基本介紹
介紹,分析與控制,檢測,來源控制因素,總結,
介紹
鋯青銅由於具有很高的導電性、導熱性,易於加工等特點, 越來越廣泛地被用於鋼鐵工業的冶煉、軋制等主體設備的配套部分上。
最為典型的是用作連鑄結晶器的材料。隨著鋼鐵冶煉技術的發展, 對結晶器性能的要求不斷提高, 不僅要求結晶器具有較高的光潔度、耐磨性, 同時還要具備足夠的剛性, 因此隋曉紅 高級工程師 鞍鋼技術中心鋼研所除對傳統的紫銅材料進行表面滲鍍及尺寸改進外, 近年來國內外又競相研製新型的銅鋯合金取而代之。這種用於製造結晶器的新材料, 在保證結晶器上述性能的同時, 使結晶器強度得以大大提高。但是其冶煉工藝過程較難控制, 容易形成內部氧化。冶煉工藝略有波動時, 其內部就會生成大量金屬或非金屬夾雜。表現為在其鑄後的合金斷口上呈現出一種顯而易見的黑色夾雜物質, 導致加工性能惡化。為此, 運用金相檢測手段, 分析這類夾雜物質的特性, 探討其形成機制、影響因素,以避免或控制這類有害雜質的形成。
分析與控制
材料為真空爐冶煉的鋯青銅合金,化學成分為: Zr 0. 1 4 4% ; Cr 1. 1 0% ;M n0. 63%; 餘量為Cu。材料狀態: 鑄造狀態。
在鑄件斷口上肉眼可見的黑色夾雜物上取樣, 用N EO PHO T 221 光學顯微鏡觀察, 分析在拋光態下, 夾雜物在基體中的形態、分布及光學特徵。利用電子探針、掃描電鏡、X 射線衍射儀確定該合金中的各類夾雜物的相組成, 測定微區成分變化, 結合實際冶煉工藝,分析其來源及控制措施。
檢測
在光學顯微鏡下觀察試樣中夾雜物形態,其中有塊狀、球狀、針狀、網狀等; 有些夾雜物在明場下為灰色, 深淺不一, 其中的一些點球狀夾雜在偏振光下為紅寶石色, 初步判定為氧化亞銅; 此外, 尚有一些點狀物呈透明狀各向異性, 即為二氧化矽。另有一些針狀、球狀物在明場下為灰色(針狀較多) 或蘭綠色(球狀) , 偏光下不透明,光學顯微鏡難以確定。
在光學顯微鏡下形貌為灰色,不規則塊狀的物質中含鋯及少量的矽, 淺灰色細條網狀分布或規則分布的物質, 主要也是鋯, 此外還含有一定量的銅。灰蘭色針狀及蘭綠色球狀物則主要含Cr, 其次含Cu、Zr 元素。本次試驗利用電子探針的吸收電子像及X 射線像定性顯示了這些元素在夾雜物中的分布狀態。其中的相組成中有氧化鋯、氧化鉻、鉻銅相及其與銅相的共晶。
運用X 射線衍射相分析法測定夾雜物具體相結構, 依據前述定性定量分析結果, 對X射線衍射曲線進行分析, 其黑色粉末狀夾渣中含有大量的Si、Zr、S; 只含有少量的SiO 2及微量Cu2O , 基體除含Cu 外, 尚有少量的ZrO 2 及微量CrO , 表現為譜線比較少, 與其它譜線相重疊, 且強度較弱。
試驗所研究的銅鋯合金中, 夾雜物主要是CuO、SiO 2、ZrO、ZrO 2、CrO 等。合金斷口上呈現的黑色粉末狀夾渣為上述夾雜物共存產物。此外合金中尚存在有銅、鉻等金屬間化合物和共晶物。
來源控制因素
選用鋯青銅作為連鑄結晶器用材料, 其合金化的基本原則是: 加入的合金元素總量要少(≯1%～ 2% ) , 以保證它的高導熱性、高強度及高的耐熱性能。在熔煉這類鋯青銅時,所遇到的主要問題是: 合金中所含夾雜物形態結構複雜, 冶煉工藝不當時, 夾雜數量就會增多, 且嚴重影響其後的熱加工及機械加工性能。分析認為: 合金中夾雜物的形成因素大體歸為兩個方面: 一是由於氧化造成, 二是某些元素與爐襯等耐火材料直接作用的結果。
由於鋯、鉻元素熔點高, 所形成的氧化物分解壓比較小, 遇到爐料水分或爐內真空不良時,極易產生氧化。實驗所測得的Cu2O、ZrO、CrO 等即為上述某種原因的氧化產物。此外這兩種元素的化學活性較強, 當它們以純金屬作為爐料時, 它們與耐火材料的反應更加劇烈, 從而產生雜質。合金雜質中所存在的Si、S、Zr、Cr、M g 及其氧化物和金屬間化合物就是上述的反應產物, 嚴重時, 就容易在鑄錠內部晶界處出現灰黑色的金屬粉末夾雜, 破壞金屬基體的連續性。降低塑性、衝擊韌性及疲勞強度。與此同時, 由於這些夾雜物的形成, 奪取了本來就為微量的合金元素Zr、Cr的絕大部分, 使合金固溶體含量減少, 達不到析出強化的效果, 因此強度大大下降。當然高溫冶煉時, 金屬的熔損及雜質的吸收是難以避免的。這就要求在熔煉爐料的選擇及處理方面, 既要考慮保證性能、降低成本, 又要儘量使用雜質含量少並保持乾潔的爐料。為使Zr、Cr 這類熔點高, 又不易熔解而易氧化的合金元素合理地熔入銅液中, 形成均勻的固溶體, 冶煉時儘可能地將它們後加或者配製成熔點較低的中間合金加入, 以獲得成分均勻, 純淨度高的合金。
總結
(1) 實驗室研究的連鑄結晶器用鋯青銅斷口上呈現的黑色粉末狀物質, 屬金屬氧化物夾雜。
(2) 鋯青銅內這種氧化夾雜相, 是由於在冶煉時, Zr、Cr 元素的加入方式不當, 或高溫冶煉真空不良, 這兩種不良因素初始受到氧化以及與耐火材料直接反應, 形成氧化物夾雜, 由於其分解壓較低, 嚴重氧化後所形成的。
(3) 鋯青銅合金中的高溫氧化夾雜物,特別是黑色夾渣, 嚴重地影響其後的冷、熱加工性能, 同時, 破壞合金的析出強化效果。
(4) 為防止和控制氧化夾雜的生成, 其理想的工藝為真空冶煉、澆鑄; 且儘可能後期加入易氧化的活性、難熔的Zr、Cr 元素, 或將其配成低熔點的中間合金加入, 以達到淨化材質, 提高產品質量的目的。
