楊瓊

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

1 前言

半固態(tài)技術(shù)就是通過(guò)對(duì)處于由固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變或者液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的金屬采取攪拌或控制凝固過(guò)程等方法，得到一種微觀組織是由液相包裹并具有一定圓整度近球形固相顆粒組成的漿料的成形加工技術(shù)，被稱(chēng)為最有發(fā)展前景的成形技術(shù)之一。良好的觸變性是半固態(tài)漿料具有的特性，可以提高成型速度并可成型復(fù)雜零件，半固態(tài)成型與固態(tài)成形方法相比成型力得到顯著降低。同時(shí)，當(dāng)進(jìn)行攪拌金屬半固態(tài)或讓漿料受到剪切力時(shí)，半固態(tài)漿料就具有了良好的流動(dòng)性能，因此具有了和液態(tài)金屬一樣的流變性。所以，金屬半固態(tài)成型技術(shù)具有下列優(yōu)點(diǎn)：與液態(tài)金屬成形相比，黏度更高，在鑄造過(guò)程中，充型平穩(wěn)，可以獲得組織致密、較少縮松、縮孔的鑄件，從而減少材料的浪費(fèi)并提高利用率；通過(guò)半固態(tài)成型技術(shù)，使晶粒獲得細(xì)化，并且其形狀近球形是非枝晶的固相顆粒，從而提高組織致密性和力學(xué)性能；半固態(tài)技術(shù)可提高鑄件的形狀精度，可以減少后續(xù)的機(jī)械加工，最終實(shí)現(xiàn)近凈成形；半固態(tài)成型技術(shù)可以顯著提高模具的使用壽命，這是由于制備半固態(tài)漿料時(shí)，已經(jīng)釋放了部分固相的凝固潛熱，鑄件成形的溫度低，減少由半固態(tài)漿料對(duì)模具產(chǎn)生的熱沖擊；半固態(tài)成形技術(shù)對(duì)生產(chǎn)周期的縮短、傳統(tǒng)的生產(chǎn)條件和環(huán)境的改善都有很大的好處，有利于生產(chǎn)效率的提高。

銅錫合金廣泛用在鑄造具有清晰的輪廓、復(fù)雜形狀、要求氣密性低的零件中，這是因?yàn)楹辖鹁哂休^小的鑄造收縮率。根據(jù)Sn 含量的不同，銅錫合金具有不同的性能。低于8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Sn 含量的銅錫合金，塑性及加工性能較好，廣泛用于抗磁零件、電連接器的生產(chǎn)中。10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）左右Sn 含量合金，強(qiáng)度、延展性及耐腐蝕性（鹽水中）都很高，用于制造精度高的軸承、船舶及航空零件。本文主要對(duì)半固態(tài)銅錫合金體系的設(shè)計(jì)、半固態(tài)漿料的制備及成形技術(shù)、微觀組織與力學(xué)性能等方面的研究與進(jìn)展進(jìn)行論述。

2 半固態(tài)銅錫合金體系的設(shè)計(jì)

由于銅錫合金凝固范圍較寬，同時(shí)其錫元素熔點(diǎn)較低，低熔點(diǎn)錫元素容易發(fā)生晶間偏析，鑄件內(nèi)部容易產(chǎn)生縮松、縮孔等缺陷，嚴(yán)重影響力學(xué)性能。在銅錫合金中加入微量元素可以改善偏析及逆偏析，提高力學(xué)性能。

2.1 添加微量元素Fe

在銅錫合金中加入微量元素Fe，可以得到細(xì)化晶粒的微觀組織，因?yàn)镕e 元素阻礙Sn 元素?cái)U(kuò)散至液相，使其固溶于初生相中。Chen K X 等使用透射電鏡（TEM)、掃描電鏡(SEM)、原子探針斷層攝影術(shù)(APT)及小角度X 光散射(SAXA)等方法，觀察δ 相微觀形貌的變化，分析在Cu-10Sn-2Zn 合金中，原位生成富鐵納米顆粒發(fā)揮的作用。發(fā)現(xiàn)在Cu-10Sn-2Zn 合金中加入1.5%Fe（wt%）和0.5%Co（wt%）組成Cu-10Sn-2Zn-1.5Fe-0.5Co 合金后，由于大量的富鐵相納米顆粒彌散分布在初生α-Cu相中，在液固界面附近錫原子被富鐵相納米顆粒吸附，使錫原子無(wú)法從液固界面擴(kuò)散到液體中，并且顯微組織中的δ 相基本消失，使初生α-Cu 相內(nèi)存在錫原子，晶間偏析受到抑制。Chen X H 等研究了兩種合金合金，一種是Cu-10Sn-2Zn 合金（S1 表示），另一種是加入Fe 元素的Cu-10Sn-2Zn-1.5Fe 合金（S2 表示），分析了兩種合金的顯微組織和性能的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)在S2 合金中，由于Fe 元素的加入，δ 相基本消失，同時(shí)粗大網(wǎng)狀樹(shù)枝晶初生相細(xì)化成等軸晶，使得S2 合金抗拉強(qiáng)度和延伸率大幅度提高合金，達(dá)到增強(qiáng)增韌的效果，兩種合金抗拉強(qiáng)度和延伸率如表1 所示。

表1 合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率

2.2 添加微量元素Zr

Liu X Y 等在Cu-8%Sn 合金中加入微量Zr 元素0.04%（wt%），可以使晶間偏析得到改善，且提高了力學(xué)性能，同時(shí)在合金熱軋過(guò)程中減少程中裂紋的產(chǎn)生，這是由于在晶界處彌散分布的Zr 元素，阻礙錫元素從初生相內(nèi)擴(kuò)散到液相中。

2.3 添加微量元素Ce

張靜在ZQSn10-2 合金中加入稀土Ce 元素0.06%（wt%），研究發(fā)現(xiàn)，由于Ce 元素的加入，初生相內(nèi)的錫元素被晶界周?chē)鷱浬⒎植嫉腃e 元素阻礙無(wú)法進(jìn)入液相且被固溶于初生相中，固溶度高于未加入Ce 元素的合金，降低了由元素Sn 產(chǎn)生的微觀偏析，從而明顯細(xì)化鑄件的顯微組織，改善了性能。

2.4 添加微量元素Ni

徐灝研究加入不同含量的微量元素Ni，C5191 合金（錫磷青銅）微觀組織的演變。元素Ni 的加入，初生相(α-Cu)的微觀組織由針狀晶粒變?yōu)槠瑺罹Я?，同時(shí)減少γ 相的形成。通過(guò)分析要得到微觀組織最少出現(xiàn)γ 相，同時(shí)晶間偏析少性能好的C5191 合金，Ni 元素的添加量應(yīng)為0.151%（wt%）。

3 銅錫合金半固態(tài)成形及制備工藝進(jìn)展

3.1 機(jī)械攪拌法

機(jī)械攪拌法是采用設(shè)備在金屬熔體漿料中進(jìn)行攪拌，漿料受到剪切力的作用，生長(zhǎng)的枝狀晶被折斷和破碎，漿料流動(dòng)性得到增強(qiáng)，從而形成了的漿料中彌散分布著球形狀的固態(tài)顆粒，這種漿料就是半固態(tài)漿料。由于銅合金熔點(diǎn)高，半固態(tài)的操作較復(fù)雜，Young 等最早采用機(jī)械攪拌法制備銅合金（C905）半固態(tài)漿料，同時(shí)用半固態(tài)漿料成形了零件。潘志勇研究Al-Cu 合金半固態(tài)漿料制備的工藝及性能。半固態(tài)漿料采用機(jī)械攪拌法進(jìn)行制備并進(jìn)行擠壓，分析半固態(tài)成形與常規(guī)鑄造成形對(duì)微觀組織的演變及其力學(xué)性能的影響。通過(guò)半固態(tài)加工，Al-20Cu 合金的硬度常規(guī)鑄造時(shí)115HB，半固態(tài)加工時(shí)達(dá)到121HB。半固態(tài)加工可以細(xì)化Al-Cu 合金晶粒，合金的抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率及延伸率得到顯著提高，力學(xué)性能得到了較大改善。機(jī)械攪拌法制備設(shè)備裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是很難控制熔體的純凈度和卷氣量，這是由于機(jī)械攪拌法屬于接觸式攪拌。

3.2 電磁攪拌法

電磁攪拌法就是采用設(shè)備對(duì)金屬熔體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生洛倫茲力，熔體受到其的攪拌作用，破碎了生長(zhǎng)的金屬熔體晶粒，得到顯微組織細(xì)小并均勻分布半固態(tài)漿料。Anon 在制備銅合金半固態(tài)漿料采用的制漿方法是電磁攪拌法，半固態(tài)漿料制備好后接著壓鑄成形，分析半固態(tài)觸變成形鑄件顯微組織和性能在不同的工藝條件（澆鑄漿料溫度、體積分?jǐn)?shù)及壓鑄速度）下受到的影響，與機(jī)械攪拌法相比，電磁攪拌法的優(yōu)點(diǎn)是攪拌時(shí)與金屬熔體不發(fā)生直接接觸，由電磁場(chǎng)提供攪拌過(guò)程中的剪切力，在攪拌過(guò)程中不會(huì)污染金屬熔體，屬于非接觸式攪拌，還有由于電磁攪拌工藝過(guò)程及操作簡(jiǎn)單易行，在工業(yè)上得到較大的推廣和應(yīng)用。但是，運(yùn)用電磁攪拌法卻不能制成直徑較大的半固態(tài)坯料，因?yàn)樵谶M(jìn)行電磁攪拌過(guò)程中，磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小與距離成反比，距離增加磁場(chǎng)強(qiáng)度下降，從而隨著四周向中心距離的增大，電磁攪拌器產(chǎn)生電磁力隨之減小。

3.3 SIMA 法

SIMA 法又稱(chēng)為應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法，其工藝過(guò)程是先對(duì)合金坯料進(jìn)行較大變形（冷變形或熱變形），然后加熱變形后的坯料，加熱溫度為固液相線之間某一設(shè)定溫度，接著進(jìn)行保溫，獲得漿料是非枝晶半固態(tài)漿料。在冷變形條件下，由于應(yīng)力集中，枝晶出現(xiàn)彎曲或斷裂；在熱變形條件下，由于重熔加熱，最先熔化形成液相是出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置，枝狀晶會(huì)出現(xiàn)斷裂并分離脫落，形成細(xì)小近球狀分布均勻的組織。Yi H K 等人制備合金的半固態(tài)漿料采用的方法是SIMA 法，分析銅鈣半固態(tài)合金漿料顯微組織、電導(dǎo)率與鈣及對(duì)銅鈣合金坯料的預(yù)變形量之間的關(guān)系。

3.4 LSPSF 法

LSPSF 法是將合金進(jìn)行精煉并使合金液具有一定過(guò)熱度，在具有一定轉(zhuǎn)速輸送管入口進(jìn)行澆注，合金液在轉(zhuǎn)動(dòng)輸送管內(nèi)壁產(chǎn)生剪切力、自身重力及冷卻共同作用下，熔融狀態(tài)合金液轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍虘B(tài)金屬溶液。萬(wàn)正東制備銅鈣合金半固態(tài)漿料采用的方法是LSPSF 法（剪切低溫澆注制漿法），分析在不同的工藝參數(shù)（澆鑄溫度、轉(zhuǎn)管速度等）及等溫處理?xiàng)l件下，合金顯微組織的演變規(guī)律。

3.5 冷卻斜槽法

左世斌制備銅合金(CuPb10)半固態(tài)漿料采用的方法是冷卻斜槽法，通過(guò)研究，在以下工藝參數(shù)條件下：650℃澆注溫度，700mm 斜槽長(zhǎng)度、35°斜槽角度，制備的半固態(tài)漿料晶粒尺寸細(xì)小形狀近似球狀。當(dāng)在冷卻斜槽外附加電磁場(chǎng)時(shí)，制備的半固態(tài)漿料與單獨(dú)冷卻斜槽法制備的漿料相比，漿料具有更加細(xì)小的顯微組織，同時(shí)易出現(xiàn)在CuPb10 合金中的重力偏析得到較好的改善。

4 銅錫合金半固態(tài)成形的組織與力學(xué)性能

4.1 微觀組織

圖1 澆注溫度為1080℃時(shí)不同轉(zhuǎn)速下半固態(tài)漿料的顯微組織

李永坤等人采用轉(zhuǎn)棒誘導(dǎo)形核法制備半固態(tài)銅錫合金（Z Cu S n10），分析在不同轉(zhuǎn)棒轉(zhuǎn)速條件下形成的半固態(tài)漿料，對(duì)其進(jìn)行擠壓時(shí)顯微組織的變化。在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為500r/min 時(shí)，制備半固態(tài)漿料性能優(yōu)良，對(duì)漿料進(jìn)行擠壓后，得到的半固態(tài)擠壓件質(zhì)量?jī)?yōu)異，如圖1 所示。制備得到半固態(tài)漿料的顯微組織直接決定擠壓件的顯微組織；常規(guī)鑄造的銅錫合金液態(tài)擠壓件具有網(wǎng)狀枝晶結(jié)構(gòu)的顯微組織，并且枝晶長(zhǎng)大的方向與金屬熔體散熱的方向有關(guān)。銅錫半固態(tài)漿料進(jìn)行擠壓后成形件顯微組織形狀大部分為等軸狀或近球狀晶，從而能獲得組織均勻致密的零件。

4.2 力學(xué)性能

張雄超等人采用半固態(tài)觸變反擠壓成形方法對(duì)銅錫合金（CuSn10P1）進(jìn)行成形試驗(yàn)。分析在不同的等溫溫度、等溫時(shí)間及冷軋變形量等工藝條件下，銅錫合金力學(xué)性能的變化及微觀組織演變規(guī)律。通過(guò)試驗(yàn)，采用半固態(tài)觸變反擠壓工藝，可以有效地抑制液相偏聚，提高CuSn10P1 合金半固態(tài)鑄件的性能，在半固態(tài)觸變反擠壓工藝中，對(duì)銅錫合金力學(xué)性能的變化及微觀組織演變影響較大的是冷軋變形量及等溫處理工藝。合金中晶粒的生長(zhǎng)與冷軋變形量大小有關(guān)，當(dāng)增大冷軋變形量時(shí)，晶粒的平均尺寸并未隨之增大而是先減小后增大，而鑄件抗拉強(qiáng)度先隨冷軋變形量增加而升高后接著降低。在等溫溫度的升高同時(shí)延長(zhǎng)等溫時(shí)間的工藝條件下，晶粒平均尺寸隨之慢慢變大，鑄件抗拉強(qiáng)度先隨之上升后接著下降。

銅錫合金半固態(tài)觸變反擠壓在900℃等溫溫度、20min 的等溫時(shí)間及30%冷軋變形量條件下，可以獲得組織和性能均較好的成型件。肖寒等制備銅合金半固態(tài)漿料的工藝方法是應(yīng)變誘導(dǎo)熔化激活法，過(guò)程是先進(jìn)行預(yù)退火、軋制、重熔再進(jìn)行反擠壓，成形零件為銅合金軸套，分析不同的預(yù)退火時(shí)間，銅合金(ZCuSn10P1)力學(xué)性能的變化及顯微組織的演變規(guī)律。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，在700℃預(yù)退火條件下，ZCuSn10P1 合金的元素偏析得到有效的抑制，并且軸套微觀組織的晶粒平均尺寸隨著預(yù)退火時(shí)間的增加而逐漸增加，軸套晶粒形狀因子和液相率卻隨之減小；力學(xué)性能的變化：軸套抗拉強(qiáng)度和延伸率隨著預(yù)退火時(shí)間的增加先增加后降低、布氏硬度隨著增加而下降。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到在700℃預(yù)退火，退火時(shí)間2h 工藝條件下，可以獲得0.72 的平均形狀因子、73.06μm 的平均晶粒尺寸，1244.6MPa 的平均布氏(HBW) 硬度、382MPa 的抗拉強(qiáng)度及5.5%延伸率的軸套，并且微觀組織及元素分布均勻性好，見(jiàn)圖2 和圖3。

圖2 不同預(yù)退火時(shí)間銅合金布氏硬度

5 結(jié)語(yǔ)

半固態(tài)成形技術(shù)是一種成型溫度低、生產(chǎn)周期短、產(chǎn)品性能優(yōu)良，低能耗的新型工藝。但是不均勻性、微觀偏析等缺陷仍然存在半固態(tài)銅錫合金在微觀組織結(jié)構(gòu)中；銅合金體系成分的設(shè)計(jì)方面研究相對(duì)較少；合金微觀組織的均勻性及力學(xué)性能的穩(wěn)定性還需進(jìn)一步提高；在應(yīng)用方面上還沒(méi)有產(chǎn)生規(guī)模化效應(yīng)。因此，銅合金半固態(tài)流成形未來(lái)的研究方向主要集中在：（1）研究并完善銅錫半固態(tài)微觀組織演變機(jī)制及其控制方法，從而提高綜合力學(xué)性能；（2）如何優(yōu)化設(shè)計(jì)銅合金體系成分；（3）研發(fā)適合半固態(tài)成形的相關(guān)設(shè)備，避免二次污染的出現(xiàn)，獲得高質(zhì)量的成形件。