汽車散熱器用黃銅帶水平連鑄工藝研究

馮立銘

（湖北精益高精銅板帶有限公司，湖北 十堰442000）

0 引 言

隨著散熱器冷卻管帶材生產(chǎn)技術(shù)不斷進(jìn)步，具有國際先進(jìn)水平的新型耐蝕環(huán)保高鋅錫黃銅HSn65-0.03已逐漸代替GB/T 11087-2012散熱器冷卻管專用黃銅帶，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用[1].汽車散熱器的工作條件惡劣，一般位于汽車前端迎風(fēng)處，不僅要經(jīng)受風(fēng)吹雨淋和汽車廢氣的污染，還要承受反復(fù)的熱循環(huán)和周期性的振動(dòng).另外，散熱器內(nèi)長期流動(dòng)著冷卻液對(duì)散熱器有銹蝕及腐蝕作用.因此，為保證散熱器可靠地發(fā)揮散熱作用，對(duì)其材料性能有如下要求：必須具有良好的導(dǎo)熱性能，一定的強(qiáng)度和較強(qiáng)的耐腐蝕性，良好的加工性能及釬焊性能，良好的經(jīng)濟(jì)性[2].

隨著人們對(duì)高鋅黃銅的研究深入，發(fā)現(xiàn)在黃銅中加入少量的合金元素如：錳、鋁、鐵、硅、鈷、鈦、鉛、錫、磷、鎳等，能夠?qū)辖鸹w起到明顯的固溶強(qiáng)化作用，且各元素之間通過相互作用形成彌散分布的硬質(zhì)耐磨相，在合金中起到顆粒彌散強(qiáng)化作用.除提高合金強(qiáng)度外，所添加的合金元素所形成的硬質(zhì)耐磨相還能夠提供良好的承載性能和高耐磨性[3-5].然而，由于現(xiàn)階段水平連鑄法生產(chǎn)復(fù)雜黃銅帶坯缺乏經(jīng)驗(yàn)，鑄坯質(zhì)量難以過關(guān)，很容易造成產(chǎn)品的表面起皮、晶間裂紋等缺陷，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量及成品率.本文從水平連鑄的工藝控制、常見質(zhì)量缺陷及解決辦法等幾個(gè)方面，對(duì)水平連鑄生產(chǎn)散熱器冷卻管黃銅工藝進(jìn)行了分析.

1 HSn65-0.03帶坯的制備

1.1 帶坯制備

水平連鑄法生產(chǎn)H65黃銅帶坯是近年來從國外引進(jìn)的一種新興工藝，由于對(duì)該工藝方法理解掌握的局限性，導(dǎo)致鑄坯質(zhì)量不過關(guān)，造成產(chǎn)品的表面起皮、晶間裂，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量及成品率.隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，H65黃銅帶以其良好的工藝性能、機(jī)械性能和耐蝕、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等特性，廣泛應(yīng)用于電氣、五金、電子電訊、機(jī)器制造、計(jì)算機(jī)接插件、建筑裝璜等行業(yè)，應(yīng)用量正逐年增加.常規(guī)生產(chǎn)方法是采用半連續(xù)鑄造大塊一熱軋開坯的方式.水平連鑄生產(chǎn)帶坯一冷軋生產(chǎn)出成品的H65帶生產(chǎn)工藝與半連續(xù)鑄造一熱軋開坯生產(chǎn)工藝相比，不需要高大的廠房和深井，可以省去設(shè)備復(fù)雜、投資巨大的熱軋開坯，投資少，工藝流程短，作為一種新興的工藝方法而被銅加工行業(yè)所采用.

本實(shí)驗(yàn)采用工業(yè)水平連鑄機(jī)生產(chǎn),對(duì)鑄錠進(jìn)行在線取樣，進(jìn)行金相分析、成分及耐鋅腐蝕性能對(duì)比.水平連鑄生產(chǎn)線由熔化爐-保溫爐-結(jié)晶器(銅水冷套與石墨內(nèi)襯)-引錠機(jī)(牽引機(jī))-銑面機(jī)-剪切機(jī)-卷取機(jī)及附屬收屑機(jī)構(gòu)等組成[6].本文樣品使用3 t熔化爐、3 t保溫爐生產(chǎn)的16.9 mm×410 mm帶坯.

1.2 HSn65-0.03與H65黃銅生產(chǎn)工藝對(duì)比分析

在國內(nèi)外汽車散熱器銅帶的工業(yè)生產(chǎn)中，HSn65-0.03工藝都是從H65工藝逐步改進(jìn)而來，分析兩者在水平連鑄工藝上的主要參數(shù)變化，可方便了解HSn65-0.03水平連鑄的工藝特點(diǎn).

1.2.1拉鑄速度對(duì)比

在相同生產(chǎn)裝備上，HSn65-0.03水平連鑄的拉鑄速度應(yīng)明顯小于H65，見表1.工業(yè)實(shí)踐表明，H65采用 124 mm/min→121 mm/min的拉鑄速度，而HSn65-0.03則采用104 mm/min→102 mm/min的拉速.且當(dāng)生產(chǎn)到每個(gè)結(jié)晶器末期，觀察到帶面麻面時(shí)，還應(yīng)降低拉鑄速度，使凝固區(qū)內(nèi)移，使用內(nèi)部石墨板較光滑的區(qū)域繼續(xù)生產(chǎn).

表1 H65和HSn65-0.03拉鑄速度對(duì)比

1.2.2節(jié)距對(duì)比

由于HSn65-0.03熔體的流動(dòng)性好于H65，故為提高生產(chǎn)效率，拉鑄節(jié)距可以增大，在工業(yè)生產(chǎn)中，H65一般采用8.5～8.7 mm的拉鑄節(jié)距，而HSn65-0.03的節(jié)距可達(dá)10.25～10.30 mm，見表2.

表2 H65和HSn65-0.03拉鑄節(jié)距對(duì)比

1.2.3拉鑄溫度的控制對(duì)比

由于熔體流動(dòng)性的提高，HSn65-0.03可適當(dāng)降低鑄造溫度，一般取 990±3℃（或 987～993℃），而H65的鑄造溫度一般為 1 030±5 ℃（1 025～1 035℃）,見表3.

表3 H65和HSn65-0.03拉鑄溫度對(duì)比

在工業(yè)生產(chǎn)中，拉鑄溫度為保溫爐實(shí)際溫度值，應(yīng)嚴(yán)格控制，并經(jīng)常使用熱電偶進(jìn)行測量，防止因溫度波動(dòng)引起結(jié)晶區(qū)域的前后移動(dòng)，導(dǎo)致夾雜等缺陷的產(chǎn)生.

1.2.4進(jìn)出口冷卻水溫度對(duì)比

由于鑄造溫度、鑄造速度、拉鑄節(jié)距等參數(shù)的改變，鑄造時(shí)的冷卻條件也應(yīng)有所調(diào)整，應(yīng)提高冷卻強(qiáng)度.進(jìn)水溫度一般取27～30℃（與H65進(jìn)水溫度一致），而出水溫度應(yīng)相對(duì)降低，H65為 45～50℃，HSn65-0.03為 40～45℃,見表 4.

實(shí)際生產(chǎn)過程表明，由于生產(chǎn)速度快，以及結(jié)晶組織的要求，黃銅包括HSn65-0.03都需要較強(qiáng)的冷卻強(qiáng)度，水壓也需要控制在合理范圍內(nèi).

表4 H65和HSn65-0.03進(jìn)出口冷卻水溫度對(duì)比

1.3 其它熔鑄工藝控制

為保證HSn65-0.03帶材的質(zhì)量，在熔鑄工藝上要求嚴(yán)格管理，闡述如下：

1）保溫爐木炭加入要求：先下料撈渣，然后加入烘烤后的木炭，木炭厚度大于150 mm.

2）保溫爐銅液的液面高度，是確保結(jié)晶器內(nèi)銅液有足夠的靜壓力，保證帶坯致密度.保持均衡的倒?fàn)t次序，是確保液面高度的重要條件.

3）熔煉爐銅液必須噴火，噴火的作用是為了達(dá)到倒?fàn)t溫度并且使氧化物上浮.倒?fàn)t應(yīng)均勻，不得忽快忽慢，致使保溫爐內(nèi)液面波動(dòng)大，溫度受到影響.

4）每次倒?fàn)t完后應(yīng)及時(shí)對(duì)保溫爐進(jìn)行攪拌，以便熔體內(nèi)懸浮的氧化渣及時(shí)上浮，攪拌時(shí)應(yīng)保證液體波動(dòng)小，防止波動(dòng)的液流影響結(jié)晶區(qū)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致帶坯出現(xiàn)結(jié)疤和隱性裂紋.

5）倒完?duì)t后必須清理保溫爐、流槽及熔煉爐四周的氧化物，保持現(xiàn)場清潔.防止下次倒?fàn)t時(shí)氧化渣被沖入保溫爐內(nèi).

2 HSn65-0.03與H65鑄坯的對(duì)比研究分析

在HSn65-0.03合金中主要加入的微量元素為磷和錫.銅磷二元相圖表明，在714℃時(shí)存在著共晶反應(yīng)，隨著溫度降低，磷在銅中的固溶量迅速減少，300℃時(shí)為0.6%，200℃時(shí)為0.4%；固溶于銅中的磷顯著的降低其導(dǎo)電率，含P 0.014%的軟帶導(dǎo)電率為94%IACS，含P 0.14%的導(dǎo)電率僅為45.2%；磷是最有效、成本最低的脫氧劑，微量磷的存在，可以提高熔體的流動(dòng)性，與雜質(zhì)元素形成化合物，強(qiáng)化境界并使化合物脆化相更加細(xì)小均勻的分布在晶界上；可以抑制脫鋅，增加耐蝕性能和抗應(yīng)力作用，同時(shí)提高合金的切削性能和強(qiáng)度，改善銅及合金的焊接性能、耐蝕性能、提高抗軟化程度，所以磷又是銅及合金的寶貴添加元素，含磷量在0.015%～0.04%之間的磷銅合金，廣泛用于生產(chǎn)建筑用水道管、制冷和空調(diào)器散熱管、艦船海水管路；低磷銅合金板、帶材在電子和化工工業(yè)中廣泛應(yīng)用，集成電路引線框架銅帶也大量使用低磷銅合金；共晶成分的磷銅合金，是優(yōu)良的焊接材料，高磷銅合金在580～620℃之間具有超塑性，可以熱擠成Φ3～Φ5 mm焊絲，是焊接銅及銅合金、鋼和銅零件的重要材料[7-8].

研究表明，在黃銅中加入1 wt%的錫，可以大幅提高合金的力學(xué)性能和抗腐蝕性能，但加入過多的錫會(huì)降低合金的塑性，同時(shí)對(duì)合金的抗脫鋅和抗耐腐蝕性能起不到抑制的作用.在α相黃銅中，錫可以形成一層鈍化膜對(duì)脫鋅起到減緩作用，在α+β兩相黃銅中，錫起到惰性氣體的作用，延緩鋅的選擇性溶解.此外錫元素抑制脫鋅，提高耐蝕性，特別是提高抗海水腐蝕的能力，故錫黃銅有“海軍黃銅”之稱[9].

2.1 成分檢測

依據(jù)銅及銅合金分析方法、銅及銅合金化學(xué)分析方法，雜質(zhì)元素采用TY-9610型光電直讀光譜儀進(jìn)行檢測，試樣經(jīng)過光源激發(fā)后，所輻射的光經(jīng)入射狹縫到分光系統(tǒng)色散成光譜，對(duì)選定的光譜線經(jīng)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及測量系統(tǒng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并測量譜線的強(qiáng)度，由計(jì)算機(jī)依據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)樣品（標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)）制作的工作曲線測出試樣中各待測元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù).生產(chǎn)鑄錠成分滿足加工銅及銅合金牌號(hào)和化學(xué)成分要求[10-12].如表5所示,1#為HSn65-0.03產(chǎn)品，有少量的Sn和P元素，2#為國標(biāo)H65產(chǎn)品.

表5 H65和HSn65-0.03的化學(xué)成分

2.2 金相分析

HSn65-0.03鑄態(tài)金相如圖1所示，從圖1中分析可知，樣品組織顯示其相組成為α+β相，其中白色基體為α相，剩余為β相，β相約占基體面積的10.3%.HSn65-0.03具有好的性能特征是因?yàn)?，合金中要求存在一定量的α相以保證合金具有一定的塑性.另一方面少量的β相能夠有效地改善合金的強(qiáng)度硬度.另一方面有學(xué)者研究表明，β相是沿α相的晶界析出，當(dāng)發(fā)生磨損時(shí)，磨損表面產(chǎn)生微裂紋，當(dāng)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展時(shí)必定會(huì)碰到α相，這時(shí)微裂紋產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)沿著塑性較好的α相的分布進(jìn)行擴(kuò)散，從而降低了裂紋擴(kuò)展的速度，但是一定要控制α相的含量避免合金的整體硬度下降[13-14].

圖1 1#鑄錠金相(100×)

GB/T 5231-2012加工銅及銅合金牌號(hào)和化學(xué)成分中，H65黃銅的Cu含量范圍較大(63.5%～68.0%)，生產(chǎn)中若將Cu含量控制在67%～68%，可有效避免冷軋裂紋，但生產(chǎn)成本很高.若將銅含量控制在下限(64%～65%)，雖然β相的增加對(duì)鑄造工藝提出了更高的要求，但可降低生產(chǎn)成本[15-16].采用何種范圍的Cu含量取決于各個(gè)工廠的實(shí)際生產(chǎn)狀況，但散熱器銅帶屬于特殊用途，其成分應(yīng)有更高要求.

2.3 水平連鑄過程質(zhì)量分析

影響帶坯質(zhì)量的因素主要有拉鑄工藝制度、結(jié)晶器清潔度、石墨模具材質(zhì)、冷卻強(qiáng)度以及操作者的技能等，實(shí)踐表明，在拉一停時(shí)間、拉速、澆溫及冷卻強(qiáng)度等配合得當(dāng)時(shí)，加上操作者的正確操作，可得到較穩(wěn)定的連鑄過程和良好的帶坯質(zhì)量[17].

在實(shí)際生產(chǎn)中，因鑄造工藝過程的復(fù)雜性，鑄造缺陷的原因難以分析判斷.在其結(jié)晶器中，金屬凝固過程對(duì)鑄錠表面及靠近表面區(qū)域的質(zhì)量起著決定性的作用，各種工藝參數(shù)會(huì)影響金屬在結(jié)晶器中的變化過程，已結(jié)晶的凝殼與結(jié)晶器材料間的相互作用對(duì)鑄坯質(zhì)量也有顯著的影響.根據(jù)長期工業(yè)生產(chǎn)過程來分析，帶坯拉出時(shí)表面呈暗紅色且不裂為好，這也成為目前行業(yè)內(nèi)生產(chǎn)中工人對(duì)帶坯質(zhì)量表觀判定的依據(jù).

在水平連鑄的質(zhì)量控制中，在軋制階段發(fā)生的“起皮”是其主要的質(zhì)量缺陷,其主要原因是水平連鑄工序在鑄造過程中,鑄坯內(nèi)部存在有氣孔或偏析缺陷.氣孔形成的原因是熔體中含氣量高，凝固過程氣體析出，并凝聚而形成氣孔.為降低溶液中的含氣量，可以將噴火次數(shù)增加到2次，氣體在銅及銅合金中的溶解度是隨著溫度升高而加大的，當(dāng)達(dá)到熔點(diǎn)溫度時(shí)，氣體的溶解度將急劇增加，但是接近沸點(diǎn)溫度（黃銅噴火溫度）時(shí)，氣體的溶解度又急劇降低，甚至達(dá)到零，為防止液態(tài)銅中含氣量過高，黃銅應(yīng)進(jìn)行2次以上的噴火操作，盡可能將其含有的氣體排出，同時(shí)加強(qiáng)攪拌.偏析形成的原因是鑄造溫度較低，冷卻強(qiáng)度大，導(dǎo)致晶粒粗大，組織致密性差，低熔點(diǎn)錫元素形成宏觀偏析，所以生產(chǎn)過程中要控制好溫度，使溫差盡量控制在小的范圍內(nèi).另外石墨模具也是水平連鑄生產(chǎn)的重要硬件，采用材質(zhì)較好的石墨模具，也是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)帶材的關(guān)鍵因素.

2.4 耐腐蝕脫鋅性能對(duì)比

黃銅是以鋅為主要合金元素的銅合金，含鋅量一般在10%～50%之間，工業(yè)用黃銅的鋅含量均低于50%，為單相的α黃銅和兩相的α＋β黃銅[18].與純銅相比，黃銅不但具有銅及銅合金的一般特性，還具有優(yōu)于純銅的力學(xué)性能以及價(jià)格低和色澤美的優(yōu)勢，使之成為了應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)濟(jì)的銅合金.黃銅的耐蝕性是極其重要的使用性能.耐蝕黃銅以其優(yōu)良的導(dǎo)熱性、耐腐蝕性能而被廣泛地用作電廠、海船的冷凝管之類的熱交換材料.但是黃銅在使用過程中還存在脫鋅腐蝕與應(yīng)力腐蝕破裂的問題，給工業(yè)生產(chǎn)帶來許多隱患.進(jìn)一步提高黃銅的耐腐蝕性能，防止黃銅管的腐蝕失效，對(duì)相關(guān)工業(yè)部門的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，具有十分重要的意義.

為抑制黃銅脫鋅，研究者們采取了很多措施，其中最有效的方法就是添加合金元素，目前所采用的合金元素有錫、鋁、鎳、錳、砷、硼、銻、稀土等.單一添加某種合金元素，一般會(huì)有一個(gè)最合適的添加量，以達(dá)到最佳的耐腐蝕性能；而添加多種合金元素，它們之間會(huì)有一個(gè)最佳的添加量及比例，從而產(chǎn)生協(xié)同作用，使黃銅的耐腐蝕性能相對(duì)于添加單一元素的黃銅進(jìn)一步提高.選擇幾種合金元素合理組合和確定其最佳的添加量及比例，以提高黃銅的耐腐蝕性能，是合金成分設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題.但是添加合金元素后，不可避免地會(huì)對(duì)合金的一些其它性能造成不利影響.所以，在利用合金化的方法提高其耐蝕性的同時(shí)，避免或減少對(duì)其它性能的有害影響，特別是保證良好的綜合成型加工能力，則是合金成分設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵問題[19].

對(duì)1#和2#帶坯粗軋到1.0 mm后進(jìn)行退火，然后按照黃銅耐脫鋅腐蝕性能試驗(yàn)[20]要求取樣，進(jìn)行脫鋅試驗(yàn)，1#（HSn65-0.03）均勻脫鋅，平均脫鋅深度 9.6 μm，2#（H65）也為均勻脫鋅，平均脫鋅深度 190 μm.根據(jù)圖2對(duì)比，HSn65-0.03的抗脫鋅腐蝕性能大幅度的優(yōu)于H65材料，可以在汽車、發(fā)電機(jī)組等散熱器設(shè)備中較好使用，在耐腐蝕性能不降低的情況下，較之20世紀(jì)H90冷卻管料成本也大幅度降低.

3 結(jié) 論

1）工業(yè)生產(chǎn)中嚴(yán)格按照生產(chǎn)工藝和操作規(guī)程是生產(chǎn)出穩(wěn)定材料的關(guān)鍵.

2）控制水平連鑄帶坯質(zhì)量是后續(xù)成品的質(zhì)量的關(guān)鍵.

3）本試驗(yàn)HSn65-0.03的抗脫鋅腐蝕性能最好，均勻脫鋅深度9.6 μm.

圖2 HSn65-0.03與H65的脫鋅測試

[1]GB/T 11087-2012,散熱器冷卻管專用黃銅帶[S].

[2]李婷.談銅材產(chǎn)品及其在汽車上的典型部件[J].有色金屬加工，2010,39(3)：12-14.

[3]Aheed A W,幾種高強(qiáng)度黃銅的顯微組織與摩擦性能[J].謝士英，譯,銅加工，1996(1)：45-52.

[4]王濤.新型高強(qiáng)耐磨復(fù)雜黃銅及其生產(chǎn)技術(shù)[J].有色金屬加工，2005，34(6)：2-9.

[5]王祝堂，田榮璋.銅合金及其加工手冊(cè)[M].長沙：中南大學(xué)出版社,2002.

[6]劉剛，韓淑敏，白常厚.H65黃銅水平連鑄工藝研究[J].金屬世界，2007(2）：10-13.

[7]李洪巖.合金元素對(duì)環(huán)保易切削銅合金的影響[J].山東工業(yè)技術(shù),2013(7)：1-3.

[8]劉培興.銅加工合金[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：36-37.

[9]王躍臣，張興利，劉云.合金元素在無鉛易切削黃銅中的作用[J].上海有色金屬，2011,32(3)：111-113.

[10]GB/T 5121.1-2008,銅及銅合金化學(xué)分析方法（第1部分）：銅含量的測定[S].

[11]YS/T 482-2005,銅及銅合金分析方法-光電發(fā)射光譜法[S].

[12]GB/T 5231-2012,加工銅及銅合金牌號(hào)和化學(xué)成分[S].

[13]Kailas S V.A study of the stain rate microstructural response and wear of metals[J].Journal of Materials Engineering and Performance,2003,12(6)：629-637.

[14]張玉平，李聯(lián)英，王靈卉.新型黃銅磨損特性的試驗(yàn)研究[J].特種鑄造及有色合金,1999,19(3)：28-30.

[15]姚若浩.銅合金加工開裂現(xiàn)象評(píng)述[J].銅加工，2002(2)：1-2.

[16]戚克鵬，余棟，金鏗.水平連鑄H65黃銅帶坯冷軋裂紋及其預(yù)防措施[J].有色金屬加工，2006,35(4)：22-28.

[17]張輝，王金海，劉婉容.水平連鑄H65黃鉛線坯的工藝研究及應(yīng)用[J].有色冶煉，2001(5）：58-61.

[18]劉道新.材料的腐蝕與防護(hù)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006：308.

[19]張娟，唐寧，尚用甲.合金元素對(duì)黃銅耐腐蝕性能的影響和作用機(jī)理[J].腐蝕與防護(hù)，2012,33（7）605-609.

[20]GB/T 10119-2008，黃銅耐脫鋅腐蝕性能的測定[S].