微量稀土對(duì)鑄態(tài)Cu-3.0Si-2.0Ni合金組織及性能的影響

袁孚勝, , ,

(1.中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司, 江西 南昌 330031; 2.宜春職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系, 江西 宜春 335000; 3.中色奧博特銅鋁業(yè)有限公司, 山東 臨清 252600; 4.中國(guó)石油吉林石化公司 吉化建修公司, 吉林 吉林 132021)

微量稀土對(duì)鑄態(tài)Cu-3.0Si-2.0Ni合金組織及性能的影響

袁孚勝1,鐘海燕2,梁琦明3,劉霞4

(1.中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司, 江西 南昌330031;
2.宜春職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系, 江西 宜春335000;
3.中色奧博特銅鋁業(yè)有限公司, 山東 臨清252600;
4.中國(guó)石油吉林石化公司 吉化建修公司, 吉林 吉林132021)

加入適量的稀土元素能有效改善銅合金的組織和性能.鑄態(tài)Cu-3.0Si-2.0Ni合金中添加稀土Ce后,進(jìn)行熔煉及熱處理試驗(yàn),再通過(guò)室溫拉伸、導(dǎo)電率試驗(yàn)和金相觀察,研究了微量Ce對(duì)鑄態(tài)Cu-3.0Si-2.0Ni合金組織與性能的影響.結(jié)果表明:鑄態(tài)合金晶粒隨著Ce含量的升高呈現(xiàn)先減小后遞增的趨勢(shì);鑄態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電性隨著Ce的增加分別先升高后減低;當(dāng)Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%時(shí),鑄態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度最高、導(dǎo)電性最強(qiáng).

微量稀土;Cu-3.0Si-2.0Ni合金; 微觀組織; 性能

0 前 言

隨著電子通訊等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,小型化和輕量化是與之配套的相關(guān)電子儀器設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì),只有性能更加優(yōu)異的彈性材料才能滿足相應(yīng)的市場(chǎng)要求.一方面要求彈性元件的尺寸越來(lái)越細(xì)小、精度越來(lái)越高,迫使彈性元件的強(qiáng)度不斷提高;另一方面除要求彈性元件具有穩(wěn)定的電接觸性外,其可靠的工作性能和良好的抗應(yīng)力松弛性能還需在高溫、強(qiáng)腐蝕性、強(qiáng)震動(dòng)、強(qiáng)輻照以及其他不斷變化的環(huán)境條件下具有.這就迫使人們?nèi)パ芯亢吞剿餍滦偷你~基彈性合金[1-6].Cu-Si-Ni合金系屬屈服強(qiáng)度高、導(dǎo)電率中等的銅合金,其作為彈性敏感元件被廣泛應(yīng)用在電子通訊、繼電器、電氣開關(guān)和接插件等設(shè)備儀器中[7].

本文主要通過(guò)研究稀土元素Ce的不同添加量對(duì)鑄態(tài)Cu-3Si-2Ni合金組織及性能的影響規(guī)律,通過(guò)分析研究不同Ce含量的鑄態(tài)合金成分、顯微組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能,最終開發(fā)出較為理想的新型銅基彈性材料,使其能對(duì)實(shí)際生產(chǎn)起到良好的指導(dǎo)作用和產(chǎn)生較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益.

1 試驗(yàn)過(guò)程與方法

試驗(yàn)采用純度為99.99%的標(biāo)準(zhǔn)陰極銅、99.90%的純鎳、99.50%的Si和Cu-Ce(Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%)中間合金,熔煉溫度為1 250 ℃,熔煉流程見圖1;鐵模鑄造,經(jīng)銑面合金的名義成分見表1.

圖1 Cu-Si-Ni合金熔煉工藝流程Fig.1 Technical route of Cu-Si-Ni alloy smelting

合金鑄錠的均勻化處理在箱式電阻爐中進(jìn)行,采用PID控溫,爐子正常工作時(shí)的溫度波動(dòng)為±1.5 ℃.

試驗(yàn)采用WDW3200型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫力學(xué)性能測(cè)試,用SIGMASCOPE SMP10導(dǎo)電率測(cè)試儀測(cè)定合金的電導(dǎo)率;用XJZ-6A型金相顯微鏡觀察組織的變化.

表1 試驗(yàn)合金的名義化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of alloys (質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 微量Ce對(duì)鑄態(tài)合金組織的影響分析

利用FeCl3溶液對(duì)1#～4#鑄態(tài)Cu-3.0Si-2.0Ni合金試樣進(jìn)行腐蝕,對(duì)腐蝕后的鑄態(tài)合金組織通過(guò)光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察比較分析,得到鑄態(tài)合金的不同顯微組織在標(biāo)尺為200 μm下的圖像.

圖2為鑄態(tài)Cu-3.0Si-2.0Ni合金微觀組織.由圖2可以看出,鑄態(tài)Cu-3.0Si-2.0Ni合金組織的偏析較嚴(yán)重,所以必須對(duì)合金進(jìn)行均勻化處理.其工藝為:加熱溫度900 ℃,保溫時(shí)間4 h.

鑄態(tài)合金經(jīng)過(guò)均勻化處理后,組織的偏析程度降低,合金的組織更均勻,如圖3所示.

從圖3中可以看出,均勻化合金的晶粒隨著鑄態(tài)合金中Ce含量的升高而不斷變小.當(dāng)Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.06%后,均勻化合金的晶粒又不斷長(zhǎng)大.這表明Ce的添加量并不是越多越有利于改善鑄態(tài)合金組織,其理想加入量在0.06%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右;而Ce主要通過(guò)改善合金晶內(nèi)雜質(zhì)分布及細(xì)化其晶粒來(lái)影響鑄態(tài)合金的顯微組織結(jié)構(gòu).

Ce能起到上述作用是因?yàn)镃e進(jìn)入銅熔液后快速與其他元素形成化合物.而其中與雜質(zhì)元素反應(yīng)生成高熔點(diǎn)的稀土化合物,在合金凝固過(guò)程中進(jìn)入渣相中被除去,這樣有效地去除了雜質(zhì)元素和凈化了基體;另外形成的其他彌散細(xì)小的高熔點(diǎn)稀土化合物,則成為銅液凝固過(guò)程中彌散的結(jié)晶核心,導(dǎo)致其在結(jié)晶過(guò)程中產(chǎn)生CeCu6等非自發(fā)晶核,從而使晶粒得到細(xì)化[8-9];而能實(shí)現(xiàn)這種效果的本質(zhì)是因?yàn)镃e離子的半徑比Cu離子的半徑大,Ce不能與Cu形成間隙式固溶體,導(dǎo)致Ce在Cu中的固溶度極小,促使Ce能快速與其他元素形成稀土化合物.

圖2 鑄態(tài)Cu-3.0Si-2.0Ni合金微觀組織Fig .2 Microstructure of as cast Cu-3.0Si-2.0Ni alloy

圖3 均勻化Cu-3.0Si-2.0Ni合金組織Fig.3 Homogenization of Cu-3.0Si-2.0Ni alloy

2.2 微量Ce對(duì)鑄態(tài)合金性能影響分析

2.2.1 鑄態(tài)合金力學(xué)性能分析

圖4為Ce含量對(duì)鑄態(tài)及均勻化后Cu-3.0Si-2.0Ni合金各試樣抗拉強(qiáng)度的影響曲線.由圖4中可看出,均勻化狀態(tài)下合金各試樣的抗拉強(qiáng)度普遍比鑄態(tài)的要高.這是因?yàn)殍T態(tài)合金經(jīng)均勻化處理后,其原有鑄造過(guò)程中形成的各種缺陷得到改善,組織成分更均勻,成分偏析基本消除.

圖4 Ce含量對(duì)鑄態(tài)及均勻化Cu-3.0Si-2.0Ni合金抗拉強(qiáng)度的影響

從圖4中還可以看出,鑄態(tài)合金抗拉強(qiáng)度值在Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%時(shí),達(dá)到最大值178.43 MPa,比沒(méi)有添加稀土元素的合金的最小值提高了39.2%.這是因?yàn)槲诲e(cuò)的增殖和運(yùn)動(dòng)能改善材料的力學(xué)性能[10].由于Ce與Cu兩者離子半徑相差大,并且前者比后者大,不滿足形成其他各種固溶體的條件,使其在銅中的固溶度很小,有利于Ce與合金中的各種元素形成彌散分布的不同原子比的高熔點(diǎn)稀土化合物,細(xì)化了鑄態(tài)合金晶粒,晶界增多,增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙的數(shù)目,大大縮短了位錯(cuò)源到晶界的距離,顯著減小了晶粒內(nèi)位錯(cuò)塞積群的長(zhǎng)度,極大地減弱了應(yīng)力集中,晶界難以在外力作用下開裂,改善了合金的力學(xué)性能[11].然而當(dāng)Ce的添加超過(guò)一定量時(shí),合金中會(huì)有大量不均勻分布的氧化夾雜物產(chǎn)生,合金的力學(xué)性能降低[12].另外由于Ce的加入量過(guò)多,且Ce與Ni的親和力比Ce與Si的親和力弱,導(dǎo)致Ce與合金中的部分Si形成稀土硅化物,從而使在Cu-Si-Ni合金中起強(qiáng)化作用的第二相Ni2Si的數(shù)量大大減少,顯著降低了合金的強(qiáng)度[13].

均勻化態(tài)下合金的抗拉強(qiáng)度普遍比鑄態(tài)的要高,從組織上可以看出均勻化后合金的偏析情況基本消除,因此合金的抗拉強(qiáng)度升高.另外,鑄態(tài)Cu-3.0Si-2.0Ni合金在鑄造過(guò)程中產(chǎn)生了組織疏松、氣孔等各種鑄造缺陷,而合金的這些鑄造缺陷在一定程度上損害了鑄態(tài)合金的力學(xué)性能;通過(guò)均勻化處理后合金的鑄造缺陷在一定程度上得到改善,從而使得合金的抗拉強(qiáng)度有所提高.

2.2.2 鑄態(tài)合金導(dǎo)電性能分析

圖5為1#～4#鑄態(tài)合金試樣的導(dǎo)電率曲線.由圖5可知,添加Ce后合金的導(dǎo)電率提高;但鑄態(tài)合金的導(dǎo)電率隨Ce添加量的變化呈現(xiàn)出波動(dòng)性.當(dāng)Ce加入量為0.06%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)合金的導(dǎo)電率最高.產(chǎn)生這種現(xiàn)象是由于Ce既凈化了銅合金基體又細(xì)化了其晶粒的結(jié)果.一方面,添加的Ce細(xì)化了合金晶粒,使合金晶界增加,增大了電子散射幾率,導(dǎo)致電阻率增大,導(dǎo)電率下降;另一方面,加入的Ce凈化了銅基體,使其與合金中的Pb、Bi和S等低熔點(diǎn)雜質(zhì)元素形成難熔的稀土化合物.它們?cè)谌垠w內(nèi)變成固態(tài)與熔渣一同從銅液中清除,基體得到凈化,晶格畸變減弱,減小了電子散射幾率,從而提高了合金的導(dǎo)電性.另外,鑄態(tài)Cu-3.0Si-2.0Ni合金的導(dǎo)電率普遍較低與其自身存在一定的鑄造缺陷有關(guān).

圖5 Ce含量對(duì)鑄態(tài)Cu-3.0Si-2.0Ni合金導(dǎo)電率的影響

3 結(jié) 論

(1) 在Cu-3.0Si-2.0Ni合金中加入Ce能提高Cu-3.0Si-2.0Ni合金的導(dǎo)電率,當(dāng)Ce的加入量為0.06%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)導(dǎo)電率最高.

(2) 在Cu-3.0Si-2.0Ni合金中加入Ce能凈化銅基體,細(xì)化晶粒,但加入過(guò)量的Ce反而會(huì)使晶粒粗大.

(3) 在Cu-3.0Si-2.0Ni合金中加入Ce能提高Cu-3.0Si-2.0Ni合金的抗拉強(qiáng)度.當(dāng)Ce的加入量為0.06%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)抗拉強(qiáng)度最高.

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EffectofTraceRareEarthElementontheMicrostructureandPropertiesofAs-castCu-3.0Si-2.0NiAlloy

YUANFu-sheng1,ZHONGHai-yan2,LIANGQi-ming3,LIUXia4

(1.ChinaNerinRuilinEngineeringCo.,Ltd.,Nanchang330031,China;
2.ElectricalEngineering,YichunVocationalTechnicalCollege,Yichun335000,China;
3.CNMCAlbetterAlbronzeCo.,Ltd.,Linqing252600,China;
4.PetrochinaJilinPetrochemicalJianxiuCompany,Jilin132021,China)

The structure and properties of copper alloy were improved by adding proper amount of rare earth elements.The as-cast Cu-3.0Si-2.0Ni alloy with different addition of Ce was designed,and a series of samples were fabricated after melting,casting and heat treatments.Effects of Ce on the structure and properties of as-cast Cu-3.0Si-2.0Ni alloy were investigated by means of tensile test and electric conductivity test at room temperature.The results show that the size of casting grain first decreased and then increased with the increasing addition of Ce.The strength and electric conductivity of cast alloy first increased and then decreased with the rise of Ce content.It is also found that the cast alloy obtained the best tensile strength and electric conductivity when the amount of Ce reached 0.06%.Keywordstrace rare earth elements; Cu-3.0Si-2.0Ni alloy; microstructure; properties

1005-2046(2014)02-0057-04+0075

10．13258／j．cnki．snm．2014．02．003

2013-12-11

袁孚勝(1984-),男,工程師,主要從事有色金屬加工.E-mail:yuanfusheng@nerin.com.

TG146

A