原标题：中核四○四：应变诱导熔化激活法铜合金的半固态压铸

半固态成形工艺是一种近净成形工艺，具有液态加工和固态加工的综合优势，能一次成形形状复杂且性能要求较高的零件，并且能够延长模具寿命，提高合金的力学性能并减少微观偏析，是很有前景的材料成形加工方法。半固态金属制备工艺有机械搅拌法（MS）、电磁搅拌法（ES）、应变诱导熔化激活法 （SIMA）、超声振动法（UV）、喷射成形法（SF）和粉末冶金法（PM）等。其中，应变诱导熔化激活法（SIMA）工艺简单、不污染坯料，且无需特殊设备就能制备出均匀的非枝晶组织，是极具潜力的可大规模工业应用的技术之一。SIMA法是将常规铸锭经过挤压、轧制等变形工艺先使坯料获得足够的冷变形，使组织获得足够的变形能，然后加热到固液相区间，并保温一段时间，获得液相包裹着近球形固相晶粒的半固态组织，再进行半固态锻造成形制备工件。采用SIMA法制备半固态坯料过程中最重要的3个工艺参数是预变形量、保温温度和保温时间。针对不同的合金体系，有效控制SIMA法的工艺参数，可获得良好的半固态坯料组织。

目前SIMA法的研究主要针对低熔点的铝合金和镁合金，对于铜合金等较高熔点合金的半固态成形研究相对较少。研究者进行了SIMA法制备铜合金半固态组织的压缩试验，研究了预变形量和压缩变形条件对半固态坯料真应力-应变曲线及其组织的影响，发现铜合金在半固态温度区间压缩变形时，存在3个典型压缩变形区域，各个变形区能够发生液相流动，小部分难变形区内的液相流到大变形区，大部分大变形区内的液相流到自由变形区。采用冷轧-重熔的应变诱导熔化激活法制备半固ZCuSn10铜合金坯料，对其半固态组织进行了分析，发现采用轧制重熔工艺制备的铜合金半固态组织均匀、晶粒细小，固体颗粒球化程度较好。随着预变形程度和重熔温度的提高，以及液相率的增加，半固态组织中的固体颗粒变小、圆整度变高，预变形过程对晶粒细化和球化起着至关重要的作用。研究了预退火温度对半固态铜合金坯料的组织演变及力学性能的影响，发现预退火温度影响半固态坯料的晶粒尺寸，随着退火温度升高，铜合金内的Sn逐渐由晶间液相向晶粒内部扩散，一定程度上改善了Sn元素的偏析。以铜磷钎料为研究对象，通过SIMA法制备半固态铜磷钎料，发现预变形量越大，在热处理时液相析出的越快，半固态组织更容易发生球化。

本研究以ZCuSn10P1铜合金为对象，自主设计了一套半球形的成形模具，在液压机上开展半固态成形试验，研究预变形量、成形压力及保温温度对半固态组织、性能及形貌的影响，旨在为铜合金半固态成形工艺提供参考。

图文结果

试验合金为ZCuSn10P1，其化学成分见表1。该合金的Sn含量约为10%，密度约为8.75 g/cm3。图1为 Cu-Sn二元合金相图及DSC曲线。可以看出，Cu-Sn合金液相线温度（TL）约为1 040 ℃、固相线温度（TS）约为900 ℃，适宜的半固态加工温度为900~1 000 ℃。

表1 ZCuSn10P1铜合金的化学成分(%)

图1 Cu-Sn二元合金相图及DSC曲线

根据ZCuSn10P1铜合金半固态锻造成形工艺路线，分为以下几个步骤：①使用1 000 kN四柱液压机对铜合金铸坯进行预压缩变形，预压缩变形量控制在15%~30%；②使用LE 6/11型马弗炉对预压缩变形后铜合金铸坯进行热处理，热处理温度为920~1 000 ℃，热处理时间为30~50 min，获得所需的半固态坯料；③使用液压机对半固态坯料进行触变锻造成形，锻造成形压力为150~450 MPa，锻造速度为1~5 mm/s，获得半固态锻造成形的零部件；④对铜合金半固态锻造成形零部件的表面进行处理，去除氧化皮等，获得外观良好的锻造零部件。
根据零件尺寸及模具尺寸，锻件尺寸为ϕ25 mm的半球，经计算，确定采用外形尺寸为ϕ36.8 mm×38 mm的ZCuSn10P1铸坯为原料，使用Primotech金相显微镜分析合金的铸态组织，见图2。可以看出，合金铸坯组织呈典型的枝晶形貌特征。

图2 铜合金原料及铸态显微组织

ZCuSn10P1铜合金的预压缩变形、热处理及锻造工艺参数见表2。其中试样1为无冷变形处理的铸态坯料直接锻造成形的试样，锻造压力为200 MPa，试样2和试样3为预压缩后加热获得半固态坯料后锻造成形的试样，锻造压力为250、300 MPa。试样的外观形貌见图3。可以看出，试样成形完整，但由于高温加热，在锻件试样表面有一层黑色的氧化物。

表2 铜合金触变锻造成形工艺参数

图3 铜合金半固态成形锻件试样

将试样1~3从中间纵向剖开，分别取上、中、下部位，使用HV-1000显微维氏硬度计测试其硬度，见图4。对每个试样不同部位进行显微硬度测试，每个部位测试不少于7个点，取平均值，结果见图5。可以看出，试样1的上、中、下部位的硬度（HV）分布变化较大，97.1~122.2，也从侧面反映锻件的变形和内部组织可能也不均匀。试样2和试样3的上、中、下部位的硬度（HV）变化较小，范围分别为90.4~106.5、96.1~102.2，也表明半固态锻造获得的锻件变形较为均匀，其内部组织也较为均匀。

图6为试样1~3不同部位的显微组织。可以看出，未经过预压缩变形直接由铸坯锻造成形的试样1，其平均晶粒尺寸较大，为200~250 μm，且从上部到下部的微观组织分布较不均匀，最大晶粒尺寸超过500 μm。同时可以发现，其晶粒形状为明显多边形，晶界处的第二相数量和分布较少。试样2和试样3平均晶粒尺寸显著减小，约为150 μm，同时，整个锻件从上部到下部的晶粒分布更均匀，最大晶粒尺寸仅为300 μm，晶粒形状趋向更加圆整，呈现出半固态组织的特性。同时，在晶粒之间的晶界部位，可以发现有更多的共晶第二相存在，这也是半固态组织的显著特征。

图4 锻件硬度及微观组织取样部位示意图

图5 锻件不同部位显微硬度

图6 试样1~3不同部位的组织

采用ϕ36.8 mm×38 mm的 ZCuSn10P1铸坯作为原料进行试验，预压缩变形量为15.3%，压缩后尺寸为ϕ40 mm×32.2 mm。根据DSC曲线测定的半固态区间，设置了5个不同的保温温度，分别为920、940、960、980和1 000 ℃，分别记为试样4~8。保温30 min，成形压力为250 MPa。在预变形量不变的条件下，研究保温温度对触变锻造组织、性能的影响。

各试样金相组织分别见图7。可见晶粒呈现球形，周围由液相包裹，为典型的半固态组织。晶粒内部出现了液岛，这是由于破碎的枝晶臂的合并将低熔点的共析体包裹，在随后的保温过程中，低熔点的共析体溶化在晶粒的内部形成细小液岛。横向对比每个试样的上部、中部以及下部的微观组织发现，中部和下部晶粒较为圆整，而上部晶粒呈现出一定的取向，这是由于坯料在锻造成形过程中，中部和下部的晶粒受到各方向的力的作用，变形均匀，而上部的晶粒主要受到垂直向下的力作用，晶粒沿水平面被拉长。试样4由于保温温度较低，晶粒分离不彻底，当温度升高至980 ℃以上时，试样7和试样8的晶粒完整，晶粒与晶粒之间没有连接。液相率在920 ℃到980 ℃过程中变化不大，但在1 000 ℃时，能够看出液相率明显增大，这是因为温度越接近液相线温度，液相率越高的缘故。

对保温900 ℃变形后的试样进行扫描电镜分析，见图8，面扫描数据对应ZCuSn10P1成分分析，表明经过多道程序后，材料的成分变化不大，也未引入其他的杂质，Sn以第二相的形式聚集在晶界处。

图7 试样4~8不同部位的组织

图8 900 ℃保温变形后的试样EDS分析

半固态组织中晶粒尺寸变化见图9。可以看出，随着保温温度的升高，晶粒尺寸显现出先降低后增高的趋势，当保温温度为960 ℃时，锻件的晶粒达到最小值88.1 μm，当保温温度继续提高至980和1 000 ℃时，晶粒尺寸增大至94.4 μm和102.8 μm，晶粒长大趋势十分明显。综上，在预变形量、保温温度不变的情况下，ZCuSn10P1合金半固态触变锻造组织的晶粒尺寸与保温温度密切相关，随着保温温度升高，晶粒尺寸有长大的趋势。

利用ImagePro软件计算得到的不同保温温度下，ZCuSn10P1合金形状因子变化见图10。可见随着保温温度的提高，合金半固态固相颗粒的形状因子显现出先增高后降低的趋势，980 ℃时形状因子达到最高值0.93。结果表明，各温度下形状因子有规律但是差别不大，保温温度是半固态固相颗粒形状因子的次要影响因素。

使用三维激光扫描系统HandySCAN700对获得的半球形触变成形锻件进行三维扫描，重构锻件外形尺寸。锻件与最终成形件模型的3D比较见图11，颜色越接近红色代表锻件尺寸相较成形件模型尺寸越大，颜色越接近蓝色代表锻件尺寸相较成形件模型尺寸越小（基于原图为彩色描述），可见锻件最高处红色最为明显。从顶部到底部，颜色逐渐由红变绿，代表锻件实际尺寸与模型尺寸偏差逐渐变小，成形品质越来越好，顶部A001处尺寸偏差为1.692 1 mm，往底部延伸，偏差逐渐下降，从A001处的1.692 1 mm 降到A002处的0.855 1 mm，再降到A003处的0.770 9 mm，再降到 A004 处的0.140 4 mm。可以明显看出，越接近锻件底部，锻件尺寸相较模型偏差越小。锻件的圆度为0.174 8 mm，即最大半径处与最小半径处相差0.174 8 mm。

图9 不同保温温度条件下半固态组织的晶粒尺寸

图10 不同保温温度条件下半固态组织的形状因子

图11 三维扫描分析结果

结论

（1）经过预压缩变形和热处理获得半固态坯料后，再进行半固态成形获得的工件平均晶粒尺寸显著减小，同时，整个工件从上部到下部的晶粒分布更均匀。同时，在更高的半固态成形压力下，可以获得更加细小和均匀的半固态组织。

（2）在预变形量、保温温度不变的情况下，铜合金半固态组织的晶粒尺寸与保温温度密切相关，随着保温温度升高，晶粒尺寸有长大的趋势。

（3）制备ZCuSn10P1合金半固态坯料较理想的SIMA法工艺参数是：预变形量为15%、保温时间为30 min时，保温温度为960~980 ℃，此时采用半固态触变成形工艺制备的半球形工件平均显微硬度高、晶粒尺寸小、半固态固相颗粒的圆整度高。

（4）经过三维激光扫描系统对获得的半球形触变成形锻件进行三维扫描，锻件实际尺寸与模型尺寸偏差较小，不同位置偏差均在1.7 mm以内，且半球形锻件圆度为0.174 8 mm，表明成形品质较好。

《基于SIMA法的ZCuSn10P1铜合金半固态锻造成形研究》

党文君 程元芬 谢宛鋆
中核四○四有限公司

本文转载自：《特种铸造及有色合金》