C65500棒材产品的生产实践

黄宗耀，姜功正

(中铝上海铜业有限公司，上海 200940)

C65500高硅铜合金属于硅青铜的一种，主要合金元素包括Si、Mn、Cu及其他一些适当的添加元素，在国内主要以生产板带及线材为主，棒材的生产较少。该合金制品具有较高的机械性能，耐磨、耐蚀、焊接性能好，可热、冷态压力加工，无磁性，冲击时不产生火花，可用于制造各种弹性元件、腐蚀条件下工作的零件以及各种耐磨零件[1]。C65500高硅铜合金结晶温度范围小，在部分制造业中可作为锡青铜的代用品。

1 产品的基本要求

1.1 化学及物理性能

表1、表2分别为 ASTM B98有关C65500铜合金的化学成分及部分规格力学性能的要求。

表1 C65500合金化学成分(质量分数，%)

表2 C65500合金力学性能要求

1.2 质量要求

棒材表面应光滑清洁，不允许有裂纹、起皮、气泡、夹杂物和有手感的环状物等缺陷；棒材应进行消除内应力处理；棒材的弯曲度参照ASTM B249有关要求执行。

2 高硅铜合金中各主要元素的作用

(1)Si在硅青铜中，可增加合金的强度和硬度。研究证明随着Si含量的增加，强度和延伸率均增加，但当Si含量超过3.5%时脆性相出现，延伸率及冲击韧性值降低，所以加工用硅青铜含Si不应超过3.5%[2]；

(2)铜-硅合金中加入适量Mn，可改善机械性能、耐蚀性能和工艺性能。研究证明Si与Mn在冷却至450℃以下时有少量化合物Mn2Si析出，Mn2Si易造成硅青铜材料在冷加工后存放过程中沉淀出来，产生相变应力而引起材料的自行破裂现象。为避免该现象发生，Si含量宜取下限，并应及时进行去应力退火[2]；

(3)Zn能大量溶解于α固溶体，提高硅青铜的强度和硬度，减小结晶温度范围，改善铸造性能[2]；

(4)在硅青铜中加入少量Fe，可减少应变时效效应，减少材料存放时自行开裂的可能性。过量Fe会降低合金的耐蚀性[2]；

(5)Ni能提高硅青铜的机械性能和耐蚀性能，并兼有良好的导电性，但对本青铜合金所起作用不大[2]。

3 工艺确定

3.1 熔铸工艺

3.1.1 化学成分的确定

依据ASTM B98中有关C65500铜合金的化学成分要求及上述有关合金元素作用的分析，确立了C65500产品成分炉前控制范围及炉后内控范围(表3)。在保证Si成分范围满足标准的要求同时，考虑到过高的Si含量易产生脆性相，故Si的炉前控制范围质量分数确定为3.0%～3.3%，调整值为3.1%，炉后内控范围为2.9%～3.5%。同时为改善铸造性能，进一步提高产品的强度及硬度并降低产品自行开裂的可能性，适当添加了Zn及Fe元素[3]。

表3 C65500合金炉前及内控控制范围(质量分数，%)

3.1.2 Φ12～Φ27mm铸坯的熔铸工艺

由于硅青铜冷加工性能优越而热加工性能相对较差,根据国内生产硅青铜的经验，结合本公司现有的设备及产品结构特点，C65500采用中频熔炼，保温炉连续水平铸造的方式开坯。通过查询资料及小样试制，确定材料的熔炼温度控制在1180～1220℃之间，采用经干馏处理的木炭覆盖[4]。铸造工艺起初参考QSn6.5-0.1合金，但试制中发现表面热裂现象严重，为此，对铸造工艺及拉铸设备进行了调整。

依据C65500产品导热性较差且易产生铸造裂纹的特点，根据现有设备特性，将原先的冷却方式调整为二次分散喷雾(汽)冷却方式，铸造速度调整为0.45～0.7m/min，节距3 mm，停拉比按材料特性应调整至1.0以上，但受拉铸设备限制现为1∶1，冷却水压0.3MPa，铸造温度1180～1220℃，保温炉采用石墨粉覆盖。经反复试制，确定了现行的上述铸造工艺参数，铸坯规格范围也从开始试制的Φ12 ～Φ15 mm 线坯，扩展至Φ12 ～Φ27mm，并形成批量生产能力。

3.2 冷加工工艺

连铸锭坯→拉伸→退火→拉伸→刨皮→拉伸成品→校直抛光→剪切→去应力退火→检验→入库。

3.2.1 拉伸

拉伸过程是塑性变形的过程，即合金晶体滑移过程，滑移系越多，塑性变形越好。从C65500 Φ12.5mm再结晶退火后的金相组织(图1)中可以看出，其相组织为α相单相固溶体(基体)+少量Mn2Si相。α相为面心立方结构，有12个滑移系，所以该合金有较好的冷加工塑性。随着冷加工变形的加大，晶粒外形沿变形方向被拉长，从而阻碍晶体滑移的发生，即产生了加工硬化，具体表现在其硬度强度不断升高，延伸率不断下降。图2为加工后的金相组织(35%加工率，300℃去应力退火)。

图1金相组织(680℃×3.0h) 150X 图2加工态金相组织 (35%加工率) 150X

不同用途的零件，对成品最终性能的要求不同，将经680℃、保温3h退火后的20mm棒坯，拉伸不同变形量后，测出相应的抗拉强度和延伸率。测试结果表明，随变形量不断增大，抗拉强度逐渐上升，而延伸率不断下降，表4为变形量与力学性能的关系。

性能控制。采用变形量控制成品最终性能的方法，经多次试验，变形量控制在32%～38%时满足ASTM B98 H04性能要求, 变形量控制在15%～25%时满足ASTM B98 H02性能要求(表5)。

质量控制。为了得到表面光洁、平直度好的直条成品(Φ3.0～Φ16mm)，采用从德国舒马格(Schumag)公司引进的0B型、ⅠB型联合拉拔机，从拉伸、校直、抛光一次完成，其弯曲度小于1mm/m，满足了用户自动车床高速切削的使用要求。

表4 冷变形量与力学性能表

3.2.2 中间退火

当C65500合金经一定变形量加工后，产生了加工硬化，为了便于进一步加工，需中间退火。中间退火即再结晶退火，使合金被拉长的晶粒得以恢复，退火工艺的选择将直接影响合金的加工性能和成品的最终性能。保温时间相同，退火温度过低合金再结晶不充分，不能使合金完全得到软化，进而影响下一步加工；退火温度过高，使再结晶退火进入聚集再结晶阶段，晶粒粗大，同样对加工不利。表6为C65500合金 (Φ15.88mm棒材、35%加工率)力学性能与退火温度的关系。从表中看出，该合金在450℃时，已完成再结晶退火，650～750℃时，已完全完成了再结晶，且其延伸率较高，完全具有良好的再加工需要。实践证明，该退火工艺较合理。

表5 部分试制规格变形量及性能值

表6 不同退火温度(保温1h)的力学性能

4 结论

(1)C65500合金具有明显的铸造特点及冷加工特性。控制主成分Si、Mn的含量，尤其控制Si含量低于3.5%，可降低产品加工后的存放自裂现象。适当添加Zn及Fe有利于提高机械性能，改善铸造性能，降低自裂现象。合理的铸造工艺，可降低铸坯热裂及内部缺陷；

(2)C65500合金具有较好的冷加工性能，以变形量控制性能，其H02、H04态成品变形量分别选择在15%～25%和32%～38%为易。C65500合金的中间退火温度选择在650～750℃、保温3h，经过该工艺退火的合金加工硬化基本得以消除，且具有良好的冷加

工性能。经过多次试制及批量生产后的C65500Φ3～Φ18mm的直条成品，工艺可靠，产品质量稳定，各项技术指标均满足ASTMB98标准的要求。

C65500高硅青铜作为欧美市场一种用途较广的铜合金材料，在国内采购市场，尤其是采用美国标准生产的棒材产品，目前还处于起步阶段，有着广阔的市场前景。

[1] 钟卫佳,马克定,吴维治.铜加工技术实用手册[M].冶金工业出版社,2007. 217.

[2] 李明洲,夏立信,李著恺等.重有色金属加工手册(第1分册)[M].冶金工业出版社,243-247.

[3] 田荣璋,王祝堂等.铜合金及其加工手册[M].中南大学出版社,2002.287.

[4] 钟卫佳,马克定,吴维治.铜加工技术实用手册[M].冶金工业出版社,2007. 332.