微量稀土對鑄態Cu-3.0Si-2.0Ni合金組織及性能的影響

袁孚勝, , ,

(1.中國瑞林工程技術有限公司, 江西 南昌 330031; 2.宜春職業技術學院 機電工程系, 江西 宜春 335000; 3.中色奧博特銅鋁業有限公司, 山東 臨清 252600; 4.中國石油吉林石化公司 吉化建修公司, 吉林 吉林 132021)

微量稀土對鑄態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.中國瑞林工程技術有限公司, 江西 南昌330031;
2.宜春職業技術學院 機電工程系, 江西 宜春335000;
3.中色奧博特銅鋁業有限公司, 山東 臨清252600;
4.中國石油吉林石化公司 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Cu-3.0Si-2.0Ni合金中添加稀土Ce后,進行熔煉及熱處理試驗,再通過室溫拉伸、導電率試驗和金相觀察,研究了微量Ce對鑄態Cu-3.0Si-2.0Ni合金組織與性能的影響.結果表明:鑄態合金晶粒隨著Ce含量的升高呈現先減小后遞增的趨勢;鑄態合金的抗拉強度和導電性隨著Ce的增加分別先升高后減低;當Ce的質量分數為0.06%時,鑄態合金的抗拉強度最高、導電性最強.

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產業的快速發展,小型化和輕量化是與之配套的相關電子儀器設備的發展趨勢,只有性能更加優異的彈性材料才能滿足相應的市場要求.一方面要求彈性元件的尺寸越來越細小、精度越來越高,迫使彈性元件的強度不斷提高;另一方面除要求彈性元件具有穩定的電接觸性外,其可靠的工作性能和良好的抗應力松弛性能還需在高溫、強腐蝕性、強震動、強輻照以及其他不斷變化的環境條件下具有.這就迫使人們去研究和探索新型的銅基彈性合金[1-6].Cu-Si-Ni合金系屬屈服強度高、導電率中等的銅合金,其作為彈性敏感元件被廣泛應用在電子通訊、繼電器、電氣開關和接插件等設備儀器中[7].

本文主要通過研究稀土元素Ce的不同添加量對鑄態Cu-3Si-2Ni合金組織及性能的影響規律,通過分析研究不同Ce含量的鑄態合金成分、顯微組織結構及力學性能,最終開發出較為理想的新型銅基彈性材料,使其能對實際生產起到良好的指導作用和產生較大的社會經濟效益.

1 試驗過程與方法

試驗采用純度為99.99%的標準陰極銅、99.90%的純鎳、99.50%的Si和Cu-Ce(Ce的質量分數為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行,采用PID控溫,爐子正常工作時的溫度波動為±1.5 ℃.

試驗采用WDW3200型微機控制電子萬能試驗機進行室溫力學性能測試,用SIGMASCOPE SMP10導電率測試儀測定合金的電導率;用XJZ-6A型金相顯微鏡觀察組織的變化.

表1 試驗合金的名義化學成分Tab.1 Chemical composition of alloys (質量分數/%)

2 試驗結果及分析

2.1 微量Ce對鑄態合金組織的影響分析

利用FeCl3溶液對1#～4#鑄態Cu-3.0Si-2.0Ni合金試樣進行腐蝕,對腐蝕后的鑄態合金組織通過光學顯微鏡進行觀察比較分析,得到鑄態合金的不同顯微組織在標尺為200 μm下的圖像.

圖2為鑄態Cu-3.0Si-2.0Ni合金微觀組織.由圖2可以看出,鑄態Cu-3.0Si-2.0Ni合金組織的偏析較嚴重,所以必須對合金進行均勻化處理.其工藝為:加熱溫度900 ℃,保溫時間4 h.

鑄態合金經過均勻化處理后,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合金中Ce含量的升高而不斷變小.當Ce的質量分數超過0.06%后,均勻化合金的晶粒又不斷長大.這表明Ce的添加量并不是越多越有利于改善鑄態合金組織,其理想加入量在0.06%(質量分數)左右;而Ce主要通過改善合金晶內雜質分布及細化其晶粒來影響鑄態合金的顯微組織結構.

Ce能起到上述作用是因為Ce進入銅熔液后快速與其他元素形成化合物.而其中與雜質元素反應生成高熔點的稀土化合物,在合金凝固過程中進入渣相中被除去,這樣有效地去除了雜質元素和凈化了基體;另外形成的其他彌散細小的高熔點稀土化合物,則成為銅液凝固過程中彌散的結晶核心,導致其在結晶過程中產生CeCu6等非自發晶核,從而使晶粒得到細化[8-9];而能實現這種效果的本質是因為Ce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對鑄態合金性能影響分析

2.2.1 鑄態合金力學性能分析

圖4為Ce含量對鑄態及均勻化后Cu-3.0Si-2.0Ni合金各試樣抗拉強度的影響曲線.由圖4中可看出,均勻化狀態下合金各試樣的抗拉強度普遍比鑄態的要高.這是因為鑄態合金經均勻化處理后,其原有鑄造過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含量對鑄態及均勻化Cu-3.0Si-2.0Ni合金抗拉強度的影響

從圖4中還可以看出,鑄態合金抗拉強度值在Ce的質量分數為0.06%時,達到最大值178.43 MPa,比沒有添加稀土元素的合金的最小值提高了39.2%.這是因為位錯的增殖和運動能改善材料的力學性能[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稀土化合物,細化了鑄態合金晶粒,晶界增多,增加了位錯運動阻礙的數目,大大縮短了位錯源到晶界的距離,顯著減小了晶粒內位錯塞積群的長度,極大地減弱了應力集中,晶界難以在外力作用下開裂,改善了合金的力學性能[11].然而當Ce的添加超過一定量時,合金中會有大量不均勻分布的氧化夾雜物產生,合金的力學性能降低[12].另外由于Ce的加入量過多,且Ce與Ni的親和力比Ce與Si的親和力弱,導致Ce與合金中的部分Si形成稀土硅化物,從而使在Cu-Si-Ni合金中起強化作用的第二相Ni2Si的數量大大減少,顯著降低了合金的強度[13].

均勻化態下合金的抗拉強度普遍比鑄態的要高,從組織上可以看出均勻化后合金的偏析情況基本消除,因此合金的抗拉強度升高.另外,鑄態Cu-3.0Si-2.0Ni合金在鑄造過程中產生了組織疏松、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合金的力學性能;通過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度有所提高.

2.2.2 鑄態合金導電性能分析

圖5為1#～4#鑄態合金試樣的導電率曲線.由圖5可知,添加Ce后合金的導電率提高;但鑄態合金的導電率隨Ce添加量的變化呈現出波動性.當Ce加入量為0.06%(質量分數)時合金的導電率最高.產生這種現象是由于Ce既凈化了銅合金基體又細化了其晶粒的結果.一方面,添加的Ce細化了合金晶粒,使合金晶界增加,增大了電子散射幾率,導致電阻率增大,導電率下降;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等低熔點雜質元素形成難熔的稀土化合物.它們在熔體內變成固態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電性.另外,鑄態Cu-3.0Si-2.0Ni合金的導電率普遍較低與其自身存在一定的鑄造缺陷有關.

圖5 Ce含量對鑄態Cu-3.0Si-2.0Ni合金導電率的影響

3 結 論

(1) 在Cu-3.0Si-2.0Ni合金中加入Ce能提高Cu-3.0Si-2.0Ni合金的導電率,當Ce的加入量為0.06%(質量分數)時導電率最高.

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

(3) 在Cu-3.0Si-2.0Ni合金中加入Ce能提高Cu-3.0Si-2.0Ni合金的抗拉強度.當Ce的加入量為0.06%(質量分數)時抗拉強度最高.

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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