銅合金C19210鑄錠端面裂紋分析

雷雨，李湘海

（中鋁洛陽銅加工有限公司，河南 洛陽 471039）

C19210是銅板帶加工企業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用于集成電路引線框架，產(chǎn)品質(zhì)量要求高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，尤其是鑄造難度大。C19210鑄錠一般采用半連續(xù)鑄造方式生產(chǎn)，在鑄造過程中如果工藝控制不當(dāng)，鑄錠內(nèi)部很容易產(chǎn)生氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，對后續(xù)軋制加工帶來嚴(yán)重的影響，最終將會引起C19210成品帶材出現(xiàn)起皮和分層，導(dǎo)致產(chǎn)品報廢。最近一段時間，某公司生產(chǎn)的C19210扁鑄錠，在鋸切時，人工外觀檢查發(fā)現(xiàn)鑄錠端面存在有類似裂紋缺陷的現(xiàn)象，為了進一步驗證裂紋存在的可能性以及探討其產(chǎn)生的原因，筆者采用化學(xué)成分分析、宏觀低倍組織檢驗、金相分析和滲透探傷等方法對C19210扁鑄錠鋸切端面發(fā)現(xiàn)的類似裂紋進行了分析，結(jié)果表明C19210扁鑄錠端面的確存在裂紋，試驗證明這種裂紋為鑄造應(yīng)力造成的熱裂紋，并對裂紋產(chǎn)生的原因進行了分析和探討，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 理化檢驗

1.1 化學(xué)成分

在端面上有裂紋的C19210鑄錠上取樣做化學(xué)成分分析。經(jīng)分析，鑄錠的化學(xué)成分符合C19210的標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)果見表1。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果

1.2 滲透探傷

C19210鑄錠厚度為230mm，寬度為850mm，先用清洗劑將鑄錠端面清洗干凈，然后噴涂滲透劑，10分鐘后，去除在鑄錠端面多余的滲透劑，最后在鑄錠端面噴涂著色劑，裂紋清晰地顯示在端面上，并且裂紋只出現(xiàn)在端面寬度和厚度的中間部位，其它部位沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，為了檢驗這種現(xiàn)象，對人工外觀檢查發(fā)現(xiàn)鑄錠端面存在有類似裂紋缺陷現(xiàn)象的幾十個鑄錠端面進行了滲透探傷試驗，結(jié)果均存在這種規(guī)律，如圖1所示。

圖1 滲透探傷顯示鑄錠端面裂紋（圖中箭頭所示為裂紋）

1.3 低倍檢測

為了排除是鋸切應(yīng)力造成表面裂紋的可能性，對著色探傷過的鑄錠端面進行銑面，第一刀銑0.5mm，發(fā)現(xiàn)裂紋可見，第二刀銑0.5mm后還可見，第三刀銑1mm后仍然可見裂紋，最后又銑掉1mm，裂紋還可見，然后用30%的硝酸水溶液進行低倍試驗，鑄錠端面中間部分為粗大的柱狀晶（如圖2所示），最后再次滲透探傷檢測，端面裂紋仍然可見，結(jié)果如鋸切面一致（如圖3所示）。

圖2 端面低倍組織（粗大柱狀晶）

圖3 鑄錠端面銑面后滲透探傷顯示裂紋（圖中箭頭所示為裂紋）

1.4 金相分析

在有裂紋的端面上取金相試樣，研磨拋光、侵蝕后在金相顯微鏡下觀察，其顯微組織為基體α+少量Fe2P質(zhì)點相，少量Fe2P質(zhì)點相彌散分布在α基體上[1]，未發(fā)現(xiàn)其它高倍組織缺陷，如圖4所示，其裂紋沿晶界開裂，如圖5所示。

圖4 鑄錠的顯微組織(100×)

圖5 鑄錠端面沿晶裂紋（50×)

2 分析與討論

原材料的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，通過低倍和顯微組織分析也未發(fā)現(xiàn)鑄錠存在其它缺陷，經(jīng)對鑄錠端面滲透探傷顯示，所有裂紋均出現(xiàn)在鑄錠端面厚度的中間位置，其它部位未發(fā)現(xiàn)裂紋，且裂紋均沿晶界開裂，特別是大的晶粒界面出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象更為突出。由此可見造成C19210鑄錠端面裂紋的直接原因是鑄造應(yīng)力，是金屬在凝固過程中產(chǎn)生的熱裂紋。這種熱裂紋是在鑄錠尚未完全凝固或雖已凝固而晶界和枝晶間存在的低熔點相時，因金屬液態(tài)、固態(tài)收縮及凝固收縮受到阻礙，當(dāng)收縮應(yīng)力超過了當(dāng)時的金屬強度或線收縮大于合金延伸率時形成的[2]。從化學(xué)成分和顯微組織分析可以看出鑄錠枝晶間不可能存在低熔點相，因而排除了低熔點相造成裂紋的可能性。

由于鑄件在冷卻過程中，各部分冷卻速度不一樣，會造成同一期間各部分收縮量不一致，但鑄件各部分是連成一個整體的，因此彼此相互制約的結(jié)果便產(chǎn)生了應(yīng)力，這種由于線收縮受熱阻礙而產(chǎn)生的鑄造應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。鑄件冷卻末期，中間部分仍處在塑性狀態(tài)，收縮冷卻，體積要變小，而此時端面兩邊已完全冷卻成彈性狀態(tài)，體積不再發(fā)生變化，這樣中間部分收縮將受到兩邊的制約，最終在厚度的中間部分形成明顯的拉應(yīng)力。當(dāng)這種拉應(yīng)力超過鑄錠的強度極限時，將在鑄錠的厚度中間部位產(chǎn)生裂紋，另外由于鑄件的冷卻速度小或冷卻強度不夠，在鑄錠厚度中間部位形成粗大的柱狀晶，這種粗大枝晶的晶間強度明顯比細(xì)小枝晶的低得多，其柱狀晶的晶間強度也不如等軸晶，所以裂紋最終均出現(xiàn)在鑄錠端面厚度的中間位置，且沿粗大的柱狀晶晶界開裂。影響熱裂紋的因素有合金的本性，澆鑄工藝和鑄錠結(jié)構(gòu)等方面。從C19210鑄造過程中看，熱裂紋主要是由于澆鑄溫度過高、鑄造速度慢和冷卻強度較小等因素造成的。

3 結(jié)論

(1)從試驗結(jié)果看，鑄錠端面裂紋均出現(xiàn)在鑄錠端面厚度的中間位置，其它部位未發(fā)現(xiàn)裂紋；

(2)裂紋為沿晶界開裂的熱裂紋，一般都比較小，通過人工檢查和低倍檢查，很難發(fā)現(xiàn)，只有通過著色探傷才能發(fā)現(xiàn)；通常發(fā)現(xiàn)的裂紋都有一定的深度，深度在3mm～6mm之間，說明與鑄錠端面鋸切應(yīng)力沒有關(guān)系；

(3)由于在澆鑄過程中，鑄造速度慢和冷卻強度較小，造成鑄錠厚度中間位置形成粗大的柱狀晶，而且鑄錠在最后凝固的中間部分產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而在厚度中間部分形成沿晶界開裂的熱裂紋；

(4)適當(dāng)提高鑄造速度和加強冷卻強度，可以有效地避免熱裂紋的產(chǎn)生。