快速凝固技术及在CuSn10P1合金中的应用研究

杨琼

（云南机电职业技术学院，云南 昆明 650203）

1 概述

快速凝固是指通过对合金熔体的快速冷却（≥104～106K/s）或非均质形核的被遏制，使合金在很大的过冷度下，发生高生长速率（≥1～100cm/s）的凝固。一般生成非晶、准晶、微晶和纳米晶等亚稳相的组织和结构，根据其具有的特殊性能可以大大扩展在工程材料方面的用途。无偏析或少偏析的微晶组织及具有超细的晶粒度的合金运用快速凝固技术可以获得，并生成与常规合金不同结构特征和组织，并具有高的点缺陷密度和新的亚稳相。快速凝固技术获得的合金呈现与常规技术合金不同的结构特征和组织，主要是由于大过冷度的起始形核，高速率的生长及较快的凝固过程使平衡的固液界面不再平衡而形成的。通常有三种实现快速凝固的方法：

（1）热力学深过冷法；

（2）动力学急冷法；

（3）快速定向凝固法。

1.1 快速凝固的组织特征

快速凝固通常生成非晶、准晶、微晶和纳米晶等亚稳相，由于此过程是一种非平衡凝固过程，因此快速凝固的组织特征不同于普通凝固，快速凝固的结构特征与组织随着提高冷却速度和凝固速率产生了从常规显微组织-新型显微组织的变化，具体见图1。

图1 显微组织的变化

1.2 快速凝固的主要方法

（1）热力学深过冷快速凝固技术。深过冷是大体积液态金属快速凝固最有效的途径，因为深过冷熔体的凝固过程不受外部散热条件的影响，晶体生长速度大，能达到甚至超过激冷凝固中晶体的生长速度，还有理论上液态金属的体积也不能限制熔体获得深过冷。热力学深过冷是指在金属或合金液中运用不同的方法减少杂质进行净化，防止或消除异质形核作用，同时提高临界形核功，加大均质形核的难度，从而获得在常规凝固条件下难以达到的过冷度。热力学深过冷快速凝固是指在尽量消除异质晶核的条件下，在液相线以下数百度使金属保持液态，而后使液态金属突然形核并获得快速凝固组织的一种工艺方法。

（2）动力学急冷快速凝固技术。动力学急冷快速凝固技术的原理为：通过热流的导出速率的增大，铸型的导热能力的提高从而快速推进凝固界面，具体的方法是减少主要通过传导的方式散热以及冷却介质与熔体的界面热阻，并尽量使同时凝固的熔体体积减小或散热表百面积增大，即减小凝固的熔体体积与散热表百面积之比，从而实现快速凝固。

2 快速凝固技术在CuSn10P1合金中的应用

CuSn10P1合金具有高强、耐磨、耐蚀及良好弹性等特点，成为继铜银合金后高铁接触线的首选材料。铜锡合金是一种具有典型的凝固偏析特性的合金，晶间偏析和逆偏析现象在凝固中极其容易产生，这是由于铜锡合金在凝固中，锡原子比铜原子的扩散速度快的多，并且初生相中锡元素的溶解度也随温度的下降而逐渐下降，锡元素从初生相中扩散到液相，从而使得大量锡元素集聚在液相里，当温度降至室温时凝固形成δ相，具有低熔点且含有较髙的锡含量，此时，δ相里锡的理论含量达到32.6%，而在室温时的初生相中锡含量平均值仅是5%～8%，因此形成了严重的晶间偏析。并且锡的含量的多少对铜锡合金的凝固也有很大的影响，在铜锡合金连铸坯和铸锭中，当锡的含量达到4.7%～15%时，会广泛出现晶间偏析和逆偏析现象，并且当增加锡的含量时，也会逐渐加重偏析程度。

铜锡合金在常规铸造中极易产生逆偏析，这是因为在凝固过程中，铸件壁内外温度相差较大，中心部位的液相会受到熔体凝固收缩产生静压力的影响，并且同时中心部位的液相还会受到表面壳层内晶间细小孔隙产生了毛细管吸力的影响，在两者的共同作用下，积聚大量锡元素的液相沿枝晶间通道移动至表层，从而产生逆偏析。所以，铜锡合金运用金属型铸造极其容易产生晶间偏析和逆偏析，这很大程度上限制了其高品质压铸和挤压铸造铸件的生产与开发。而快速凝固技术具有凝固速度极快、凝固时间极短、扩散时间短、晶粒长大时间有限等特点，这项技术的出现在很大程度上解决了成分偏析、晶粒粗大等问题。随着高速重载高铁等行业快速发展，大量需要高强韧铜锡合金轴套类零件，我国通常采用连铸棒材或管材进行机加工生产此类零件。要获得高强韧压铸、挤压铸造铸件，就必须解决铜锡合金凝固偏析或逆偏析的问题，并且这也成为当今迫切需要解决的热点问题。

在连续铸造中界面移动速度和移动方向能够有效地控制，这样促使铜基体固溶锡原子，可以使锡元素的偏析减轻或抑制，合金的塑性得到有效提高。如CuSn10P1合金采用连续铸造，延伸率可以提高到6%（美国10%）；Cu-4.7%Sn合金两相区连铸时，要获得较高的板坯（5mm厚）横向和纵向凝固速度可以通过提高连铸速度来实现，这样可以形成柱状铜基单一固溶体，并且是沿连铸方向来形成，使得在连铸板坯表面的富集或偏析的锡大大降低，“锡汗”的形成得到了有效的抑制。所以，熔体内液固界面推进速度要比锡原子的扩散速度快，锡原子才能固溶在初生相内部，这是抑制CuSn10P1合金中低熔点锡偏析的共性关键技术，可以进一步抑制逆偏析，提高塑性，实现了合金的强韧化。

然而，在铸造凝固中，液固界面的情况比较复杂，形态、方向及数量都不能确定，要在铸型中直接控制熔体复杂固液界面的推进过程几乎难以实现。因此，本项目设想将铸造生产中合金熔体的主要凝固过程和零件成形过程分开，先期对主要凝固过程进行阶段控制冷却，然后再对处理后的熔体进行压铸或挤压铸造成形。以下就凝固过程进行阶段控制冷却进行论述。

研究方法及实验方案如下：

CuSn10P1合金化学成分见表1，采用SAT449F3同步热分析仪进行差热分析，测得 CuSn10P1合金的液态温度为1020.7℃，固态温度为830.4℃，液固温度期间为190.3℃。

表1 CuSn10P1合金的化学成分（质量分数%）

（1）制备浆料的设备。制备浆料的设备是缝隙式通道，结构为缝隙式结构，冷却通道截面为5×100mm的矩形，长度为300mm，材料为不锈钢，四周通水冷却，长度方向倾斜30～45°。

（2）实验方案。采取的缝隙式结构冷却通道处理金属液，属液流入通道时，通道对熔体产生约束流动作用，形成上下表面与通道内表面充分接触的薄层金属熔体，实施强制冷却效果，促使熔体内部快速形核并达到锡原子固溶至初生相内的目的。用中频感应炉进行CuSn10P1合金（已配料好的）熔炼至1200℃。熔炼好的金属液一部分直接浇入金属模，获得铸态金属型式样，另一部分金属液当其温度降至某一值时浇入缝隙式通道，获得半固态浆料，再将其浇入已预热的模具中，获得通过缝隙式通道的金属型式样。

（3）实验结果。经缝隙式通道处理后的半固态浆料的显微组织主要为蠕虫状及近球状，通过快速凝固阶段控制冷却，减少了成分偏析与晶粒粗大。

3 结语

快速凝固技术在开发铜合金材料及扩展铜合金的应用中起着重要的作用。特别是在CuSn10P1铜合金中，通过快速凝固技术分阶段控制冷却获得半固态浆料从而抑制其凝固偏析或逆偏析，获得蠕虫状及近球状的显微组织，从而使合金塑性提高，达到强韧化目的。