快速凝固技術(shù)及在CuSn10P1合金中的應用研究

楊瓊

（云南機電職業(yè)技術(shù)學院，云南 昆明 650203）

1 概述

快速凝固是指通過對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)生高生長速率（≥1～100cm/s）的凝固。一般生成非晶、準晶、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的晶粒度的合金運用快速凝固技術(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。通常有三種實現(xiàn)快速凝固的方法：

（1）熱力學深過冷法；

（2）動力學急冷法；

（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，因為深過冷熔體的凝固過程不受外部散熱條件的影響，晶體生長速度大，能達到甚至超過激冷凝固中晶體的生長速度，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。熱力學深過冷是指在金屬或合金液中運用不同的方法減少雜質(zhì)進行凈化，防止或消除異質(zhì)形核作用，同時提高臨界形核功，加大均質(zhì)形核的難度，從而獲得在常規(guī)凝固條件下難以達到的過冷度。熱力學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）動力學急冷快速凝固技術(shù)。動力學急冷快速凝固技術(shù)的原理為：通過熱流的導出速率的增大，鑄型的導熱能力的提高從而快速推進凝固界面，具體的方法是減少主要通過傳導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，從而實現(xiàn)快速凝固。

2 快速凝固技術(shù)在CuSn10P1合金中的應用

CuSn10P1合金具有高強、耐磨、耐蝕及良好彈性等特點，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散到液相，從而使得大量錫元素集聚在液相里，當溫度降至室溫時凝固形成δ相，具有低熔點且含有較髙的錫含量，此時，δ相里錫的理論含量達到32.6%，而在室溫時的初生相中錫含量平均值僅是5%～8%，因此形成了嚴重的晶間偏析。并且錫的含量的多少對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，當錫的含量達到4.7%～15%時，會廣泛出現(xiàn)晶間偏析和逆偏析現(xiàn)象，并且當增加錫的含量時，也會逐漸加重偏析程度。

銅錫合金在常規(guī)鑄造中極易產(chǎn)生逆偏析，這是因為在凝固過程中，鑄件壁內(nèi)外溫度相差較大，中心部位的液相會受到熔體凝固收縮產(chǎn)生靜壓力的影響，并且同時中心部位的液相還會受到表面殼層內(nèi)晶間細小孔隙產(chǎn)生了毛細管吸力的影響，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至表層，從而產(chǎn)生逆偏析。所以，銅錫合金運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、凝固時間極短、擴散時間短、晶粒長大時間有限等特點，這項技術(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，大量需要高強韌銅錫合金軸套類零件，我國通常采用連鑄棒材或管材進行機加工生產(chǎn)此類零件。要獲得高強韌壓鑄、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，并且這也成為當今迫切需要解決的熱點問題。

在連續(xù)鑄造中界面移動速度和移動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，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)液固界面推進速度要比錫原子的擴散速度快，錫原子才能固溶在初生相內(nèi)部，這是抑制CuSn10P1合金中低熔點錫偏析的共性關鍵技術(shù)，可以進一步抑制逆偏析，提高塑性，實現(xiàn)了合金的強韌化。

然而，在鑄造凝固中，液固界面的情況比較復雜，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雜固液界面的推進過程幾乎難以實現(xiàn)。因此，本項目設想將鑄造生產(chǎn)中合金熔體的主要凝固過程和零件成形過程分開，先期對主要凝固過程進行階段控制冷卻，然后再對處理后的熔體進行壓鑄或擠壓鑄造成形。以下就凝固過程進行階段控制冷卻進行論述。

研究方法及實驗方案如下：

CuSn10P1合金化學成分見表1，采用SAT449F3同步熱分析儀進行差熱分析，測得 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合金的化學成分（質(zhì)量分數(shù)%）

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

（2）實驗方案。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，通道對熔體產(chǎn)生約束流動作用，形成上下表面與通道內(nèi)表面充分接觸的薄層金屬熔體，實施強制冷卻效果，促使熔體內(nèi)部快速形核并達到錫原子固溶至初生相內(nèi)的目的。用中頻感應爐進行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，另一部分金屬液當其溫度降至某一值時澆入縫隙式通道，獲得半固態(tài)漿料，再將其澆入已預熱的模具中，獲得通過縫隙式通道的金屬型式樣。

（3）實驗結(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)銅合金材料及擴展銅合金的應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，達到強韌化目的。