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稀土銅合金在冶煉銅合金中起到的作用

2020-09-16

一、稀土對銅及銅合金組織的影響
1、凈化組織
工業用銅中往往含有多種雜質,雖然有些雜質含量很低,甚至低于0.001 %(質量分數,下同) ,但是這些雜質元素會嚴重影響銅及銅合金的加工性能、降低導電性及導熱性。如氧、硫和銅形成的脆性化合物(Cu2O 和Cu2S) 可以降低銅的塑性,這些脆性化合物冷拉時還會產生毛刺,并降低銅的導電性、耐蝕性和焊接性能。稀土凈化銅及銅合金組織主要有兩種方式: (1) 稀土與氧和硫的親和力很強,形成熔點較高,熱穩定性強,比重較小的稀土化合物,從而達到脫硫、脫氧的作用;又稀土元素很容易與原子態氫發生作用,生成RH2 或RH3 型穩定氫化物(R 代表稀土金屬) ,這些氫化物以固溶體的形式溶于銅合金中,從而消除了氫的有害作用。(2) 稀土與鉛、鉍等元素生成比銅熔點高的高熔點金屬間化合物,因此在銅熔鑄過程中,可以保持固體狀態,與熔渣一起從液體金屬銅合金中排除,達到脫鉛、鉍的目的。
2、細化組織
稀土對銅及銅合金顯微組織的影響主要體現為細化晶粒,減少或消除柱狀晶,擴大等軸晶區的作用。稀土細化銅及銅合金組織的作用機理主要存在以下三種: (1) 形成新晶核,抑制晶粒長大。稀土在銅及其合金中能與一些元素反應形成高熔點化合物,常以極微細顆粒懸浮于熔體之中,成為彌散的結晶核心,使晶粒變多,變??;又從凝固原理及熱力學觀點看,由于稀土大量聚集在固液界面前沿的液相中,使合金在凝固時成分過冷增大,以樹枝狀方式凝固生長,同時在分枝節點處產生細頸、熔斷,增多了結晶核心,從而細化了晶粒。(2) 微晶化作用。由于稀土元素的原子半徑( 0.174nm~0.204 nm) 比銅的原子半徑(0.127nm) 要大36 %~60 % ,故稀土原子很容易填補正在生長中的銅或銅合金的晶粒新相的表面缺陷,生成能阻礙晶粒繼續生長的膜,從而細化為微晶; (3) 合金化作用。稀土在銅中的溶解度很小,一般僅千分之幾到萬分之幾,但稀土與銅能生成多種金屬間化合物。這些金屬間化合物彌散分布于基體中,達到細化晶粒。
3、稀土對夾雜物組織的影響
稀土對夾雜物組織的影響主要是改變雜質的形態和分布。其主要表現有以下四種: (1) 減輕或消除合金結構中的樹枝狀晶形和柱狀結晶,這與稀土同某些雜質形成難熔化合物并呈彌散狀態有關。(2) 使合金中某些呈條狀、片狀甚至塊狀的雜質(如鉛、鉍等,其中有的雜質可形成低熔點共晶) 轉變成點狀或球狀,從而改善或提高了銅及其合金的機械及加工性能,這是由于活性很強的稀土金屬,能使像鉛這樣的一些雜質對銅的潤濕性急劇降低,這些雜質在其自身表面張力的作用下,使體積大大縮小。(3) 使合金中的某些有害雜質由集中分布于枝晶或晶界間,改變為較均勻分布于整個晶體中,使雜質實現在金屬微觀體積上的再分布,或對某些雜質的宏觀偏析發生影響,導致各種性能得以提高。(4) 含稀土的化合物被吸附在金屬或合金的晶界上,減少合金晶界上低熔點有害雜質的數量,從而減弱合金的高溫回火脆性。如在鈹銅合金中未加稀土前,夾雜物多為不規則棱角形的Cu2O 和Cu2S,添加適量稀土后,夾雜物全部球化,稀土夾雜物取代了Cu2O 和Cu2S ,使夾雜物由固溶態變為稀土化合物析出。
二、稀土對銅及銅合金性能的影響
1、稀土對銅及銅合金加工性能的影響
在銅合金中加入適量稀土金屬,可以改善銅及銅合金的鑄造性能。對不同種類的銅合金,加入稀土后流動性可提高30 %~40 %。對高錳鋁青銅,稀土的加入量不超過0.15%時,流動性隨稀土加入量的增加而增加。在高鉛青銅(ZQPb25 - 5)中加入0.5%~1.0%混合稀土,HPb59 - 1 鉛黃銅中加入0.04%~0.05%混合稀土,均可以改善合金的偏析或逆偏析現象。添加0.01%~0.03%混合稀土可顯著提高變形鉛黃銅的高溫延伸率,改善熱加工性能,減輕或消除熱軋開裂現象。加入稀土可使殘余應力值降低,稀土在一定變形度范圍內( < 14 %) 可提高材料的冷變形能力。在變形鉛黃銅中添加0.03%~0.05%的稀土,可大大改善其切削加工性能,尤為顯著的是降低表面粗糙度、毛刺和刀具磨損。稀土添加劑對改善銅及其合金的焊接工藝性能具有很好的效果,焊縫金屬中的雜質如微量Pb、Fe、Si 、Bi 可引起熱裂紋,添加稀土元素將有效地防止這一傾向。
2、稀土對銅及銅合金機械性能和導電性能的影響
稀土對銅及銅合金機械性能的影響主要表現在硬度、強度、塑性等方面。稀土在純銅中含量為0.1%~0.2%時,強度提高幅度較大,高于0.2%時強度提高緩慢。稀土對H68 黃銅強度的影響有雙重作用:一方面,稀土的固溶強化及凈化作用,使料強度升高;而另一方面,當稀土加入量超過某一數值時,稀土的有害作用掩蓋了有利作用,宏觀表現為強度下降。
關于稀土對銅及銅合金導電性影響的機理是:一方面,稀土的細化作用使銅晶粒細化,晶界增加,電散射幾率增大,導致電阻率增大,導電性下降;另一方面,稀土的凈化作用使銅中雜質減少,晶格畸變減弱,電子散射幾率減少,導電性改善。這兩個對導電性起相反作用的因素同時存在,其影響隨稀土加入量的變化而變化。
3、稀土對銅及銅合金抗氧化性和耐腐蝕性能的影響
為了解決抗氧化性能和高電導率之間的矛盾,采用添加稀土金屬作為銅及銅合金的合金元素。發現在適當加入量時,電導率不但沒有降低反而略有提高,同時還發現銅中加入稀土
能明顯改善抗氧化性能。關于在銅及銅合金中加入稀土后耐蝕性能均有不同程度的提高,對此現象的解釋主要有: (1)稀土的凈化作用,消除銅基體中雜質。(2) 在銅及銅合金表面形成致密的氧化層,阻止基體原子向外擴散和外部原子向內擴散。(3) 提高銅及銅合金的腐蝕電位。(4)稀土的加入縮小了銅合金的結晶溫度范圍。
混合稀土的加入不僅可以改善錫黃銅的耐蝕性能,還可以改變錫黃銅的腐蝕形貌,不僅減小了易脫落層的厚度,同時也大大減小了滲透層的厚度。
4、稀土對銅及銅合金耐磨性能的影響
稀土和銅元素可以形成硬度較高、分布均勻的金屬間化合物,這些化合物成為位錯運動的阻力;而且稀土可以有效地改善夾雜物的存在形式和分布,減少其弱化晶界的可能,減少了承受載荷時沿晶界開裂的幾率,因而提高了耐磨性。含有稀土的鑄造黃銅具有較高的硬度及良好的塑性及韌性,可以縮短跑合階段的時間,延長穩定磨損的階段,從而達到減少磨耗,延長工件使用壽命的目的。在高錳鋁青銅中添加稀土,可使其干摩擦磨損減少20%左右,潤滑摩擦磨損量減少50%左右。
三、稀土-銅中間合金
稀土在銅及銅合金的實際工業化應用中,因稀土與銅的原子半徑差異較大,不利于固溶,且流動性較差,直接在銅及銅合金的熔煉過程中添加稀土會造成大量燒損并出現渣相,難以控制銅及銅合金中稀土元素分布的穩定和均勻性,嚴重影響了稀土對銅及銅合金各種性能應有的改善效果。

稀土-銅中間合金是一種稀土與銅的共晶合金體,它在保留了稀土應有特性的同時,還具備了在銅及銅合金中良好的固溶性,因此流動性較強,方便加入量的掌握和攪拌控制的均勻性,能極大的發揮出稀土在銅及銅合金中的有益特性。


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