快速凝固技術(shù)及在CuSn10P1合金中的應(yīng)用研究

楊瓊

（云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650203）

1 概述

快速凝固是指通過對(duì)合金熔體的快速冷卻（≥104～106K/s）或非均質(zhì)形核的被遏制，使合金在很大的過冷度下，發(fā)生高生長(zhǎng)速率（≥1～100cm/s）的凝固。一般生成非晶、準(zhǔn)晶、微晶和納米晶等亞穩(wěn)相的組織和結(jié)構(gòu)，根據(jù)其具有的特殊性能可以大大擴(kuò)展在工程材料方面的用途。無偏析或少偏析的微晶組織及具有超細(xì)的晶粒度的合金運(yùn)用快速凝固技術(shù)可以獲得，并生成與常規(guī)合金不同結(jié)構(gòu)特征和組織，并具有高的點(diǎn)缺陷密度和新的亞穩(wěn)相。快速凝固技術(shù)獲得的合金呈現(xiàn)與常規(guī)技術(shù)合金不同的結(jié)構(gòu)特征和組織，主要是由于大過冷度的起始形核，高速率的生長(zhǎng)及較快的凝固過程使平衡的固液界面不再平衡而形成的。通常有三種實(shí)現(xiàn)快速凝固的方法：

（1）熱力學(xué)深過冷法；

（2）動(dòng)力學(xué)急冷法；

（3）快速定向凝固法。

1.1 快速凝固的組織特征

快速凝固通常生成非晶、準(zhǔn)晶、微晶和納米晶等亞穩(wěn)相，由于此過程是一種非平衡凝固過程，因此快速凝固的組織特征不同于普通凝固，快速凝固的結(jié)構(gòu)特征與組織隨著提高冷卻速度和凝固速率產(chǎn)生了從常規(guī)顯微組織-新型顯微組織的變化，具體見圖1。

圖1 顯微組織的變化

1.2 快速凝固的主要方法

（1）熱力學(xué)深過冷快速凝固技術(shù)。深過冷是大體積液態(tài)金屬快速凝固最有效的途徑，因?yàn)樯钸^冷熔體的凝固過程不受外部散熱條件的影響，晶體生長(zhǎng)速度大，能達(dá)到甚至超過激冷凝固中晶體的生長(zhǎng)速度，還有理論上液態(tài)金屬的體積也不能限制熔體獲得深過冷。熱力學(xué)深過冷是指在金屬或合金液中運(yùn)用不同的方法減少雜質(zhì)進(jìn)行凈化，防止或消除異質(zhì)形核作用，同時(shí)提高臨界形核功，加大均質(zhì)形核的難度，從而獲得在常規(guī)凝固條件下難以達(dá)到的過冷度。熱力學(xué)深過冷快速凝固是指在盡量消除異質(zhì)晶核的條件下，在液相線以下數(shù)百度使金屬保持液態(tài)，而后使液態(tài)金屬突然形核并獲得快速凝固組織的一種工藝方法。

（2）動(dòng)力學(xué)急冷快速凝固技術(shù)。動(dòng)力學(xué)急冷快速凝固技術(shù)的原理為：通過熱流的導(dǎo)出速率的增大，鑄型的導(dǎo)熱能力的提高從而快速推進(jìn)凝固界面，具體的方法是減少主要通過傳導(dǎo)的方式散熱以及冷卻介質(zhì)與熔體的界面熱阻，并盡量使同時(shí)凝固的熔體體積減小或散熱表百面積增大，即減小凝固的熔體體積與散熱表百面積之比，從而實(shí)現(xiàn)快速凝固。

2 快速凝固技術(shù)在CuSn10P1合金中的應(yīng)用

CuSn10P1合金具有高強(qiáng)、耐磨、耐蝕及良好彈性等特點(diǎn)，成為繼銅銀合金后高鐵接觸線的首選材料。銅錫合金是一種具有典型的凝固偏析特性的合金，晶間偏析和逆偏析現(xiàn)象在凝固中極其容易產(chǎn)生，這是由于銅錫合金在凝固中，錫原子比銅原子的擴(kuò)散速度快的多，并且初生相中錫元素的溶解度也隨溫度的下降而逐漸下降，錫元素從初生相中擴(kuò)散到液相，從而使得大量錫元素集聚在液相里，當(dāng)溫度降至室溫時(shí)凝固形成δ相，具有低熔點(diǎn)且含有較髙的錫含量，此時(shí)，δ相里錫的理論含量達(dá)到32.6%，而在室溫時(shí)的初生相中錫含量平均值僅是5%～8%，因此形成了嚴(yán)重的晶間偏析。并且錫的含量的多少對(duì)銅錫合金的凝固也有很大的影響，在銅錫合金連鑄坯和鑄錠中，當(dāng)錫的含量達(dá)到4.7%～15%時(shí)，會(huì)廣泛出現(xiàn)晶間偏析和逆偏析現(xiàn)象，并且當(dāng)增加錫的含量時(shí)，也會(huì)逐漸加重偏析程度。

銅錫合金在常規(guī)鑄造中極易產(chǎn)生逆偏析，這是因?yàn)樵谀踢^程中，鑄件壁內(nèi)外溫度相差較大，中心部位的液相會(huì)受到熔體凝固收縮產(chǎn)生靜壓力的影響，并且同時(shí)中心部位的液相還會(huì)受到表面殼層內(nèi)晶間細(xì)小孔隙產(chǎn)生了毛細(xì)管吸力的影響，在兩者的共同作用下，積聚大量錫元素的液相沿枝晶間通道移動(dòng)至表層，從而產(chǎn)生逆偏析。所以，銅錫合金運(yùn)用金屬型鑄造極其容易產(chǎn)生晶間偏析和逆偏析，這很大程度上限制了其高品質(zhì)壓鑄和擠壓鑄造鑄件的生產(chǎn)與開發(fā)。而快速凝固技術(shù)具有凝固速度極快、凝固時(shí)間極短、擴(kuò)散時(shí)間短、晶粒長(zhǎng)大時(shí)間有限等特點(diǎn)，這項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)在很大程度上解決了成分偏析、晶粒粗大等問題。隨著高速重載高鐵等行業(yè)快速發(fā)展，大量需要高強(qiáng)韌銅錫合金軸套類零件，我國通常采用連鑄棒材或管材進(jìn)行機(jī)加工生產(chǎn)此類零件。要獲得高強(qiáng)韌壓鑄、擠壓鑄造鑄件，就必須解決銅錫合金凝固偏析或逆偏析的問題，并且這也成為當(dāng)今迫切需要解決的熱點(diǎn)問題。

在連續(xù)鑄造中界面移動(dòng)速度和移動(dòng)方向能夠有效地控制，這樣促使銅基體固溶錫原子，可以使錫元素的偏析減輕或抑制，合金的塑性得到有效提高。如CuSn10P1合金采用連續(xù)鑄造，延伸率可以提高到6%（美國10%）；Cu-4.7%Sn合金兩相區(qū)連鑄時(shí)，要獲得較高的板坯（5mm厚）橫向和縱向凝固速度可以通過提高連鑄速度來實(shí)現(xiàn)，這樣可以形成柱狀銅基單一固溶體，并且是沿連鑄方向來形成，使得在連鑄板坯表面的富集或偏析的錫大大降低，“錫汗”的形成得到了有效的抑制。所以，熔體內(nèi)液固界面推進(jìn)速度要比錫原子的擴(kuò)散速度快，錫原子才能固溶在初生相內(nèi)部，這是抑制CuSn10P1合金中低熔點(diǎn)錫偏析的共性關(guān)鍵技術(shù)，可以進(jìn)一步抑制逆偏析，提高塑性，實(shí)現(xiàn)了合金的強(qiáng)韌化。

然而，在鑄造凝固中，液固界面的情況比較復(fù)雜，形態(tài)、方向及數(shù)量都不能確定，要在鑄型中直接控制熔體復(fù)雜固液界面的推進(jìn)過程幾乎難以實(shí)現(xiàn)。因此，本項(xiàng)目設(shè)想將鑄造生產(chǎn)中合金熔體的主要凝固過程和零件成形過程分開，先期對(duì)主要凝固過程進(jìn)行階段控制冷卻，然后再對(duì)處理后的熔體進(jìn)行壓鑄或擠壓鑄造成形。以下就凝固過程進(jìn)行階段控制冷卻進(jìn)行論述。

研究方法及實(shí)驗(yàn)方案如下：

CuSn10P1合金化學(xué)成分見表1，采用SAT449F3同步熱分析儀進(jìn)行差熱分析，測(cè)得 CuSn10P1合金的液態(tài)溫度為1020.7℃，固態(tài)溫度為830.4℃，液固溫度期間為190.3℃。

表1 CuSn10P1合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

（1）制備漿料的設(shè)備。制備漿料的設(shè)備是縫隙式通道，結(jié)構(gòu)為縫隙式結(jié)構(gòu)，冷卻通道截面為5×100mm的矩形，長(zhǎng)度為300mm，材料為不銹鋼，四周通水冷卻，長(zhǎng)度方向傾斜30～45°。

（2）實(shí)驗(yàn)方案。采取的縫隙式結(jié)構(gòu)冷卻通道處理金屬液，屬液流入通道時(shí)，通道對(duì)熔體產(chǎn)生約束流動(dòng)作用，形成上下表面與通道內(nèi)表面充分接觸的薄層金屬熔體，實(shí)施強(qiáng)制冷卻效果，促使熔體內(nèi)部快速形核并達(dá)到錫原子固溶至初生相內(nèi)的目的。用中頻感應(yīng)爐進(jìn)行CuSn10P1合金（已配料好的）熔煉至1200℃。熔煉好的金屬液一部分直接澆入金屬模，獲得鑄態(tài)金屬型式樣，另一部分金屬液當(dāng)其溫度降至某一值時(shí)澆入縫隙式通道，獲得半固態(tài)漿料，再將其澆入已預(yù)熱的模具中，獲得通過縫隙式通道的金屬型式樣。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)縫隙式通道處理后的半固態(tài)漿料的顯微組織主要為蠕蟲狀及近球狀，通過快速凝固階段控制冷卻，減少了成分偏析與晶粒粗大。

3 結(jié)語

快速凝固技術(shù)在開發(fā)銅合金材料及擴(kuò)展銅合金的應(yīng)用中起著重要的作用。特別是在CuSn10P1銅合金中，通過快速凝固技術(shù)分階段控制冷卻獲得半固態(tài)漿料從而抑制其凝固偏析或逆偏析，獲得蠕蟲狀及近球狀的顯微組織，從而使合金塑性提高，達(dá)到強(qiáng)韌化目的。