一种铜合金半固态成形方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种铜合金半固态成形方法，属于金属半固态成形技术领域。
【背景技术】
[0002]20世纪70年代初美国麻省理工学院的研究小组首次提出了半固态成形技术。它是一种金属从液态向固态转变或从固态向液态转变(即固液共存)过程中所具有的特性进行成形的方法。该方法具有充型平稳、飞溅少、收缩率小、屈服强度低、流动性好、对模具的热冲击小、力学性能高、可实现高速近终成形等特点。因此，金属半固态成形技术日益受到各国政府、企业和科研机构的重视，被誉为21世纪最有发展潜力的金属材料成形技术之一。随着研究的不断深入，半固态成形已经发展成为一项极具应用潜力的材料成形新技术，并已初步实现了工业应用。
[0003]金属半固态成形工艺主要分为流变成形和触变成形。流变成形是金属在凝固过程中，通过剧烈搅拌或凝固过程的控制，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着近球形固相组分的固液混合浆料，并利用此浆料直接成型加工的方法；触变成形是将经搅拌等工艺获得的具有非枝晶组织的半固态坯料冷却凝固后，根据需要将坯料切分，然后把切分的坯料重新加热至固-液两相区，在半固态温度下进行压力加工成形的方法。二者第一步都需要制备出组织均匀，晶粒尺寸较小的半固态浆料。目前，触变成形方法较多，工业应用也较多，但该方法需先制备浆料，然后凝固，再定量切割并重熔，再次获得浆料，最后成形获得产品，导致其工艺流程较长、能耗大、产品成本高。而流变成形减少了半固态浆料的二次加热过程，从金属半固态直接加工成形，因此流程短，操控简单，能耗小，成本低，生产效率高，且成形过程氧化夹杂少，铸件的成品和废料可在一个车间完成，提高了废料的利用率。因此开发短流程的半固态金属流变成形具有重要意义。
[0004]目前，金属半固态成形技术大多是针对铝、镁等低熔点合金，对于铜合金等高熔点合金的半固态研究还相对较少。这主要是因为铜合金熔点高、易氧化、热导率大，采用传统制浆法制备半固态坯料时会存在操作困难、模具要求高、铜液氧化等问题，使得制备的铜合金半固态坯料的组织性能较差或成本过高。此外，铜合金的应用领域广泛，传统的铸造成形存在模具寿命短、易氧化、产品能耗大、吸气等问题，而采用半固态成形技术则会显著降低模具温度、提高模具寿命、降低能耗，因此开展铜合金的半固态成形具有重要的应用价值。
【发明内容】
[0005]针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种铜合金半固态成形方法。本方法目的是为了解决铜合金半固态坯料制备、成形困难、成形周期长、产品成本高等问题，扩宽铜合金产品的深加工技术和方法。
[0006]本发明的技术方案是:首先测量铜合金的固液温度区间，将铜合金在真空或惰性气体保护中加热至液相线温度以上，然后对熔体进行快速冷却，在冷却的同时对熔体施加高能超声波振动，待熔体冷却至半固态温度区间时，停止激冷和振动，同时对熔体保温并进行快速挤压成形，随后空冷至室温，并进行相应的热处理，最终获得铜合金流变成形产品，其具体步骤如下:
(1)测量铜合金的固相线和液相线温度；
(2)在真空或者惰性气体保护气氛中将铜合金坯料加热至T+50°C?T+150°C，其中T为液相线温度；
(3)在真空或者惰性气体保护气氛中，将经步骤(2)加热后的铜合金激冷并施加高能超声波振动使合金温度处于固相线和液相线温度区间内，激冷和高能超声波振动完成后进行保温，获得半固态浆料；
(4)将步骤(3)得到的半固态浆料进行挤压成形，成形结束后空冷至室温；
(5)经步骤(4)成形后的铜合金进行热处理，获得铜合金产品。
[0007]所述步骤(2)和(3)的真空条件为10 1?10 4Pa。
[0008]所述步骤(2)激冷为将内部通有冷却水的钢棒、铜棒或石墨棒插入到加热后的铜合金中并停留5?10s，然后取出，间隔3?10s后再第二次放入和取出，如此往复进行，使熔体温度处于固相线和液相线温度区间内，放入和取出的次数由拟得到的半固态浆料液相率确定:高半固态浆料液相率放入和取出的次数少，低半固态浆料液相率放入和取出的次数多。
[0009]所述步骤(2)高能超声波振动的超声功率为150W?1200W、振动频率为15kHZ?40kHZo
[0010]所述步骤(2)保温时间为2?lOmin。
[0011]上述步骤(2)激冷放入和取出过程中不施加高能超声波振动。
[0012]上述步骤(4)挤压模具要预热，避免半固态浆料快速降温。
[0013]所述步骤(5)中热处理的目的是进一步提高组织均匀性，获得高性能的铜合金产品。(热处理的条件根据合金的成分及要求来设定，为常规参数)
本发明所述的热处理及挤压方法均为常规方法。
[0014]本发明的有益效果是:
(1)采用本发明，使合金在液相线温度以上受到激冷作用，使激冷区温度快速下降，从而形成大量晶核，获得半固态浆料；同时，对液态铜合金施加高能超声波，其气蚀效应中气泡破裂导致的压力冲击波会造成枝晶臂的断裂，声流现象又会将破裂的枝晶臂均匀分布在熔体中，使半固态浆料的组织均匀、细小。采用超声振动与激冷综合处理后，可使熔体中的晶粒细化、抑制枝晶组织、提高熔体均匀程度和减少偏析，再加上处理后的适当保温使温度均匀，最终可获得均匀、细小球化的半固态浆料，解决了传统方法制备铜合金半固态浆料成本高、模具寿命短、浆料易氧化、周期长等问题。
[0015](2)采用本发明，将制备的铜合金半固态浆料直接送至挤压模具内，减少了半固态浆料氧化、降温等问题，成形效率高，产品的组织致密、均匀，性能优良。流变成形件的平均晶粒尺寸在80~140um，抗拉强度提尚5~10%，延伸率提尚6~8%。
[0016](3)本发明具有流程短、成形效率高、能耗低、产品成本低、性能均匀、产品结构复杂等优点。
【附图说明】
[0017]图1是本发明工艺流程图；
图2是本发明实施例1制备得到的ZCuSnlO锡青铜合金的微观组织图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和【具体实施方式】，对本发明作进一步说明。
[0019]实施例1
以制备ZCuSnlO锡青铜产品为例。
[0020]如图1所示，该铜合金半固态成形方法，其具体步骤如下:
(1)测量铜合金的固相线和液相线温度；ZCuSnlO锡青铜合金利用差示扫描量热法(DSC)测量该合金的固相线温度为830°C，液相线温度为1020°C ；
(2)在氩气保护气氛中将铜合金坯料(ZCuSnlO)加热至T+100°C(1120°C )，其中T为液相线温度；
(3)在氩气保护气氛中，将经步骤(2)加热后的铜合金激冷并施加高能超声波振动使合金温度处于固相线和液相线温度区间内，激冷和高能超声波振动完成后进行保温5min，获得半固态浆料；其中激冷为将直径为40mm、内部通有冷却水的钢棒插入到加热后的铜合金中并停留5s，然后取出，间隔10s后再第二次放入和取出，如此往复进行4次；高能超声波振动的超声功率为1200W、振动频率为40kHZ ；
(4)将步骤(3)得到的半固