中国中车齐齐哈尔车辆有限公司黑龙江齐齐哈尔161002
摘要：通过对铝锰黄铜化学成分、铸锭等方面分析，掌握了铝锰黄铜的性能、特点和用途，结合锻造经验，总结出原材料控制、加热、锻造、冷却等各工序操作要点，圆满的解决了困扰多年的断裂、裂纹、折叠及加工开裂的惯性质量问题。
关键词：铝锰黄铜；自由锻；操作法
1、概述
铝锰黄铜是除铜和锌两种基本合金元素外，再加入铝和锰元素的特殊黄铜，具有较高的强度、硬度，以及优良的耐磨性和耐腐蚀性，而得到广泛应用，如铁路车辆制动机、铁路起重机零部件、加工、锻造、冲压等设备中零部件等。
根据多年的锻造经验，并对铝锰黄铜的化学成分、材质特性、缺陷进行分析、试验验证，摸索出一套针对铝锰黄铜的操作法，从加热、锻造、工具、操作入手，解决了缺陷的产生，避免了大量原材料浪费、经济损失。
2、缺陷产生的分析
对产生缺陷的因素进行分析：
2.1铝锰黄铜中合金元素的影响
2.1.1锌的影响。Zn在Cu中起固溶强化作用，提高合金材料强度、硬度；降低熔点，结晶范围小，形成缩松及显微缩孔倾向小，提高铸造组织密实度，轻微降低材料塑性、韧性。
2.1.2铝的影响。Al能够显著提高合金的硬度、耐磨性、抗拉强度和屈服强度。由于铝的锌当量为6，使合金塑性降低，故一般铝含但Al及Bi、Sb微量元素对合金塑性影响大，显著降低材料的锻造工艺性能，是热锻件开裂的主要诱因之一。
2.1.3锰的影响。Mn的Zn当量为0.5，Mn在合金中能稳定β相、阻碍γ相析出，在保留塑性的同时，提高了强度和硬度。
2.1.4铅的影响
Pb在铝锰黄铜中改善加工性能，主要是切削性能。
其中铁路货车120阀滑阀HMn52-2-5。由于A1、Mn、Pb的共同作用，锌当量达51.46%，使组织处于p相与B+7交界处。因此在冷却速度较慢或成分偏析时，会产生硬脆的7相，使铸件变脆。粗大铸件的中心部分会产生硬脆相7，因为中心部分冷却速度慢、成分偏析也易产生。
2.2原材料影响。一般的原材料有3种，即铸造棒材（含连铸棒）、热轧棒和挤压棒。铸造棒材不进行热轧或挤压直接进行热锻，由于黄铜棒本身的力学性能很差，会导致热锻后毛坯件的品质下降；同样如果热轧或挤压棒在热锻前没有进行退火预处理，则由于棒料本身加工应力的存在，也会加剧锻件的应力积聚而开裂。
受公司不具备生产热轧、挤压棒材的条件所限，只能提供金模铸造棒材，提高铸锭冷却速度，尽可能减小心部组织粗大、成分偏析。铝锰黄铜属高锌黄铜，由于浇注速度快，在锭身表面易产生严重的气化物夹层。另外，气体自锭模壁侵入锭身表面而生成的气孔等造成锭身表面质量很差，极易造成缺陷的产生。
3、铝锰黄铜自由锻造操作法
通过，对化学成分及铸造工艺的分析，结合多年的生产实践判断，铝锰黄铜，具有较好的热态下变形能力，但其冷变形能力较差，锻造温度范围窄。同时，由于受铸造工艺所限，铸锭心表组织差异较大，需对原材料、加热、锻造、冷却、操作等环节加以控制，从而形成一套铝锰黄铜自由锻造操作法，极大地减少了了缺陷的产生。
3.1坯料表面控制。针对铸锭表面质量很差，为防止表面裂纹扩展及提高表面质量，必须在加热前采取机械加工方式进行剥皮处理，一般需去除3-5mm，直至露出金属表面。
3.2加热。鉴于铝锰黄铜结晶温度范围窄(740～650℃)，因此最好采用电阻炉加热。受条件所限，我公司采用天然气炉进行加热，必须严格控制炉温，一般控制在780～790℃，即高于始锻温度40~50℃。由于自由锻炉没有自动控温装置，加热时采用按照经验法目测整炉温，即在炉内放一块废钢，待废钢表面氧化皮烧红，关火，装料，待铜料表面变红，开火进行升温，铜料通体变为均匀红色，均温10~20分钟，即可进行锻造。亦可采用比较法，加热时用红外测温仪观测同炉加热的废钢温度，以调整炉温，此方法需经常调整，较为繁琐，适用于经验较少的操作工。为防止火舌直接喷到铜料上而引起局部过烧，采用薄钢板覆盖坯料。另外，坯料装炉前，在炉底先垫上一张薄钢板，待铜坯料加热完毕，再将钢板取出。如果铜坯料下不垫钢板，在铜料加热取出后，需在炉底扬些食盐烧一下或进行扒底。为降低钢板、食盐消耗、降低污染，总结出在加热铜料前，在炉底先铺设一层薄氧化皮的方法，这样氧化皮在加热时，不但有助于铜料均匀快速升温，同时，铜料生产完成，扒除炉底氧化皮即可去除铜残留，避免铜脆危害。
铜坯料装炉时严禁堆放，应按顺序排列，各料之闻留20～40mm间隙，保证加热均匀。铝锰黄铜加热效率为0.6min/mm，根据铜锭规格进行计算，保温时间为加热时间的l/6～1/5。
3.3锻造。严格控制铝锰黄铜锻造温度，始锻温度740℃，终锻温度650℃。因铝锰黄铜在终锻温度以下很快进入脆性区，因此在600℃以下变形或辅助操作时，会产生脆裂现象。自由锻造的温度可用锻造时间加以控制。例如：φ90mm棒料锻造时间为2～4min，直径每增加5mm，时间大约增加25s。
由于铝锰黄铜具有很高的导热性、锻造温度低，锻造温度范围又窄，因此锻造过程要充分利用坯料的加热热量，尽可能防止坯料热量散失，模具和工具都要预热，预热温度200～300℃。
铝锰黄铜对内应力比碳钢敏感，若不消除，会在加工或使用过程中自行开裂，这就要求锻件各处的变形温度和变形量一致。所以自由锻时，锤击应轻快，坯料在砧上要经常翻转，保持温度均匀。在锻造轴类长杆类件时，应经常调头，使各部分变形温度接近，这样金属组织较一致，内应力也较小。
为了避免晶粒粗大，铝锰黄铜锻造时每次变形量应大予临界变形量，即大于10%～15%。对子多火次变形锻造，在第二火次及以后火次已经充分热透的情况下，变形量可更大一些。但是，由于拔长时，变形前后出现的台阶比钢材的尖锐，在下一次锤击时易生成折叠，所以延伸时的送进量与压缩量之比应较钢料的取的大一些，并且应将锤的上、下砧边缘倒成大圆角。
锻造时将少许汽缸油（或其他粘度高、燃点高的油品）涂抹在下砧或模具上，以减小锻造阻力。切不可使用石墨乳等水性润滑剂，会快速降低模具、铜料温度，而引起开裂。
3.4锻后冷却。为防止锻后极冷及冷却不均匀，批量生产的毛坯，放入底部为平整铸铁板的铁箱中堆冷，避免变形的同时，利用余热进行一次回火，消除内应力并改善加工性能。
4、滑阀锻造实例
滑阀采用φ90mmX320mm剥皮铸锭，锻造为两支24mmX32mmX600mm毛坯料，设备为250kg自由锻锤，锻造温度为650～740℃。铸锭在天然气炉中加热，每次可加热21个铸锭。加热过程是：先将炉温升到850～900℃，然后降到800℃左右，将烧嘴火焰关闭到最小，把铸锭并排装到炉内，再将烧嘴量、风量调到适当位置，用小火使铸锭加热到始锻温度740℃。锻造前，用热铁将上、下锤砧、剁刀预热到200～300℃左右，然后将加热后的铸锭在锤上开坯，剁掉冒口部分35～40mm。将余下的铸锭剁为均匀的两块，一块回炉二次加热，另一块直接锻造拔长，拔长时将少许汽缸油涂抹在下砧上，以减小锻造阻力。首先将坯料锻至截面为60mm×60mm的方料，再将大约3／5的部分拔长，使截面至43mm×33mm，掉头拔长另一端，截面拔至43mm×33mm时，上42mm×32mm的钢垫控制锤，进行整形并校直，达到锻件要求的尺寸。终锻温度控制到650℃以上，锻造时间≤2min，然后再锻造另一半坯料，每一个铸锭出2个条形锻件。锻造后将滑阀放置在铁相中平直的铸铁板上堆冷。
经验证，采用本操作法后，锻造过程中产生的锻造裂、折叠造成的废品率由8%降低到0.5%，由于晶粒粗大、缩松锻不合，在加工过程中由强度不足而导致的开裂废品率由5%降低到1%。大大降低原材料、动能、人工损失，取得了显著的经济效益。
5结论
5.1本操作法是基于对铝锰黄铜化学成分特性及铸锭状态、加工使用要求提出，从原材料到冷却全过程控制，在借鉴、参考相关资料的基础上，大胆创新，在滑阀、导向套等货车、起重机锻件上得以验证取得了显著经济效果。
5.2除250Kg自由锻锤外，经验已推广到500Kg、1t、3t自由锻锤，在设备备件、特种车、起重机等铝锰黄铜锻件上得以应用，均取得良好效果。