铜合金由于具有优异的机械和摩擦性能，如中高强度、良好的延展性、低摩擦系数、良好的化学稳定性和自润滑性，长期以来被用于润滑条件差和摩擦条件相对复杂的工况环境[1-3]。铜合金的耐磨性取决于其微观组织中晶粒尺寸和相组成[4]，其中Cu-10Sn合金由于成分简单且具备优异耐磨性而被广泛应用。
Cu-10Sn 合金通常以常规铸造制备而成，由于凝固过程中Sn 原子的扩散速率明显高于Cu 原子，且合金液温度随着凝固的进行而逐渐降低，Sn 原子在初生α-Cu 相中的固溶度逐渐降低，从而导致Sn原子由初生α 相不断向液相中偏析，经过包晶转变和多次共析转变，在α 的枝晶间形成复杂立方结构的δ-Cu41Sn11 相[5-8]。因此，由于固溶强化和析出强化的影响，Cu-10Sn 合金具有较高的强度、硬度和耐磨性，从而广泛应用于高温、高压、重载等恶劣服役环境中，常用作轴承、轴套、高转速液压马达、齿轮、涡轮、液压泵及螺旋桨部件[9-11]。然而，传统铸造方式制备的Cu-10Sn 合金由于铸型反应，合金组织易产生缩松、缩孔、裂纹等铸造缺陷，极大影响了合金力学性能和加工性能[12]。
为了减少Cu-10Sn 合金的铸造缺陷以提升合金的力学性能，对其熔炼制备工艺进行优化具有重要意义。研究表明，真空感应熔炼后进行水冷铜坩埚浇铸铸锭，能够充分进行合金的脱氢脱氧，因此，所制备的合金气体含量低、氧化夹渣物含量少[13-14]。但仅改变熔炼工艺对Cu-10Sn 合金的铸造缺陷抑制和力学性能提升有限，因此，本文基于真空感应熔炼的优势，研究了添加脱氧剂对Cu-10Sn 合金的微观组织、力学性能的影响，为批量化制备高强度、高塑性的Cu-10Sn 合金提供参考。
1 实验材料与方法
将Cu、Sn、Pb、Ni 块体按照Cu-10Sn-3Pb-4Ni 牌号的质量百分比进行称量，采用真空感应熔炼炉制备Cu-10Sn-3Pb-4Ni 合金。先在熔炼坩埚中加入Cu块和Sn 块，当温度达到1 100 ℃时，加入2/3 的Cu-10P 用于预脱氧，当熔炼温度达到1 150 ℃时先后加入Pb 块和Ni 块，再加入1/3 的Cu-10P，进行终脱氧；当熔炼温度达到1 290 ℃后进行浇铸，得到Cu-10Sn-3Pb-4Ni 合金。加工前后的合金铸锭如图1所示，合金的化学成分如表1 所示。采用XS-1000型X 射线及HT-2402BP 荧光探伤仪对铸锭的缺陷进行检测，采用OLYMPUS U-CA 光学显微镜对铸件的金相组织进行观察。
表1 锡青铜合金的化学成分
Tab.1 Chemical composition of the Cu-Sn alloy (mass fraction/%)
图1 加工前后的Cu-10Sn-3Pb-4Ni 铸锭：(a)加工前，(b)加工后
Fig.1 Cu-10Sn-3Pb-4Ni alloy before and after processing:(a)before processing,(b)after processing
将Cu-10Sn 合金铸件按照图2a 所示的尺寸进行切片，每个铸件取10 个切片，采用X 射线探伤仪和荧光探伤仪对切片进行检测。由于Cu-10Sn 铸锭芯部与边缘力学性能存在较大差异，将Cu-10Sn 合金铸件按照图2b 所示的尺寸进行取样，得到直径为5 mm，标距为10 mm 的拉伸圆试样，采用HT-2402BP 拉伸试验机进行抗拉强度和伸长率的检测，拉伸速度为1 mm/min。
图2 检测样品制备要求：(a)缺陷检测切片要求(主视图)，(b)力学性能测试取样要求(俯视图)
Fig.2 Preparation requirements for testing:(a)slicing requirements used for defect detection(front view),(b)sampling requirements for mechanical performance testing(vertical view)
2 实验结果及讨论
2.1 添加脱氧剂对铸件缺陷的影响
图3 为添加Cu-10P 前后的X 射线探伤及荧光探伤结果。经探伤检测发现，未添加Cu-10P 的铸件切片中存在部分孔洞类缺陷，尺寸为0.2～1.0 mm，且气孔无规律散布于铸件截面，未能达到铸锭加工后表面缺陷标准(不允许存在超过0.2 mm 孔洞类缺陷)。荧光探伤发现铸锭缺陷为气孔，不存在成片夹杂物等缺陷。送检的10 片铸件切片中仅3 件没有缺陷。添加Cu-10P 脱氧剂后铸件表面未观察孔洞等缺陷，送检的10 片铸件切片中8 件没有缺陷。这是由于脱氧剂Cu-10P 的加入提升了熔融Cu-10Sn 金属液的稳定性，促进气体从金属液中排出。脱氧剂反应产物在金属液中形成的气泡可以作为排气通道，帮助金属液中的气体快速排出，减少气孔的形成。因此，添加脱氧剂Cu-10P 可以消除Cu-10Sn 铸锭缺陷。
图3 X 射线及荧光探伤结果：(a～b)X 射线探伤，(c～d)荧光探伤
Fig.3 Results of the X-ray and fluorescence inspections:(a～b)X-ray inspection,(c～d)fluorescence inspection
2.2 添加脱氧剂对铸件微观组织的影响
添加脱氧剂Cu-10P 对Cu-10Sn 合金组织的影响如图4 所示。由图4a 知，合金的铸态组织为典型的树枝晶形貌，Sn 元素在树枝晶间偏析形成δ 相，Pb 颗粒在晶界处偏聚。如图4b 所示，脱氧剂Cu-10P的加入降低了Cu-10Sn 合金中的夹杂物，抑制了凝固过程的非均匀形核，提升了合金组织的均匀性，Cu-10Sn 合金组织中的树枝晶得以充分生长，使得溶质Sn 有足够的时间在晶粒内部扩散，从而减小了δ 相的偏析。此外，加入Cu-10P 可以影响Pb 的分布状态，使Pb 颗粒随机分布在基体中。
图4 添加Cu-10P 前后Cu-10Sn-3Pb-4Ni 合金的金相组织：(a～b)添加Cu-10P 前，(c～d)添加Cu-10P 后
Fig.4 Metallographic structure of the Cu-10Sn-3Pb-4Ni alloy before and after the addition of Cu-10P:(a～b)before the addition of Cu-10P,(c～d)after the addition of Cu-10P
2.3 添加脱氧剂对铸件力学性能的影响
图5 为添加Cu-10P 前后Cu-10Sn-3Pb-4Ni 合金抗拉强度与伸长率。未添加Cu-10P 时铸件边缘的抗拉强度为323 MPa，随着取样位置逐渐靠近芯部，合金的抗拉强度呈现出先减小后增大的趋势，芯部的抗拉强度为300 MPa，抗拉强度高于240 MPa 的标准要求。同时，铸件不同位置样品的伸长率也出现了先减小后增大的趋势，铸件边缘和芯部样品的伸长率分别为12.5%和11%，伸长率均高于5%的标准要求。
图5 添加Cu-10P 前后Cu-10Sn-3Pb-4Ni 合金不同位置的力学性能：(a)抗拉强度，(b)伸长率
Fig.5 The mechanical properties of the Cu-10Sn-3Pb-4Ni alloy at different positions before and after the addition of Cu-10P:(a)tensile strength,(b)elongation
添加脱氧剂Cu-10P 后，Cu-10Sn-3Pb-4Ni 合金铸件边缘样品的抗拉强度为342 MPa，伸长率为16.5%，芯部样品的抗拉强度为324 MPa，伸长率达到19%，实现了Cu-10Sn 合金抗拉强度和塑性的协同提升。脱氧剂Cu-10P 使得Cu-10Sn 合金中树枝晶的生长更加规律，组织的取向性增强，合金的强度得到提升。脱氧剂Cu-10P 的加入可以提升Sn 原子的溶解度，进而细化δ 相，Cu-10Sn 合金的伸长率逐渐增大。此外，添加脱氧剂Cu-10P 后，铸锭不同位置造成的力学性能差异逐渐减小，这是由于脱氧剂的添加使得Pb 颗粒分布更加均匀，减少了Pb 颗粒分布不均对铸锭不同位置造成的力学性能差异。
3 结论
(1)Cu-10Sn-3Pb-4Ni 合金真空感应熔炼过程中，添加脱氧剂Cu-10P 可以减少合金的铸造缺陷。
(2)脱氧剂Cu-10P 的添加在促进Cu-10Sn-3Pb-4Ni 合金树枝晶的生长的同时，还抑制了的δ 相的偏析，使合金兼具良好的强度和伸长率。
(3)添加脱氧剂Cu-10P 后，Cu-10Sn-3Pb-4Ni 合金中的Pb 颗粒分布更加均匀，减少了Pb 颗粒分布不均对铸锭不同位置造成的力学性能差异。
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