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(yuǎn)，宋鴻武，王克魯，張士宏,4，邱 仟

（1.南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，江西 南昌 330063；2.中國科學(xué)院金屬研究所師昌緒先進(jìn)材料創(chuàng)新中心, 遼寧 沈陽110016；3.江西銅業(yè)技術(shù)研究院有限公司, 江西 南昌 330096；4. 江西銅業(yè)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(yè)的迅速發(fā)展，對高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的性能提出更高的要求。高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金微細(xì)導(dǎo)線廣泛應(yīng)用于集成電路封裝、微特電機(jī)、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(yōu)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(dǎo)電性的影響最小，且導(dǎo)電率遠(yuǎn)高于其他方法制備的等強(qiáng)度銅基材料［4］；小變形可以獲得較高的強(qiáng)度［5］；可通過熱處理提可高塑性和導(dǎo)電性，結(jié)合適當(dāng)?shù)睦浼庸すに嚳墒共牧暇哂辛己玫碾妼W(xué)和力學(xué)性能［6］。因此，近年來，Cu-Ag合金被認(rèn)為是生產(chǎn)超微細(xì)銅導(dǎo)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(jī)理，表明適量的稀土能夠細(xì)化該合金的晶粒、枝晶和骨骼狀富鐵第二相，具有優(yōu)秀的除雜作用，并顯著提高合金的性能。

電磁場技術(shù)在半固態(tài)合金加工中的應(yīng)用促進(jìn)了制備工藝的開發(fā)和創(chuàng)新［9］，因其與合金熔體非接觸、零污染、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，有研究表明電磁攪拌對銅合金的鑄態(tài)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(fā)現(xiàn)電磁攪拌對試樣的晶粒有明顯的細(xì)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(xiàn)出先降低后增加的趨勢。Mehr N F［13］等研究了電磁強(qiáng)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(dāng)量直徑、固體分?jǐn)?shù)和顯微硬度的影響，根據(jù)組織與硬度結(jié)果獲得了電磁攪拌最佳參數(shù)。

采用定向凝固技術(shù)制備的柱狀晶體微觀結(jié)構(gòu)有效地降低了斷線現(xiàn)象，簡化了傳統(tǒng)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(jìn)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(xué)性能影響。

2 試驗(yàn)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(yīng)爐熔煉，鑄造出Cu-2%Ag及Cu-2%Ag-0.04%La合金桿坯。實(shí)驗(yàn)裝置為真空下引連續(xù)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(jìn)行進(jìn)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(shù)的Φ15 mm鑄態(tài)桿坯進(jìn)行宏觀組織觀察及力學(xué)性能檢測。截取Φ15 mm鑄態(tài)試樣的橫向和縱向組織進(jìn)行機(jī)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(jìn)行侵蝕，使用Olympus OLS-5000激光共聚焦顯微鏡進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)樣，在MTS E45.105型號萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為2 mm/min，測量拉伸性能。

3 試驗(yàn)結(jié)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(tài)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(dāng)攪拌頻率為10 Hz時，橫截面方向枝晶數(shù)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(dāng)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(dāng)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(shù)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(shù)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(cè)面會向外突出，因?yàn)檫@些突出部分處于更有利于生長的成分過冷區(qū)環(huán)境中，所以一次枝晶不僅能夠繼續(xù)快速生長，而且延伸會產(chǎn)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(qiáng)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(yùn)動而轉(zhuǎn)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(yōu)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(qiáng)度也隨之增大，熔體對流也變得強(qiáng)烈，熔體中的成分溫度更加均勻，進(jìn)一步消除了由于溫差和成分過冷造成的晶粒的優(yōu)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(xué)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(yīng)力應(yīng)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(xué)性能有著下降的趨勢。當(dāng)電磁攪拌頻率從10Hz增加到40Hz時，抗拉強(qiáng)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(xù)下降到73.4 HV，較10 Hz的合金降幅達(dá)7.3%。這一顯微硬度的變化規(guī)律與拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

表1 在不同頻率下Cu-2%Ag-0.04%La合金的力學(xué)性能

圖3 在不同頻率下Cu-2%Ag-0.04%La合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線

力學(xué)性能的變化主要枝晶形貌與數(shù)量有關(guān)，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(shù)量減少，且枝晶逐漸長的粗長，符合Hall-Petch公式，合金硬度和強(qiáng)度下降。細(xì)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(yùn)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(jié)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(guī)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(qiáng)度都有著持續(xù)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(qiáng)度下降了8.5%，硬度值也下降了7.4%，延伸率變化規(guī)律不明顯。力學(xué)性能變化主要與橫截面方向的枝晶數(shù)量和形貌有關(guān)。