【摘 要】
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CuSn10P1合金铸件中低熔点锡元素容易向晶间迁移,而且由于凝固收缩力使得低熔点液相通过凝固壳层向表面迁移。锡元素的晶间偏析和逆偏析,大大降低铸件强度和塑性,限制其在低速重载条件下的应用,如高铁制动系统中的轴套。金属半固态成形可以有效控制熔体凝固时固液界面形貌、界面推进速度、温度场、成分场等条件,获得近等轴状初生相,同时还可达到抑制元素偏析的目的。论文借助半固态成形技术优点,结合CuSn10P1
【基金项目】
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国家自然科学基金“熔体阶段控制冷却铸造铜锡合金的偏析抑制及其性能之间的关联机制（51765026）”项目；
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CuSn10P1合金铸件中低熔点锡元素容易向晶间迁移,而且由于凝固收缩力使得低熔点液相通过凝固壳层向表面迁移。锡元素的晶间偏析和逆偏析,大大降低铸件强度和塑性,限制其在低速重载条件下的应用,如高铁制动系统中的轴套。金属半固态成形可以有效控制熔体凝固时固液界面形貌、界面推进速度、温度场、成分场等条件,获得近等轴状初生相,同时还可达到抑制元素偏析的目的。论文借助半固态成形技术优点,结合CuSn10P1合金熔体发生包晶反应的特性,创造包晶反应的热力学和动力学条件,提高初生相中锡元素浓度;结合合金半固态浆料的特点,合理设计流变挤压铸造工艺,开发强度和塑性显著提高的合金轴套。论文针对CuSn10P1合金在熔体约束通道内的流动过程,采用ProCAST软件对温度场进行模拟,利用层流紊流转变雷诺数对层流距离进行计算,结合模拟和计算结果,设计制造出约束熔体流动的缝隙式通道。采用该通道对熔体进行处理,揭示其流动过程中的组织演变机理。采用坩埚收集经通道处理的熔体,实现熔体在包晶温度时短时类等温处理,揭示类等温过程中锡元素迁移规律。设计制造间接流变挤压铸造模具,研究成形工艺和固溶处理对轴套组织和性能的影响规律。针对长度300 mm、倾斜角45°的敞开式流道,在熔体初始温度1080°C,流动厚度5 mm时,对熔体流动温度场进行模拟。结果表明:熔体流经流道过程中,由于流道的热传导作用,出口处熔体下表面温度最低,仅0.7 mm厚的熔体层温度降至液相线以下,处于半固态温度区间的横截面面积约为15%,其内部温差达85°C。将通道设计成缝隙式流道,其上下表面同时对熔体产生热传导作用,出口处几乎整个横截面熔体温度进入液相线以下,熔体内部温差降为60°C,处于半固态温度区间的横截面面积提升为73.5%。缝隙式流道中,雷诺数计算的层流距离约252.4 mm。根据层流距离计算和温度场模拟结果,设计制造长度400 mm、缝隙厚度5 mm、缝隙宽度100 mm的不锈钢质熔体约束流动诱导形核通道,其上下表面设计水道进行强制冷却。熔体约束流动诱导形核通道制备CuSn10P1合金半固态浆料的最佳工艺参数为:熔体起始温度1080°C、冷却通道长度300 mm和倾斜角度45°。此时初生?-Cu相由传统金属型铸造的粗大长条树枝状转变为近球状或等轴状,其平均等效直径46.6±5μm,形状因子0.73,单位面积晶粒个数约34900/cm2。初生?-Cu相中心和边缘的Sn元素质量分数由传统金属型铸造的1.53%和13.73%分别提高到1.87%和14.09%,晶间组织中的Sn元素质量分数由27.94%降低到21.14%。同时,研究测得熔体同一质点流经通道时间约0.2 s,温降为90°C,冷却速度约达450°C/s,此时初生?-Cu相异质形核的临界形核半径为14.33 nm和临界形核功为1.35?10-16J,与均匀形核相比临界形核功降低15%。熔体约束流动诱导形核通道中初生?-Cu相细化机制:熔体流经约束诱导形核通道时受到强烈激冷而获得约23.5°C的过冷度,初生?-Cu相以通道壁为基底,快速反复形核并向流动的熔体内部游离,另外,由于内部温度场较为均匀和固液界面前沿Sn元素富集,初生?-Cu相以近球状方式长大。快速凝固使部分锡元素来不及扩散而固溶在初生?-Cu相内,获得晶间偏析改善的细小等轴或近球状晶。合金熔体缓慢冷却实验表明CuSn10P1合金在990°C附近出现包晶反应。半固态浆料990°C类等温实验研究发现:局部微热对流为初生?-Cu相旋转和游离提供动力学条件,界面能最小化原理推动初生?-Cu相发生合并与熟化,同时,浓度梯度驱动Sn元素从液相向初生?-Cu相内扩散,提高初生?-Cu相内部Sn元素的整体含量和促进包晶反应充分进行。初生?-Cu相的平均等效直径、形状因子及过渡层厚度随类等温时间延长而增加;心部与晶间组织的Sn元素质量分数与类等温时间分别呈正指数与负指数关系。针对类等温处理后半固态浆料下部温度均匀的特点,采用底注式流变挤压铸造方式,结合设计的横浇道和内浇道,实现充型过程中熔体进一步均匀冷却和浆料之间相互挤压,减少轴套内孔洞。类等温处理后,相同充型速率下,浆料中固液协同流动性、轴套致密性和延伸率均随成形比压的增大而提高,而初生?-Cu相等效直径呈先减小后增大的变化趋势,抗拉强度呈先增大后减小的变化趋势;相同成形比压下,充型过程中固液协同流动性随充型速率的增大而提高,轴套的致密性、抗拉强度和延伸率均呈先提高后减小的变化趋势。半固态铸造成形比压为100 MPa、充型速率为21 mm/s时,轴套综合性能最好,其抗拉强度和延伸率分别为417.0 MPa和12.6%,较液态挤压铸造分别提高21.9%和90.6%;而表面和心部锡元素含量差约为0.35%,逆偏析程度较液态挤压铸造轴套降低61%。固溶处理（680°C+75 min）后,晶内偏析消除,轴套抗拉强度和延伸率分别达到439.5 MPa和38.5%,较半固态铸造分别提高5.4%和210%。
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