鎂添加工藝對C70250合金鎂含量的影響

劉兆洋，魯長建，龔玉哲

(凱美龍精密銅板帶(河南)有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000)

Cu-Ni-Si系合金是一種沉淀強(qiáng)化型合金[1]，具有高強(qiáng)度、高彈性、耐疲勞、較好的導(dǎo)電性能及良好的抗應(yīng)力松弛性能，廣泛應(yīng)用于制造儀器、儀表和電器中的各種彈性元件和引線框架材料[2,3]。C70250銅合金屬于Cu-Ni-Si系列合金的一種，具有高強(qiáng)度、中等導(dǎo)電率和良好的抗應(yīng)力松弛性等特性。鎂作為C70250合金主元素之一，可促進(jìn)時(shí)效析出、細(xì)化析出相尺寸、提高合金抗應(yīng)力松弛性能[4]。由于鎂元素熔點(diǎn)低、密度小、易氧化的特性，鎂一般在熔煉后期在熔爐添加[5]，以減少金屬燒損。 C70250合金采用立式半連鑄紅錠鑄造時(shí)，合金散熱性差、鑄造速度低、鑄造時(shí)間長，鑄造期間，如何減少鎂元素?zé)龘p，縮小鑄錠頭尾鎂元素偏差，成為關(guān)鍵技術(shù)之一。本文通過試驗(yàn)4種不同的鎂添加工藝，分析鑄造過程中間包銅液及鑄錠頭尾部樣品成分?jǐn)?shù)據(jù)，得出最優(yōu)的鎂添加工藝，解決了生產(chǎn)中鎂元素?zé)龘p嚴(yán)重的控制難題，為進(jìn)一步提高C70250合金鑄錠鎂元素均勻性提供改進(jìn)方向。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用立式半連鑄設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，熔煉設(shè)備是容克中頻無芯感應(yīng)電爐，爐體額定容量為28000kg，生產(chǎn)過程采用敞開式澆注方式，保溫爐銅液經(jīng)中間包(流槽)直接進(jìn)入結(jié)晶器，通過鑄造機(jī)下牽引，完成整個(gè)鑄造過程。鑄錠規(guī)格為720mm×220mm×9000mm。試驗(yàn)用鎂材料為純鎂錠、銅鎂中間合金、銅鎂包芯線；包芯線喂線設(shè)備為單流喂線機(jī)，設(shè)備喂線速度0～5m/min。樣品鎂含量檢測設(shè)備為瑞士Thermo ARL4460光譜儀；檢測樣品分兩類，一類為鑄造期間中間包中銅液樣品，一類為去除廢料后鑄錠頭尾部樣品。C70250銅液及鑄錠成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Cu+Ag余量，Pb≤0.05，F(xiàn)e≤0.2，Zn≤1.0，Ni 2.2～4.2，Si 0.25～1.20，Mg 0.05～0.30。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 純鎂錠添加工藝

此加鎂工藝流程在保溫爐完成，其他元素成分含量達(dá)到出爐標(biāo)準(zhǔn)后，使用專用壓入容器將計(jì)算好重量的純鎂錠加入保溫爐中，容器進(jìn)入爐中后，立即使用覆蓋劑將容器周圍覆蓋嚴(yán)密。根據(jù)添加鎂錠重量，保溫5min～10min，保溫完成后，緩慢將加鎂容器升起，升起過程中注意查看容器中是否有鎂錠殘留，如有殘留再次將容器壓入爐中熔化，直至鎂錠完全熔化；容器取出后，添加覆蓋劑密封之后升溫鑄造。鎂錠材料為Mg9980[6]，Mg含量大于99.8%。本工藝試驗(yàn)3種鎂含量預(yù)期出爐標(biāo)準(zhǔn)及隨機(jī)選取的9爐次結(jié)果見表1。表1中出爐標(biāo)準(zhǔn)指鑄造前保溫爐鎂含量預(yù)期值，中間包1指鑄錠鑄造0.8m時(shí)中間包銅液樣品鎂含量，中間包2指鑄錠鑄造4.5m時(shí)中間包銅液樣品鎂含量，中間包3指鑄錠鑄造8m時(shí)中間包銅液樣品鎂含量，鑄錠頭部指鑄造開始切除廢料后鑄錠切片樣品，鑄錠尾部指鑄造結(jié)束切除廢料后鑄錠切片樣品，頭尾偏差指鑄錠頭部減去尾部鎂含量差值。

表1 鎂錠添加工藝銅液及鑄錠鎂含量試驗(yàn)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

此加鎂工藝優(yōu)點(diǎn)是，將計(jì)算好重量的鎂錠直接加入保溫爐中，熔化后不再進(jìn)行取樣直接開始鑄造，減少了調(diào)整成分時(shí)鎂元素?zé)龘p及鎂結(jié)渣。缺點(diǎn)是受加鎂容器限制，容器壓入銅液后，鎂錠一般在熔體上部熔化，鎂錠熔化位置距離銅液上表面高度約0.4m～0.6m，鎂錠完全熔化后，由于密度小，鎂元素都集中在爐體銅液上部，爐中銅液鎂元素均勻性差。鑄造過程中，隨著銅液上部鎂含量減少，鑄錠中鎂元素呈階梯式下降。如表1所示，每爐次測試中鑄錠頭部均比尾部鎂含量高0.06%～0.08%。

2.2 銅鎂中間合金添加工藝

此加鎂工藝流程在保溫爐完成，其他元素成分含量達(dá)到出爐標(biāo)準(zhǔn)后，直接將計(jì)算好重量的銅鎂中間合金加入保溫爐中，使用大功率加熱自動(dòng)攪拌，使鎂合金充分熔化，熔化完成后在保溫爐中取銅液樣品進(jìn)行鎂含量檢測，根據(jù)樣品檢測結(jié)果對熔體中鎂含量進(jìn)行微調(diào)直至達(dá)到預(yù)期出爐標(biāo)準(zhǔn)后升溫鑄造。鎂合金材料為CuMg20[7]，鎂含量為17%～23%。本工藝試驗(yàn)3種鎂含量預(yù)期出爐標(biāo)準(zhǔn)及隨機(jī)選取9爐次結(jié)果見表2。表2中出爐值指鑄造前保溫爐銅液實(shí)測鎂含量，表中第一行其他標(biāo)題含義與表1中第一行標(biāo)題含義意義相同。

表2 銅鎂中間合金添加工藝銅液及鑄錠鎂含量試驗(yàn)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

此加鎂工藝優(yōu)點(diǎn)是，鎂元素以中間合金的形式加入保溫爐中，依靠熔爐加熱功率自動(dòng)攪拌及多次成分調(diào)整，可確保銅液實(shí)際鎂含量達(dá)到出爐預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)值，銅液整體鎂元素均勻性好，有利于縮小鑄錠頭尾鎂偏差。如表2所示，每爐次測試中，鑄錠頭部均比尾部鎂含量高0.03%～0.04%。缺點(diǎn)是在保證銅液出爐預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，成分調(diào)整時(shí)間長，鎂元素?zé)龘p嚴(yán)重且銅液表層結(jié)渣較多。

2.3 銅鎂包芯線添加工藝

此加鎂工藝流程為鑄造前不在保溫爐中添加鎂元素，除鎂元素外的其他元素達(dá)到出爐標(biāo)準(zhǔn)后，直接升溫開始鑄造。鑄造期間以持續(xù)在中間包投放銅鎂包芯線的方式在銅液中添加鎂元素。根據(jù)鑄造速度、鑄錠重量、每米包芯線鎂含量計(jì)算出銅鎂包芯線投放速度，包芯線通過喂線機(jī)持續(xù)在中間包銅液中喂線。鎂材料為銅鎂包芯線，鎂含量為30%～33%，包芯線直徑為13mm,包裹銅皮材料為T2純銅，厚度為0.5mm，鎂元素以鈍化鎂粉的形式填充在包裹銅皮內(nèi)部。本工藝試驗(yàn)3組包芯線投放速度參數(shù)，每組速度參數(shù)隨機(jī)選取9爐次結(jié)果見表3。表3中放線速度指鑄造期間在中間包銅液中持續(xù)添加包芯線速度(m/min)；鎂理論值指根據(jù)包芯線放線速度計(jì)算，銅液中鎂含量理論值；中1m、中2.5m、中4m、中5.5m、中7m、中8.5m，指鑄造開始后，鑄錠長度到1m、2.5m、4m、5.5m、7m、8.5m時(shí)中間包銅液鎂含量；表中第一行其他標(biāo)題含義與表2中第一行標(biāo)題含義意義相同。

表3 銅鎂包芯線添加工藝銅液及鑄錠鎂含量試驗(yàn)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

此加鎂工藝優(yōu)點(diǎn)是，鎂元素是在鑄造期間以包芯線形式持續(xù)在中間包銅液中添加，減去了在保溫爐添加鎂元素步驟，避免了保溫爐中調(diào)整鎂含量期間鎂元素?zé)龘p及銅液結(jié)渣。缺點(diǎn)是鑄造期間由于中間包銅液流動(dòng)緩慢、放線速度快、鎂元素密度小，包芯線熔化后鎂元素不能均勻融合在銅液中，吸收率較低；同時(shí)受包芯線材料自身芯劑重量的穩(wěn)定性、單位長度芯劑含量及含鎂量的穩(wěn)定性、包芯線顆粒充填程度的穩(wěn)定性和均勻性[8]的影響，導(dǎo)致鑄造期間中間包銅液及鑄錠頭尾鎂含量偏差無規(guī)律波動(dòng)。如表3所示，中間包銅液鎂波動(dòng)偏差在0.02%～0.08%，鑄錠頭尾偏差在0.0002%～0.065%。

2.4 銅鎂中間合金加包芯線添加工藝

此加鎂工藝綜合銅鎂中間合金和銅鎂包芯線添加工藝的優(yōu)點(diǎn)，鑄造前在保溫爐中添加銅鎂中間合金達(dá)到鎂出爐標(biāo)準(zhǔn)，鑄造期間輔助投放銅鎂包芯線彌補(bǔ)鑄造期間鎂元素?zé)龘p。本工藝試驗(yàn)3種鎂含量預(yù)期出爐標(biāo)準(zhǔn)，每種預(yù)期出爐標(biāo)準(zhǔn)隨機(jī)選取3爐次結(jié)果見表4。表4中放線速度指鑄造期間在中間包銅液中添加包芯線速度(m/min)，表中第一行其他標(biāo)題含義與表2中第一行標(biāo)題含義意義相同。

表4 銅鎂中間合金加包芯線添加工藝銅液及鑄錠鎂含量試驗(yàn)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

此加鎂工藝優(yōu)點(diǎn)是，鑄造前在保溫爐中添加銅鎂中間合金調(diào)整成分，可保證出爐前銅液中鎂元素的均勻性，鑄造期間通過輔助添加包芯線可部分彌補(bǔ)鎂元素?zé)龘p量。此工藝中鑄造期間輔助添加包芯線速度較低，放線期間利用中間包中熔體流動(dòng)攪拌及包芯線自身熔化沸騰攪拌可使包芯線中鎂元素均勻融合在銅液中。如表4所示，鑄錠頭尾偏差在0.02%以下。

2.5 不同鎂添加工藝試驗(yàn)結(jié)果分析

由上述試驗(yàn)結(jié)果分析可得，采用純鎂錠添加工藝，鑄錠頭尾鎂含量偏差為0.06%～0.08%；采用銅鎂中間合金添加工藝，鑄錠頭尾鎂含量偏差為0.03%～0.04%；采用銅鎂包芯線添加工藝，鑄錠頭尾鎂含量偏差為0.0002%～0.065%；采用銅鎂中間合金加包芯線添加工藝，鑄錠頭尾鎂含量偏差低于0.02%?？梢?，銅鎂中間合金加包芯線添加工藝為最優(yōu)的C70250合金鎂添加工藝。

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)，得到最優(yōu)的鎂添加工藝為采用銅鎂中間合金加包芯線添加工藝，鑄錠頭尾鎂含量偏差可縮小至0.02%以下，有效解決了C70250合金生產(chǎn)過程中鑄錠鎂含量偏差大控制難點(diǎn)，為保證鑄錠后續(xù)性能穩(wěn)定提供了成分基礎(chǔ)，為進(jìn)一步提高鑄錠鎂元素均勻性提供改進(jìn)方向。