1、铜合金锻件常见的缺陷与对策（一）概述铜的最大特点是具有很高的导电、导热性能，以及良好的耐蚀性。但是，工业纯铜的强度不高（约 200MPa），因而限制了它作为结构材料的使用。为了提高铜的强度，并赋予特殊的性能，在铜中加人适量的合金元素，从而获得铜合金。铜合金具有较高的强度、韧性、耐磨性以及良好的导电、导热性能，特别是在空气中耐腐蚀。因此，在电力、仪表、船舶等工业中得到了广泛的应用。一些要求强度高、耐热、耐压又耐蚀的轴类、凸缘类和阀体类零件都用钢合金锻件来制造。铜合金主要分为黄铜和青铜两大类。以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜；以锡为主要合金元素的铜合金称为青铜。此外，还有白钢等其它铜合金。黄铜的
2、牌号、代号和化学成分见表 5-19。变形青铜的牌号、代号和化学成分见表 5-20 及表5-21。 表 5-19 黄铜的化学成分化学成分（余量为锌）（质量分数）（%）组别 牌号 代号铜 铅 锡 锰 铝 其他 杂质普通黄铜90 黄铜70 黄铜68 黄铜62 黄铜H90H70H68H6288916972677060.563.50.20.30.30.5铅黄铜60-1 铅黄铜59-1 铅黄铜HPb60-1HPb59-1596157600.61.00.80.90.50.75锡黄铜62-1 锡黄铜60-1 锡黄铜HSn62-1HSn60-1616359610.71.11.01.50.31.0锰黄铜58-2
3、锰黄铜 HMn58-2 5760 1.02.0 1.2铁黄铜59-1-1 铁黄铜 HFe59-1-1 5760 0.30.7 0.50.8 0.10.40.61.2（铁） 0.25镍黄铜65-5 镍黄铜 HNi65-5 6467（镍）5.06.5 0.3硅黄铜80-3 硅黄铜 HSi80-3 7981（硅）2.54.0 1.5表 5-20 锡青铜的化学成分化学成分（余量为铜）（质量分数）（%）牌 号 代号锡 磷 锌 铅 杂质4-3 锡青铜4-4-2.5 锡青铜4-4-4 锡青铜6.5-0.1 锡青铜6.5-0.4 锡青铜7-0.2 锡青铜 4-0.3 锡青铜QSn4-3QSn4-4-2.5QS
4、n4-4-4QSn6.5-0.1QSn6.5-0.4QSn7-0.2QSn4-0.33.54.035356767683.64.00.10.250.30.40.10.250.20.32.73.335351.53.53.54.50.20.20.20.10.10.30.1表 5-21 特殊青铜的化学成分化学成分（余量为铜）（质量分数）（%）组别 牌号 代号铝 铁 锰 镍 其它 杂质铝青铜5 铝青铜7 铝青铜9-2 铝青铜9-4 铝青铜10-3-1.5 铝青铜10-4-4 铝青铜QAl5QAl7QAl9-2QAl9-4QAl10-3-1.5QAl10-4-446688108109119.5112424
5、3.35.51.52.6123.55.51.61.61.71.70.750.8铍青铜5 铍青铜2.15 铍青铜2.5 铍青铜1.7 铍青铜1.9 铍青铜QBe2QBe2.15QBe2.5QBe1.7QBe1.90.20.60.20.50.20.40.20.4铍 1.02.2铍 2.02.3铍 2.32.6铍 1.61.85钛 0.100.25铍 1.852.10钛 0.100.250.51.20.50.50.5硅青铜1-3 硅青铜3-1 硅青铜QSi1-3QSi3-10.10.4 硅 0.61.1硅 2.753.50.41.1锰青铜镉青铜铬青铜5 锰青铜1 镉青铜0.5 铬青铜QMn5QCd1
6、QCr0.54.55.5镉 0.91.2铬 0.41.00.90.5纯铜中的杂质主要有铅、铋、氧、硫、氢等。铜中杂质的存在不仅对使用性能有较大影响，而且对铜的工艺性能也有极坏的作用。加热温度和变形程度对铜合金的组织和性能影响很大，当变形程度处于临界变形程度范围时，将引起粗晶。铜合金的临界变形程度范围大致是 1015，温度愈高，变形和再结晶后的晶粒尺寸也愈大。对于 铜合金（包括 H62、H68、HPb59-1、QAl19-4 等），如果加热温度超过 的转变点，此时由于失去了 相对 相晶界迁移的机械阻碍作用，因而晶界迁移速度很快， 晶粒迅速长大，使合金塑性降低，锻造中容易开裂，并常在锻件表面出现“
7、蛤模皮”。粗化后的铜合金晶粒，即使采用大变形程度进行塑性变形，再结晶后的晶粒也是很粗的。这是因为铜合金的层错能低，动态再结晶的速度快，而且，大变形时的热效应也较显著，故在高温下很快再结晶并迅速长大。铜合金锻件组织中产生粗晶后，不能像碳钢那样，通过热处理的办法加以细化。因此，将使产品的力学性能降低（见表 5-22）。表 5-22 过热与未过热试样的力学性能试样情况 b/MPa （%） 试样情况 b/MPa （%）过热粗晶 290 34.5 正常细晶 415 44冷变形和冷变形加时效处理对铜和铜合金性能有较大影响。纯铜的强度较低，但塑性很高。因此，可以通过冷态形变使其强化。图 5-24 为变形程度
8、对纯铜力学性能的影响。冷变形使铜的强度和硬度有较大提高，但塑性指标显著降低。冷变形使铜的电导率稍有降低（约 27）。纯铜一般是在加工硬化状态下用作导线。还有些铜合金，也需用冷变形来提高其强度和硬度。例如，制造电极用的镉青铜（含镉的质量分数为 0.81.2），经过冷变形后，可使抗拉强度从原来的600850MPa 提高到 1100MPa。锆青铜也常用于制造滚焊轮，硬度要求为 100140HBS，而一般热锻和固溶时效达不到技术要求。因此，锆青铜滚焊轮一般是热锻后，950固溶处理，再冷变形和时效处理。图 5-24 变形程度对纯铜力学性能的影响铜合金的锻造特点是：1.多数铜合金在室温和高温下具有良好的塑
9、性。大多数铜合金在室温和高温下塑性很好，可以顺利地进行锻造，而且对应力状态和变形速度均不敏感，即使在高速变形或具有拉应力存在的条件下变形仍具有足够的塑性。图 5-25图 5-27 为几种黄铜和青铜的塑性图。但是，有少数铜合金，例如，含锡较高的锡磷青铜（如 QSn7-0.2）和含铅较高的铅黄铜（如 HPb59-1、HPb64-2），塑性较低，对拉应力状态较敏感。在静拉伸应力状态下变形时，QSn7-0.2 在室温呈单相 固溶体，具有很高的塑性，可以进行冷变形，但在高温下塑性很低（见图 5-27），其原因是在高温下有低熔点的（Cu 3P）共晶体存在。含铅较高的铅黄铜对变形速度很敏感，在静拉伸和动拉伸
10、二种变形条件下的塑性有明显不同（见图 5-28），这类铜合金适合在压力机上进行锻造。图 5-25 黄铜的塑性图 图 5-26 铅黄铜的塑性图图 5-27 青铜的塑性图 图 5-28 HPb74-3 铅黄铜在不同温度下的力学性能2.存在中温脆性区从图 5-25、图 5-26、图 5-27 可以看到， 铜合金存在中温脆性区。以黄铜为例，在 20200和 650900两个温度范围内有很高的塑性，而在 250650之间是一个脆性区，合金的塑性显著降低，很容易锻裂。其原因是合金中有铅、铋等杂质存在，它们在 固溶体中的溶解度极小，与铜形成 Cu-Pb 和 Cu-Bi 低熔点的共晶体，呈网状分布于 固溶体的
11、晶界上，从而削弱了 晶粒之间的联系，当加热到 500以上时，发生 + 转变，铅和铋溶于 固溶体中，于是塑性提高。表 5-23 为几种铜合金的脆性温度区。由于中温脆性区的存在，很多铜合金的 + 双相区的塑性比 单相区的塑性高。因此，锻造变形主要在 + 双相区的温度范围进行。3.锻造温度范围窄铜合金的锻造温度范围比碳钢窄。所有铜合金的锻造温度范围都不越过 100200，其中铅黄铜 HPb59-1、铝黄铜HAl77-2、HAl60-1-1、HAl59-3-2 及锡青铜 QSn7-0.2、QSn6.5-0.4 等合金的锻造温度范围尚不足 100。以 HPb59-1 为例，当加热温度超过 + 转变温度（
12、700）时， 晶粒急剧长大，使塑性降低；当变形温度低于 650时，变形抗力迅速增大，并可能进人中温脆性区。表 5-23 几种铜合金的脆性温度区（40%）合 金 牌 号 脆性（可低塑性）区/ 合 金 牌 号 脆性（可低塑性）区/H62 250650 QAl5 370530H68 250650 QSn4-4-2.5 300H80 400500 QSn6.5-0.1 420620H90 400650HPb64-2 300HPb74-3 250 4.导热性好钢具有很高的导热性，热导率 为 385.48W/m。铜中加入合金元素后，导热性有所降低。例如。H62 黄铜的热导率 为 108.94 W/m；QA
13、l4 铝青铜的热导率则更低些，为 58.66 W/m。但总的来说，铜合金的导热性比钢好，而且铜合金的导热性随温度升高而增加。所以，铜合金可以直接高温装炉，快速加热。由于铜合金的导热性好，锻造时应采取必要的工艺措施，以尽量减少金属的热量散失。5.某些钢合金的热效应现象较显著一些铜合金，例如锡磷青铜和锰青铜，锻造时热效应现象较显著。若变形速度过快，则由于热效应的作用，容易产生过热，甚至过烧。含铅量较高（超过 2.5）的铅黄铜模锻件，在变形程度较大的部位极易开裂。其原因也就是由于变形程度较大的部位热效应显著，使合金的温度升高，引起合金中低熔点杂质的熔化，破坏了晶间的联系。另外，铜合金锻造时的外摩擦系
14、数较大，所以流动性较差，模锻时难以成形。（二）铜合金锻造过程中的缺陷与对策1.过热、过烧铜合金加热温度超过始锻温度时要产生过热， 黄铜和（+）黄铜的过热倾向较大。这类黄铜，如加热温度超过 转变温度，晶粒会剧烈长大，锻造时坯料形成桔皮表面，甚至开裂。过热的（+）黄铜和（+）铝青铜等快冷时，要出现魏氏组织。为避免过热这类铜合金的加热温度不宜超过 转变温度，即在（+）两相区锻造为宜。图片 5-32、5-33 是不同加热温度下铅黄铜的高倍组织。铅黄铜的含铜量变动范围较大（5760），其实际含铜量对其 转变温度影响很大。因此，确定这种铅黄铜的转变温度时要考虑到实际钢含量的影响。根据试验，HPb59-1
15、加热温度控制在 710730为宜。铜合金过烧时，模锻件表面粗糙，无金属光泽，边缘处开裂；自由锻时开裂更为严重。铜合金过烧后，断口氧化很严重，无金属光泽，裂纹沿晶界扩展。图片 5-34 为 HPb59-1 铅黄铜产生轻微过烧的显微组织。从图中可看到， 晶粒粗大，部分 相沿 晶界析出，部分呈块状在晶内析出，裂纹沿晶界扩展。图片 5-35 是 HMn58-2 铜合金严重过烧的实物图片。图片 5-32 HPb59-1，740、7.5min 盐水淬火后的显微组织 250图片 5-33 HPb59-1，785、8min 盐水淬火后的显微组织 250图片 5-34 HPb59-1 铜合金锻造裂纹沿晶界扩展
16、100图片 5-35 HMn58-2 铜合金严重过烧 为防止过热、过烧，应严格控制加热温度和时间。在油炉和煤炉中加热时，更应准确控制炉温以保证加热质量。为避免火焰直接喷射到坯料上引起局部过烧，可以在坯料上面覆盖一层薄铁皮。2.锻造裂纹铜合金锻裂的原因主要有下列几方面：坯料内部或表面有缺陷；锻造温度不合适,材料塑性低；变形程度过大或拉应力过大。钢锭的表面质量较差，内部也常常有较严重的偏析，锻造时常易开裂。因此，钢锭需经均匀化退火，锻前要进行车皮。锻造温度对铜合金的塑性影响很大。铜合金中由于加人了大量合金元素，始锻温度低，锻造温度范围窄，并存在中温脆性区。加热温度过高，容易产生过热、过烧，引起锻裂
17、或粗晶。锻造温度过低时，有些铜合金（例如铁青铜），由于再结晶不充分，塑性降低，也常常产生裂纹。图片 5-36 是在高速锤上锻造的黄铜螺母，锻造温度在 250650范围内，在转角处均出现了裂纹，后来把锻造温度提高到 750就再未出现裂纹。因此，要控制锻造温度不要过高或过低，并要避开中温脆性区。有些钢合金锻件由于变形程度过大（热效应显著）或局部地方应力集中等原因也常产生锻裂。自由锻操作时，要勤翻轻击，避免在同一方向连续重击，以防止因热效应而引起过热、过烧。图片 5-36 H62 铜合金在脆性温度范围内锻裂情况 3.切边撕裂铜合金锻件在胎模锻和模锻后，如立即进行切边，往往会在切边处有撕裂锻件本体的现
18、象。当锻件冷却后再切边时，就可避免这种缺陷。4.折叠铜合金变形时，表面容易起皱。因此，较易产生折叠。例如，拔料时，如变形后的台阶较尖锐，在第二次锤击时就容易产生折叠。又例如，当阀体锻件的大本体上有小管接时，如采用压肩倒角的成形工艺，小管接处会由于变形不均匀产生缩孔；若再用镦粗法将其端面拍平，便会在管接与本体交接处形成折叠。因此，锻造铜合金时，工具和模具转角处的圆角半径要大一些，并要注意润滑；对于一些高度与直径比例不大的管接，适于采用在漏盘中挤压成型；对较易产生折叠的铜合金锻件，要考虑到以后的清理，在确定加工余量和计算用料时，应比碳钢取得大些。5.晶粒粗大铜合金晶粒长大后不能像碳钢那样通过热处理
19、加以细化，因此，晶粒粗大将使产品性能下降。铜合金晶粒粗大的原因：坯料过热；终锻温度过高；锻造时的变形程度处于临界变形程度范围（1015）内。为了避免形成上述粗大晶粒，应当注意以下几点：锻造时每次变形程度应大于 1015；为保证适宜的终锻温度，应根据成形方式和变形量大小选择合适的始锻温度。例如，QAl9-11 合金胎模锻时 900始锻，而自由锻时 850始锻，原因是胎模锻较自由锻散热快。（+）黄铜和青铜的加热温度应稍低于 + 的转变温度。6.应力腐蚀开裂如果铜合金锻件内存在残余应力，则在潮湿大气中，特别是在含氮盐的大气中会引起应力腐蚀开裂，也称季裂。防止这种缺陷的对策是：锻造时，应使锻件上各处的变形量和变形温度比较均匀。例如，锻造长轴类锻件时，应将工件经常调头变形，使各部分的变形温度相近，以减小内应力；铜合金锻造后，要及时在 260300范围内进行消除应力退火。7.氢气病所有高铜的铜合金（如 H90），铝青铜及铜镍合金，在高温下极易氧化。含有氧的铜合金，如在含有 H2、CO、CH 4等的还原气氛中加热，则这些气体会向金属内扩散，与 Cu2O 化合而生成不溶于铜的水蒸气或 CO2。这种水蒸气具有一定的压力，力图从金属内部逸出，结果在金属内部形成微小裂纹，使合金变脆，即所谓氢气病。因此，加热铜合金时，炉子气氛最好是中性的。
