電磁攪拌對C19400-SiC復合材料成分控制及性能的影響

廖鈺敏，姜明珠，胡 蓉

廣東松山職業技術學院，廣東 韶關 512126

隨著5G時代的到來，對電子產品的導電及力學性能提出了更高的要求.引線框架材料是電子設備及產品的重要原材料，其綜合性能優劣直接影響產品的生產與使用.引線框架材料良好的鑄態性能[1-4]，是保證使用性能的前提.C19400是引線框架制備中常用的一款材料，因其高性價比而備受市場青睞.前期研究已對SiC對C19400在組織及性能上的影響做了初步探索，證實SiC的添加有利于C19400合金綜合性能的提高.

電磁攪拌技術，因其具有無接觸、參數可控，以及可獲得細小晶粒而備受人們的關注[5]，其優良的鑄造特性備受鑄造行業的歡迎，近年來在銅合金制備領域也逐漸發展.為進一步探索C19400-SiC復合材料的制備工藝，著重研究電磁攪拌對C19400-SiC復合材料的成分控制及性能的影響.

1 實驗與分析

實驗選用C19400合金圓棒坯(鋸成小段)、SiC粉末(熔煉前干燥處理)為原料，用石墨坩堝在工頻爐中進行熔煉，熔煉溫度為1300 ℃，SiC添加量為0.8%.為減少氧化燒損，熔煉過程采用木炭作為覆蓋劑.待C19400合金溶化后，其中一組進行無電磁攪拌的常規澆鑄并制成D40 mm×40 mm的鑄錠；第二組合金熔化后，迅速轉移至電磁攪拌器中進行電磁攪拌處理，其中電流為30 A、頻率為10 Hz.在電磁攪拌過程中，觀察到熔體在劇烈震動，且有氣泡上浮.

2 結果與分析

2.1 電磁攪拌對C194合金成分影響

圖1分別為無電磁攪拌組和電磁攪拌組添加0.8%的SiC的鑄態C194合金的SEM照片及能譜圖.從圖1(a)和圖1(c)可觀察到，直徑為1 μm左右的亮白色顆粒物(圖1(a)中A點、圖1(c)中B點).對圖1中A點和B點進行能譜掃描，其結果見圖1(b)和圖1(d).從圖1(b)和圖1(d)可見，經電磁攪拌的合金SiC含量達到4.98%,比未進行電磁攪拌組的Si含量1.95%，高出2.6倍，說明電磁攪拌能夠促進合金熔煉過程中SiC的添加.

圖1 鑄態C19400-SiC復合材料的SEM照片

由于Cu與SiC密度相差較大，易發生SiC粉末浮于表面的現象，同時由于SiC粉末顆粒極小，在鑄造過程中為了降低其表面能易出現SiC粉末團聚的現象.電磁攪拌之所以可以增加合金中SiC含量，主要原因在于電磁攪拌作用下，通過線圈產生磁場，金屬熔體則在磁場中成為許多細小的導體，磁場在熔體中引起感應電動勢，而銅合金熔體形成回路產生了感應渦電流，熔體同時受到洛倫茲力的作用，在徑向與切向上均有分力的作用[10]，形成熔體的運動，這種相對劇烈的旋轉摩擦剪切運動能夠增加SiC和氣體間的表面能，從而減少SiC的團聚，使得液體銅合金與SiC接觸更充分，二者潤濕性能提高[6-7].由于SiC與銅合金熔體之間的氣體和各種夾雜是影響二者潤濕情況的關鍵，減少夾雜和氣體的卷入是得到復合致密、界面性能良好的關鍵，SiC熔煉前的烘干預處理也是為了更好減少SiC的表面水分以提高二者的潤濕性能，最大限度地讓SiC與合金熔體混合，從而使材料中SiC含量增加.同時，由于攪拌過程中散熱迅速，熔體為半凝固漿料，使流動性降低、粘度提高，大大降低SiC粉末與熔體分離浮于表面的幾率，從而得到充分的混合，大大提高合金中SiC的含量.

2.2 電磁攪拌對材料組織影響

圖2為無電磁攪拌、電磁攪拌鑄造的復合材料鑄態金相組織照片.從圖2可見：經電磁攪拌的合金晶粒明顯要比未經電磁攪拌的要細[8]，這是電磁攪拌與SiC協同對合金晶粒起到細化作用；兩組晶粒均以等軸晶為主，由于等軸晶無各向異性，經電磁攪拌細化后晶界總表面積增加，從而可以使材料得到強化.這里造成晶粒細化的原因：一是，SiC的添加起到非均勻形核的作用，SiC(熔點為2730 ℃)作為難熔質點形式存在于C19400合金熔體中，成為彌散的結晶核心，增加了結晶形核率，促進形核作用[9]，從而使晶粒得到細化；其次，電磁攪拌作用能夠破碎已經形成的晶核，進一步促進晶核數量的增加，二者作用相互促進，起到較好的細化效果.

圖2 鑄態C19400-SiC復合材料的組織金相照片

為了清楚的比較無電磁攪拌及電磁攪拌后合金晶粒的細化效果，采用Image-pro plus軟件對各個試樣的晶粒尺寸進行統計，統計結果如圖3所示.從圖3可見：當無電磁攪拌鑄造、SiC添加量為0.8%時，晶粒尺寸為65.3 μm；當采用電磁攪拌后，當SiC添加量為0.8%時，晶粒尺寸為39.4 μm，晶粒尺寸減少了40%.

圖3 復合材料晶粒尺寸

電磁攪拌對材料的細化作用，其原因是通過電磁攪拌，能夠在熔體內部形成對流運動，表面及外圍散熱較快的部位首先形核，在電磁攪拌作用下熔體沖刷，外部晶核沖入熔體內，迅速使內部晶核增加，同時又有新的晶核不斷產生，從而使晶核增加速度加快，晶粒數目增多得到細化.同時，在洛倫磁力的作用下熔體不斷運動，使溫度場分布更加均勻，形核區間變大，結晶過程中因溫度分布不均及激冷而形成的晶粒大小不一致的現象得到很大改善[10-11]，促使材料的組織比無電磁攪拌的更加均勻.再次，晶粒間在攪拌過程中易發生碰撞破碎，而進一步促進了晶核的增加.此外，采用電磁攪拌時，改善了SiC的團聚現象，使基體金屬與SiC充分混合而形成更多的結晶核心，所以采用電磁攪拌后能夠使復合材料晶粒更為細小均勻.

2.3 電磁攪拌對C19400-SiC合金性能影響

圖4為鑄態組織硬度值圖.從圖4可以看出，未經電磁攪拌時合金布氏硬度值為76.7 HB，采用電磁攪拌鑄造后合金的布氏硬度77.9 HB，比未進行電磁攪拌略有增加.合金材料硬度的提高：一方面源于晶粒細化，晶粒在塑性變形過程中對位錯運動的阻礙增加[12-13]；另一方面，因采用電磁攪拌后促進了SiC數量增加，且SiC更為均勻地分布在合金基體上，起到釘扎位錯的作用，使合金的硬度進一步提高.

圖4 鑄態合金布氏硬度值

圖5為復合材料鑄態合金的電導率圖.從圖6可見，無電磁攪拌時復合材料電導率為1.95 S/m，采用電磁攪拌后復合材料的電導率為2.34 S/m.采用電磁攪拌后，鑄態合金的電導率值并未受到太大的影響，反而比無電磁攪拌的合金提高了4.5%，總體略有升高.說明電磁攪拌除了起到晶粒細化的作用，還能夠有效改善合金的導電性能.這是由于電磁攪拌后，SiC與基體金屬間潤濕性能提高、結合力增大，使得SiC與基體金屬結合更加緊密，合金致密度提高，雜質、氣孔等缺陷大為減少，從而減少因添加SiC而電導率降低的情況，材料的綜合性能也能隨之提高.

圖5 鑄態合金的電導率

3 結 論

(1)在C19400-SiC復合材料鑄造過程中，進行電磁攪拌能顯著提高鑄態合金晶粒細化效果，當SiC添加量為0.8%時，進行電磁攪拌后的合金晶粒尺寸為39.4 μm，比無電磁攪拌組合金晶粒減小了40%.

(2)對復合材料進行電磁攪拌，能促進SiC含量的增加.當SiC添加量為0.8%時進行電磁攪拌后，能譜分析結果顯示Si含量為4.98%，比無電磁攪拌組增加了2.6倍.

(3)在C19400-SiC復合材料鑄造過程中，進行電磁攪拌對復合材料的硬度及導電性能均有一定的促進作用.