半固態(tài)銅合金流變擠壓成形的組織演變
陳澤邦 肖 寒 李 勇 周榮鋒 盧德宏 周 榮
; （昆明理工大學材料科學與工程學院）
摘要 以ZCuSnl0銅合金為研究對象，采用冷軋一重熔的應變誘導熔化激活法(SIMA)制備了流變漿料，研究了流變成形比壓和擠壓速率對半固態(tài)ZCuSnl0銅合金擠壓組織的影響，探討了ZCuSnl0銅合金充型流動過程中固、液兩相的演變規(guī)律。結果表明，在成形比壓為150 MPa，擠壓速率為14 mm／s時得到的成形件組織較均勻，固、液兩相協(xié)同流動性好。相同擠壓工藝條件下，半固態(tài)擠壓成形件各個位置組織差異較大。近沖頭位置保持初始半固態(tài)組織；試樣中部位置為固、液兩相共存的半固態(tài)組織，固相顆粒圓整度較高；試樣最前端的微觀組織中以液相為主，固、液兩相分布均勻性較差。
; 半固態(tài)鑄造成形技術不但結合了鑄、鍛成形的優(yōu)點，同時拓展了成形合金的范圍，在汽車、航空航天等領域有廣闊的應用前景。目前，半固態(tài)成形技術大多針對鋁、鎂等低熔點合金，對于銅合金等高熔點合金的半固態(tài)研究還比較少。若使用半固態(tài)成形技術，理論上既減少了能源消耗又可以獲得組織致密、力學性能優(yōu)良的零件，所以該項技術在高熔點銅合金的成形方面有著積極的意義。
; 本課題采用冷軋一重熔應變誘導熔化激活法( SI-MA) 制備了ZCuSnl0銅合金半固態(tài)漿料并進行了擠壓成形試驗，分析了擠壓工藝參數對ZCuSnl0合金液固兩相組織演變的影響，探討了流變擠壓過程中液固兩相形態(tài)、分布情況以及組織的演變規(guī)律，旨在為錫青銅的半固態(tài)流變擠壓成形提供參考。
1 試驗材料及方法
1.1試驗材料
; 試驗選用ZCuSnl0銅合金，其化學成分（質量分數）為：88. 25%的Cu，10. 48%的Sn，其他元素含量為1. 27%。采用差示掃描量熱法測得ZCuSnl0合金的固相線溫度為830℃，液相線溫度為1 020℃，固、液區(qū)間寬度為190℃，適合用于制備半固態(tài)漿料并進行半固態(tài)成形。
1.2試驗方法
; 將ZCuSnl0銅合金棒料放人電阻爐中加熱至1180℃進行熔煉，澆入模具中成形，凝固后開模取出鑄錠，并空冷至室溫，獲得板狀銅合金鑄錠。將板狀鑄錠按要求機加工成尺寸為150 mm×25 mm×25 mm的長方體坯料。然后在室溫下用兩輥軋機將其軋制變形。軋制方法為：首先軋制高的一面，然后沿坯料的長度方向翻轉90。進行第2道次軋制，其累計變形量為14%。選擇軋制后表面平整光滑、無彎曲和斷裂的預變形坯料，將其切割成35 mm×25 mm×25 mm的小試樣，并將其在940℃、保溫30 min、預變形量14%的條件下獲得半固態(tài)漿料，然后進行不同成形比壓與擠壓速率的擠壓試驗，具體工藝參數見表1。
; 圖1為半固態(tài)成形件的零件結構圖，對半固態(tài)成形件的關鍵部位取樣并進行金相組織觀察，其金相取樣部位見圖2，分別是靠近壓頭部分（位置1）、通道部分（位置2）和試樣前端（位置3）。
; 利用Image-Pro Plus圖像分析軟件計算銅合金組織中的液相率、固相晶粒尺寸及圓整度[以形狀因子f表征，f=P2/(4πA)，其中P為晶粒周長，A為晶粒面積，形狀因子f越接近于1，晶粒球化越好]。分析不同工藝參數對半固態(tài)ZCuSnl0銅合金流變擠壓成形組織的影響。
2 試驗結果與分析
2.1成形比壓對銅合金流變擠壓件組織的影響
; 圖3是重熔溫度為940℃、保溫時間為30 min、軋制預變形量為14%、模具預熱溫度為400℃、擠壓速率為14 mm/s時，不同成形比壓流變擠壓后試樣的宏觀形貌�？梢钥闯�，在較低的成形比壓下，無法完全克服漿料內部阻力，漿料充型效果不佳，宏觀上有很多缺陷，表面不平整，液固兩相流動不協(xié)同，出現(xiàn)突出的固相顆粒，導致成形件斷開，見圖3a。隨著成形比壓增加，漿料容易充滿型腔，零件的外觀質量明顯得到改善，但是當成形比壓增加到一定值后，零件的外觀質量變化不明顯。當成形比壓為150 MPa時，成形件的宏觀質量最好，充型完整，表面平整，精度高，無大尺寸的縮孔等表面缺陷，見圖3b。在較高的成形比壓下，內部會出現(xiàn)組織不均勻的現(xiàn)象，影響其力學性能，見圖3c。
; 圖4為半固態(tài)ZCuSnl0銅合金不同成形比壓流變擠壓件位置1的微觀組織。由圖4a可知，當成形比壓較低時，相鄰兩固相晶粒無粘結現(xiàn)象，固相顆粒發(fā)生了塑性變形，有孿晶產生，漿料在型腔內充型不完全，致密度不高，其液相率為21. 4%，平均晶粒尺寸為97. 63μm，晶粒圓整度為1. 71;當成形比壓提高到150 MPa時，液相率為28. 6%，晶粒圓整度為1.59，平均晶粒尺寸為105. 64 μm，無明顯塑性變形，晶界清晰，致密度高，充型較好，見圖4b;當成形比壓繼續(xù)增加到200MPa時，這時因壓力過大，導致固相碰撞粘結加重，固相顆粒的塑性變形也十分嚴重，晶界模糊，無法計算晶粒尺寸，組織較差，見圖4c。
; 圖5為半固態(tài)ZCuSnl0銅合金不同成形比壓流變擠壓件位置2的微觀組織�？梢钥闯觯煌尚伪葔合�，位置2處組織中的固相顆粒圓整度差異不大，分別為1. 65、1.52、1.58，液相率分別為29. 4%、20. 1%、38. 7%，在成形比壓為200 MPa時，部分區(qū)域出現(xiàn)了液相聚集的現(xiàn)象，見圖5c。當成形比壓為150 MPa時，組織較均勻，晶界也比較清晰，平均晶粒尺寸為90.52μm，見圖5b。
; 圖6為半固態(tài)ZCuSnl0銅合金不同成形比壓流變擠壓件位置3的微觀組織�？梢钥闯�，當成形比壓較小時，液相較快到達型腔底部，液態(tài)凝固便形成了部分樹枝晶，其液相率為29. 47%，平均晶粒尺寸為127. 54μm，晶粒圓整度為2. 16，見圖6a;當成形比壓為150MPa時，組織中固相顆粒的圓整度最好，晶界也比較清晰，沒有出現(xiàn)大面積的液相聚集區(qū)現(xiàn)象，其液相率為24. 76%，平均晶粒尺寸為106. 58 μm，晶粒圓整度為1. 67，見圖6b;當成形比壓為100 MPa時，固相接觸纏結區(qū)數量變多，尺寸變大，這又極大地降低了整體漿料的流動性，所以組織中出現(xiàn)了尺寸較大的固相顆粒，還有部分區(qū)域出現(xiàn)液相團聚的現(xiàn)象，其液相率為39. 86%，平均晶粒尺寸為179. 56μm，晶粒圓整度為1.86，見圖6c。
; 由上可知，成形比壓過小時，液相凝固收縮無補充，容易形成縮松、縮孔，由于液相孤立而不連通，形成的縮松、縮孔也會孤立分散存在，不相連接；如果提高成形比壓，使互相接觸纏結的半固態(tài)固相顆粒發(fā)生整體流變，分散的液相的收縮可以通過相鄰固相的流變而補充，最終減少或消除縮孔、縮松，從而提高試樣的致密度，改善擠壓件的內部質量。同時，漿料澆入模具型腔后，漿料受到激冷，過冷度提高，初生a相快速長大，與型腔接觸的漿料形成晶殼。當凸模對漿料加壓時，接觸壓頭的部分漿料瞬間受壓頭激冷形成晶殼并隨后破碎，與型腔接觸的晶殼也開始從上到下發(fā)生破碎，提供較多的核心，隨著壓頭下行，漿料開始流動。增加壓力間接提高漿料的流動速率，減小液固兩相的流動速度差，有利于固、液兩相協(xié)同流動，使擠壓組織更加均勻。但當壓力過大時，固相接觸纏結區(qū)數量變多，尺寸變大，這又極大降低了整體漿料的流動性，影響成形件質量，且當載荷超過預定成形比壓時，漿料容易與模具型腔粘連牢固，增加脫模難度，同時也容易損壞模具與擠壓設備，降低模具的使用壽命。
2.2擠壓速率對銅合金流變擠壓件組織的影響
; 圖7是重熔溫度為940℃、保溫時間為30 min、軋制預變形量為14%、模具預熱溫度為400℃、成形比壓為150 MPa時，不同擠壓速率流變擠壓試樣的宏觀形貌。由圖7a可知，在較低擠壓速率下，漿料很難完全充滿型腔，液相快于固相先流入型腔下部，上部漿料流動速度慢，漿料未填充完畢就凝固完成，表明充填時間太長，所以導致成形件中間斷開，另外成形件在宏觀上有較多缺陷，表面不平整；隨著擠壓速率的增加，成形件的充型性能逐漸變好，漿料容易充滿型腔，獲得的成形件宏觀質量最好，結構完整，表面平整，無宏觀缺陷，比較致密，見圖7b;但試驗中發(fā)現(xiàn)，當擠壓速度過快(16mm/s)時，導致半固態(tài)漿料的充型前沿不平穩(wěn)，充填順序發(fā)生改變，成形件外觀質量反而變差，見圖7c。因此擠壓速度在14 mm／s左右較好。
; 圖8為半固態(tài)ZCuSnl0銅合金不同擠壓速率流變擠壓件位置1處的微觀組織。由圖8a可知，當擠壓速率為12 mm／s時，該部位固相塑性變形嚴重，晶界模糊，部分組織有空洞裂紋；當擠壓速率提高到14 mm/s時，液相率為27. 34%，此時缺陷得到改善，固相的塑性變形減輕，晶粒圓整度為1. 53，晶界清晰，組織均勻，平均晶粒尺寸為100. 56 μm，見圖8b;繼續(xù)提高擠壓速率到16 mm/s時，液相率有所下降（為24. 24%），此時固相的塑性變形有所增加，晶粒圓整度為1.68,平均晶粒尺寸為140. 28 μm，出現(xiàn)液相局部集中現(xiàn)象，見圖8c。
; 圖9為半固態(tài)ZCuSnl0銅合金不同擠壓速率流變擠壓件位置2處的微觀組織。當擠壓速率較小時，其液相率為21. 34%，晶粒圓整度為2.14，見圖9a;當擠壓速率為14 mm/s時，組織較均勻，晶粒圓整度為1.44，晶界清晰，液相率為18. 78%，見圖9b;當擠壓速率為16 mm/s時，固相顆粒發(fā)生輕微塑性變形，并伴有合并長大傾向，其晶粒圓整度為1. 64，平均晶粒尺寸為150. 42μm，見圖9c。
; 圖10為半固態(tài)ZCuSnl0銅合金不同擠壓速率流變擠壓件位置3處的微觀組織。當擠壓速率較低時，液相優(yōu)先于固相流到型腔底部，固、液協(xié)同性差，導致組織中液相很多，液態(tài)凝固形成大量樹枝晶組織，見圖lOa;當擠壓速率提高到14 mm/s時，液相沒有足夠的時間先流入型腔底部凝固，因而有利于固、液相協(xié)同流動，組織中樹枝晶的數量明顯減少，液相率為29. 57%，晶粒圓整度為1. 66，見圖lob;當擠壓速率為16 mm/s時，組織中的液相相對減少，其液相率為25. 67%，但仍有很多樹枝晶組織，晶粒圓整度為1. 68，見圖10c。
; 綜上所述，擠壓速率較小時，由于液相內部的摩擦力小于固相晶粒之間的摩擦力，流動阻力小，所以液相有足夠的時間先于固相流動到模具型腔底部，導致靠近壓頭處液相很少而型腔底部的液相很多且出現(xiàn)大量的樹枝晶組織。增加擠壓速率，擠壓變形所需時間變短，液相沒有充分的時間流動，從而利于固、液兩相協(xié)同流動，位置1處的液相率有所提高，位置3處的組織也較好。但擠壓速率過大時，液相流速較快，固相變形嚴重，反而不利于固、液兩相協(xié)同流動，影響組織及性能。較佳的擠壓工藝參數：成形比壓為150 MPa、擠壓速率為14 mm／s。
2.3流變擠壓銅合金固、液兩相的組織演變
; 溫度為940℃、保溫時間為30 min、軋制預變形量為14%、模具預熱溫度為400℃、成形比壓為150MPa、擠壓速率為14 mm/s時，不同位置處的金相組織分別見圖8b、圖9b、圖10b。經軟件計算其液相率分別為27. 34%、18. 78%、29. 57%;晶粒圓整度分別為1. 53、1.44、1.66;晶粒尺寸分別為100. 56、87. 76、105. 67 μm。成形件整體組織為半固態(tài)組織，靠近壓頭位置1處，液相較少，組織分布較均勻，見圖8b;通道（位置2）處組織中的液相最少，固相變形較小，基本保持初始半固態(tài)組織，見圖9b;接近模具底部位置3處的液相最多，而且液相分布均勻性差，出現(xiàn)液相團聚現(xiàn)象，見圖10b。造成3個位置固、液兩相分布不均勻是因為漿料澆入模具上型腔后，在凸模下降過程未接觸漿料施加擠壓力之前，漿料由于受重力作用向下流動，通過通道時，固相由于粘度高，流動變形抗力大，因而在通道上端停止流動，導致漿料上端與下端的液相分離。下端液相由于變形抗力小，繼續(xù)受重力作用向下流動至凝固成形；凸模接觸漿料開始擠壓，漿料受壓應力作用流動，由于通道處直徑較小且液相流動變形抗力小于固相，故液相流速較快，液固兩相開始分離；固相開始接觸纏結，在通道處阻礙上端液相繼續(xù)下流，而下端液相繼續(xù)快速流入模具型腔底部，故模具底部的液相最多，通道處液相最少。
3 結 論
; (1)不同擠壓工藝參數對流變擠壓組織的影響很大。在成形比壓為150 MPa，擠壓速度為14 mm/s時，成形件的組織相對較好，固、液協(xié)同流動性好。
; (2)在半固態(tài)銅合金的流變擠壓成形過程中，通道部位的液相率最低；模具底部的液相率最高，且會產生液相團聚現(xiàn)象，固、液兩相的分布均勻性較差。
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