程 偉，孫宏偉，丁五洲，楊 哲，楊永石，楊芙蓉，范志強(qiáng)

(寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞721014)

白銅合金(BFe10-1-1)作為一種特殊材質(zhì)，在清潔或有一定污染的海水中具有很好的抗腐蝕性，可避免應(yīng)力腐蝕開裂和高溫點(diǎn)脫鎳。在清潔的海水中，該合金能夠接受的水流速度可達(dá)2.2m/s～2.5m/s，在微鹽溶液中可接受的最高流速為4m/s。因其特性，被大量使用在電站、脫鹽、石化、艦船等使用海水的熱交換器裝備領(lǐng)域[1，2]。

傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的白銅帶材(BFe10-1-1)，由于熔煉工藝的限制，坯料存在疏松、夾雜、縮孔、皮下氣孔等冶金缺陷，通過后續(xù)加工無法消除缺陷，最終產(chǎn)品存在一定的質(zhì)量隱患，導(dǎo)致成品帶材普遍存在性能不穩(wěn)定，成品率低，嚴(yán)重影響了國內(nèi)產(chǎn)品在高端領(lǐng)域的使用。目前，國內(nèi)在高端領(lǐng)域如艦船、發(fā)電站等換熱裝置制造行業(yè)，所使用的白銅帶主要依賴進(jìn)口。

為解決BFe10-1-1帶材質(zhì)量問題造成的困擾，我公司技術(shù)人員以現(xiàn)有的鎳基合金生產(chǎn)研發(fā)+電渣重熔雙聯(lián)法冶煉工藝路線為切入點(diǎn)，改進(jìn)熔煉工藝，在嚴(yán)格把關(guān)原料使用，細(xì)化熔煉過程中調(diào)質(zhì)、合金技術(shù)的基礎(chǔ)上，依托強(qiáng)有力的裝備優(yōu)勢，開展針對BFe10-1-1合金的研究。以真空感應(yīng)化、渣系配比、脫硫脫氧等關(guān)鍵工藝參數(shù)，成功生產(chǎn)出單重≥3.5t的BFe10-1-1電渣重熔鑄錠，得到厚度0.15mm的帶卷，產(chǎn)品符合海洋工業(yè)等高端領(lǐng)域的使用要求，綜合性能遠(yuǎn)超GB/T2040-2017規(guī)定。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)通過理論驗(yàn)證，設(shè)計(jì)出真空感應(yīng)熔煉+電渣重熔+鍛造+軋制的工藝路線。結(jié)合鎳基合金的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，采用高純原料及中間合金的方式進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉，每爐投料1800kg～2000kg，微調(diào)精煉工藝參數(shù)及合金化的操作過程，為二次重熔提供成分均勻、冶金質(zhì)量高的電極。

BFe10-1-1合金的電渣重熔在公司的3T/5T電渣重熔爐進(jìn)行，使用電極為兩支真空感應(yīng)熔煉鑄錠組焊而成。重熔采用CaF2、Al2O3、MgF2、CaO四元渣系，為保證微量有益元素在合金重熔過程中不被完全燒損，需要在加渣時采取一定的保護(hù)措施，并使得合金間隙元素含量不增加。重熔鑄錠鍛造時先進(jìn)行兩鐓兩拔，兩火鍛至目標(biāo)要求的板坯尺寸。然后經(jīng)熱軋、連退連酸洗、二十輥冷軋、熱處理實(shí)驗(yàn)、在線熱處理等，生產(chǎn)出0.15mm厚度的白銅(BFe10-1-1)帶卷。

表1 不同BFe10-1-1帶材的腐蝕速率結(jié)果Tab.1 Corrosion rate results for different BFe10-1-1 strip

2 結(jié)果與分析

最終得到的產(chǎn)品及其金相照片如圖1和圖2所示。成品取樣分析，合金帶材的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表2和表3。

表2 BFe10-1-1帶材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Tab.2 Chemical composition of BFe10-1-1 strip (wt.%)

表3 0.15mm BFe10-1-1帶材力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of 0.15mm BFe10-1-1 strip

圖1 BFe10-1-1帶卷 圖2 BFe10-1-1帶材微觀組織Fig.1 BFe10-1-1 strip Fig.2 Microorganization of BFe10-1-1 strip

2.1 VIM+ESR雙聯(lián)法

BFe10-1-1作為典型的銅鎳二元合金，二者能夠形成無限互溶的固溶體，一定含量的Ni元素對合金能夠起到提升力學(xué)性能、改善導(dǎo)電性的作用。Fe、Mn的晶體結(jié)構(gòu)與Cu和Ni差異較大，這兩種元素只能在BFe10-1-1合金中形成有限的固溶體，且Fe、Mn的加入勢必會使合金的晶格產(chǎn)生畸變，進(jìn)而通過Fe、Mn的合金化作用，有益于改善組織，提高合金的綜合性能[4]。

有文獻(xiàn)中提到，F(xiàn)e、Mn元素含量決定了合金耐沖刷腐蝕性能，因此，熔煉需要選擇合適的原料配比，保證合金鑄錠成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的同時，更重要的是確立Fe、Mn的加入量。本文最終選擇Fe∶Mn=3∶2的合金配比進(jìn)行生產(chǎn)，考慮到Mn的飽和蒸氣壓較高，故真空感應(yīng)熔煉時，金屬錳以中間合金的方式加入，確保了能夠有效控制化學(xué)成分。結(jié)合C、Mg及稀土元素等添加劑成分的調(diào)配能力，真空感應(yīng)爐較高的真空有效控制O、N、H等含量處于較低水平，這里特別要提到，稀土是金屬材料的“維生素”[5]，通常在金屬冶煉過程中加入微量的稀土，便可顯著改善其顯微組織，進(jìn)而起到提高性能的作用。電渣重熔具有較強(qiáng)的脫S、除雜等功能，在重熔過程中通過調(diào)劑的方式，能夠很好的保證重熔鑄錠的O、N、S、P等雜質(zhì)元素含量控制在較低水平，且鑄錠微觀組織全部為柱狀晶，枝晶結(jié)構(gòu)細(xì)密所制備鑄錠組織致密，晶界純凈，表皮光潔無需扒皮，易于鍛造成型。通過二次重熔得到冶金質(zhì)量優(yōu)良的BFe10-1-1電渣鑄錠，如圖3所示。鑄錠重熔前后的雜質(zhì)元素含量對比結(jié)果見表4。

表4 BFe10-1-1電渣錠雜質(zhì)元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Tab.4 Element content of BFe10-1-1 electroslag ingot impurity (wt.%)

圖3 BFe10-1-1電渣錠Fig.3 BFe10-1-1 electric slag ingot

2.2 加工技術(shù)

BFe10-1-1合金鑄錠呈現(xiàn)細(xì)小的枝狀組織，加工性能優(yōu)越。根據(jù)工藝要求，鑄錠的鍛造總形變量約為60%，結(jié)合合金熱加工應(yīng)力應(yīng)變曲線圖(圖4)，鍛造具有較多的失穩(wěn)區(qū)域。主要為兩個部分，加熱溫度在800℃～920℃，除了應(yīng)變速率達(dá)到0.1/s～1.0/s，其余均為失穩(wěn)區(qū)；950℃～1050℃時，應(yīng)變速率1/s～10/s，存在較大的失穩(wěn)區(qū)域[6]。故制定熱加工加熱工藝時，應(yīng)選擇低能耗、高效率，保障加工過程穩(wěn)定的區(qū)域。本文最終選擇930℃～950℃內(nèi)加熱，經(jīng)兩火鍛壓，一火鐓拔后二火鍛至200mm厚左右的板坯(圖5)，一火形變量控制在15%～20%，壓下量最大為20mm，二火逐步增大壓下量，最大可達(dá)50mm。

圖4 合金形變量60%時的熱加圖Fig.4 Heatmap at 60% of alloy variable

圖6 白銅帶軋制功率耗散圖Fig.6 Rolling power dissipation diagram of cupronickel strip

考慮到合金熱軋制時，加工硬化和動態(tài)再結(jié)晶反復(fù)過程，最終制定熱軋加熱溫度為880℃～930℃，通過較高的加熱溫度，增大合金內(nèi)能，加強(qiáng)回復(fù)再結(jié)晶的傾向，可大大降低合金的變形抗力。經(jīng)1+8熱連軋，得到1.2mm厚帶坯，連軋過程最大道次形變量40%，每隔一個道次，坯料需經(jīng)保溫箱補(bǔ)溫，否則易出現(xiàn)流變失穩(wěn)。

根據(jù)合金的應(yīng)變速率分析，BFe10-1-1帶材在冷軋過程中，加工硬化導(dǎo)致的變形抗力影響顯著，結(jié)合中間退火得以合金內(nèi)部回復(fù)較穩(wěn)定狀態(tài)，消除加工硬化的阻礙作用。經(jīng)驗(yàn)表明，該合金冷軋形變量達(dá)到65%～70%時，加工硬化接近峰值，此時合金易出現(xiàn)開裂，不適宜繼續(xù)加工，必須進(jìn)行中間退火處理[8]。最終，經(jīng)多道次二十輥冷軋及在線熱處理，得到預(yù)期要求0.15mm厚的BFe10-1-1帶卷。

3 結(jié)論

(1)真空感應(yīng)熔煉+電渣重熔雙聯(lián)法工藝制備的BFe10-1-1合金，并通過稀土等添加劑的作用，合金成分可以精確的控制，鑄錠組織細(xì)小致密，O、N、S、P等雜質(zhì)含量較低，合金具有較好的可鍛性。

(2)BFe10-1-1合金在一定的形變量下，在較為寬泛的穩(wěn)定區(qū)域選擇熱加工工藝，可以獲得很好的加工性能。

(3)在合金冷加工形變達(dá)到65%～70%時，結(jié)合中間消除應(yīng)力退火，可使得合金回復(fù)良好的可塑性，便于繼續(xù)冷變形，直至成品要求的規(guī)格。

(4)本文通過雙聯(lián)法熔煉工藝、鍛造、熱軋、冷軋(中間退火)、成品熱處理等，研制的0.15mm厚白銅BFe10-1-1帶材，其成品表面質(zhì)量高，力學(xué)性能優(yōu)異，耐海水沖刷腐蝕能力優(yōu)于同等進(jìn)口產(chǎn)品，完全滿足航海工業(yè)等高端領(lǐng)域的使用要求。