稀土元素对纯铜晶粒大小及硬度的影响

1稀土元素对纯铜晶粒大小及硬度的影响孟祥锋1，张伟强21辽宁工程技术大学材料科学与工程系，辽宁阜新（123000）2沈阳理工大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳（110086）E-mail：[e-mail]摘要：研究了稀土元素Nd,Y对纯铜晶粒大小和硬度的影响。结果表明：适量的Y和Nd能够细化晶粒。两种元素都提高铜的硬度，Y的作用更明显。关键词：纯铜；稀土元素；晶粒；硬度中图分类号:TG146.1+11.引言随着科学技术的发展，铜及铜合金的应用范围越来越广泛，对材料的要求也越来越高。近些年来高强高导电铜以其优越的力学和电学性能，逐渐的成为功能材料领域的研究热门。其中就提高纯铜本身强度已经有多中方法在实践中应用，如加工硬化、固溶强化、时效强化、弥散强化和细晶强化等方法。细晶强化是采用热处理手段或加入变质剂或其他措施来获得非常细小的晶粒。晶粒细化方式有效提高强度且提高塑性。是一种非常有前途的强化方式[1]。金属材料的性能和晶粒大小有着密切关系,根据Hall-petch公式,晶粒细化既能提高材料的强度,又能提高材料塑性,同时也能显著提高其力学性能。通过不同的手段细化晶粒是控制和改善铜及其合金组织,是提高材料性能的重要途径。在实际生产中,添加合金元素细化合金的凝固组织最为简单实用。有文献[2-3]报道了硼对铝黄铜、铝青铜、白铜的影响,微量硼的加入使HS70,HA77-2,HAl77-2As黄铜、Qcu-7Al青铜和BFe30-1-1白铜、70Cu-30Ni的晶粒都明显细化,从而导致强度和耐蚀性的提高。稀土元素作为一种添加剂在铜及铜合金中的应用比较广泛,关于稀土对铜和铜合金的作用方面也已作了大量的基础和应用研究工作。在纯铜熔炼过程中广泛使用稀土变质剂来细化晶粒。如在铜中添加微量钆、镝、铒、镧和富铈混合稀土,可以起到细化晶粒、改善组织结构、净化除杂的作用,并能提高铜的机械性能和导电性[4-7]本文是采用真空熔炼，在最大限度地降低杂质元素影响的条件下，研究微量稀土元素Nd和Y对纯铜晶粒度和硬度的影响，并试图找到提高性能的最合适的添加量。为高强高导电铜的进一步研究奠定基础。2.实验材料及方法原材料采用99.9%的T2纯铜和纯度都大于99.9%的稀土金属Nd和Y。纯铜在熔炼前去除油污和水汽，用NaCO3水溶液洗净铜表面油污，放入干燥箱中烘干。稀土金属锉成粉末和铜一起放入已经烘干的石墨坩埚中，采用玻璃覆盖，放入真空度1×10-4Pa的ZGL-60-1型真空炉中熔炼，并随炉冷却。制成成分（稀土重量百分比wt%）为0.02、0.04、0.06、0.08和0.1wt%系列的Cu-Re合金试样。在XLM-20型金相显微镜下和SSX-550电子扫描电镜下观察组织，并做定量金相分析。用HV-10B型小载荷维氏硬度机测量试样的硬度。3.实验结果与分析3.1稀土元素对晶粒大小的影响晶粒大小是由晶粒度表示。而晶粒度的数值表示有多种。为了更方便直观，本实验采用金相法测量的晶粒大小用公称直径表示，其变化如图1。0.000.020.040.060.080.100.20.40.60.81.01.21.41.6公称直径mmRE的加入量wt%YNd图1稀土元素对晶粒大小的影响Fig.1EffeetsofREelementongrainsize从图中我们能清楚的看到稀土含量小于0.1wt%的Nd和Y对晶粒大小影响的显著差距，稀土Y的加入明显减小了晶粒尺寸，细化了晶粒，0.08wt%时细化最明显。Nd在加入量很少时细化晶粒，当加入量超过0.04wt%起到粗化晶粒的作用。稀土Nd和Y对纯铜的细化一方面是因为稀土元素在凝固时大量的聚集在固液界面前沿的液相中，使合金在凝固时成分过冷增大，以树枝状方式凝固成长，同时在型壁形核晶粒，由于稀土溶质的偏析，使晶粒根部的成长受到了抑制，增加了熔断游离的结晶核心，从而细化了晶粒。另一方面，稀土的原子半径大于铜的原子半径，进入铜相晶格内引起较大的晶格畸变，使系统能量增加，为保持系统自由能最低，稀土原子只能向原子排列不规则的晶界富集，所以铸态组织中稀土原子大都分布在晶界，并阻滞晶粒长大。稀土的含量越高细化就越明显，这可以从Y的晶粒变化中看出。而稀土Nd在加入量比较少的时候细化晶粒，加入量较多时形成了大量的稀土化合物，减小了成分过冷的作用，合金组织反而粗化了。的组织Fig.2As-caststructureofpurecopperFig.3StructureofCu-0.06wt%Y从图2到图4的纯铜、和0.06wt%Y和0.05wt%Nd的铸态组织照片中可以看出，稀土Y明显使晶粒细化，而当Nd的加入量在0.05wt%时铜合金的晶粒被粗化了。图4Cu-0.05wt%Nd的组织Fig.4StructureofCu-0.05wt%Nd3.2稀土元素对纯铜硬度的影响从图5中可以看出，在稀土Nd和Y加入量少于0.1wt%时，对纯铜硬度影响比较相似，都是随着稀土加入量的增加硬度逐渐增大，并且在稀土含量0.06wt%时硬度达到最大，之后又开始下降。Y对硬度的提高幅度要比Nd大一些。硬度/HVRE的加入量/wt%NdY图5稀土元素对纯铜硬度的影响Fig.5EffectsofREelementonthehardnessofpurecopper硬度试验能敏感的反映出金属材料的化学成分和组织结构的差异，由于稀土的原子半径要比铜原子半径大[8]（Nd原子半径0.1821nm;Y原子半径0.1801nm;Cu原子半径0.1278nm），为了保持系统自由能最低，加入量超过稀土在纯铜中的固溶度时只能与铜形成金属间化合物，这些金属间化合物粒子较硬，弥散分布于基体中，是位错运动的阻力。随着稀土含量增加，粒子数量增多，对位错运动的阻力增大，合金被强化的程度增加，导致硬度增加。同时由于Y对晶粒的细化，起到细晶强化的作用，所以要比Nd提高硬度更为显著。当过量的稀土与杂质反应，残留在铜熔液中未被排除的反应物就形成了大量氧化物夹杂，随着稀土加入量增加而增加，在铜液中分布不均匀，在受力的过程中易产生应力集中，致使硬度值下降。4.结论（1）在纯铜中添加适量的稀土元素Y和Nd可以起到细化晶粒的作用，其中Y的细化作用更为明显，而过量的Nd反而会粗化晶粒。（2）微量的可以稀土提高纯铜的硬度，Y的强化作用要比Nd好，加入Y的铜合金硬度高于加入Nd的铜合金。加入适量的稀土可以改善铜的性能,Y的作用要优于Nd。参考文献[1]吴卫华.铜及铜合金晶粒细化方法的研究现状[J].湖南冶金,2006,34(5):44-48.[2]章爱生,等.稀土硼锆在HPb59-1黄铜中的细化变质效果[J].铸造,2005,54(10):1017-1020.[3]郭锋,梅敦.稀土元素Ce对H62黄铜组织特征变化的作用[J].包头钢铁学院学报,2000,19(3):250-253.[4]廖乐杰.稀土铜添加剂在空调用紫铜管中的应用[J].上海有色金属,1997,18(2):93-96.[5]涂远军,等.稀土对无氧铜组织和性能的影响[J].稀土,1987,(5):18.[6]李文超,等.稀土元素在导电铜中的作用[J].北京钢铁学院学报,1988,10(3):354.[7]马壮,等.稀土元素La和Ce对纯铜性能的影响[J].铸造技术,2005,26(3):227-229.[8]郑子樵,李红英.稀土功能材料[M].北京:化学工业出版社,2003.EFFECTSOFRAREEARTHONGRAINSIZEANDHARDNESSOFPURECOPPERMengXiang-feng1,ZhangWei-qiang21.LiaoningEngineeringandTechincalUniversityFuxin123000China2.ShenyangLigongUniversity,Shenyang110068,ChinaAbstractRare-earthelementsNdandYareaddedintopurecopper,andtheeffectsongrainsizeandha-rdnessareinvestigatedbyexperiments.TheresultsshowthatanappropriatenumberofNdandYareabletomakegrainrefinedofpurecopper.Tworareearthcanimprovethehardnessofcopper,Yshowsmoresignificantrole.Keywords:Purecopper;Rareearthelement;grain;Hardness