原标题：不同铸造方法对 Cu-12Sn-2Ni 合金微观组织及性能的影响

摘要

采用重力铸造、离心铸造制备了Cu-12Sn-2Ni合金，研究两种铸造方式对合金微观组织以及力学性能的影响。结果表明，重力铸造试样组织由α相、δ相所组成；离心铸造由于冷却速率快，导致亚稳相β′相的产生，细化了晶粒尺寸。离心铸造试样的抗拉强度可以达到378.84 MPa、伸长率为11.77%。对断口进行分析，发现在离心铸造试样中存在韧窝群，而在重力铸造试样中没有韧窝存在，这主要与晶粒尺寸、β′相的产生有关。

Cu-Sn-Ni合金由于其自身优异耐磨性、耐腐蚀性，通常被应用于蜗轮蜗杆、轴承、深海管道。随着锡元素的增加，合金的性能增强（硬度、抗拉强度、耐腐蚀性），锡元素的增加也使δ相数量增加，导致合金难以加工，对延展性产生不好的影响，继而降低材料强度。通过常规铸造生产的高锡青铜很容易产生偏析、缩孔、缩松等缺陷。因此开发了一系列方法来提高高锡青铜性能以及减少缺陷，如快速凝固、激光选区熔化成形、添加第二相粒子。

目前对于Cu-Sn-Ni合金的研究主要集中于微合金化，添加Co、Si、Ti、V等合金元素，其中林国标等添加少量Ni元素，并通过热处理能够提高抗拉强度、伸长率；游龙等通过形变热处理细化晶粒，提高力学性能；陈凯旋等通过添加少量Fe元素形成沉淀颗粒改善力学性能。

本文以Cu-12Sn-2Ni合金为研究对象，采用重力铸造和离心铸造制备试样，讨论不同铸造方式对合金微观组织及力学性能的影响，为Cu-12Sn-2Ni合金的应用提供参考。

01 试验材料与方法

试验用材料高纯铜（>99.9 %）、高纯镍（>99.9 %）、高纯锡（>99.9 %），分别通过重力铸造、离心铸造获得试样。试样经过切割、抛光后，使用5 g三氯化铁+100 mL盐酸+100 mL水的混合溶液进行金相腐蚀。用场发射扫描电镜（FEI Nova Nano 450；附带能谱仪，型号：IncaEnergy350）观察组织形貌以及对微区成分分析。用X射线衍射仪（Rigaku Smartlab 9KW）进行XRD分析（扫描速度为5°/min，扫描范围为50°~90°）。常温拉伸试验在电子万能试验机（DDL100）上进行，拉伸速率为1 mm/min。硬度测量利用显微硬度仪（KB30S-FA），加载载荷为0.98 N，加载时间为10 s。

02 试验结果与讨论

2.1 铸态组织

图1是重力铸造与离心铸造方式制备的Cu-12Sn-2Ni合金的X射线衍射图，可以看出，不同铸造方式制备的合金主要由α-Cu、δ-Cu41Sn11、β′相。与重力铸造相比，离心铸造在2θ为49.398°、72.414°、87.838°有新的衍射峰产生，新相为β′相，根据Cu-Sn二元相图以及常规凝固，其凝固过程可描述为如下几个阶段：Cu-12Sn-2Ni凝固过程中最先产生初生α-Cu，随着温度降低，在798 ℃发生了包晶反应（α+L β），液相被消除；当温度达到586 ℃以及520 ℃发生分别共析反应（β α+γ、γ α+δ）；温度达到350 ℃时，平衡状态还会发生共析反应（δ α+ε），但是由于温度降低导致锡在铜中的扩散困难以及溶解度降低，使得铸造过程35 0 ℃时的共析反应不会发生。由于离心铸造冷却速度较快，β相并没有分解形成δ相，而是发生无扩散马氏体转变形成亚稳相β′相，而重力铸造冷却速度相对缓慢，因此并没有新相产生。

图1 Cu-12Sn-2Ni合金的XRD图谱

图2为Cu-12Sn-2Ni的重力铸造以及离心铸造的金相组织图，可以看出，重力铸造的微观结构由粗枝晶组成，晶粒粗大，δ相以不规则形状分布于晶粒内部（图2a）。随着冷却速度的增加，离心铸造晶粒的形态和尺寸明显不同，冷却速度增加了过冷度，提高形核率的同时抑制了晶粒的生长，使得离心铸造的微观结构由等轴晶组成（图2c），晶粒尺寸显著减小，δ相主要分布于晶界处。

图2 不同铸造方法制备的合金金相组织

2.2 重力铸造微观组织及其对性能的影响

对重力铸造Cu-12Sn-2Ni进行SEM分析以及对元素分布进行面扫描，见图3。可以看出，在一个晶粒内部分布大量δ相（图3b）。图3c显示元素面扫描的元素分布情况，可以看出，锡元素主要偏聚于δ相中，这是由于凝固过程中锡的严重偏析导致的。为了进一步确定δ相的元素组成，对图3b中的不规则δ相进行点扫描得到其元素组成，结果见表1，可以看出，相比于基体α相中的Sn含量10.62%，δ相中的Sn含量达到了38.89%，晶粒内部偏析十分严重，而对于Ni元素，相比于α相中2.19%，δ相中只有3.8%，这是由于部分δ相中存在α相，导致Ni元素含量增加。

图3 重力铸造Cu-12Sn-2Ni合金的SEM形貌以及元素EDS面扫描图

表1 EDS点扫描微区成分结果 wB/%

通过拉伸试验测量了合金的力学性能，见图4。可以看出，抗拉强度为245.11 MPa，伸长率只有5.04%，Ni元素理论上能够与Cu无限互溶形成无限固溶体，形成固溶强化，提高强度，但是相比于离心铸造试样力学性能相差很大。由于晶内δ相的存在，δ相作为硬脆相，提高强度以及硬度，但是降低延展性。在拉伸过程中，断裂优先发生在由富锡相δ相存在的晶粒上，虽然α相作为面心立方，但是由于α相晶粒内的δ相降低其塑性变形能力，导致整体延展性的下降。

图4 重力铸造Cu-12Sn-2Ni合金力学性能及断口形貌

图4b为重力拉伸断口形貌，可以看出，具有明显的解理特征，由于晶内δ相的影响，裂纹产生于δ相中，使得其发生了穿晶断裂。其断裂机制为解理断裂。

2.3 离心铸造微观结构及其对性能的影响

对离心铸造试样进行SEM分析以及面扫描分析，见图5。由于离心铸造冷却速度较快，细化了晶粒，削弱了Sn的偏析，同时增加的晶界分离了δ相。β′相如图5a所示，为灰白色区域，δ相与基体β′相共存，图5a可以看出，δ相存在于晶界处，晶粒内部没有δ相。与重力铸造试样中δ相形貌不同的是离心铸造试样中δ相存在着条状组织，这是由于在快速冷却中虽然大部分β′相保留，但是仍有少量β′相转变为δ相，而由于转变时间过短，导致δ相上有少量β′相未完全转变。δ相的形成由于快速冷却受到抑制，通过形成β′相可以有效地减少硬脆δ相的产生。图5c显示了元素分布情况，可以看出，锡元素偏聚于晶界处δ相。为了进一步确定各相成分，进行了点扫描，见表2，可以看出，α相与δ相的锡元素成分差异很大，而β′相与α相的成分差异较小，在离心铸造中β′相的产生一定程度上改善了Sn的晶间偏析。其中Ni元素主要存在于α相中，这是由于在最初凝固过程中最先形成初生相α相，Ni元素含量较少，使得Ni主要存在于初生相中，而在接下来的过程中由于冷却较快，Ni元素并没有扩散到β′相中，而δ相是由β′相转变的，因此也没有Ni元素的存在。

图5 离心铸造Cu-12Sn-2Ni合金的SEM形貌及元素EDS面扫描图

表2 EDS点扫描微区成分结果 wB/%

通过拉伸试验测试了离心铸造的力学性能，见图6。可以看出，抗拉强度达到378.84MPa，相比于重力铸造提高了54.6%。伸长率达到11.77%，提高了133.5%。这主要是由于β′相的产生，与α相都是面心立方结构，具有优异的塑性变形能力，具有β′相的合金能够有效改善合金力学性能。相比于重力铸造试样，离心铸造试样显微硬度发生下降，这是由于β′相的硬度低于δ相。在拉伸过程中，裂纹优先产生于最薄弱处，即晶界处，相比重力铸造试样中的δ相，离心铸造试样中δ相由于有部分β′相的存在，其塑性变形能力得以增强，由于部分β′相代替了δ相，减少δ相的产生，δ相从晶内转移到晶界处，离心铸造中δ相中部分β′相的存在使得其提供的力学性能要远好于重力铸造中单一δ相的存在，β′相在微观结构中起到了平衡作用，提高了晶粒间的变形协调性。此外晶粒细化晶界增多，根据Hall-Petch机制，位错运动被限制在α/β′、α/δ、β′/δ界面之间，导致材料的显著增强。

图6 离心铸造Cu-12Sn-2Ni合金的力学性能以及断口形貌

图6b为离心铸造拉伸断口形貌，可以看出，有较多的韧窝群、撕裂棱以及解理面。由于β′相的产生以及δ相转变到晶界处。断裂机制属于解理断裂和韧性断裂的组合。

03 结论

（1）重力铸造Cu-12Sn-2Ni合金的组织由α相、δ相所组成，而通过离心铸造制备的Cu-12Sn-2Ni合金的组织是由α相、δ相、β′相所组成，由于离心铸造的冷却速率较快，导致亚稳β′相的形成。

（2）由于β′相的产生以及δ相的形貌发生变化，离心铸造的力学性能得到大大增强，抗拉强度从245.11 MPa增加到378.84 MPa，伸长率从5.04 %增加到11.77%，使得合金强度、延展性的协同增强。

（3）重力铸造试样断裂方式为解理断裂，而离心铸造断裂方式是韧脆结合的断裂形式。

作者

贾志宏1，李晨阳1，鲁远勇2，纪嘉明2，张泽坤1，肖佳乐1

1. 江苏大学材料科学与工程学院
2. 镇江汇通金属成型有限公司

本文转载自：《铸造杂志》