锡磷青铜具有如下特点:高的弹性、耐磨性和抗磁性;在热态和冷态均可压力加工;焊接和钎焊性良好;切削性能好;在大气和淡水中抗蚀性好;铸造性良好.冷加工状态的锡磷青铜薄带材早已被广泛应用于无线电、电子和通信工业中制造具有高导电性的弹性零件,主要用于制造导电性能好的弹簧接触片和其他弹簧,精密仪器中的耐磨零件和抗磁元件,如接触簧片电刷盒和振动片等^[1].

锡磷青铜生产时,一直采用低频拉铸工艺,拉铸频率为14次/min,拉铸速度为168 mm/min,节距为12 mm,拉铸工艺为拉-停-退.拉1 s、停3 s,多数时间为停顿工序.CN 1263876C中提出的紫铜带拉铸工艺为小引程短停顿,中途适当加以反推的工艺过程,仍然是拉铸时间短,停顿时间长,拉铸速度慢,生产效率低.在此拉铸条件下,拉铸速度较慢,生产效率低,且普遍存在铸锭组织比较粗大、不均匀以及有成份偏析等现象.而不良的铸锭组织将对后道工序产生不良的遗传作用.本试验旨在寻求一种高效率,并能同时改善铸锭组织、减少成分偏析和枝晶偏析的拉铸工艺,为能快速得到优良的铸锭提供一定的生产经验.

锡磷青铜高频拉铸工艺特征为铸造温度为1 050～1 080℃、拉铸冷却水压力为0.55～0.65 MPa,拉铸过程包括:向前拉铸-第一次停-第一次反推-第二次停顿-第二次反推-第三次停顿.上述工序为一个单元循环的连续过程.拉铸速度提高至180～300 mm/min,拉铸频率提高至40～94次/min.拉铸速度包括从逐步加速拉铸过渡到恒速拉铸,拉铸频率包括从逐步加快拉铸频率过渡到恒定频率拉铸.高频拉铸工艺参数见表 1.原拉铸工艺参数见表 2.

表1(Table 1)

表 1 高频拉铸工艺参数 Tab. 1 High frequency casting parameters 工艺 拉速/ (mm· min-1) 节距/ mm 频率 (次/min) 周期/ s 拉距/ mm 拉时/ s 第一次 停顿时 间/s 第一次 反推距 离/mm 第一次 反推时 间/s 第二次 停顿时 间/s 第二次 反推距 离/mm 第二次 反推时 间/s 第三次 停顿时 间/s 起拉 90 10 11 5.5 10.00 1 4.5 — — — — — — 1 120 8 15 4.00 10.70 2.10 0.05 1.80 0.50 0.80 0.90 0.50 0.05 2 150 6 25 2.40 8.00 1.30 0.05 1.30 0.26 0.48 0.70 0.26 0.05 3 180 4.5 40 1.50 6.00 0.79 0.05 1.00 0.16 0.30 0.50 0.15 0.05 5 240 3.8 63 0.95 4.87 0.45 0.05 0.72 0.12 0.19 0.35 0.09 0.05 6 270 3.5 77 0.78 4.47 0.32 0.05 0.65 0.12 0.16 0.32 0.08 0.05 7 300 3.2 94 0.64 3.92 0.28 0.03 0.48 0.10 0.12 0.24 0.07 0.04

表 1 高频拉铸工艺参数 Tab. 1 High frequency casting parameters

表2(Table 2)

表 2 低频拉铸工艺参数 Tab. 2 Low frequency casting parameters 水压/ MPa 拉速/ (mm·min-1) 节距/ mm 频率/ (次·min-1) 周期/ s 拉距/ mm 拉时/ s 停/s 退距/ mm 退时/ s 0.4 171.4 12 14.3 4.2 13 1 3 1 0.2

表 2 低频拉铸工艺参数 Tab. 2 Low frequency casting parameters

图 1为低频拉铸工艺和高频拉铸工艺铸坯的金相组织对比.

图 1 高频与低频拉铸工艺铸坯的金相组织 Fig. 1 Metallographic structure of high and low frequency casting ingots

从图 1(a)中可以看出,采用低频拉铸工艺铸坯的结晶中心线明显靠近上表面,且铸坯的晶粒比较粗大.通过对比得出:采用高频拉铸工艺铸坯的中心线基本处于中心位置,且晶粒明显细化,尺寸为原晶粒的1/5左右,如图 1(b)所示.

图 2是铸坯不同深度处Sn含量的变化趋势.从图 2中可以看出,采用低频工艺拉铸的铸坯表层的Sn含量较高,中心的Sn含量则较低,表现出明显的反偏析现象;而采用高频拉铸工艺虽然也存在反偏析,但是程度有所降低.

图 2 铸坯不同深度处Sn含量的变化趋势 Fig. 2 Variations of Sn content of ingot at various depths

锡磷青铜的凝固过程存在固液混合阶段,不同于紫铜的瞬间凝固,因此锡磷青铜在拉铸时易发生铸坯拉裂的现象.有可能因拉裂严重而无法进行下一步的轧制生产,或者是轧制生产后需切除较大面积的边缘部分,导致成品率下降.由于采用较快的拉铸频率和增加了第二次停顿、第二次反推、第三次停顿和第三次反推过程,使锡磷青铜合金结晶过程始终处于震动运动中,粗大枝晶容易被打碎,因此晶粒得到细化;同时,由于震动的作用,能促进合金元素均匀分布,使铸坯组织均匀,反偏析程度减轻.由于晶粒细化、组织更均匀以及反偏析减少,后续加工过程中的肋裂纹发生率减少,成品率升高;提高单元循环拉铸速度,也大幅提高了设备的产能和生产效率,降低了生产成本.

(1) 锡磷青铜高频拉铸工艺与低频拉铸工艺相比,铸锭晶粒明显细化,尺寸减小到原来的1/5左右.

(2) 锡磷青铜高频拉铸工艺减少了Sn元素的反偏析程度,提高了铸坯的品质;减少后续加工的缺陷发生率、提高了生产效率.