微量稀土对铸态Cu-3.0Si-2.0Ni合金组织及性能的影响

袁孚胜, , ,

(1.中国瑞林工程技术有限公司, 江西 南昌 330031; 2.宜春职业技术学院 机电工程系, 江西 宜春 335000; 3.中色奥博特铜铝业有限公司, 山东 临清 252600; 4.中国石油吉林石化公司 吉化建修公司, 吉林 吉林 132021)

微量稀土对铸态Cu-3.0Si-2.0Ni合金组织及性能的影响

袁孚胜1,钟海燕2,梁琦明3,刘霞4

(1.中国瑞林工程技术有限公司, 江西 南昌330031;
2.宜春职业技术学院 机电工程系, 江西 宜春335000;
3.中色奥博特铜铝业有限公司, 山东 临清252600;
4.中国石油吉林石化公司 吉化建修公司, 吉林 吉林132021)

加入适量的稀土元素能有效改善铜合金的组织和性能.铸态Cu-3.0Si-2.0Ni合金中添加稀土Ce后,进行熔炼及热处理试验,再通过室温拉伸、导电率试验和金相观察,研究了微量Ce对铸态Cu-3.0Si-2.0Ni合金组织与性能的影响.结果表明:铸态合金晶粒随着Ce含量的升高呈现先减小后递增的趋势;铸态合金的抗拉强度和导电性随着Ce的增加分别先升高后减低;当Ce的质量分数为0.06%时,铸态合金的抗拉强度最高、导电性最强.

微量稀土;Cu-3.0Si-2.0Ni合金; 微观组织; 性能

0 前 言

随着电子通讯等相关产业的快速发展,小型化和轻量化是与之配套的相关电子仪器设备的发展趋势,只有性能更加优异的弹性材料才能满足相应的市场要求.一方面要求弹性元件的尺寸越来越细小、精度越来越高,迫使弹性元件的强度不断提高;另一方面除要求弹性元件具有稳定的电接触性外,其可靠的工作性能和良好的抗应力松弛性能还需在高温、强腐蚀性、强震动、强辐照以及其他不断变化的环境条件下具有.这就迫使人们去研究和探索新型的铜基弹性合金[1-6].Cu-Si-Ni合金系属屈服强度高、导电率中等的铜合金,其作为弹性敏感元件被广泛应用在电子通讯、继电器、电气开关和接插件等设备仪器中[7].

本文主要通过研究稀土元素Ce的不同添加量对铸态Cu-3Si-2Ni合金组织及性能的影响规律,通过分析研究不同Ce含量的铸态合金成分、显微组织结构及力学性能,最终开发出较为理想的新型铜基弹性材料,使其能对实际生产起到良好的指导作用和产生较大的社会经济效益.

1 试验过程与方法

试验采用纯度为99.99%的标准阴极铜、99.90%的纯镍、99.50%的Si和Cu-Ce(Ce的质量分数为10%)中间合金,熔炼温度为1 250 ℃,熔炼流程见图1;铁模铸造,经铣面合金的名义成分见表1.

图1 Cu-Si-Ni合金熔炼工艺流程Fig.1 Technical route of Cu-Si-Ni alloy smelting

合金铸锭的均匀化处理在箱式电阻炉中进行,采用PID控温,炉子正常工作时的温度波动为±1.5 ℃.

试验采用WDW3200型微机控制电子万能试验机进行室温力学性能测试,用SIGMASCOPE SMP10导电率测试仪测定合金的电导率;用XJZ-6A型金相显微镜观察组织的变化.

表1 试验合金的名义化学成分Tab.1 Chemical composition of alloys (质量分数/%)

2 试验结果及分析

2.1 微量Ce对铸态合金组织的影响分析

利用FeCl3溶液对1#～4#铸态Cu-3.0Si-2.0Ni合金试样进行腐蚀,对腐蚀后的铸态合金组织通过光学显微镜进行观察比较分析,得到铸态合金的不同显微组织在标尺为200 μm下的图像.

图2为铸态Cu-3.0Si-2.0Ni合金微观组织.由图2可以看出,铸态Cu-3.0Si-2.0Ni合金组织的偏析较严重,所以必须对合金进行均匀化处理.其工艺为:加热温度900 ℃,保温时间4 h.

铸态合金经过均匀化处理后,组织的偏析程度降低,合金的组织更均匀,如图3所示.

从图3中可以看出,均匀化合金的晶粒随着铸态合金中Ce含量的升高而不断变小.当Ce的质量分数超过0.06%后,均匀化合金的晶粒又不断长大.这表明Ce的添加量并不是越多越有利于改善铸态合金组织,其理想加入量在0.06%(质量分数)左右;而Ce主要通过改善合金晶内杂质分布及细化其晶粒来影响铸态合金的显微组织结构.

Ce能起到上述作用是因为Ce进入铜熔液后快速与其他元素形成化合物.而其中与杂质元素反应生成高熔点的稀土化合物,在合金凝固过程中进入渣相中被除去,这样有效地去除了杂质元素和净化了基体;另外形成的其他弥散细小的高熔点稀土化合物,则成为铜液凝固过程中弥散的结晶核心,导致其在结晶过程中产生CeCu6等非自发晶核,从而使晶粒得到细化[8-9];而能实现这种效果的本质是因为Ce离子的半径比Cu离子的半径大,Ce不能与Cu形成间隙式固溶体,导致Ce在Cu中的固溶度极小,促使Ce能快速与其他元素形成稀土化合物.

图2 铸态Cu-3.0Si-2.0Ni合金微观组织Fig .2 Microstructure of as cast Cu-3.0Si-2.0Ni alloy

图3 均匀化Cu-3.0Si-2.0Ni合金组织Fig.3 Homogenization of Cu-3.0Si-2.0Ni alloy

2.2 微量Ce对铸态合金性能影响分析

2.2.1 铸态合金力学性能分析

图4为Ce含量对铸态及均匀化后Cu-3.0Si-2.0Ni合金各试样抗拉强度的影响曲线.由图4中可看出,均匀化状态下合金各试样的抗拉强度普遍比铸态的要高.这是因为铸态合金经均匀化处理后,其原有铸造过程中形成的各种缺陷得到改善,组织成分更均匀,成分偏析基本消除.

图4 Ce含量对铸态及均匀化Cu-3.0Si-2.0Ni合金抗拉强度的影响

从图4中还可以看出,铸态合金抗拉强度值在Ce的质量分数为0.06%时,达到最大值178.43 MPa,比没有添加稀土元素的合金的最小值提高了39.2%.这是因为位错的增殖和运动能改善材料的力学性能[10].由于Ce与Cu两者离子半径相差大,并且前者比后者大,不满足形成其他各种固溶体的条件,使其在铜中的固溶度很小,有利于Ce与合金中的各种元素形成弥散分布的不同原子比的高熔点稀土化合物,细化了铸态合金晶粒,晶界增多,增加了位错运动阻碍的数目,大大缩短了位错源到晶界的距离,显著减小了晶粒内位错塞积群的长度,极大地减弱了应力集中,晶界难以在外力作用下开裂,改善了合金的力学性能[11].然而当Ce的添加超过一定量时,合金中会有大量不均匀分布的氧化夹杂物产生,合金的力学性能降低[12].另外由于Ce的加入量过多,且Ce与Ni的亲和力比Ce与Si的亲和力弱,导致Ce与合金中的部分Si形成稀土硅化物,从而使在Cu-Si-Ni合金中起强化作用的第二相Ni2Si的数量大大减少,显著降低了合金的强度[13].

均匀化态下合金的抗拉强度普遍比铸态的要高,从组织上可以看出均匀化后合金的偏析情况基本消除,因此合金的抗拉强度升高.另外,铸态Cu-3.0Si-2.0Ni合金在铸造过程中产生了组织疏松、气孔等各种铸造缺陷,而合金的这些铸造缺陷在一定程度上损害了铸态合金的力学性能;通过均匀化处理后合金的铸造缺陷在一定程度上得到改善,从而使得合金的抗拉强度有所提高.

2.2.2 铸态合金导电性能分析

图5为1#～4#铸态合金试样的导电率曲线.由图5可知,添加Ce后合金的导电率提高;但铸态合金的导电率随Ce添加量的变化呈现出波动性.当Ce加入量为0.06%(质量分数)时合金的导电率最高.产生这种现象是由于Ce既净化了铜合金基体又细化了其晶粒的结果.一方面,添加的Ce细化了合金晶粒,使合金晶界增加,增大了电子散射几率,导致电阻率增大,导电率下降;另一方面,加入的Ce净化了铜基体,使其与合金中的Pb、Bi和S等低熔点杂质元素形成难熔的稀土化合物.它们在熔体内变成固态与熔渣一同从铜液中清除,基体得到净化,晶格畸变减弱,减小了电子散射几率,从而提高了合金的导电性.另外,铸态Cu-3.0Si-2.0Ni合金的导电率普遍较低与其自身存在一定的铸造缺陷有关.

图5 Ce含量对铸态Cu-3.0Si-2.0Ni合金导电率的影响

3 结 论

(1) 在Cu-3.0Si-2.0Ni合金中加入Ce能提高Cu-3.0Si-2.0Ni合金的导电率,当Ce的加入量为0.06%(质量分数)时导电率最高.

(2) 在Cu-3.0Si-2.0Ni合金中加入Ce能净化铜基体,细化晶粒,但加入过量的Ce反而会使晶粒粗大.

(3) 在Cu-3.0Si-2.0Ni合金中加入Ce能提高Cu-3.0Si-2.0Ni合金的抗拉强度.当Ce的加入量为0.06%(质量分数)时抗拉强度最高.

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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

袁孚胜(1984-),男,工程师,主要从事有色金属加工.E-mail:yuanfusheng@nerin.com.

TG146

A