稀土La微合金化純銅組織性能研究

孟凡碩，陳立鵬，劉勁松，，陳 巖（.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 059；.中國(guó)科學(xué)院 金屬研究所，遼寧 沈陽 006）

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稀土La微合金化純銅組織性能研究

孟凡碩1，陳立鵬1，劉勁松1，2，陳 巖2
（1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.中國(guó)科學(xué)院 金屬研究所，遼寧 沈陽 110016）

摘要：利用微合金化原理將稀土La添加到純銅中，通過真空熔煉爐熔煉出不同稀土La含量的微合金化銅合金，探究不同稀土La含量對(duì)鑄態(tài)純銅組織及性能的影響。成分分析的結(jié)果表明，稀土La添加可以顯著去除純銅中Si、Pb等雜質(zhì)元素，且在實(shí)驗(yàn)添加量范圍內(nèi)，稀土含量越高凈化作用越明顯；組織觀測(cè)的結(jié)果表明，稀土La添加可以有效細(xì)化純銅的晶粒，稀土含量越高晶粒越細(xì)小；力學(xué)性能測(cè)試的結(jié)果表明，稀土La添加可以顯著提高純銅的抗拉強(qiáng)度與硬度，但其延伸率隨著稀土含量的增加呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，且均低于原始純銅。總的來看，La含量為0.089％的微合金化純銅試樣的綜合性能最佳。

關(guān)鍵詞：微合金化；La；鑄態(tài)純銅；成分分析；組織觀測(cè)；力學(xué)性能

1　引言

微合金化是指通過冶金方式向材料中加入微量的合金元素，在應(yīng)變和熱循環(huán)的作用下，通過形成的合金元素基化合物的溶解與析出機(jī)制，對(duì)材料的化學(xué)、物理及力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生極為明顯的影響［1-3］。基于這一方面，稀土元素作為一種可以有效改善合金綜合性能的添加劑，在微合金化技術(shù)的發(fā)展過程中得到了廣泛的應(yīng)用［4-7］。稀土微合金化技術(shù)最早應(yīng)用于改進(jìn)鋼鐵材料的性能［8］，后來逐漸延伸至有色金屬領(lǐng)域［9-11］。大量的研究表明，微量的稀土添加對(duì)銅合金的組織有深度的凈化作用，并且可以有效地改善合金的流動(dòng)、導(dǎo)電以及耐蝕性能［12-13］。而相對(duì)而言，稀土在銅合金方面的研究比較深入，在純銅方面的研究則較少。

稀土元素La是稀土金屬中一種十分重要的元素，其含量占總稀土含量的14.1％，并且相比較于其他稀土元素，La更容易分離提取［14］，因此稀土La元素是目前稀土微合金化技術(shù)使用最為廣泛的元素之一。綜合考慮稀土元素對(duì)銅及銅合金的性能的影響，本文采通過微合金化的方式將稀土La添加到純銅中，探究了不同含量稀土La添加對(duì)純銅組織及性能的影響。

2　實(shí)驗(yàn)方案

2.1熔煉

為了降低雜質(zhì)元素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)材料選用高純度的99.99％電解銅和99％金屬鑭，金屬La的成分如表1所示。為了避免熔煉時(shí)空氣中氧等氣體的卷入，采用ZG-0.001真空感應(yīng)熔煉爐進(jìn)行微合金化熔煉實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)根據(jù)稀土添加量分6個(gè)批次進(jìn)行，6個(gè)批次分別記為0～5#，為了方便對(duì)照，0#實(shí)驗(yàn)未加入稀土。

熔煉時(shí)先將電解銅板熔化成銅液，再將稀土加入銅液，稀土加入前用銅箔包裹預(yù)熱，加入稀土后待合金液均勻后再進(jìn)行澆注，最終得到各組試樣的鑄錠。

表1　金屬鑭化學(xué)成分

2.2成分分析及性能測(cè)試

用鉆床對(duì)1～5#鑄錠鉆孔得到銅屑，制成分析試樣，采用Analyst AA800原子吸收光譜儀來準(zhǔn)確測(cè)定稀土的含量。銅中其他合金元素含量的測(cè)定，則采用4460光電直讀光譜儀進(jìn)行測(cè)量，即從0～5#鑄錠中截取圓片試樣，對(duì)試樣表面進(jìn)行拋光后再進(jìn)行分析測(cè)試。

切取各組鑄錠部分試樣，通過鑲嵌、磨樣、拋光、腐蝕制備金相，在ZMEF4A型金相顯微鏡下進(jìn)行觀測(cè)，探究稀土La添加對(duì)純銅組織的影響；將腐蝕后的金相試樣再次拋光處理，在FM-700顯微硬度計(jì)上進(jìn)行硬度測(cè)試，探究稀土添加對(duì)純銅硬度的影響；用線切割制備拉伸試樣，試樣用砂紙打磨后在德國(guó)Zwick Z050型電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，拉伸速度為1 mm/min，每組實(shí)驗(yàn)選取3個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)量，性能結(jié)果取平均值，探究稀土添加對(duì)純銅力學(xué)性能的影響。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1成分分析

各批次試樣成分分析的結(jié)果如表2所示，可以看出隨著稀土La含量的升高，Si和Pb兩種元素的降低十分明顯，而由于原始純銅中的S元素含量較低，稀土添加對(duì)S元素含量的降低作用并不明顯，但總的來說稀土La添加起到了進(jìn)一步凈化純銅的作用，這對(duì)提高純銅的各方面的性能會(huì)將產(chǎn)生積極的影響［15-17］。

表2　各批次試樣成分

3.2組織分析

金相觀測(cè)的結(jié)果如圖1所示，圖1（a）～（f）分別為純銅、Cu-0.024％La、Cu-0.039％La、Cu-0.089％La、 Cu-0.185％La、Cu-0.319％La試樣的鑄態(tài)組織，可以看到，隨著稀土含量的升高，試樣的晶粒尺寸也越來越細(xì)小，從純銅到稀土La含量達(dá)到0.319％，試樣的晶粒逐漸由粗大的柱狀晶（圖1（a））轉(zhuǎn)變?yōu)檩^細(xì)小的柱狀晶（圖1（b）～（d））最終變?yōu)榧?xì)小柱狀晶與等軸晶的混晶組織（圖1（e））。這充分表明了，稀土添加對(duì)鑄態(tài)純銅晶粒具有明顯的細(xì)化作用，且在本實(shí)驗(yàn)稀土添加范圍內(nèi)，晶粒尺寸隨稀土La含量的升高而變得更為細(xì)小。

根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，晶粒越為細(xì)小，則材料的強(qiáng)度及塑形越好［18］，那么稀土La的加入勢(shì)必會(huì)相應(yīng)地提高純銅的力學(xué)性能。

圖1　不同稀土La添加量合金的組織

3.3力學(xué)性能

硬度測(cè)試及拉伸實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表3所示，根據(jù)相關(guān)結(jié)果繪制出圖2、3，可以看到隨著稀土添加量的增加，試樣的抗拉強(qiáng)度和硬度呈上升趨勢(shì)，5#試樣（稀土La含量0.319％）抗拉強(qiáng)度達(dá)到187.95MPa，硬度達(dá)到75.19HV，這與晶粒細(xì)化導(dǎo)致試樣強(qiáng)度升高的分析一致，其具體的機(jī)理還需要進(jìn)一步分析。從延伸率方面分析，隨著稀土含量的升高，稀土試樣的延伸率先升高后下降，在稀土含量達(dá)到0.089％時(shí)延伸率最高達(dá)到39.34％，但此時(shí)的延伸率仍低于純銅。這說明，雖然稀土能夠凈化熔體，降低純銅中部分雜質(zhì)元素的含量，但其加入純銅后形成第二相粒子造成的惡化作用要強(qiáng)于凈化作用，結(jié)果導(dǎo)致延伸率的下降。而稀土La含量為0.089％的微合金試樣之所以在延伸率方面達(dá)到極值，正是惡化作用與凈化作用共同作用的結(jié)果，所以從力學(xué)性能的各個(gè)方面來看，0.089％稀土La含量的微合金化銅合金具有較好的綜合性能。

表3　力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

圖2　不同La含量下鑄造純銅的抗拉強(qiáng)度變化

圖3　不同La含量下鑄造純銅的延伸率及顯微硬度的變化

4　結(jié)論

（1）稀土La添加可以顯著去除純銅中Si、Pb等雜元素，其凈化作用隨著稀土La含量的升高而增強(qiáng)。

（2）稀土La添加可以顯著細(xì)化純銅的晶粒，隨著稀土La含量的升高，稀土La微合金化純銅的晶粒逐漸由粗大柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小等軸晶與柱狀晶的混晶組織。

（3）微合金化純銅的抗拉強(qiáng)度與硬度隨著稀土La含量的升高獲得了很大的提升，但延伸率并沒有提高。綜合考慮，0.089％稀土La含量的微合金化純銅組織性能較好。

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Research on Micro-structure and Properties of Micro-alloyed Pure Copper with the Addition of Rare Earth Element La

MENG Fan-shuo1，CHEN Li-peng1，LIU Jin-song1，2，CHEN Yan2
（1.School of Materials Science and Engineering，Shenyang University of Science and Technology，Shenyang 110159，Liaoning，China；2.Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，Liaoning，China）

Abstract:Taking use of the micro-alloying principle，the rare earth element La was added into the pure copper.Then the microalloyed copper alloys with different content of La were produced by the vacuum melting furnace，and the microstructure and properties of the as-cast copper micro-alloyed with different content of La were explored.The composition analysis shows that the addition of La can effectively remove the impurity elements Si and Pb in the pure copper.And in the experimental range，the more the rare earth La added，the more obvious the purification worked； The results of microstructure observation show that the addition of La can also effectively refine the grain of copper，however the higher the content of La，the smaller the grain size is； Mechanical property tests show that the tensile strength and hardness improved after La addition.As the La content increased，the elongation of the samples increased first and then decreased.However the elongation of all the micro-alloyed copper alloys is lower than the initial pure copper.In general，the comprehensive performance of the micro-alloyed pure copper with the content of 0.089％ La is better.

Keywords:microalloying；La；as-cast pure copper；composition analysis；microstructure observation；mechanical property

中圖分類號(hào)：TG146.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3842（2016）02-0024-04

收稿日期：2015-08-31

作者簡(jiǎn)介：孟凡碩（1991-），男，河南虞城人，碩士研究生，主要從事銅及銅合金方面的研究。E-mail:fanshuomeng@126.com