紫铜止水片凝固现象和组织
1.纯铜的铸锭组
从低倍组织可知,铸锭边部为柱状晶,中部则为较粗的等轴晶。实际上,当铸锭时冷却强度足够大或铸锭尺寸较小的情况下,整个铸锭可能全由柱状晶组成。紫铜止水片其他铜合金的低倍组织均具有与此相同的特点。从显微组织观察可知,晶粒内部无明显特征,晶界较细,与一般单相合金的平衡结晶组织无异。

2.单相铜合金的铸锭组织特征
铜合金的凝固过程为非平衡过程,所以其铸锭组织一般偏离平衡态。下面以匀晶、包晶及共晶二元系合金为例说明。
匀晶系相图及某合金凝固时可能的非平衡固相线轨迹。
合金过冷至T1温度时开始凝固,首先析出的固相成分为a1,液相成分则为L1。继续冷至T2紫铜止水片温度时,析出的固相成分应为a2,与之平衡的液相成分改变为L2。a2将覆盖在先析出的a1上,若能达到平衡条件,a1的成分也会逐渐改变成a2,以达到T2紫铜止水片下的平衡态。但实际上,固态的扩散速率远小于液态的扩散速率,当剩余液相的成分均匀达到L2时,固相a中的成分仍为不均匀的,它们的平均成分可用a2表示。显然,a2中的B原子浓度小于a2中B原子浓度。同理,当温度降至T3及T4时,其a相的平均成分可用表示a3及a4。在此图中a4即表示x合金的成分。说明x合金在非平衡凝固的条件下T4温度下凝固完毕,较之平衡凝固的固相点温度降低了T3-T4。a1-a4表示的线称非平衡的固相线,非平衡固相线相对于平衡固相线的偏离与凝固时的冷却速率有关,冷却速率愈大,偏离愈大。

由于先后凝固的固相在成分上的差异,不同成分固相受侵蚀程度将不同,因而在我们观察合金的显微组织时就会观察到典型的枝晶组织,枝晶臂的成分与枝晶同胞间的成分(B组元含量高)不同,因而显示出不同的颜色。这种因非平衡凝固(结晶)导致的晶粒内成分不均匀的现象称晶内偏析或枝晶偏析。紫铜止水片Cu-Ni合金铸造后的显微组织,白色枝干含镍较高,周围黑色部分含铜较高,但均为铜镍a固溶体。

一包晶系相图和某合金凝固时可能的非平衡固相线轨迹。与匀晶系合金类似,a1-a4表示x合金凝固时固相(a)平均成分的走向,即非平衡固相线。x合金按平衡态凝固时,固相点温度应为T3,凝固完毕应为a单相
固溶体晶粒。但在非平衡凝固的情况下,x合紫铜止水片Cu30Ni合金铸造显微金冷至T4温度时,剩余的液相L4将与部分固相a4发生包晶反应,即a4+L4→B,完成最后的凝固过程,因此该合金的最低凝固温度为T4,并产生了一种通过包晶反应而得到的新相B。此种B相为非平衡相,因为按平衡态,该相在x合金中是不存在的。

一共晶系相图和某合金凝固时可能的非平衡固相线轨迹。x合金凝固过程与上面两个系列合金类似,a1-a表示x合金凝固时固相平均成分的走向。按平衡态凝固x合金的固相点温度将为T3,凝固后合金组织为a单相固溶体晶粒。但在实际的非平衡凝固条件下,紫铜止水片在T温度时,剩余液相(L。)将发生共晶反应即L。→a+,生成平衡态下不存在的非平衡共晶。

不论包晶系还是共晶系合金,在非平衡凝固状态下,基体相a固溶体均具有枝晶偏析的特征,而枝晶同胞间将出现非平衡的第二相(B)。在常用铜合金中,CuZn、CuSn、CuSi等富铜侧均为包晶系合金,而CuA,CuP等富铜侧为共晶系合金。

Cu10Zm合金的铸态组织,该合金为a单相固溶体,枝晶干富铜,枝晶间富锌。当CuZn合金中锌含量达30%-32%时,则因非平衡凝固会导致枝晶间出现少量B相(包晶反应所得)。紫铜止水片Cu7A合金及Cu6.55n0.1P合金铸态组织。从图2-18(a)可知,平衡态为单相a固溶体的Cu7A合金,在铸态下,基体为具有枝晶偏析的a固溶体,枝晶间出现非平衡的少量(a+Y2)共析产物。这种共析体是因非平衡结晶时生产了非平衡共晶(a+B),其中的β相再发生共析转变所致。Cu6.55m0.1P合金在平衡态亦应为单相的a固溶体,但在铸锭时非平衡凝固的条件下,基体a具有较严重的枝晶偏析枝晶间富锡和磷,在一定情况下可能在枝间出现(a+8)共析体及Cu3P化合物(可视为++Cu3P三相低熔共晶)CuAl系合金中,当含铝量超过7%时会出现β相。在降至一定温度时,B相会发生共析分解,生成a+y2共析体。含铝较高的图2-17Cu-10Zn合金铸态组织120合金,凝固时亦会首先生成B晶粒,温度进步降低时,将从B相基体中析出具有魏氏组织特征的a相。

3.铸态铜合金的性能特征
由于铸态铜合金组织偏离平衡态,因此其性能表现如下特征。
①若枝晶偏析使组织中出现非平衡脆性相[如 Cu-Sn-P合金中出现的非平衡(a+8)共析体及Cu3P相],则合金塑性降低明显,特别是枝晶网胞间生成连续的粗大脆性化合物。
②枝晶芯部与同胞间化学成分不同,可形成浓度差微电池,降低材料的电化学腐蚀抗网状壳层时,合金塑性将急剧下降。
③铸锭加工变形时,具有不同化学成分的各显微区域拉长并形成带状组织,导致材料力。当出现非平衡第二相时一般亦降低抗蚀性。各向异性以及增加晶间断裂的倾向(如层状断口)。
④固相线温度下移,使工艺过程的一些参数难以掌握,如热变形前的加热温度不能超过因非平衡凝固固相线下移导致的最低固相点温度,以免造成过烧现象。

对于加工材料而言,紫铜止水片铸锭塑性是至关重要的。为了保证铸锭良好的变形塑性,除防止铸锭中的一些缺陷外,显然不希望铸锭组织处于非平衡凝固状态。

由于产生非平衡状态的原因是结晶过程中扩散受阻,因而此种状态在热力学上是亚稳定的,有自动向平衡态转化的趋势。人们可利用这一趋势,将铸态合金加热到一定温度,提高原子扩散能力,使其较快完成由非平衡向平衡状态的转化过程。这种处理称为均匀化退火或扩散退火。