水平連鑄制備空心bfe10-1-1白銅管坯的工藝研究

水平連鑄制備空心bfe10-1-1白銅管坯的工藝研究

bfer10-1-1是以銅為主要材料的銅基合金。它具有良好的導(dǎo)熱性和抗腐蝕性。它廣泛應(yīng)用于能源、船舶和海洋淡化行業(yè)。作為制造巡洋艦行業(yè)的管道，它被廣泛用于制造寒冷行業(yè)。近年來(lái),隨著電站、造船等工業(yè)的迅速發(fā)展,國(guó)內(nèi)BFe10-1-1白銅冷凝管的市場(chǎng)需求量越來(lái)越大。目前,BFe10-1-1冷凝管的生產(chǎn)主要采用半連續(xù)鑄造實(shí)心錠→擠壓穿孔→軋制→直拉的生產(chǎn)工藝,工序復(fù)雜,成品率低,能耗大,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力差。從本質(zhì)上看,鑄錠擠壓的目的是將實(shí)心的管坯制成空心管坯。如果能夠直接鑄造出空心管坯,可望實(shí)現(xiàn)鑄造管坯→軋制→盤(pán)拉的銅合金管制備工藝。和現(xiàn)有工藝相比,后者可以縮短工藝流程,提高金屬成材率,大幅度降低成本。水平連鑄由于中間包和結(jié)晶器直接相連,實(shí)現(xiàn)密封澆注,可防止金屬液二次氧化,且金屬液中的夾雜物易在中間包內(nèi)上浮,提高金屬液清潔度,有利于獲得高質(zhì)量鑄坯,因此逐漸被視為制備高質(zhì)量鑄坯的方法,尤其適于近終形連鑄,越來(lái)越受到研究者及生產(chǎn)企業(yè)的重視。作者探索了規(guī)格為Ф83mm×20mm的空心BFe10-1-1白銅管坯的水平連鑄工藝,并對(duì)管坯的表面質(zhì)量、凝固組織及力學(xué)性能進(jìn)行了分析。1試驗(yàn)系統(tǒng)和過(guò)程BFe10-1-1合金是以銅鎳固溶體為基體含有少量鐵和錳的四元耐蝕白銅,化學(xué)成分見(jiàn)表1。水平連鑄裝置主要由保溫爐、結(jié)晶器、冷卻系統(tǒng)及拉坯機(jī)組成。此外附屬試驗(yàn)設(shè)備還包括熔化爐、控溫設(shè)備等。結(jié)晶器包括石墨結(jié)晶器和冷卻系統(tǒng)兩部分。石墨結(jié)晶器是空心管坯連鑄系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,由外結(jié)晶器和芯子兩部分組成,材質(zhì)為高純石墨。其中外結(jié)晶器無(wú)錐度,芯子錐度為1°,以避免在拉坯過(guò)程中管坯收縮包覆石墨芯子,增大摩擦阻力。冷卻系統(tǒng)包括一冷(結(jié)晶器冷卻)和二冷兩部分。一冷區(qū)由冷卻銅套和冷卻水套構(gòu)成,連鑄過(guò)程中,一冷區(qū)內(nèi)熔體熱量分兩部分導(dǎo)出,其中大部分沿外結(jié)晶器壁、冷卻銅套由水套內(nèi)的冷卻水帶走;小部分由石墨芯子散出;管坯出一冷區(qū)后進(jìn)入二冷區(qū),采用直接噴水的方法冷卻。試驗(yàn)時(shí),合金經(jīng)中頻爐熔化后,在保溫爐內(nèi)保溫,達(dá)到澆注溫度時(shí)開(kāi)始拉坯。用鉑-銠熱電偶測(cè)量溫度。用轉(zhuǎn)子流量計(jì)分別控制結(jié)晶器和二次噴水冷卻強(qiáng)度。針對(duì)BFe10-1-1合金的鑄造特點(diǎn),采用拉—停—反推—停的生產(chǎn)工藝,其中反推-停取代了振動(dòng)作用,便于合金液結(jié)晶成型;同時(shí)使粘附在結(jié)晶器壁上的氧化渣脫離型壁,隨著管坯一起拉出。經(jīng)多次試驗(yàn)后確定水平連鑄生產(chǎn)工藝參數(shù)如表2所示。2試驗(yàn)結(jié)果2.1空心管坯表面缺陷金屬液進(jìn)入結(jié)晶器后,遇到由冷卻水強(qiáng)冷的內(nèi)壁時(shí)便開(kāi)始凝固,在結(jié)晶器內(nèi)壁及石墨芯子處產(chǎn)生一薄層凝固殼。管坯離開(kāi)結(jié)晶器后,外層金屬受到二次冷卻水強(qiáng)烈冷卻而劇烈收縮,此時(shí),內(nèi)層金屬的溫度高,收縮量小,阻礙外層收縮并使之受拉應(yīng)力,內(nèi)層則受壓應(yīng)力,在應(yīng)力作用下,管坯表面易出現(xiàn)裂紋等缺陷,嚴(yán)重制約著管坯的質(zhì)量。根據(jù)空心管坯的凝固規(guī)律,液穴中心靠近內(nèi)側(cè),外側(cè)的初始凝固位置始終早于內(nèi)側(cè)的初始凝固位置,同時(shí)內(nèi)側(cè)的凝固坯殼增厚速度緩慢。由此可知管坯表面缺陷易出現(xiàn)在管坯內(nèi)表面處。圖1示出了管坯表面照片。由圖1a可以看出,管坯外表面光滑,振痕輕微。內(nèi)表面由于冷卻強(qiáng)度小,坯殼薄,所以受牽引振動(dòng)影響大,振痕較明顯,如圖1b所示,經(jīng)激光測(cè)位儀測(cè)量其表面粗糙度為230!m。同時(shí)可以看出,采用表2所示工藝參數(shù)可以避免管坯產(chǎn)生表面裂紋缺陷。2.2管坯晶粒結(jié)構(gòu)圖2示出了水平連鑄空心BFe10-1-1白銅管坯橫截面的凝固組織圖?？梢钥闯?管坯外側(cè)為細(xì)柱狀晶,中部為粗大的柱狀晶,內(nèi)側(cè)有很薄的等軸晶層。由于BFe10-1-1合金具有良好的導(dǎo)熱能力,管坯的整個(gè)斷面冷卻較快,導(dǎo)致柱狀晶發(fā)達(dá),同時(shí)也使內(nèi)部獲得致密的組織,避免了在心部產(chǎn)生疏松等缺陷。此外,由于管坯凝固時(shí)熱量沿徑向和軸向同時(shí)導(dǎo)出,所以晶粒有明顯的偏轉(zhuǎn)角度。在白銅合金中加入適量的Fe元素能夠顯著提高合金在流動(dòng)海水中的抗沖擊腐蝕性能和力學(xué)性能,并可細(xì)化凝固組織。Mn元素能夠提高白銅的強(qiáng)度和耐蝕性。采用電子探針考察了鑄態(tài)管坯中Ni、Fe和Mn元素的分布情況,結(jié)果如圖3所示。Cu、Ni和Mn均為面心立方晶格結(jié)構(gòu),且原子半徑相近,因此可以互溶,形成單一的α相。但是由于BFe10-1-1合金液相線(xiàn)和固相線(xiàn)距離較大,同時(shí)Ni元素在銅中的擴(kuò)散速度很慢,因此Ni呈現(xiàn)明顯的樹(shù)枝狀偏析。Fe元素在Ce-Ni合金中固溶度較小,其分布與Ni元素相似,也呈樹(shù)枝狀偏析。2.3白銅空心管坯拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析管坯在不同溫度下的力學(xué)性能對(duì)軋制工藝具有重要影響?？紤]到水平連鑄時(shí)重力對(duì)凝固的影響,分別自管坯的上、下和側(cè)面取試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)后取其平均值,結(jié)果見(jiàn)表3。其中,高溫試驗(yàn)按GB/T4338-1995執(zhí)行。表3中“-”表示無(wú)法獲得該力學(xué)性能數(shù)值,即在該溫度下試樣在彈性階段即發(fā)生拉斷,因而只獲得抗拉強(qiáng)度。室溫時(shí)水平連鑄管坯拉伸試驗(yàn)試樣斷裂時(shí),表現(xiàn)出顯著的縮頸現(xiàn)象。圖4為試樣在20℃斷裂時(shí)斷口掃描電鏡照片,可以看出,斷口處有大量的韌窩,呈韌性斷裂機(jī)制,說(shuō)明水平連鑄BFe10-1-1白銅空心管坯在室溫時(shí)具有良好的塑性。隨著溫度的升高,試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率均呈下降趨勢(shì),特別當(dāng)溫度高于600℃時(shí),斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率快速降低,說(shuō)明在該溫度區(qū)間管坯塑性較差,不適合軋制。3白銅管坯元素組成(1)采用合理的工藝參數(shù),可以利用水平連鑄法制備表面質(zhì)量良好、凝固組織致密的空心BFe10-1-1白銅管坯。Ni、Fe元素在鑄態(tài)組織呈樹(shù)枝狀偏析,