微量元素對(duì)H65合金鑄態(tài)晶粒尺寸的影響

吳 語(yǔ)，柳瑞清

（1.江西銅業(yè)技術(shù)研究院有限公司，江西 南昌 330096；2.國(guó)家銅冶煉及加工工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330096；3.江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000）

1 引言

H65合金是銅及銅合金中常見(jiàn)的一種合金，由于其良好的加工性能、力學(xué)性能及低廉的價(jià)格，常被制作各種接觸元件、端子等。該合金的基本力學(xué)性能和特點(diǎn)，已被人們熟知。研究人員開(kāi)始思考如何進(jìn)一步提升該合金的性能。細(xì)晶強(qiáng)化是金屬材料常見(jiàn)的強(qiáng)化機(jī)制之一，人們?cè)诓牧现苽溥^(guò)程中，希望通過(guò)添加高熔點(diǎn)物質(zhì)或施加外場(chǎng)等手段，獲得晶粒細(xì)小的坯料，改善鑄坯性能，進(jìn)而提升材料的塑性加工性能和強(qiáng)度。研究表明［1-4］，在銅及銅合金中添加Ti、Co、La和Ce等微量元素，可以?xún)艋辖鸹w，顯著減小原始枝晶尺寸以及提高材料性能等。

本文研究對(duì)象為H65合金。在熔煉過(guò)程中，分別添加高熔點(diǎn)物質(zhì)Ti、Zr、Y、Co四種微量元素，獲得含有不同微量元素的H65合金鑄坯。對(duì)鑄坯組織進(jìn)行宏觀和微觀觀察分析，測(cè)量鑄坯硬度，研究上述四種微量元素對(duì)合金鑄態(tài)組織和硬度的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為H65合金，主要化學(xué)元素Cu：63.5 % ～ 68 %，Zn：32 % ～ 36 %。Ti、Zr、Y、Co四種元素分別以Cu-Ti中間合金、Cu-Zr中間合金、Cu-Y中間合金、Co粉的形式加入，添加量為0.02 %、0.04 %、0.06 %、0.08 %和0.10 %。為考察微量元素對(duì)H65合金的影響，另制備未添加任何微量元素的H65合金鑄坯。

熔化精煉在50 kg中頻感應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行，熔煉溫度1100～1120 ℃，澆注溫度1040～1050 ℃，Ф40 mm鐵模澆鑄。表1為合金各微量元素實(shí)際檢測(cè)含量，均在合金名義成分范圍內(nèi)。

表1 實(shí)驗(yàn)合金各元微量素實(shí)際含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

采用DK7720電火花線切割機(jī)進(jìn)行試樣截取。宏觀金相試樣采用濃度為40 %的HNO3溶液侵蝕，微觀金相試樣采用5 gFeCl3+10 mlHCl+100 ml C2H5OH溶液侵蝕；利用Keyence VHX-1000 3D光學(xué)顯微鏡及晶粒尺寸測(cè)量軟件進(jìn)行組織觀察、圖像采集和晶粒尺寸測(cè)量。

3 結(jié)果與分析

圖 1 至 圖 4 中（a）、（b）、（c）、（d）、（e）分別為添加0.02 %、0.04 %、0.06 %、0.08 %和0.10%的Ti、Zr、Y、Co四種元素的H65合金宏觀金相。圖5是未添加上述微量元素的H65合金宏觀金相。圖6是微量元素添加量與H65合金鑄態(tài)平均晶粒直徑關(guān)系曲線。

將圖1～圖4分別與圖5對(duì)比，結(jié)合圖6中平均晶粒直徑實(shí)測(cè)值，可知：

圖1 添加Ti的H65合金低倍組織（50X）

圖2 添加Zr的H65合金低倍組織（50X）

圖3 添加Y的H65合金低倍組織（50X）

圖4 添加Co的H65合金低倍組織（50X）

圖5 未添加微量元素的H65合金低倍組織（50X）

圖6 微量元素添加量與平均晶粒直徑關(guān)系曲線

H65合金中添加含量為0.02 %～0.08 %的微量元素Ti后，鑄態(tài)晶粒比未添加時(shí)細(xì)小，細(xì)化程度隨添加量的增加，先增大后減小，其中添加量為0.04 %時(shí)，平均晶粒直徑最?。?43.79 μm），是未添加時(shí)（380.56 μm）的64 %；H65合金中添加含量為0.10 %的微量元素Ti后，鑄態(tài)晶粒比未添加時(shí)更為粗大。

H65合金中添加含量為0.02 %～0.10 %的微量元素Zr后，除添加量為0.04 %時(shí)，鑄態(tài)晶粒異常粗大外，其余添加量均明顯細(xì)化晶粒，且細(xì)化程度隨添加量的增加而顯著增大，但趨勢(shì)放緩。其中，Zr的添加量為0.10 %時(shí)，細(xì)化后的鑄態(tài)平均晶粒直徑僅為65.98 μm，是未添加時(shí)的17.3 %。圖2（d）、（e）顯示，肉眼無(wú)法分辨出單個(gè)晶粒。

H65合金中添加含量為0.02 %～0.10 %的微量元素Y后，合金鑄態(tài)晶粒呈現(xiàn)為或細(xì)小或粗大的現(xiàn)象，并無(wú)明顯規(guī)律。

H65合金中添加含量為0.02 %～0.10 %的微量元素Co后，添加量為0.02 %時(shí)，合金鑄態(tài)平均晶粒直徑為160.77 μm，是未添加時(shí)的42.2 %；之后，隨著添加量的增加，合金鑄態(tài)晶粒細(xì)化效果減弱；添加量達(dá)到或超過(guò)0.08 %時(shí)，合金鑄態(tài)晶粒反而更加粗大。

綜上，四種微量添加元素中，除Y外，其余三種均對(duì)H65鑄態(tài)合金晶粒具有細(xì)化作用，但具體添加量各有區(qū)別。其中，Zr元素的細(xì)化效果最為明顯，添加量為0.08 %和0.10 %時(shí)，合金鑄態(tài)平均晶粒直徑分別為139.90 μm和65.98 μm，是未添加時(shí)的36.8 %和17.3 %。

分析認(rèn)為［5-8］，H65合金凝固過(guò)程中，晶粒大小取決于單位體積中所生成的晶核總數(shù)，晶核總數(shù)越大，則晶粒越小。晶核總數(shù)又與晶核的形成速率密切正相關(guān)，Ti、Zr、Co等元素具有在液相中完全溶解，而在固相中幾乎不溶解的特點(diǎn)，可以迅速增加液相中形核的數(shù)量，多個(gè)晶粒共同生長(zhǎng)。另一方面，根據(jù)Gibbs吸附理論［9］，這些組元更多地富集在晶界或其他界面，能優(yōu)先在金屬或合金新相結(jié)晶面上成長(zhǎng)，作選擇性的吸附，使晶體的繼續(xù)長(zhǎng)大受到阻礙。因此，在H65合金熔體中添加Ti、Zr、Co等元素，可以起到細(xì)化晶粒的作用。

4 結(jié)論及建議

（1）Ti、Zr、Co元素，對(duì)H65合金鑄態(tài)組織具有顯著細(xì)化作用，Y元素?zé)o明顯細(xì)化作用。

（2） Ti和Co元素在添加量0～0.10 %范圍內(nèi)，細(xì)化效果均呈現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象。

（3）Zr元素對(duì)H65鑄態(tài)合金晶粒細(xì)化作用極其顯著，添加量為0.10 %時(shí)，細(xì)化后的鑄態(tài)平均晶粒直徑僅為65.98 μm，是未添加時(shí)的17.3 %。