微量鑭對純銅晶粒大小及硬度的影響

趙軒　孟祥鋒　周丹

摘 要 金屬材料的性能和晶粒大小有著密切關系，工業生產中常常通過不同的手段細化材料的晶粒，控制和改善銅及其合金組織，提高材料性能。文章通過在純銅中添加微量稀土元素鑭，研究鑭對純銅晶粒大小和硬度的影響，分析產生變化的原因。

關鍵詞 純銅；鑭；晶粒；硬度

中圖分類號：TG146 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）14-0064-01

稀土元素作為一種添加劑在黑色金屬中的應用已經進行了大量的研究，并在鋼鐵工業中成熟運用，并表現出良好的效

果[1]。而稀土元素在有色金屬中的應用，近些年來也越來越受到更廣泛的關注。關于稀土對銅和銅合金的作用方面也已做了大量的基礎和應用性研究工作。現在學者們普遍認為稀土的加入可以使銅及銅合金的熱塑性能、耐腐蝕性能、導電性能、機械性能等得到改善[2]。銅及銅合金中的雜質有氧、氫、硫、氮、鉛、秘等，這些元素的存在使銅的機械性能等受到很大影響。稀土元素對氧、氫、硫、氮等具有較高的親合力，可以起到凈化合金的作用，提高合金的性能和質量[3]。有文獻[4]記載不同稀土含量可以影響銅合金硬度。當稀土加入量增加時，銅合金的硬度也增加，而硬度達到某一值后增加則趨于平緩。文獻[5]討論了稀土對連續鑄造紫銅桿的變質作用，指出添加微量稀土元素釔或混合稀土可細化鑄桿的晶粒，提高紫銅桿的機械性能。

本文通過在純銅中加入稀土元素鑭，采用真空熔煉，分析研究微量稀土元素鑭對純銅晶粒大小和硬度的影響，為稀土在銅中作用的研究做基礎性工作。

1 實驗材料及方法

原材料采用99.9%的T2純銅和純度都大于99.9%的稀土金屬鑭。純銅在加熱前要進行使用碳酸鈉水溶液表面處理和預熱去氣。粉末狀稀土鑭和紫銅棒一起放入事先烘干的石墨坩堝中，放入真空熔煉爐中加熱到設計溫度，保溫預定時間，然后采用爐冷。通過不同的成分配比加工成成分0.02、0.04、0.06、0.08和0.1wt%系列的Cu-Re合金試樣。在XLM-20型金相顯微鏡下觀察組織，并做定量金相分析。在布氏硬度機測量試樣的硬度。

2 實驗結果與分析

2.1 試驗結果

2.2 鑭對晶粒大小的影響

晶粒大小是由晶粒度表示。而晶粒度的數值表示有多種。為了更方便直觀，本實驗采用金相法測量的晶粒大小用公稱直徑表示。從實驗結果我們能清楚的看到微量鑭的加入起到細化晶粒的作用。

學者普遍認為稀土元素能脫氧和去除雜質的能力都很強，并且和銅液中的硅、鐵等雜質形成難溶的多元稀土化合物[6]，由于這些化合物熔點高。熔煉過程中常以顆粒狀懸浮于熔體之中，形成結晶形核的基底，增加了細小等軸晶的生成，從而細化晶粒。另一方面，鑭原子半徑大于銅的原子半徑，進入銅相晶格內引起較大的晶格畸變，產生較大的畸變能，使系統能量增加，稀土原子只能向高能量的晶界富集，使系統保持最低的自由能。所以鑄態組織中鑭原子大部分沿晶界分布，而且阻滯晶粒得長大。在以上兩方面的作用下，純銅的晶粒被細化了。

2.3 鑭對純銅硬度的影響

從實驗結果來看，稀土鑭對純銅硬度影響隨著稀土加入量的增加硬度逐漸增大，并且當含量超過0.08wt%時，硬度顯著提高。

試驗過程中，稀土元素的加入量逐漸增加，合金成分的變化帶來了組織結構的變化，這一點可以通過硬度試驗能敏感的反映出來。最初當鑭的加入量很少時，稀土原子進入銅晶格的間隙中，產生晶格畸變，引起固溶強化。這種強化是由于晶格畸變應力場與位錯應力場的交互作用，阻礙了位錯運動，從而強化。同時溶質原子本身與位錯的交互作用也引起強度的變化。另一方面，晶粒大小也會影響性能，主要反映在晶界的影響。減小晶粒尺寸可以增加位錯運動障礙的數量，減小同一晶粒內位錯塞積長度，而在一個晶粒內部只有塞積更多數量的位錯才能給相鄰晶粒位錯源的開動提供必要動力，這就增大了位錯運動的阻力。再有晶粒越細小，晶界就越多越曲折，越不利于裂紋的傳播，從而在斷裂前可承受較大的塑性變形。從實驗結果中看到，加入少量的鑭之后，晶粒細化，增加晶界對位錯阻礙，起到細晶強化的作用。此外由于鑭的加入，還會形成鑭和銅的金屬間化合物。這些金屬間化合物粒子較硬，分布于基體中，成為位錯運動的阻力。隨著稀土含量增加，粒子數增多，對位錯運動的阻力增大，合金被強化的程度增加，因此合金的硬度增加。在以上幾方面原因共同作用下，鑭使純銅的硬度提高。

3 結論

通過實驗結果顯示，在純銅中添加微量的稀土元素鑭，可以起到細化晶粒的作用，并且隨著鑭元素加入量的增加，細化作用會更明顯。微量的稀土元素鑭能夠提高純銅的硬度，當加入量超過0.08wt%時，強化作用更加明顯。從晶粒大小和硬度之間的變化關系可以推斷，晶粒越細小硬度越高。

參考文獻

[1]余宗森.稀土在鋼中應用的新進展[J].材料科學進展，1987，1（7）：1.

[2]莊紅，劉勇健.稀土對銅及銅合金性能的影響[J].有色金屬，1997，47（2）：90-94.

[3]張密林，等.稀土在鋁及其合金中的應用進展[J].稀土，1988（5）：34-36.

[4]劉技文.稀土銅鉻鋯合金性能的研究[J].上海金屬（有色分冊），1993（5）：10-11.

[5]魏志慶，鄭培新.稀土對真空上引法連續鑄造紫銅桿的變質作用[J].稀土，1991（1）：53-55.

[6]談榮生，孫連超.稀土對變形鉛黃銅高溫性能的影響[J].中國稀土學報，1992（3）：239-242.endprint