徐兴莉,李文兵
(1.甘肃有色冶金职业技术学院,甘肃 金昌 737100;2.金川集团精密铜材有限公司,甘肃 金昌 737100)
BFe10-1-1铜合金管广泛应用于火力发电、舰船、海水淡化、制糖制盐以及化工核电等热交换凝汽器中,具有很大的市场空间。通过检测分析BFe10-1-1铜合金冷凝管生产过程中,在不同工艺条件下该材料的组织结构与性能,进而优化其制备工艺参数,形成低成本高质量的最终产品。
本文结合国内某铜镍合金无缝管生产企业的铸造工艺和生产实际,研究BFe10-1-1铜合金管在铸态和挤压态下试样的组织结构与性能演变规律[1]。
国内某铜镍合金无缝管生产企业提供的两批BFe10-1-1合金铸锭与管材,其中铸锭直径为Φ310、挤压管尺寸为Φ110×10。两批料分别命名为1号与2号。分别在两批样的铸锭上各剖切样品10件,其中6件为观察微观金相组织样品,1件为宏观组织观察样品,3件为拉伸试验样品。分别在两批样的挤压后的管材的头部和尾部上各剖切样品4件,其中2件为观察微观金相组织样品,2件为拉伸试验样品。重点分析研究在铸态和挤压态下试样的组织结构与性能演变规律。
2.1.1 实验仪器
锯切机、SD100-III端面式气砂轮机、数码相机。
2.1.2 实验方法与条件
(1)取样:分别在相同条件下连铸出两根Φ310铸锭,试样编号分别为1号与2号,分别在1号与2号的中间切取两个圆饼。
(2)磨光:采用端面式气砂轮机将切取的试样依次用60#、80#、120#、180#、240#、320#百叶片进行打磨表面,在每换下一种百叶片前,要保证该平面每一个地方都用这种百叶片完全打磨过。
(3)抛光:采用尼龙纤维抛光轮进行抛光,抛光时可以选水润滑,得到平整、光滑、无痕的镜面为止。
(4)腐蚀试样:侵蚀剂成分:30%~50%硝酸水溶液,侵蚀后迅速用大量清水冲洗。侵蚀要均匀适度,侵蚀过轻,组织和缺陷显示不充分,侵蚀过重,表面会出现腐蚀麻坑。
(5)组织观察与拍摄:观察合金的宏观组织的晶粒形状、晶粒大小以及分布特征。此外,准备做宏观照相的试样应精细制备,侵蚀均匀,组织清晰,保持清洁[2]。
2.2.1 实验仪器
双盘式金相预磨机;双盘式金相抛光机;MIAPS金相显微镜。
2.2.2 实验方法与条件
试样经取样、磨光、抛光、腐蚀后用金相显微镜和数码相机观察。在金相显微镜上观察金相组织,分别选用放大倍数为100×、200×。观察合金晶粒尺寸、分布,形状并拍摄照片供后续微观组织分析。
在铸态、挤压态管材上各取三个拉伸试样,测试拉伸力学性能:抗拉强度σb、弹性模量E、屈服强度σ0.2、延伸率δ。结果为三个试样的平均值。拉伸试样的尺寸根据GB/T228-2010的标准要求制定。
2.4.1 铸锭宏观组织
直接水冷半连续铸造Φ310铸锭的横向组织中,从表至里,结晶组织明显分为三个区带,表层细等轴晶带、中心区域的粗大等轴晶带和位于二者之间的柱状晶带[3]。
2.4.2 铸锭微观组织
在熔体中的结晶过程分为生核和晶体长大两个阶段。熔体中首先生成很小但很稳定的固体质点,即晶核,然后长大变成晶体。从微观上分析,该晶体是按照树枝状结构长大。枝晶粗化很容易观察到,如图1,其中图(a)为2号铸锭微观组织图,图(b)为1号铸锭微观组织图。一次轴接近0.7mm,它的上面大约有二十个二次轴,并且这些二次轴与一次轴具有一定角度规则排列。相邻两个二次轴的距离大约为0.02mm。二次轴的生长朝着与其相邻的二次轴方向生长。由于最终彼此阻碍继续生长,从而消失。此外,在结晶过程中,晶体数量的增加也能观察到。
2.4.3 BFe10-1-1合金挤压态显微组织分析
选取热挤压后有代表性的样品的横截面、纵断面经过磨平,抛光,腐蚀后观察并照金相照片,如图2(a)、(b)、所示,其中(a)为2号挤压管材头部横截面微观组织图,(b)为1号挤压管材头部横截面微观组织图,从(a)、(b)、2张图中可以看出热挤压得到的微观组织是相,晶粒尺寸较挤压前铸态的晶粒尺寸有明显减小。由于热挤压温度较高,所以BFe10-1-1合金挤压态的微观组织全部是再结晶组织。通过比较图(a)与图(b),在管材相同部位的2号挤压态管材的晶粒尺寸比1号挤压态管的晶粒尺寸相对小一些。
图2 BFe10-1-1合金挤压态管材微观组织图
2.4.4 拉伸力学性能结果分析
针对BFe10-1-1合金的铸锭以及挤压态的管材分别进行了拉伸试验,其中1号和2号铸锭上取2组试样,1号和2号挤压管材上分别在管子的中部各取一组试样。经拉伸试验测得,2号铸态的抗拉强度分别为259MPa、263MPa,屈服强度分别为209MPa、209MPa,断后伸长率分别为38.8%、41.7%;1号铸态的抗拉强度分别为249MPa、245MPa,屈服强度分别为209MPa、208MPa,断后伸长率分别为35.25%、31.4%;2号挤压态管材的抗拉强度分别为289.7MPa、288.7MPa,屈服强度分别为249.6MPa、253.9MPa,断后伸长率分别为38.1%、41.2%;1号挤压态管材的抗拉强度分别为299.5MPa、296.3MPa,屈服强度分别为259.4MPa、261.5MPa,断后伸长率分别为41.2%、38.9%;其中热挤压管材的抗拉强度与伸长率满足YS/T622-2007《铜及铜合金挤制管》的标准要求。
根据以上数据以及图3总结发现,图(a)与图(c)、(d)比较可知道,铸态组织的抗拉强度低于挤压态管材的抗拉强度。图(a)与图(b)比较可知道,2号铸态的抗拉强度与1号铸态的抗拉强接近。此外,2号和1号挤压管材的头部抗拉强度与其尾部的抗拉强度接近。
(1)白铜BFe10-1-1合金的铸锭组织为典型的正常的枝晶组织,晶内存在成分偏析,晶间成分均匀,为均匀的单相固溶体。
(2)热挤压后得到的管材晶粒均匀,有纤维组织以及孪晶出现,但无粗大尺寸晶粒。
(3)热挤压后的管材抗拉强度及屈服强度均优于其挤压前铸态时的强度。
图3 BFe10-1-1合金不同状态下拉伸试验曲线