電磁振蕩頻率對上引連鑄Cu-15Ni-8Sn合金組織及逆偏析的影響

鐘 杰 沈 喆 鄭天祥 唐柑培 林中澤 鐘云波

(1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444；2.省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200444)

銅基彈性合金是功能材料中十分重要的一類合金，被廣泛應用于醫療、機械制造、電力電子和儀表制造等行業[1-2]。目前最常見的銅基彈性合金是鈹青銅，它是一種優質的彈性材料。但是鈹的氧化物和粉塵有毒，在制造過程中會對人體或者環境造成不良影響[3-4]。與鈹青銅相比，銅鎳錫合金的生產成本低、無污染且具有較高的熱穩定性、良好的耐腐蝕性以及更為優良的機械加工性等，能滿足繼電器、導電接觸簧片、電位器以及精密儀表傳感器中敏感彈性元件的性能要求[5-7]。目前這類合金受到廣泛重視，尤其是Cu-15Ni-8Sn合金，有逐步取代鈹青銅的趨勢[8-9]。然而在工業生產中，Cu-15Ni-8Sn合金由于固液兩相共存的溫度區間大，很容易形成發達的樹枝晶，凝固過程中的收縮使富Sn液相在枝晶通道間回流到邊部造成逆偏析[10]，Sn元素在枝晶間偏聚還將引起連鑄坯拉裂。這種宏觀逆偏析和發達的樹枝晶組織會在后續的軋制、擠壓過程中產生裂紋等缺陷。因此，連鑄坯凝固組織的細化和成分的均勻化是實現該合金廣泛應用的瓶頸。

研究表明[11]，在合金凝固過程中施加電磁振蕩能細化凝固組織，改善偏析。Vivès等[12]在鋁合金凝固過程中施加電磁振蕩，發現電磁壓力超過臨界壓力后，合金凝固組織細化。Li等[13]在鎂合金凝固過程中施加電磁振蕩，發現在特定的電磁振蕩頻率范圍內合金凝固組織細化。Zhong等[14]在鋁錫合金半連鑄凝固過程中施加電磁振蕩，發現較低的電磁振蕩頻率有利于合金凝固組織的細化和逆偏析的改善。

目前，關于電磁振蕩細化Cu-15Ni-8Sn合金凝固組織、抑制其逆偏析的研究尚不多見。因此，本文通過在上引連鑄Cu-15Ni-8Sn合金過程中施加電磁振蕩，研究了電磁振蕩的頻率對合金凝固組織、晶粒尺寸及逆偏析的影響，并對電磁振蕩的影響機制進行了探討。

1 試驗材料與方法

上引連鑄法制造Cu-15Ni-8Sn合金的試驗裝置如圖1(a)所示，主要由中頻感應爐、結晶器、電磁場發生裝置、牽引裝置等組成。為實現電磁振蕩效應，在上引結晶器保溫帽上方設置釹鐵硼強磁鐵，以產生橫向磁場。在銅合金液體中插入石墨電極，將上引連鑄桿與石墨電極連通后輸入正反向方波脈沖電流，從而在固液界面前沿形成局部電磁振蕩，其示意圖如圖1(b)所示。試驗時先將銅片置于中頻感應爐中，用烘烤過的木炭與鱗片石墨作為覆蓋劑，升溫到1 280 ℃待銅全部熔化后，再按Cu∶Ni∶Sn = 88∶15∶7的質量比加入鎳片和錫片，繼續將合金加熱到1 380 ℃，保溫30 min，確保合金完全熔化，然后降溫到1 180 ℃，開始上引連鑄試驗。上引連鑄坯直徑為32 mm，上引連鑄采用“拉-停-拉-停”模式，拉停持續時間均為1 s，平均拉速為20 cm/min，冷卻水流速為100 L/min。輸入正反向方波脈沖電流，脈沖電流占空比100%，電流幅值為300 A，脈沖頻率0～100 Hz可調。電流波形如圖1(c)所示，施加的橫向磁場磁感應強度如圖1(d)所示。為了保證試驗參數穩定，每個參數條件銅桿上引2 m。在連鑄坯中間部位沿橫截面取樣，磨拋后用30 ml HCl+5 g FeCl3+100 mL H2O腐蝕液腐蝕20 s，在金相顯微鏡下觀察其宏觀和微觀組織，采用掃描電子顯微鏡觀察其相組成及成分分布，采用能譜儀檢測分析Sn元素分布及偏析狀況。

圖1 電磁振蕩上引連鑄法制造Cu-15Ni-8Sn合金的試驗裝置及參數

2 試驗結果與分析

2.1 Cu-15Ni-8Sn合金的凝固組織及相成分

圖2(a)為未施加磁場和電流時，Cu-15Ni-8Sn合金上引連鑄坯的微觀組織，可以發現，凝固組織中出現了發達的樹枝晶組織(見圖2(b))，主要由亮白色的富錫第二相(A處)、灰色的枝晶間區域(B處)，以及黑色的枝晶主干區域(C處)組成。用能譜儀對這3個區域進行成分檢測，結果如圖2(c)和表1所示?？梢姡诲a相中Sn的質量分數達36%；枝晶主干區域主要由Cu和Ni元素組成，為Cu-Ni固溶α相，其中Sn的質量分數僅為2.7%。

表1 圖2(b)中Cu-15Ni-8Sn合金組織不同區域的成分(質量分數)

圖2 Cu-15Ni-8Sn合金上引連鑄坯的微觀組織及其成分分布

2.2 電磁振蕩頻率對Cu-15Ni-8Sn合金連鑄坯宏觀組織的影響

圖3為不同電磁振蕩頻率條件下Cu-15Ni-8Sn合金連鑄坯橫截面的宏觀組織。未施加電磁振蕩時，如圖3(a)所示，宏觀凝固組織由邊部激冷層、中部柱狀晶區和心部等軸晶區3部分組成。在電磁振蕩頻率為10 Hz條件下，如圖3(b)所示，凝固組織發生了柱狀晶到等軸晶的轉變，整個橫截面組織幾乎全部由等軸晶組成；在電磁振蕩頻率為30 Hz條件下，如圖3(c)所示，凝固組織仍然幾乎全為等軸晶，但晶粒變粗；當電磁振蕩頻率增加到50和100 Hz時，如圖3(d、e)所示，組織又轉變為粗大的柱狀晶。采用截線法測得不同電磁振蕩頻率下合金凝固組織的晶粒尺寸如圖4所示。可以發現，晶粒尺寸先從無電磁振蕩的1.6 mm減小至頻率為10 Hz的1.1 mm；當頻率提高到50和100 Hz時，凝固組織又轉變為粗大的柱狀晶，合金晶粒尺寸進一步增加至2.0和2.1 mm。

圖4 不同電磁振蕩頻率下Cu-15Ni-8Sn合金連鑄坯的平均晶粒尺寸

圖3 不同電磁振蕩頻率下Cu-15Ni-8Sn合金連鑄坯的宏觀組織

2.3 電磁振蕩頻率對Cu-15Ni-8Sn合金連鑄坯微觀組織的影響

圖5為不同電磁振蕩頻率下Cu-15Ni-8Sn合金連鑄坯橫截面的微觀組織。未施加電磁振蕩時，如圖5(a)所示，凝固組織由發達的樹枝晶組成，主干枝晶方向明顯。當電磁振蕩頻率為10 Hz時，如圖5(b)所示，發達樹枝晶消失，形成了粗化的薔薇狀組織，主干枝晶方向不明顯，其中還有大量斷裂的枝晶尖端及游離晶存在。當電磁振蕩頻率為30 Hz時，如圖5(c)所示，凝固組織仍以薔薇狀晶粒為主，但有形成粗化樹枝晶的趨勢，主干枝晶方向也不明顯，非樹枝晶之間還散布著細小的游離晶。當電磁振蕩頻率為50和100 Hz時，如圖5(d、e)所示，薔薇狀組織消失，轉變為發達的樹枝晶組織，主干枝晶方向明顯。

圖5 不同電磁振蕩頻率下Cu-15Ni-8Sn合金連鑄坯的微觀組織

2.4 電磁振蕩頻率對Cu-15Ni-8Sn合金連鑄坯逆偏析的影響

由于Cu、Sn兩組元熔點相差較大，Cu-15Ni-8Sn合金的固液共存溫度區間大，當凝固收縮時，富含錫元素的溶質會受到負壓被抽吸到鑄坯表層，從而形成逆偏析。圖6為在不同電磁振蕩頻率下從連鑄坯表面到內部1 mm間距內Sn含量的分布狀況。未施加電磁振蕩時，如圖6(a)所示，連鑄坯表層區域Sn含量很高，其質量分數達到了16%左右。隨著與表面距離的增加，Sn含量逐漸下降，在200 μm之后，Sn的質量分數5%～10%。當施加10 Hz電磁振蕩時，如圖6(b)所示，連鑄坯表層的Sn含量并未升高，表層及心部Sn的質量分數均為5%～10%。當施加30 Hz的電磁振蕩時，如圖6(c)所示，連鑄坯表層Sn含量稍有增加，從表層到心部的Sn含量分布仍然比較均勻。當施加50和100 Hz的電磁振蕩時，如圖6(d、e)所示，連鑄坯表面的Sn含量很高，其質量分數達到了15%左右，而中部及心部則在10%以下。由此可見，施加10和30 Hz的電磁振蕩能夠有效降低Cu-15Ni-8Sn 合金連鑄坯中Sn元素的逆偏析。

圖6 電磁振蕩頻率對Cu-15Ni-8Sn合金逆偏析的影響

2.5 電磁振蕩頻率影響上引連鑄Cu-15Ni-8Sn合金組織及逆偏析的機制

在Cu-15Ni-8Sn合金的上引連鑄凝固過程中，不施加電磁振蕩時，合金熔體中只存在自然對流，結晶器對合金熔體產生強烈的冷卻作用，在固液界面前沿產生較大的溫度梯度，使宏觀組織形成柱狀晶，柱狀晶內的樹枝晶發達，Sn元素逆偏析嚴重，如圖7(a)所示。當施加了10或30 Hz的電磁振蕩時，合金熔體中會產生寬幅的往復振蕩流動，并且振蕩幅度較大，糊狀區內的溫度場和溶質場越均勻，降低了固液界面前沿的溫度梯度，有利于形成等軸晶組織，如圖7(b)所示。電磁振蕩還會使晶粒內部的枝晶尖端斷裂，形成大量游離晶，有利于薔薇狀晶粒組織的形成，枝晶尖端或者游離晶在原位長大，使薔薇狀組織更粗大。等軸晶比率的增加有利于降低宏觀偏析。電磁振蕩折斷晶粒內部枝晶，且沒有形成定向的枝晶通道，因此，無法形成指向表面的逆偏析通道，因而成分分布均勻。而當施加50或100 Hz的電磁振蕩時，合金熔體中只能產生窄幅的往復振蕩流動，對合金熔體的溫度場和溶質場均勻化作用減弱，甚至無法折斷枝晶，因而宏觀組織又轉變為柱狀晶，晶粒內部又形成發達的樹枝晶，并且形成偏析通道，Sn元素的逆偏析反而加劇。

圖7 電磁振蕩對上引連鑄凝固前沿溫度梯度和晶粒生長的影響

3 結論

(1)隨著電磁振蕩頻率從10 Hz增加到100 Hz，Cu-15Ni-8Sn合金的晶粒尺寸先減小后增大，當脈沖頻率為10 Hz時，平均晶粒尺寸最小為1.1 mm，樹枝晶組織轉變為薔薇狀組織。

(2)電磁振蕩頻率為10或30 Hz時，所形成的宏觀等軸晶組織及微觀薔薇狀組織有利于抑制Cu-15Ni-8Sn合金中Sn元素的逆偏析。

(3)電磁振蕩會產生往復強制對流。在10或30 Hz較低的振蕩頻率下，寬幅的往復強制對流使凝固組織前沿溫度場、成分分布均勻，且能夠折斷枝晶尖端，形成游離晶，消除了逆偏析定向通道，使成分分布均勻。而在50或100 Hz較高的振蕩頻率下，窄幅振蕩不能有效降低溫度梯度和折斷枝晶，從而使枝晶發達，逆偏析反而加重。