半固态铜合金流变挤压成形的组织演变

陈泽邦  肖  寒  李  勇  周荣锋  卢德宏  周  荣

; （昆明理工大学材料科学与工程学院）

摘要  以ZCuSnl0铜合金为研究对象，采用冷轧一重熔的应变诱导熔化激活法(SIMA)制备了流变浆料，研究了流变成形比压和挤压速率对半固态ZCuSnl0铜合金挤压组织的影响，探讨了ZCuSnl0铜合金充型流动过程中固、液两相的演变规律。结果表明，在成形比压为150 MPa，挤压速率为14 mm／s时得到的成形件组织较均匀，固、液两相协同流动性好。相同挤压工艺条件下，半固态挤压成形件各个位置组织差异较大。近冲头位置保持初始半固态组织；试样中部位置为固、液两相共存的半固态组织，固相颗粒圆整度较高；试样最前端的微观组织中以液相为主，固、液两相分布均匀性较差。

; 半固态铸造成形技术不但结合了铸、锻成形的优点，同时拓展了成形合金的范围，在汽车、航空航天等领域有广阔的应用前景。目前，半固态成形技术大多针对铝、镁等低熔点合金，对于铜合金等高熔点合金的半固态研究还比较少。若使用半固态成形技术，理论上既减少了能源消耗又可以获得组织致密、力学性能优良的零件，所以该项技术在高熔点铜合金的成形方面有着积极的意义。

; 本课题采用冷轧一重熔应变诱导熔化激活法( SI-MA) 制备了ZCuSnl0铜合金半固态浆料并进行了挤压成形试验，分析了挤压工艺参数对ZCuSnl0合金液固两相组织演变的影响，探讨了流变挤压过程中液固两相形态、分布情况以及组织的演变规律，旨在为锡青铜的半固态流变挤压成形提供参考。

1  试验材料及方法

1.1试验材料

; 试验选用ZCuSnl0铜合金，其化学成分（质量分数）为：88. 25%的Cu，10. 48%的Sn，其他元素含量为1. 27%。采用差示扫描量热法测得ZCuSnl0合金的固相线温度为830℃，液相线温度为1 020℃，固、液区间宽度为190℃，适合用于制备半固态浆料并进行半固态成形。

1.2试验方法

; 将ZCuSnl0铜合金棒料放人电阻炉中加热至1180℃进行熔炼，浇入模具中成形，凝固后开模取出铸锭，并空冷至室温，获得板状铜合金铸锭。将板状铸锭按要求机加工成尺寸为150 mm×25 mm×25 mm的长方体坯料。然后在室温下用两辊轧机将其轧制变形。轧制方法为：首先轧制高的一面，然后沿坯料的长度方向翻转90。进行第2道次轧制，其累计变形量为14%。选择轧制后表面平整光滑、无弯曲和断裂的预变形坯料，将其切割成35 mm×25 mm×25 mm的小试样，并将其在940℃、保温30 min、预变形量14%的条件下获得半固态浆料，然后进行不同成形比压与挤压速率的挤压试验，具体工艺参数见表1。

; 图1为半固态成形件的零件结构图，对半固态成形件的关键部位取样并进行金相组织观察，其金相取样部位见图2，分别是靠近压头部分（位置1）、通道部分（位置2）和试样前端（位置3）。

; 利用Image-Pro Plus图像分析软件计算铜合金组织中的液相率、固相晶粒尺寸及圆整度[以形状因子f表征，f=P2/(4πA)，其中P为晶粒周长，A为晶粒面积，形状因子f越接近于1，晶粒球化越好]。分析不同工艺参数对半固态ZCuSnl0铜合金流变挤压成形组织的影响。

2  试验结果与分析

2.1成形比压对铜合金流变挤压件组织的影响

; 图3是重熔温度为940℃、保温时间为30 min、轧制预变形量为14%、模具预热温度为400℃、挤压速率为14 mm/s时，不同成形比压流变挤压后试样的宏观形貌。可以看出，在较低的成形比压下，无法完全克服浆料内部阻力，浆料充型效果不佳，宏观上有很多缺陷，表面不平整，液固两相流动不协同，出现突出的固相颗粒，导致成形件断开，见图3a。随着成形比压增加，浆料容易充满型腔，零件的外观质量明显得到改善，但是当成形比压增加到一定值后，零件的外观质量变化不明显。当成形比压为150 MPa时，成形件的宏观质量最好，充型完整，表面平整，精度高，无大尺寸的缩孔等表面缺陷，见图3b。在较高的成形比压下，内部会出现组织不均匀的现象，影响其力学性能，见图3c。

; 图4为半固态ZCuSnl0铜合金不同成形比压流变挤压件位置1的微观组织。由图4a可知，当成形比压较低时，相邻两固相晶粒无粘结现象，固相颗粒发生了塑性变形，有孪晶产生，浆料在型腔内充型不完全，致密度不高，其液相率为21. 4%，平均晶粒尺寸为97. 63μm，晶粒圆整度为1. 71;当成形比压提高到150 MPa时，液相率为28. 6%，晶粒圆整度为1.59，平均晶粒尺寸为105. 64 μm，无明显塑性变形，晶界清晰，致密度高，充型较好，见图4b;当成形比压继续增加到200MPa时，这时因压力过大，导致固相碰撞粘结加重，固相颗粒的塑性变形也十分严重，晶界模糊，无法计算晶粒尺寸，组织较差，见图4c。

; 图5为半固态ZCuSnl0铜合金不同成形比压流变挤压件位置2的微观组织。可以看出，不同成形比压下，位置2处组织中的固相颗粒圆整度差异不大，分别为1. 65、1.52、1.58，液相率分别为29. 4%、20. 1%、38. 7%，在成形比压为200 MPa时，部分区域出现了液相聚集的现象，见图5c。当成形比压为150 MPa时，组织较均匀，晶界也比较清晰，平均晶粒尺寸为90.52μm，见图5b。

; 图6为半固态ZCuSnl0铜合金不同成形比压流变挤压件位置3的微观组织。可以看出，当成形比压较小时，液相较快到达型腔底部，液态凝固便形成了部分树枝晶，其液相率为29. 47%，平均晶粒尺寸为127. 54μm，晶粒圆整度为2. 16，见图6a;当成形比压为150MPa时，组织中固相颗粒的圆整度最好，晶界也比较清晰，没有出现大面积的液相聚集区现象，其液相率为24. 76%，平均晶粒尺寸为106. 58 μm，晶粒圆整度为1. 67，见图6b;当成形比压为100 MPa时，固相接触缠结区数量变多，尺寸变大，这又极大地降低了整体浆料的流动性，所以组织中出现了尺寸较大的固相颗粒，还有部分区域出现液相团聚的现象，其液相率为39. 86%，平均晶粒尺寸为179. 56μm，晶粒圆整度为1.86，见图6c。

; 由上可知，成形比压过小时，液相凝固收缩无补充，容易形成缩松、缩孔，由于液相孤立而不连通，形成的缩松、缩孔也会孤立分散存在，不相连接；如果提高成形比压，使互相接触缠结的半固态固相颗粒发生整体流变，分散的液相的收缩可以通过相邻固相的流变而补充，最终减少或消除缩孔、缩松，从而提高试样的致密度，改善挤压件的内部质量。同时，浆料浇入模具型腔后，浆料受到激冷，过冷度提高，初生a相快速长大，与型腔接触的浆料形成晶壳。当凸模对浆料加压时，接触压头的部分浆料瞬间受压头激冷形成晶壳并随后破碎，与型腔接触的晶壳也开始从上到下发生破碎，提供较多的核心，随着压头下行，浆料开始流动。增加压力间接提高浆料的流动速率，减小液固两相的流动速度差，有利于固、液两相协同流动，使挤压组织更加均匀。但当压力过大时，固相接触缠结区数量变多，尺寸变大，这又极大降低了整体浆料的流动性，影响成形件质量，且当载荷超过预定成形比压时，浆料容易与模具型腔粘连牢固，增加脱模难度，同时也容易损坏模具与挤压设备，降低模具的使用寿命。

2.2挤压速率对铜合金流变挤压件组织的影响

; 图7是重熔温度为940℃、保温时间为30 min、轧制预变形量为14%、模具预热温度为400℃、成形比压为150 MPa时，不同挤压速率流变挤压试样的宏观形貌。由图7a可知，在较低挤压速率下，浆料很难完全充满型腔，液相快于固相先流入型腔下部，上部浆料流动速度慢，浆料未填充完毕就凝固完成，表明充填时间太长，所以导致成形件中间断开，另外成形件在宏观上有较多缺陷，表面不平整；随着挤压速率的增加，成形件的充型性能逐渐变好，浆料容易充满型腔，获得的成形件宏观质量最好，结构完整，表面平整，无宏观缺陷，比较致密，见图7b;但试验中发现，当挤压速度过快(16mm/s)时，导致半固态浆料的充型前沿不平稳，充填顺序发生改变，成形件外观质量反而变差，见图7c。因此挤压速度在14 mm／s左右较好。

; 图8为半固态ZCuSnl0铜合金不同挤压速率流变挤压件位置1处的微观组织。由图8a可知，当挤压速率为12 mm／s时，该部位固相塑性变形严重，晶界模糊，部分组织有空洞裂纹；当挤压速率提高到14 mm/s时，液相率为27. 34%，此时缺陷得到改善，固相的塑性变形减轻，晶粒圆整度为1. 53，晶界清晰，组织均匀，平均晶粒尺寸为100. 56 μm，见图8b;继续提高挤压速率到16 mm/s时，液相率有所下降（为24. 24%），此时固相的塑性变形有所增加，晶粒圆整度为1.68,平均晶粒尺寸为140. 28 μm，出现液相局部集中现象，见图8c。

; 图9为半固态ZCuSnl0铜合金不同挤压速率流变挤压件位置2处的微观组织。当挤压速率较小时，其液相率为21. 34%，晶粒圆整度为2.14，见图9a;当挤压速率为14 mm/s时，组织较均匀，晶粒圆整度为1.44，晶界清晰，液相率为18. 78%，见图9b;当挤压速率为16 mm/s时，固相颗粒发生轻微塑性变形，并伴有合并长大倾向，其晶粒圆整度为1. 64，平均晶粒尺寸为150. 42μm，见图9c。

; 图10为半固态ZCuSnl0铜合金不同挤压速率流变挤压件位置3处的微观组织。当挤压速率较低时，液相优先于固相流到型腔底部，固、液协同性差，导致组织中液相很多，液态凝固形成大量树枝晶组织，见图lOa;当挤压速率提高到14 mm/s时，液相没有足够的时间先流入型腔底部凝固，因而有利于固、液相协同流动，组织中树枝晶的数量明显减少，液相率为29. 57%，晶粒圆整度为1. 66，见图lob;当挤压速率为16 mm/s时，组织中的液相相对减少，其液相率为25. 67%，但仍有很多树枝晶组织，晶粒圆整度为1. 68，见图10c。

; 综上所述，挤压速率较小时，由于液相内部的摩擦力小于固相晶粒之间的摩擦力，流动阻力小，所以液相有足够的时间先于固相流动到模具型腔底部，导致靠近压头处液相很少而型腔底部的液相很多且出现大量的树枝晶组织。增加挤压速率，挤压变形所需时间变短，液相没有充分的时间流动，从而利于固、液两相协同流动，位置1处的液相率有所提高，位置3处的组织也较好。但挤压速率过大时，液相流速较快，固相变形严重，反而不利于固、液两相协同流动，影响组织及性能。较佳的挤压工艺参数：成形比压为150 MPa、挤压速率为14 mm／s。

2.3流变挤压铜合金固、液两相的组织演变

; 温度为940℃、保温时间为30 min、轧制预变形量为14%、模具预热温度为400℃、成形比压为150MPa、挤压速率为14 mm/s时，不同位置处的金相组织分别见图8b、图9b、图10b。经软件计算其液相率分别为27. 34%、18. 78%、29. 57%;晶粒圆整度分别为1. 53、1.44、1.66;晶粒尺寸分别为100. 56、87. 76、105. 67 μm。成形件整体组织为半固态组织，靠近压头位置1处，液相较少，组织分布较均匀，见图8b;通道（位置2）处组织中的液相最少，固相变形较小，基本保持初始半固态组织，见图9b;接近模具底部位置3处的液相最多，而且液相分布均匀性差，出现液相团聚现象，见图10b。造成3个位置固、液两相分布不均匀是因为浆料浇入模具上型腔后，在凸模下降过程未接触浆料施加挤压力之前，浆料由于受重力作用向下流动，通过通道时，固相由于粘度高，流动变形抗力大，因而在通道上端停止流动，导致浆料上端与下端的液相分离。下端液相由于变形抗力小，继续受重力作用向下流动至凝固成形；凸模接触浆料开始挤压，浆料受压应力作用流动，由于通道处直径较小且液相流动变形抗力小于固相，故液相流速较快，液固两相开始分离；固相开始接触缠结，在通道处阻碍上端液相继续下流，而下端液相继续快速流入模具型腔底部，故模具底部的液相最多，通道处液相最少。

3  结  论

; (1)不同挤压工艺参数对流变挤压组织的影响很大。在成形比压为150 MPa，挤压速度为14 mm/s时，成形件的组织相对较好，固、液协同流动性好。

; (2)在半固态铜合金的流变挤压成形过程中，通道部位的液相率最低；模具底部的液相率最高，且会产生液相团聚现象，固、液两相的分布均匀性较差。