電磁攪拌頻率對Cu-2Ag-0.04La合金組織及性能的影響*

郭 偉，陳 巖，洪志遠，宋鴻武，王克魯，張士宏,4，邱 仟

（1.南昌航空大學航空制造工程學院，江西 南昌 330063；2.中國科學院金屬研究所師昌緒先進材料創新中心, 遼寧 沈陽110016；3.江西銅業技術研究院有限公司, 江西 南昌 330096；4. 江西銅業股份有限公司, 江西 南昌 330096）

1 引言

近年來，由于航空航天、微電子、軌道交通、通訊等行業的迅速發展，對高強高導銅合金的性能提出更高的要求。高強高導銅合金微細導線廣泛應用于集成電路封裝、微特電機、電聲器材和電磁閥等元器件中［1-3］。其中，Cu-Ag合金具有眾多優良性能，如Ag的添加對銅的塑性影響不大；Ag元素的添加對銅基體導電性的影響最小，且導電率遠高于其他方法制備的等強度銅基材料［4］；小變形可以獲得較高的強度［5］；可通過熱處理提可高塑性和導電性，結合適當的冷加工工藝可使材料具有良好的電學和力學性能［6］。因此，近年來，Cu-Ag合金被認為是生產超微細銅導線材最理想的材料［7］。

張欣［8］等研究了稀土元素對Al-3.0wt.%Mg合金微觀組織影響和作用機理，表明適量的稀土能夠細化該合金的晶粒、枝晶和骨骼狀富鐵第二相，具有優秀的除雜作用，并顯著提高合金的性能。

電磁場技術在半固態合金加工中的應用促進了制備工藝的開發和創新［9］，因其與合金熔體非接觸、零污染、操作簡單等優點，有研究表明電磁攪拌對銅合金的鑄態組織也有明顯改善作用［10-11］。索小娟［12］等研究了不同電磁攪拌頻率對A356鋁合金試樣晶粒大小和形狀的影響。發現電磁攪拌對試樣的晶粒有明顯的細化作用,對晶粒的形狀有一定改善作用；隨電磁攪拌頻率的增加晶粒的尺寸大小呈現出先降低后增加的趨勢。Mehr N F［13］等研究了電磁強度、攪拌時間和臺階厚度對試樣微觀組織演變、形狀因子、球形當量直徑、固體分數和顯微硬度的影響，根據組織與硬度結果獲得了電磁攪拌最佳參數。

采用定向凝固技術制備的柱狀晶體微觀結構有效地降低了斷線現象，簡化了傳統的制絲工藝，降低了成本［14-15］。本文以Cu-2%Ag合金為對象，通過添加微量稀土La及在下引定向凝固連鑄過程中對合金熔體進行不同頻率的電磁攪拌，研究了電磁攪拌頻率對Cu-2%Ag-0.04%La合金凝固組織和力學性能影響。

2 試驗材料與方法

采用電解銅、高純銀和稀土鑭按2%Ag和0.04%La配比，利用真空感應爐熔煉，鑄造出Cu-2%Ag及Cu-2%Ag-0.04%La合金桿坯。實驗裝置為真空下引連續鑄造爐，額定容量為25 kg，其示意圖如圖1。把銅料放入坩堝，抽真空，升溫至1160 ℃并保溫后，加入純銀及稀土鑭。在下引鑄造過程中對合金熔體進行進行電磁攪拌，攪拌頻率分別為10 Hz、20 Hz、30 Hz、40 Hz，電流大小為280 A。待銅液升溫至牽引溫度后，保溫靜置15 min后，開始牽引，牽引速度為5 mm/min，連鑄出Φ15 mm的Cu-2%Ag-0.04%La合金桿。

圖1 真空下引式連鑄裝置示意圖

對不同參數的Φ15 mm鑄態桿坯進行宏觀組織觀察及力學性能檢測。截取Φ15 mm鑄態試樣的橫向和縱向組織進行機械磨拋，隨后腐蝕用3.5 gFeCl3、25 mL無水乙醇和75 mL純凈水混合溶液進行侵蝕，使用Olympus OLS-5000激光共聚焦顯微鏡進行組織觀察。利用AFFRI DM8型號硬度儀測試合金的Vickers硬度，加載載荷為100 g，加載時間15 s，每個樣品測試6個以上不同的位置，取平均值作為該樣品的硬度。不同電磁攪拌頻率樣品各取3個制成拉伸標準樣，在MTS E45.105型號萬能試驗機進行拉伸試驗，拉伸速度為2 mm/min，測量拉伸性能。

3 試驗結果及分析

3.1 電磁攪拌頻率對Cu-2%Ag-0.04%La合金組織的影響

不同攪拌頻率下Cu-2%Ag-0.04%La合金的鑄態金相組織如圖2所示。從中可以看出，隨著頻率的增加，橫截面方向微觀組織中枝晶逐漸粗化；縱截面方向微觀組織中長條形枝晶逐漸增多。同時枝晶間隙中分布著白色較大顆粒，為Cu-2%Ag-0.04%La合金的第二相。

當攪拌頻率為10 Hz時，橫截面方向枝晶數量較多，分布密集，一次枝晶臂長70.3 μm（平均值，下同），寬10.1 μm；二次枝晶臂長49.5 μm，寬12.5 μm，一次枝晶與二次枝晶長度相差較大；縱截面方向組織長條狀枝晶排列整齊，比較稀疏，與下引方向一致，其中枝晶間距為12.3 μm，枝晶間隙分布有少量第二相顆粒，見圖2(a)和圖2(b)。當攪拌頻率增加到20 Hz時，Cu-2%Ag-0.04%La合金橫截面方向組織枝晶略有增大，一次枝晶臂長78.5 μm，寬12.8 μm，二次枝晶臂長60.6 μm，寬14.9 μm；縱截面方向組織長條狀枝晶間距為11.5 μm，排列也較為緊密，見圖2(c)和圖2(d)。當攪拌頻率增大到30 Hz時，橫截面方向組織枝晶增大更為明顯，枝晶排列較為稀疏，一次枝晶臂長80.7 μm，寬14.5 μm，二次枝晶臂長70.6 μm，寬16.5 μm；縱截面方向組織長條狀枝晶排列反而稀疏，枝晶間距為11.1 μm，枝晶數量減少，見圖2(e)和圖2(f)。頻率為40 Hz時，合金的橫截面方向枝晶更為疏散，一次枝晶與二次枝晶長度較為接近，其中一次枝晶臂長度增加到88.3 μm，寬增加到15.1 μm，二次枝晶臂長增長至76.1 μm，寬增加到17.8 μm；縱截面方向組織長條狀枝晶排列變得緊密，枝晶間距僅為10.3 μm，枝晶寬度均減小、數量增加，見圖2(g)和圖2(h)。

圖2 不同攪拌頻率的Cu-2%Ag-0.04%La合金的金相組織

在初生Cu枝晶的生長過程中，由于溫度和濃度的波動，局部的枝晶側面會向外突出，因為這些突出部分處于更有利于生長的成分過冷區環境中，所以一次枝晶不僅能夠繼續快速生長，而且延伸會產生分枝，形成了一次枝晶骨干較長的樹枝晶。在施加在電磁攬拌后，由于電磁攪拌引起的強烈混合對流作用［16］，使得Cu-2%Ag-0.04%La合金熔體的溫度和成分均勻，溫度波動和濃度波動減小，晶粒本身隨溶液混合對流運動而轉動。在這種情況下，晶粒的生長在任何方向上都沒有明顯的優先性，因此枝晶的生長在各個方向上都是一樣的，隨著攪拌頻率增加，攪拌強度也隨之增大，熔體對流也變得強烈，熔體中的成分溫度更加均勻，進一步消除了由于溫差和成分過冷造成的晶粒的優先生長，最終形成了一次枝晶和二次枝晶粗長且長度接近的樹枝晶。

3.2 電磁攪拌頻率對Cu-2%Ag-0.04%La合金力學性能的影響

圖3為不同電磁攪拌頻率下Cu-2%Ag-0.04%La合金的應力應變曲線。從中可見，隨著電磁攪拌頻率的增加，Cu-2%Ag-0.04%La合金的力學性能有著下降的趨勢。當電磁攪拌頻率從10Hz增加到40Hz時，抗拉強度由198.0 MPa減少至181.2 MPa，延伸率的變化不是很明顯。表1給出了不同電磁攪拌頻率條件下Cu-2%Ag-0.04%La合金的顯微硬度。隨著電磁攪拌頻率的增大，硬度從79.2 HV持續下降到73.4 HV，較10 Hz的合金降幅達7.3%。這一顯微硬度的變化規律與拉伸實驗結果一致。

表1 在不同頻率下Cu-2%Ag-0.04%La合金的力學性能

圖3 在不同頻率下Cu-2%Ag-0.04%La合金的應力應變曲線

力學性能的變化主要枝晶形貌與數量有關，合適的電磁攪拌頻率能有效改善合金的組織，提高其硬度性能。由合金橫向組織對比可知（見圖2），隨著攪拌頻率提高，橫截面上的枝晶組織排列稀疏，數量減少，且枝晶逐漸長的粗長，符合Hall-Petch公式，合金硬度和強度下降。細短的初生Cu枝晶排列比較密集，在合金塑性變形過程中，位錯滑移運動會在該位置受到阻礙，而分布疏散的粗大型枝晶，抵抗變形的能力會下降。

4 結論

（1）橫截面方向組織主要由緊密排布的枝晶組成，且隨著攪拌頻率增加，枝晶逐漸粗化；縱截面方向組織主要由規則排布的長條枝晶組成，隨著攪拌頻率增加，長條狀枝晶逐漸增多。并有少量第二相分布在枝晶臂間。

（2）隨著攪拌頻率增加，合金硬度和強度都有著持續下降的變化趨勢。頻率升高至40 Hz時，較頻率10 Hz的合金，抗拉強度下降了8.5%，硬度值也下降了7.4%，延伸率變化規律不明顯。力學性能變化主要與橫截面方向的枝晶數量和形貌有關。