水平連鑄工藝參數(shù)對(duì)Cu-15Ni-8Sn合金板材組織和性能的影響研究

劉 娜 田原晨 沈書(shū)娣 馬 剛

（1.中色奧博特銅鋁業(yè)有限公司，聊城 252699；2.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院），濟(jì)南 250353）

高性能銅合金材料是我國(guó)科技創(chuàng)新、國(guó)家安全、重大工程和國(guó)民經(jīng)濟(jì)不可或缺的關(guān)鍵材料。銅鎳錫系合金是其中最為典型的代表材料，具有強(qiáng)度高、導(dǎo)電穩(wěn)定性好、元件變形小、抗熱應(yīng)力松弛性能好、耐腐蝕性強(qiáng)以及耐磨性好等特點(diǎn)，逐步成為了影響國(guó)民生產(chǎn)生活的重要原材料[1-2]。特別是隨著電子通信、集成電路等行業(yè)的迅猛發(fā)展和環(huán)?？刂剖侄蔚娜遮厙?yán)格，對(duì)高性能銅合金的研究需求日益增強(qiáng)[3-8]。

美國(guó)從20世紀(jì)70年代末開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)研究，20世紀(jì)80年代末就已經(jīng)制定了工業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)并開(kāi)始工業(yè)生產(chǎn)和銷(xiāo)售[9]，但美國(guó)公司的Cu-Ni-Sn合金制備技術(shù)與工藝對(duì)我國(guó)嚴(yán)格保密[10]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的張洋等[11-16]采用真空熔煉鑄造+變形熱處理工藝制備Cu-Ni-Sn合金；史海生[17]采用噴射成形法制備Cu-Ni-Sn合金；OUYANG Y、韓芳等[18-19]研究了粉末冶金法制備Cu-Ni-Sn合金；ZHANG G[20]等采用選擇性激光熔化法制備Cu-15Ni-8Sn合金?？傮w而言，我國(guó)Cu-Ni-Sn合金現(xiàn)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，未取得工程化制備的關(guān)鍵技術(shù)突破。

本文以Cu-15Ni-8Sn合金為對(duì)象，使用ProCAST軟件對(duì)水平連鑄過(guò)程中鑄型內(nèi)部的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，并結(jié)合不同工藝參數(shù)下合金水平連鑄板材的金相組織、力學(xué)性能，研究了工藝參數(shù)對(duì)縱截面固-液界面位置、形狀和板材組織、性能的影響規(guī)律，從而為合理選擇水平連鑄工藝參數(shù)提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 水平連鑄實(shí)驗(yàn)

本文實(shí)驗(yàn)材料為水平連鑄制備的寬度為450 mm、厚度為15 mm 的Cu-15Ni-8Sn合金板材。水平連鑄工藝將稱量好的電解銅和電解鎳熔化，以木炭覆蓋，分別加入純錳、純錫和純鋅，升高溫度直到1 350 ℃，攪拌至所有固體熔化后扒渣，并用適量木炭覆蓋熔體表面，靜置一定時(shí)間后傾轉(zhuǎn)熔煉爐將熔體轉(zhuǎn)移到保溫爐內(nèi)，然后再次扒渣并用適量木炭覆蓋保溫爐內(nèi)熔體表面，當(dāng)熔體溫度穩(wěn)定到實(shí)驗(yàn)所需溫度一段時(shí)間后，即可開(kāi)始進(jìn)行水平連鑄實(shí)驗(yàn)。對(duì)熔煉后的合金取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，其分析結(jié)果如表1所示。

表1 銅鎳錫合金的化學(xué)成分

1.2 模型建立

水平連鑄過(guò)程中，熔化的金屬液流入石墨鑄型（結(jié)晶器）內(nèi)，由于熔體和冷卻水之間的熱交換作用而發(fā)生凝固。板材縱截面固-液界面位于石墨鑄型內(nèi)部，型腔內(nèi)的高溫金屬液凝固界面無(wú)法肉眼觀察，在水平連鑄過(guò)程中采用實(shí)測(cè)溫度的方法無(wú)法獲得鑄型長(zhǎng)度范圍內(nèi)連續(xù)的溫度變化，因此要以石墨鑄型為主要對(duì)象，采用SolidWorks軟件按實(shí)際尺寸建立板材、模型以及水冷銅套在內(nèi)的三維面對(duì)稱幾何模型，并使用ProCAST軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 合金板材水平連鑄幾何模型及網(wǎng)格劃分

1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取

本文主要通過(guò)調(diào)整保溫溫度、拉坯速度和冷卻水流量來(lái)控制合金縱截面固-液界面的位置。具體選用的工藝參數(shù)如表2所示。

表2 水平連鑄實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1.4 組織與性能分析

通過(guò)線切割技術(shù)從連鑄板材切取縱截面試樣進(jìn)行金相觀察。樣品經(jīng)過(guò)粗磨、細(xì)磨和拋光后用5 g的FeCl3、10 mL的HCl和90 mL的蒸餾水配制腐蝕劑侵蝕表面，并選用LEICA DMi8型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相觀察。之后選用Zwick/Roell Z100電子拉力機(jī)，參照《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T 228.1—2010），對(duì)連鑄板材進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

2 工藝參數(shù)對(duì)縱截面固-液界面位置和形狀的影響

2.1 保溫溫度

在拉坯速度為80 mm·min-1、冷卻水流量為400 L·h-1的條件下，模擬保溫爐內(nèi)熔體在不同的保溫溫度下進(jìn)行水平連鑄時(shí)板材縱截面固-液界面的位置和形狀，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同保溫溫度條件下的模擬結(jié)果

由圖2可見(jiàn)，隨著保溫溫度的升高，縱截面固-液界面位置從石墨板熔體入口處逐漸向出口處移動(dòng)。當(dāng)保溫溫度為1 200 ℃時(shí)，縱截面固-液界面位置位于石墨板熔體入口處，界面形狀略為彎曲，兩相區(qū)寬度較窄；提高保溫溫度到1 250 ℃時(shí)，縱截面固-液界面位置位于靠近石墨板熔體入口處1/4的區(qū)域，縱截面固-液界面形狀較為平直，兩相區(qū)寬度仍較窄；繼續(xù)增加保溫溫度到1 300 ℃時(shí)，縱截面固-液界面位于石墨板中間區(qū)域，界面形狀彎曲程度明顯增大，兩相區(qū)寬度明顯增加；當(dāng)保溫溫度為1 350 ℃時(shí)，縱截面固-液界面位置處于靠近石墨板熔體出口區(qū)域，界面形狀進(jìn)一步彎曲，兩相區(qū)寬度繼續(xù)增大。

2.2 拉坯速度

在保溫溫度為1 250 ℃，冷卻水流量為400 L·h-1的條件下，模擬不同拉坯速度條件下板材縱截面固-液界面的位置和形狀，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同拉坯速度條件下的模擬結(jié)果

由圖3可知，隨著拉坯速度的提高，縱截面固-液界面位置也從石墨板熔體入口處逐漸向出口處移動(dòng)。當(dāng)拉坯速度為60 mm·min-1時(shí)，縱截面固-液界面位置處于石墨板熔體入口附近，縱截面固-液界面形狀出現(xiàn)反向彎曲，兩相區(qū)很窄；當(dāng)拉坯速度為80 mm·min-1時(shí)，縱截面固-液界面位置處于靠近石墨板熔體入口1/4的區(qū)域，縱截面固-液界面形狀較為平直，兩相區(qū)寬度仍然較窄；繼續(xù)增大拉坯速度，縱截面固-液界面向石墨板中部區(qū)域移動(dòng)，縱截面固-液界面形狀逐漸變彎曲，兩相區(qū)寬度逐漸增大；當(dāng)拉坯速度為100 mm·min-1時(shí)，縱截面固-液界面位置處于石墨板中部區(qū)域，縱截面固-液界面形狀彎曲程度和兩相區(qū)寬度均增大。當(dāng)拉坯速度為120 mm·min-1時(shí)，縱截面固-液界面位置處于石墨板熔體出口附近，縱截面固-液界面形狀十分彎曲，兩相區(qū)寬度很大。

2.3 冷卻水流量

在保溫溫度為1 250 ℃和拉坯速度為80 mm·min-1的條件下，模擬不同冷卻水流量條件下板材縱截面固-液界面的位置和形狀，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同冷卻水流量條件下的模擬結(jié)果

由圖4可知，隨著冷卻水流量的增大，縱截面固-液界面位置逐漸從石墨板熔體中部區(qū)域向熔體入口處移動(dòng)。當(dāng)冷卻水流量為100 L·h-1時(shí)，縱截面固-液界面處于石墨板區(qū)域中部，界面形狀比較彎曲，兩相區(qū)寬度較大；加大冷卻水流量至400 L·h-1時(shí)，縱截面固-液界面處于靠近石墨板熔體入口處1/4的區(qū)域，界面形狀較為平直，兩相區(qū)寬度較窄；繼續(xù)增加水流量至700 L·h-1時(shí)，縱截面固-液界面處于石墨板熔體入口附件區(qū)域，界面形狀較為彎曲，兩相區(qū)寬度較窄。

根據(jù)上述模擬結(jié)果可知，當(dāng)工藝參數(shù)中保溫溫度為1 250 ℃，冷卻水流量為400 L·h-1，拉坯速度為80 mm·min-1時(shí)，對(duì)應(yīng)的縱截面固-液界面位于石墨板熔體入口1/4的附近，兩相區(qū)寬度較窄，界面形狀較為平直。

3 工藝參數(shù)對(duì)組織的影響

3.1 保溫溫度

采用恒定拉坯速度80 mm·min-1、恒定冷卻水流量400 L·h-1，不同的保溫溫度制備出的Cu-15Ni-8Sn合金連鑄板材的金相組織如圖5所示。

圖5 不同保溫溫度下水平連鑄合金板材的金相組織

由圖5可知：當(dāng)保溫溫度為1 200 ℃時(shí)，合金板材組織為平直粗大柱狀晶，晶內(nèi)存在明顯的枝晶；當(dāng)保溫溫度為1 250 ℃時(shí)，合金板材的組織為傾斜細(xì)長(zhǎng)的柱狀晶；當(dāng)保溫溫度升高到1 300 ℃時(shí)，合金板材組織仍為傾斜細(xì)長(zhǎng)的柱狀晶，其傾斜角度比1 250 ℃時(shí)有所增大；當(dāng)保溫溫度升高到1 350 ℃時(shí)，合金轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶組織。由此可見(jiàn)，隨著保溫溫度的升高，合金水平連鑄組織會(huì)由平直粗大柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)閮A斜細(xì)長(zhǎng)柱狀晶，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶。

3.2 拉坯速度

采用恒定保溫溫度為1 250 ℃、恒定冷卻水流量為400 L·h-1，不同的拉坯速度制備出的Cu-15Ni-8Sn合金連鑄板材的金相組織如圖6所示。

由圖6可見(jiàn)，拉坯速度對(duì)組織的影響規(guī)律與保溫溫度相同。當(dāng)拉坯速度較低為60 mm·min-1時(shí)，合金組織以平直粗大柱狀晶為主；當(dāng)拉坯速度提高到80～100 mm·min-1時(shí)，形成傾斜細(xì)長(zhǎng)的柱狀晶；當(dāng)拉坯速度增大到120 mm·min-1時(shí)，合金組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，即隨著拉坯速度的提高，合金水平連鑄組織會(huì)由平直粗大柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)閮A斜細(xì)長(zhǎng)柱狀晶，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶。

圖6 不同拉坯速度下水平連銅合金板材的金相組織

3.3 冷卻水流量

采用恒定保溫溫度1 250 ℃、恒定拉坯速度80 mm·min-1，不同的冷卻水流量制備出的Cu-15Ni-8Sn合金連鑄板材的金相組織如圖7所示。

圖7 不同冷卻水流量下水平連鑄合金板材的金相組織

由圖7可見(jiàn)，當(dāng)冷卻水流量較小為100 L·h-1時(shí)，合金組織為大角度的傾斜細(xì)長(zhǎng)柱狀晶；當(dāng)冷卻水流量增大到400 L·h-1，合金組織為小角度傾斜細(xì)長(zhǎng)柱狀晶；繼續(xù)增大冷卻水流量到700 L·h-1，合金組織為平直粗大柱狀晶。由此可見(jiàn)，合金合金水平連鑄組織隨冷卻水流量的增大，由傾斜細(xì)長(zhǎng)的柱狀晶逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠街贝执蟮闹鶢罹А?/p>

4 縱截面固-液界面位置對(duì)組織的影響

水平連鑄過(guò)程中，縱截面固-液界面位置是影響合金鑄坯晶粒形核和生長(zhǎng)的重要因素，也是影響合金組織形成的重要因素[21]。當(dāng)縱截面固-液界面位置位于靠近石墨板熔體入口附近時(shí)，由于連鑄方向的熱流很強(qiáng)，厚度方向的熱流較弱，總熱流方向沿著連鑄方向，溫度梯度高的連鑄方向會(huì)成為晶粒的易生長(zhǎng)方向[22]，因此縱截面固-液界面在此位置的合金形成了與連鑄方向平行的粗大柱狀晶組織。當(dāng)縱截面固-液界面位置位于石墨板熔體入口1/4～1/2的位置時(shí)，石墨鑄型內(nèi)的總熱流方向逐漸偏離連鑄方向。這是由于厚度方向的熱流逐漸增大，連鑄方向的熱流逐漸減小造成的，因此柱狀晶與連鑄方向的夾角逐漸增大，形成了傾斜細(xì)長(zhǎng)的柱狀晶組織。當(dāng)縱截面固-液界面位置位于石墨板熔體出口附近時(shí)，此位置合金凝固時(shí)厚度方向的熱流顯著增大，連鑄方向的熱流進(jìn)一步減小，連鑄方向溫度梯度進(jìn)一步降低，難以形成柱狀晶[23]。

5 組織對(duì)力學(xué)性能的影響

相同成分的合金由于晶粒形貌和晶體取向不同也將具有不同的力學(xué)性能。針對(duì)上述水平連鑄合金的3種不同類型晶粒，研究了不同組織特征對(duì)連鑄合金力學(xué)性能的影響。通過(guò)調(diào)整水平連鑄工藝參數(shù)制備出不同組織特征的合金板材并分別對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表3所示。

表3 不同組織連鑄合金板材的力學(xué)性能

平直粗大柱狀晶板材內(nèi)部的橫向晶界最少，在變形過(guò)程中，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到晶界的阻礙較小，位錯(cuò)密度也較小，合金的加工硬化速度較低[24]。同時(shí)，柱狀晶板材的晶界多為小角度晶界且較為平直，界面能較低，取向差較小，晶界對(duì)位錯(cuò)和切變帶的阻礙作用很小，晶界處難以形成應(yīng)力集中，晶粒之間變形較為協(xié)調(diào)。因此，平直粗大柱狀晶板材的強(qiáng)度較低、而塑性較好。傾斜細(xì)長(zhǎng)柱狀晶合金板材的性能接近于連鑄方向粗大柱狀晶板材，但具有更多的橫向晶界，對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用略有增強(qiáng)，使其強(qiáng)度略為提高而塑性稍有降低。以等軸晶為主的合金板材內(nèi)部的晶界較多，且主要是大角度晶界。在拉伸過(guò)程中，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)易受到晶界的阻礙作用造成位錯(cuò)塞積[25]，從而導(dǎo)致等軸晶合金板材的加工硬化速度較快，強(qiáng)度較大，而塑性較低。

通過(guò)上述分析可知，水平連鑄合金板材中縱截面固-液界面的位置和形狀對(duì)其組織和力學(xué)性能具有顯著影響。通過(guò)控制工藝參數(shù)（保溫爐內(nèi)的保溫溫度、拉坯速度、冷卻水流量）控制縱截面固-液界面處于石墨板熔體入口1/4區(qū)域，可以制備出具有傾斜細(xì)長(zhǎng)柱狀晶組織的水平連鑄合金板材。此時(shí)，合金具備較好的力學(xué)性能，更利于后續(xù)合金加工性能的發(fā)揮。

6 結(jié)論

（1）當(dāng)保溫爐內(nèi)的保溫溫度不斷升高，拉坯速度不斷增大，冷卻水流量不斷減小時(shí)，水平連鑄Cu-15Ni-8Sn合金縱截面固-液界面位置從石墨板熔體入口端向出口端移動(dòng)，兩相區(qū)寬度逐漸增大，界面形狀從略向固相彎曲到較為平直，再到向固相彎曲程度逐漸增大。

（2）水平連鑄制備參數(shù)會(huì)顯著影響Cu-15Ni-8Sn合金板材的組織，當(dāng)保溫溫度從1 200 ℃增高到1 350 ℃時(shí)，或者拉坯速度由60 mm·min-1提高至120 mm·min-1時(shí)，組織由平直粗大柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)閮A斜細(xì)長(zhǎng)柱狀晶再轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，其生長(zhǎng)方向與連鑄方向的夾角增大，平均晶粒尺寸減小。當(dāng)冷卻水流量從100 L·h-1增大到700 L·h-1時(shí)，組織由傾斜細(xì)長(zhǎng)柱狀晶逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮难剡B鑄方向平直柱狀晶，其生長(zhǎng)方向與連鑄方向的夾角逐漸減小，平均晶粒尺寸增大。

（3）不同組織對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率不同，具有傾斜細(xì)長(zhǎng)柱狀晶組織的合金板材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都較高，且綜合性能好，更有利于后續(xù)加工生產(chǎn)。