CN111575511A - 一种改善铜锡合金微-宏观偏析的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种改善铜锡合金微‑宏观偏析的方法，属于材料制备技术领域。将铜锡合金与铜铁或纯铁合金按一定比例混合、或直接将铜锡铁合金在中频感应加热炉内加热熔炼，在1250～1350℃范围内保温5～40min，待温度降到液相线以上20～100℃时进行精炼、除渣并静止0～10min，然后采用约束通道处理熔体，使其快速凝固得到铸锭或零件，也可以将熔体处理至固液区间得到半固态浆料，然后再成形零件，最后对铸锭或零件进行热处理，获得晶间偏析和逆偏析都得到改善的零件。该工艺流程短，方法简单，成本低，铸件性能优良，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种改善铜锡合金微-宏观偏析的方法，属于材料科学技术领域。
背景技术
铜锡合金是典型的凝固偏析合金之一，在凝固过程中极易产生晶间偏析和逆偏析，其偏析现象广泛出现于含4.7～15％(wt％)锡的系列锡青铜连铸坯和铸锭中。随着锡含量增加，晶间偏析和逆偏析的偏析程度也逐渐递增。在铜锡合金凝固过程中，由于锡原子的扩散速度明显快于铜原子，且随着温度的降低，锡元素在初生α-Cu相中的溶解度逐渐降低，其从初生α-Cu相中向液相扩散，造成液相中锡元素富集，室温时形成锡含量较髙的低熔点δ相，δ相的理论含锡量为32.6％(wt％)，而室温时的初生α-Cu相中锡含量平均值在1～3％(wt％)之间，因此形成了严重的晶间偏析。
由于铸件壁内外温度差较大，在凝固收缩时对心部液相产生静压力，且在表面壳层内晶间细小孔隙产生的毛细管吸力的共同作用下，富锡液相沿枝晶间通道向铸坯表层移动产生逆偏析。砂型铸造固液界面推进速度较慢，锡原子有充足的时间从初生相扩散到液相，而凝固慢则对液相产生的静压力小，因此，砂型铸造的铸件内晶间偏析严重，而逆偏析相对较轻。金属型铸造时，铸件内外温差较大，易沿垂直于铸型的散热方向生成柱状晶，富锡液相则会在凝固时体收缩引起的静压力作用下，沿着柱状晶间的空隙通道向铸件表层流动，增加逆偏析的程度。这也是造成砂型铸造、金属型铸造CuSn10P1合金延伸率(分别只有3％和2％)较低的主要原因之一。
另外，铜锡合金结晶范围宽且易形成发达的树枝晶，当铜锡合金铸件表面先凝固一层硬壳后，在某种应力的作用下硬壳出现裂纹，壳内未凝固的液态合金就会渗出硬壳而留在铸件表面形成逆偏析瘤，即所谓“锡汗”。
发明内容
本发明提供一种改善铜锡合金微-宏观偏析的方法，该方法可以有效改善铜锡合金微-宏观偏析，该方法工艺流程短，方法简单，成本低，铸件性能优良，具有良好的应用前景，具体包括以下步骤：
(1)按比例称取铜锡合金与铜铁/纯铁合金混合、或直接称取成分满足要求的铜锡铁合金，放入中频感应加热炉内加热熔炼得到熔体；所述熔体中元素重量百分比为：Sn：8.0～15wt.％，Fe：0.1～5wt.％，P：0～1.2wt.％，其它杂元素总和≤0.75％，余量为Cu。
(2)采用约束通道处理熔体，使其快速凝固得到铸锭或零件，或者将熔体处理至固液区间得到半固态浆料，然后再成形零件，最后对铸锭或零件进行热处理，获得晶间偏析和逆偏析都得到改善的零件。
优选的，本发明所述加热熔炼的条件为：按比例将合金在中频感应加热炉内加热熔炼，在1250～1350℃范围内保温5～40min，待温度降到液相线以上20～100℃时进行精炼、除渣并静置0～10min。
优选的，本发明步骤(2)中热处理的条件为在600～720℃保温45～120min，然后空冷或者水冷，如果是厚度小于5mm的薄壁件则进行油冷或埋在沙子里冷却。
优选的，本发明步骤(2)中所述约束冷却通道角为45～60°，约束通道长度300～400mm，上下循环冷却水流量为400～600L/h，收集坩埚预热至900～1000℃。
本发明的原理：本发明对传统铜锡合金进行铁元素合金化，铁元素固溶于初生α-Cu相内有效阻碍锡元素从初生α-Cu相内向晶间扩散，同时采用约束通道处理熔体有利于显微组织细小和锡元素固溶于初生α-Cu相，进而改善晶间偏析现象；铁元素合金化与快速过冷使晶粒细化，晶粒细化使液相流动的晶间通道变得复杂，阻碍液相从铸件中心向表面流动，显著缩小铸件中心与表面的锡元素含量差值，有效改善铜锡合金铸件的逆偏析现象。
常规条件下，铁元素在锡磷青铜初生相中不固溶，只会在晶间析出形成富铁相，没有改善锡元素偏析的作用。通过熔体约束通道处理与铁元素合金化复合处理，在冷却过程中铁元素来不及从初生相内析出，而被固溶进去初生相内，吸附并阻碍锡元素从初生相向晶间扩散，使锡元素固溶于初生相内，从而达到改善锡磷青铜晶间偏析。同时，约束通道处理使显微组织细化，使液相从铸件中心向表层流动的通道变的复杂，阻碍富锡液相从铸件中心向表层流动，结合铁元素化与约束通道处理使晶间偏析得到改善，两者共同作用达到改善锡元素宏观偏析的目的。
本发明的有益效果：
(1)本发明的方法可以有效改善铜锡合金微-宏观偏析，提高合金的各项性能。
(2)本发明的方法可以有效细化合金显微组织，组织形貌为非枝晶状组织，有利于提高合金的强度和塑性。
(3)本发明的方法工艺流程短，方法简单，成本低，铸件性能优良，可以实现工业化连续生产，提高产品的合格率。
附图说明
图1为本发明改善铜锡合金微-宏观偏析方法的流程示意图。
图2为本发明约束冷却通道结构示意图。
图3为CuSn10Fe1.5P1合金的液态铸造与实施例1所述方法铸造的显微组织及锡元素含量对比图。
图4为CuSn10Fe1.5P1合金的液态铸造与实施例1所述铸造的零件锡元素宏观偏析对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本领域的技术人员对本发明很容易理解，因此，实施案例只是示范性实施例，本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种改善铜锡合金微-宏观偏析的方法，具体步骤如下：
本实施例所述材料为CuSn10Fe1.5P1(wt.％)合金
(1)按比例称取铜锡磷合金、铜铁合金总重量约6.5kg，采用中频感应加热炉将合金快速加热至1300℃保温20min，然后空冷至1080℃(液相线1024℃)进行除气除渣并静置5min，使合金熔体内部温度场均匀化。
(2)将将温度场均匀化的熔体浇入约束冷却通道进行处理，处理得到的半固态浆料被收集坩埚收纳，然后快速浇入楔形金属模获得铸件；作为比对试样，将相同成分相同重量的铜锡合金按照(1)步骤进行处理，空冷至1050℃，除气除渣并静止5min后浇入楔形金属模获得铸件；所述约束冷却通道角为45°，约束通道长度300mm，上下循环冷却水流量为600L/h，收集坩埚预热至900℃。
(3)将液态铸件与本发明方法铸件在箱式热处理炉内进行680℃保温75min然后空冷，获得晶间偏析和宏观偏析明显改善的铸件。
图3为CuSn10Fe1.5P1合金的液态铸造与实施例1所述方法铸造的显微组织及锡元素含量对比图，由图可以看出显微组织由液态铸造时的粗大树枝晶转变成实施例中的细小等轴晶，且锡元素在初生相内的含量由液态铸造时的1.87％提高到了实施例中的4.52％，晶间偏析得到明显改善。
图4为CuSn10Fe1.5P1合金的液态铸造与实施例1所述铸造的零件锡元素宏观偏析对比图，由图可以看出液态铸造零件中心部位与外场含锡元素比例相处较大，而实施例方法获得铸件的锡元素宏观分布相对比较均匀，锡元素宏观偏析现象得到明显改善。
实施例2
一种改善铜锡合金微-宏观偏析的方法，具体步骤如下：
本实施例所述材料为CuSn8Fe0.5P1.2(wt.％)合金
(1)按比例称取铜锡磷铁合金约8kg，采用中频感应加热炉将合金快速加热至1350℃保温35min，然后空冷至1100℃(液相线1024℃)进行除气除渣并静置10min，使合金熔体内部温度场均匀化。
(2)将将温度场均匀化的熔体浇入约束冷却通道进行处理，处理得到的半固态浆料被收集坩埚收纳，然后快速浇入楔形金属模获得铸件。作为比对试样，将相同成分相同重量的铜锡合金按照(1)步骤进行处理，空冷至1060℃，除气除渣并静止10min后浇入楔形金属模获得铸件。所述约束冷却通道角为45°，约束通道长度300mm，上下循环冷却水流量为600L/h，收集坩埚预热至900℃。
(3)将液态铸件与本发明方法铸件在箱式热处理炉内进行720℃保温90min然后空冷，获得晶间偏析和宏观偏析明显改善的铸件。
通过显微组织分析，本实施例制备的CuSn8Fe0.5P1.2(wt.％)合金与液态铸造合金相比，显微组织得到明显细化，由粗大树枝晶转变为了蠕虫状晶与等轴晶，锡元素在初生相内的含量液态铸造时的1.3％提高到了3.8％，且从零件中心到边侧，锡元素的宏观分布变得更加均匀，铸件中心与外侧的锡元素含量差由液态铸造时的0.9％降低到实施例中的0.38％，晶间偏析和宏观偏析得到有效改善。
实施例3
一种改善铜锡合金微-宏观偏析的方法，具体步骤如下：
本实施例所述材料为CuSn14Fe5P0.5(wt.％)合金
(1)按比例称取铜锡磷合金、铜铁合金约6kg，采用中频感应加热炉将合金快速加热至1300℃保温10min，然后空冷至1050℃(液相线1024℃)进行除气除渣并静置2min，使合金熔体内部温度场均匀化。
(2)将温度场均匀化的熔体浇入约束冷却通道进行处理，处理得到的半固态浆料被收集坩埚收纳，然后快速浇入楔形金属模获得铸件。作为比对试样，将相同成分相同重量的铜锡合金按照(1)步骤进行处理，空冷至1040℃，除气除渣并静止0min后浇入楔形金属模获得铸件。所述约束冷却通道角为45°，约束通道长度300mm，上下循环冷却水流量为600L/h，收集坩埚预热至900℃。
(3)将液态铸件与本发明方法铸件在箱式热处理炉内进行640℃保温50min然后水冷，获得晶间偏析和宏观偏析明显改善的铸件。
通过显微组织分析，本实施例制备的CuSn14Fe5P0.5(wt.％)合金与液态铸造合金相比，液态铸造零件显微组织为树枝状晶，而经过超声处理后显微组织为等轴状或球状晶；超声处理后初生相内锡元素的含量由液态铸造时的3.5％提高到了8％，晶间偏析现象得到缓解，同时铸件中心与外侧的锡元素含量差由液态铸造时的1.20％降低到实施例中的0.35％，宏观偏析现象得到缓解。
Claims (4)
1.一种改善铜锡合金微-宏观偏析的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)按比例称取铜锡合金与铜铁/纯铁合金混合、或直接称取成分满足要求的铜锡铁合金，放入中频感应加热炉内加热熔炼得到熔体；所述熔体中各元素重量百分比为：Sn：8.0～15wt.％，Fe：0.1～5wt.％，P：0～1.2wt.％，其它杂元素总和≤0.75％，余量为Cu；
(2)采用约束通道处理熔体，使其快速凝固得到铸锭或零件，或者将熔体处理至固液区间得到半固态浆料，然后再成形零件，最后对铸锭或零件进行热处理，获得晶间偏析和逆偏析都得到改善的零件。
2.根据权利要求1所述改善铜锡合金微-宏观偏析的方法，其特征在于：加热熔炼的条件为：按比例将合金在中频感应加热炉内加热熔炼，在1250～1350℃范围内保温5～40min，待温度降到液相线以上20～100℃时进行精炼、除渣并静置0～10min。
3.根据权利要求1所述改善铜锡合金微-宏观偏析的方法，其特征在于：步骤(2)中热处理的条件为在600～720℃保温45～120min，然后空冷或者水冷，厚度小于5mm的薄壁件则进行油冷或埋在沙子里冷却。
4.根据权利要求1所述改善铜锡合金微-宏观偏析的方法，其特征在于：所述约束冷却通道角为45～60°，约束通道长度300～400mm，上下循环冷却水流量为400～600L/h，收集坩埚预热至900～1000℃。
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