一种铜合金流变成型方法.pdf

本发明公开一种铜合金流变成型方法，属于金属半固态成型的技术领域。根据铜合金的液固温度区间，先将铜合金在真空或者惰性气体保护气氛中加热至再结晶温度以上，然后对其进行塑性成形，将塑性变形后的坯料放入温度精确控制的模具内，并将其加热至半固态温度区间并保温，最后对加热后坯料直接进行挤压或模锻等变形，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型产品。本发明具有短流程、成形效率高等优点，并可获得结构复杂、组织致密均匀、性能高的产品。

1.  一种铜合金流变成型方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）测量半固态流变成型铜合金的液固温度；
（2）将铜合金坯料在真空或者惰性气体保护气氛中加热至T~T+150℃，其中T为再结晶温度，对其进行塑性成形；
（3）将塑性变形后的铜合金坯料放入模具内，在真空或者惰性气体保护气氛中将其加热至半固态温度区间并保温20~80min，获得半固态浆料；
（4）对加热并保温的坯料直接进行挤压或模锻变形，变形结束后在惰性气体保护气氛中空冷至室温；
（5）将流变成型铜合金进行热处理，最终获得流变成型铜合金产品。

2.  根据权利要求1所述的铜合金流变成型方法，其特征在于：步骤（2）中塑性成形的热变形量为5～60%。

一种铜合金流变成型方法
技术领域
本发明涉及一种铜合金流变成型方法，属于金属半固态成型的技术领域。
背景技术
20 世纪70 年代美国麻省理工学院的Flemings教授等人开发出了一种崭新的金属成形方法，称为半固态加工技术。它是一种金属从液态向固态转变或从固态向液态转变(即液固共存)过程中所具有的特性进行成形的方法。这一新的成形方法综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度比液态低、变形抗力比固态小，可一次以大变形量成形形状复杂且精度和性能质量要求较高的零件，所以半固态加工技术被称为21世纪最有前途的材料成形加工方法。
半固态成型包括流变成型和触变成型。其中，流变成型是将得到的含有一定体积比例的非枝晶固相的固液混合浆料直接进行成形的方法。触变成型是将得到的含有一定体积比例的非枝晶固相的固液混合浆料先冷却凝固成锭坯，生产时将定量的锭坯重新加热至半固态然后再成形的方法。流变成型和触变成型第一步都需要制备出组织较好的组织均匀、晶粒尺寸较小的半固态浆料。目前，触变成型方法较多，工业应用也较多，但是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、周期长。而流变成型是将浆料直接进行成形，与触变成型相比，由于少了浆料的凝固、定量切割、二次重熔等工序，使其工艺少、流程短，能耗少，具有较大的研究价值。
目前，半固态成型主要应用于铝合金、镁合金、钢铁材料，对于铜合金半固态成型的研究较少，主要是由于铜合金熔点较高、易氧化、热导率大，导致其半固态浆料的制备较为困难。传统的半固态浆料制备铜合金时，存在操作困难、模具要求高（耐高温、长使用寿命等）、铜液氧化等问题，使得制备的半固态铜合金坯料组织性能较差或成本过高；同时由于导热快导致其对温度非常敏感，造成半固态铜合金坯料中固相、液相体积分数稳定性较差，使铜合金半固态成型时坯料温度、组织均匀性控制困难，最终导致铜合金半固态成型研究较少。但是，铜合金的应用领域广泛，传统液态成形由于其熔点较高，存在模具寿命短、产品能耗大、易氧化、吸气等问题，而铜合金半固态成型则能显著降低模具温度、提高模具寿命、降低能耗，因此开展铜合金半固态成型具有重要应用价值。
发明内容
本发明提供一种铜合金流变成型方法，目的是为了解决铜合金半固态坯料制备及其成型困难的问题，扩宽铜合金产品的深加工技术和方法。
本发明的技术方案是：首先测量铜合金的液固温度区间，将铜合金在真空或者惰性气体保护气氛中加热至再结晶温度以上，然后对其进行塑性成形，将塑性变形后的坯料放入温度精确控制的模具内，并将其加热至半固态温度区间并保温，最后对加热后坯料直接进行挤压或锻造等变形，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型产品，具体包括如下步骤：
（1）测量半固态流变成型铜合金的液固温度；
（2）将铜合金坯料在真空（10^-1~10^-4 Pa）或者惰性气体保护气氛中加热至T~T+150℃，其中T为再结晶温度，对其进行塑性成形，其中，热变形量为5～60%；
（3）将塑性变形后的铜合金坯料放入模具内，在真空或者惰性气体保护气氛中将其加热至半固态温度区间并保温20~80min，获得半固态浆料；
（4）对加热并保温的坯料直接进行挤压或模锻变形，变形结束后空冷至室温；
（5）将流变成型铜合金进行热处理，最终获得流变成型铜合金产品。
所述步骤（2）中，对合金进行热变形时，要有真空或者惰性气体保护气氛；并且合金坯料的热变形量达到5～60%，变形量越大越有利于后续球化组织的形成。
步骤（3）所述中，将变形后坯料放入模具内对其加热保温制备半固态浆料并对其直接进行流变成型，减少了半固态浆料的转运，使浆料温度保持恒定，确保其球化组织；且模具结构形式可以更复杂，能够获得复杂结构的产品。
步骤（5）所述中，流变成型铜合金进行热处理，热处理的目的是进一步提高其组织均匀性，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）
本发明所述挤压或模锻变形均为常规方法。
本发明的特点：就是采用真空或惰性气体保护的热变形使铜合金预变形并积累变形能，然后将变形后坯料放在温度精确控制模具内在真空或惰性气体保护气氛中加热保温后制备半固态坯料，最后直接流变成型，并进行热处理获得铜合金产品；主要是在成型模具内直接制备铜合金半固态浆料并快速成型后进行热处理，从而获得组织致密、均匀，性能优良的产品。具有短流程、低能耗等优点。
本发明的优点和有益效果是：
（1）采用本发明，使合金坯料进行热成形，坯料可以获得较大的塑性变形，破碎坯料的初始枝晶，储备大量变形能，使晶粒内部产生大量的位错和大角度的亚晶界；随后在模具内进行液固相线区间的等温热处理过程中，能够获得均匀、细小球化组织的半固态坯料，平均晶粒尺寸在60-80 μm，解决了传统方法制备铜合金半固态坯料成本高、模具寿命短、浆料易氧化等问题。
（2）采用本发明，将制备的铜合金半固态浆料直接进行挤压或模锻变形，减少了半固态浆料的转运、氧化、温降等问题，成型效率高，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100-160μm，抗拉强度提高5-12%，延伸率提高8-10%。
（3）本发明具有短流程、成形效率高、产品成本低、性能均匀、产品结构复杂等优点。
附图说明
图1为本发明成形工艺的流程图；
图2为本发明实施例1制备得到的ZCuSn10锡青铜合金的微观组织图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步阐述，但本发明的保护内容不限于所述范围。
实施例1
本实施例所述铜合金流变成型方法用于成型ZCuSn10锡青铜产品（参见图1），具体包括以下步骤：
（1）测量半固态流变成型铜合金的液固温度；本实施例中合金为ZCuSn10锡青铜合金，尺寸为40×40×100mm的长方料，利用差示扫描量热法（DSC）测量该合金的固相线温度为830℃，液相线温度为1020℃；
（2）在真空下（真空度为10^-2 Pa），将ZCuSn10锡青铜加热至450℃，并对坯料进行1道次轧制，压下量为1mm；然后将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制，压下量为1mm；一共轧制2个道次，轧制后的合金坯料长度方向的变形量达到5%后得到塑性变形后的ZCuSn10锡青铜坯料；每道次轧制之前，如果坯料的温度下降至再结晶温度以下，都需要将坯料加热至450℃。
（3）将塑性变形后的ZCuSn10锡青铜坯料放入模具内，在氮气保护气氛中加热至910℃保温35分钟。
（4）将加热保温后的ZCuSn10锡青铜合金浆料进行挤压成型，获得轴套铜合金挤压产品，变形后在氮气保护气氛中空冷至室温。
（5）将流变成型铜合金进行热处理，最终获得流变成型铜合金产品；本实施例中，将流变挤压的轴套铜合金加热至680℃保温4小时，获得ZCuSn10锡青铜产品。
本实施例制备得到的ZCuSn10锡青铜合金的微观组织如图2所示，由图2可以看出其组织均匀、细小、圆整度高，平均晶粒直径为138 μm。
结果表明本发明具有短流程、成形效率高等优点，并可获得结构复杂、组织致密均匀、性能均匀的产品，可以应用于铜合金半固态流变成型产品的制备。
实施例2
本实施例所述铜合金流变成型方法用于成型ZCuSn10锡青铜产品（参见图1），具体包括以下步骤：
（1）测量半固态流变成型铜合金的液固温度；本实施例中合金为ZCuSn10锡青铜合金，尺寸为φ20×60mm的棒料，利用差示扫描量热法（DSC）测量该合金的固相线温度为830℃，液相线温度为1020℃；
（2）在氩气保护下，将ZCuSn10锡青铜加热至500℃，采用等径角挤压对坯料进行4道次等径角挤压，累计变形量达到48%；每道次挤压之前，如果坯料的温度下降至再结晶温度以下，都需要将坯料加热至500℃。
（3）将变形后的ZCuSn10锡青铜放入挤压模具内在氮气保护气氛中加热至890℃保温45分钟。
（4）将加热保温后的锡青铜合金浆料进行挤压成型，获得法兰盘铜合金挤压产品，变形后在氮气保护气氛中空冷至室温；
（5）将流变成型铜合金进行热处理，最终获得流变成型铜合金产品；本实施例中，将流变挤压的轴套铜合金加热至720℃保温2.5小时，获得ZCuSn10锡青铜产品。
实施例3
本实施例所述铜合金流变成型方法用于成型ZCuSn10P1锡青铜产品（参见图1），具体包括以下步骤：
（1）测量半固态流变成型铜合金的液固温度；本实施例中合金为ZCuSn10P1锡青铜合金，尺寸为φ40×60mm的棒料，利用差示扫描量热法（DSC）测量该合金的固相线温度为820℃，液相线温度为1003℃；
（2）在氦气保护下，将ZCuSn10锡青铜加热至400℃，采用多道次挤压，第一道次将坯料热挤压至φ34×83mm，截面变形量为28%；第二道次将坯料挤压至φ30×106mm，截面变形量为22%；第三道次将坯料挤压至φ28.5×118mm，截面变形量为10%；累计截面变形量达到60%；每道次挤压之前，如果坯料的温度下降至再结晶温度以下，都需要将坯料加热至400℃。
（3）将变形后的ZCuSn10P1锡青铜放入模锻模具内在氮气保护气氛中加热至850℃保温60分钟。
（4）将加热保温后的锡青铜合金浆料进行模锻成型，获得铜合金模锻产品，变形后在氮气保护气氛中空冷至室温。
（5）本实施例中，将模锻铜合金加热至600℃保温3小时，获得ZCuSn10锡青铜产品。