变质剂，可减少晶界上低熔点共晶量，改善其分布，细化晶粒，分散低熔点物质等，能减轻铸锭产生裂纹的倾向[7]。

6 冷隔

冷隔是对铸锭表面出现折皱或层叠状的缺陷，或者内部出现金属不连续现象的统称。冷隔的铸锭外表面不平整，层与层之间不连续，横断面分层，中间往往有氧化膜并伴生气孔等缺陷。冷隔按出现的部位不同分表面冷隔、皮下冷隔和中心冷隔[8]。

6.1 产生原因

冷隔的产生原因主要有：1)浇铸温度低，冷却水压高，浇速不稳定，液面波动大；2)中间断流，补缩不良；3)结晶器内壁结构设计不合理，选材不当。

6.2 解决办法

解决办法：1）减轻金属液面氧化程度，使金属液面不形成氧化膜或使氧化膜的表面张力小于金属液水平流动压力；2）保持金属液面具有较高的温度；3）改进浇注系统，提高浇注温度和浇注速度。

7 结语

综上所述，铜及铜合金吸气、氧化是造成铸锭缺陷的主要原因，必须从原辅材料的选择、熔炼前的原料准备、熔炼过程中各工序的把控入手，对整个工艺过程进行严格控制，才能有效防止。不同规格和合金成分的铸锭，其工艺要求也不一样，生产过程中产生的缺陷也不一样，因此在具体生产过程中，需认真分析原由，综合考虑各项因素，并且结合生产单位的现有条件，采取有效措施加以控制和防止。一般而言，严格控制生产工艺过程，同时选择先进可靠的生产设备和检测设备是保证生产正常进行的有效途径。

[1]刘相甫.QSn6.5-0.1水平连铸带坯质量的探讨[J].铜加工,1992(4): 86-87.

[2]隋艳伟,李邦盛,刘爱辉,等.离心铸造铝铜合金缩孔缺陷研究[J].铸造,2008,57(12):1284-1287.

[3]子澍.铜铸件针孔形成机理及消除措施[J].铸造技术,2009,30(11): 1468-1471.

[4]汤伟,周子民,俞世德.无铅锡青铜铸件气缩孔缺陷的防止对策[J].铸造技术,2006(4):422-424.

[5]钟卫佳.铜加工技术实用手册[M].北京:冶金工业出版社,2007.

[6]马宏声,孝云祯.有色金属熔炼与铸锭[M].沈阳:东北大学出版社, 1994.

[7]陈在平,肖宁,朱成才.一种新型铜基合金铸锭的缺陷及预防措施[J].航空制造技术,2009(19):85-86.

[8]苏义祥,门志慧.纯铜熔炼及铸件缺陷分析和预防措施[J].铸造, 2005,54(9):919-921.

Reason of Common Defect of Copper Alloy Ingot and Its Solution

YUAN Fu-sheng,GUO Feng
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

This paper summarizes such common defects as segregation,air hole,shrinkage hole and shrinkage porosity,inclusion, crack and cold shut produced during copper and its alloy ingot production,analyzes the caused reason and discusses corresponding solution.

copper alloy;ingot;defect;reason analysis;solution

TG146.1+1

B

1004-4345(2014)03-0027-02

2014-03-31

袁孚胜（1984—），男，工程师，主要从事有色金属加工设计工作。