imd热压成型工艺（昆工周荣锋教授团队）

imd热压成型工艺（昆工周荣锋教授团队）✦图2 零件实物图及拉伸试样、金相试样取样位置（a）三维图 （b）平面示意图图1熔体约束流动诱导形核通道示意图✦

锡青铜由于锡含量的不同，其性能上也有很大差异，这导致了锡青铜被广泛应用在电气、轻工、机械制造和国防工业等领域。一般来说，锡含量（Sn含量<5%）较低的Cu-Sn合金塑性较好，适用于塑性加工。随着锡含量增加，由于晶间硬脆相的产生，Cu-Sn合金的强度和硬度增加，塑性变形困难但流动性好，有较好的铸造性能。传统铸造的Cu-Sn合金铸件容易产生气孔、裂纹和偏析等缺陷，离心铸造和连续铸造由于冷却速度快可以获得更优异的性能，但其生产铸件的形状受到限制，复杂结构零件无法采用此方法生产。半固态成形技术作为一种近净成形技术，其具有短流程、高效率的特点，受到了国内外的广泛关注。

锡青铜合金固液相线温度区间大，易于进行半固态挤压成形。本课题利用自主设计的模具在液压机上进行半固态挤压试验，在不同内浇道长度下制备了CuSn10P1合金半固态挤压铸件，研究了内浇道长度对半固态流变挤压铸造CuSn10P1合金微观组织和力学性能的影响。

【研究方法】

试验材料为CuSn10P1合金 成分见表1。将CuSn10P1合金放入中频感应炉内熔炼，温度达到1 200 ℃后进行除气除渣等净化工艺处理，空冷，静置至1080 ℃后倒入熔体约束流动诱导形核通道，在通道周围输入循环冷却水，CuSn10P1熔体受到整体过冷，促使熔体在通道内壁上爆发性异质形核和熔体内部爆发性均匀形核，从而制得半固态浆料。图1为熔体约束流动诱导形核装置示意图，熔体处理通道材质为45号钢，冷却通道长度为300 mm，熔体约束通道横截面尺寸为100 mm×5mm；冷却通道四周循环水流量为600 L/h，冷却通道激冷板厚为5 mm，冷却通道与水平面夹角为45°。通道下方放有预热至990 ℃的石墨坩埚，用来收集通过熔体约束流动诱导形核通道的半固态浆料并进行短时间的类等温处理，等温处理温度为990 ℃，时间约为20 s。将等温处理的半固态浆料快速浇入已经预热至500℃的模具中，在KY32-200K 型底注式液压机上，以100 MPa的成形比压、25 mm/s的挤压速率进行挤压充型，在该压力下保压10 s，最后开模取出零件空冷至室温，得到不同内浇道长度的半固态挤压铸件，零件见图2。在不同内浇道长度的挤压铸件充型开始端、中端、末端的位置取10 mm10 mmx5 mm的方块试样 用砂纸将试样打磨，机械抛光后用浓度为5%的氯化铁溶液腐蚀，通过金相显微镜（OM）观察试样的宏观组织，在不同内浇道长度的挤压铸件的充型前段和末段截取试棒并加工成直径为3 mm、平行段长度为18 mm的拉伸试样，见图3。在拉伸试验前进行打磨处理，以减少试棒表面的影响。在岛津AG-Xplus100KN型号拉伸试验机上进行拉伸试验，拉伸速度为1 mm/min。

（a）三维图 （b）平面示意图

图1熔体约束流动诱导形核通道示意图

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图2 零件实物图及拉伸试样、金相试样取样位置

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图3 拉伸试样示意图

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【研究内容】

不同内浇道长度下CuSn10P1合金半固态流变挤压铸件沿充型方向上的显微组织变化见图4。可以看出铸件的显微组织均由初生α-Cu和晶间（α δ Cu3P）三元相组成。初生α-Cu全为等轴晶或蠕虫状晶。不同内浇道长度下CuSn10P1合金半固态挤压铸件的力学性能见图5。

（a）10 mm开始端 （b）10 mm中端 （c）10 mm末端

（d）20 mm开始端 （e）20 mm中端 （f）20 mm末端

（g）30 mm开始端 （h）30 mm中端 （i）30 mm末端

（j）40 mm开始端 （k）40 mm中端 （l）40 mm末端

图4 不同内浇道长度下CuSn10P1合金半固态挤压铸件沿充型方向上的显微组织

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（a）充型前段 （b）充型末段

图5 不同内浇道长度下CuSn10P1合金半固态挤压铸件的拉伸性能

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增加内浇道长度可以增加CuSn10P1合金半固态浆料在内浇道内的流动距离和时间，半固态浆料受到内浇道型腔壁激冷作用时间延长，使半固态浆料的温度降低，充型过程中熔体的稳定流动性提高，降低了卷气的可能，有利于提高铸件的致密性进而提升铸件的性能。当内浇道过长时（>20mm）导致半固态浆料的粘度过大，流动性降低，在压力作用下，半固态浆料内的液相就会带动部分固相优先充型，形成铸件末段固相少而前段固相多的现象，导致了铸件力学性能的差异。在4种内浇道长度下，铸件的抗拉强度和伸长率都存在充型前段高于充型末段的现象。当内浇道长度低于30 mm时，铸件充型前段和末段的抗拉强度和塑性差值都在6%以内，表明内浇道长度在一定范围内时，铸件整体性能相对比较均匀，这归功于显微组织的均匀性。而内浇道长度达到30 mm并继续增加时，铸件充型前段和末段的抗拉强度差值较大，达到9%以上，这是显微组织不均匀导致。

【研究结论】

（1）内浇道长度影响CuSn10P1合金半固态挤压铸件显微组织的均匀性，内浇道长度在20 mm以内时，随着内浇道长度增加，铸件具有均匀分布的组织形态，而当内浇道长度达30 mm并继续增加时，铸件的显微组织沿充型方向出现了不均匀分布，导致铸件组织产生固液分离的现象。

（2）CuSn10P1合金半固态挤压铸件的组织分布均匀性很大程度上影响其力学性能，随着内浇道长度的增加，抗拉强度和伸长率均先增加后降低，当内浇道长度为20mm时，铸件的抗拉强度和塑性最佳。

【文献引用】

何子龙，李永坤，周荣锋等.内浇道长度对挤压铸造CuSn10P1合金组织性能的影响[J].特种铸造及有色合金 2022 42(7):843-846.

HE Z L，LI Y K，ZHOU R F et al.Effects of ingate lengthon the microstructure and properties of CuSn10P1 alloy by squeeze casting[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys 2022 42(7):843-846.