微量元素对H65合金铸态晶粒尺寸的影响

2019-05-23柳瑞清

铜业工程 2019年2期

吴语，柳瑞清

（1.江西铜业技术研究院有限公司，江西南昌 330096；2.国家铜冶炼及加工工程技术研究中心，江西南昌 330096；3.江西理工大学，江西赣州 341000）

1 引言

H65合金是铜及铜合金中常见的一种合金，由于其良好的加工性能、力学性能及低廉的价格，常被制作各种接触元件、端子等。该合金的基本力学性能和特点，已被人们熟知。研究人员开始思考如何进一步提升该合金的性能。细晶强化是金属材料常见的强化机制之一，人们在材料制备过程中，希望通过添加高熔点物质或施加外场等手段，获得晶粒细小的坯料，改善铸坯性能，进而提升材料的塑性加工性能和强度。研究表明［1-4］，在铜及铜合金中添加Ti、Co、La和Ce等微量元素，可以净化合金基体，显著减小原始枝晶尺寸以及提高材料性能等。

本文研究对象为H65合金。在熔炼过程中，分别添加高熔点物质Ti、Zr、Y、Co四种微量元素，获得含有不同微量元素的H65合金铸坯。对铸坯组织进行宏观和微观观察分析，测量铸坯硬度，研究上述四种微量元素对合金铸态组织和硬度的影响。

2 实验

实验材料为H65合金，主要化学元素Cu：63.5 % ～ 68 %，Zn：32 % ～ 36 %。Ti、Zr、Y、Co四种元素分别以Cu-Ti中间合金、Cu-Zr中间合金、Cu-Y中间合金、Co粉的形式加入，添加量为0.02 %、0.04 %、0.06 %、0.08 %和0.10 %。为考察微量元素对H65合金的影响，另制备未添加任何微量元素的H65合金铸坯。

熔化精炼在50 kg中频感应炉内进行，熔炼温度1100～1120 ℃，浇注温度1040～1050 ℃，Ф40 mm铁模浇铸。表1为合金各微量元素实际检测含量，均在合金名义成分范围内。

表1 实验合金各元微量素实际含量（质量分数） %

采用DK7720电火花线切割机进行试样截取。宏观金相试样采用浓度为40 %的HNO3溶液侵蚀，微观金相试样采用5 gFeCl3+10 mlHCl+100 ml C2H5OH溶液侵蚀；利用Keyence VHX-1000 3D光学显微镜及晶粒尺寸测量软件进行组织观察、图像采集和晶粒尺寸测量。

3 结果与分析

图 1 至图 4 中（a）、（b）、（c）、（d）、（e）分别为添加0.02 %、0.04 %、0.06 %、0.08 %和0.10%的Ti、Zr、Y、Co四种元素的H65合金宏观金相。图5是未添加上述微量元素的H65合金宏观金相。图6是微量元素添加量与H65合金铸态平均晶粒直径关系曲线。

将图1～图4分别与图5对比，结合图6中平均晶粒直径实测值，可知：

图1 添加Ti的H65合金低倍组织（50X）

图2 添加Zr的H65合金低倍组织（50X）

图3 添加Y的H65合金低倍组织（50X）

图4 添加Co的H65合金低倍组织（50X）

图5 未添加微量元素的H65合金低倍组织（50X）

图6 微量元素添加量与平均晶粒直径关系曲线

H65合金中添加含量为0.02 %～0.08 %的微量元素Ti后，铸态晶粒比未添加时细小，细化程度随添加量的增加，先增大后减小，其中添加量为0.04 %时，平均晶粒直径最小（243.79 μm），是未添加时（380.56 μm）的64 %；H65合金中添加含量为0.10 %的微量元素Ti后，铸态晶粒比未添加时更为粗大。

H65合金中添加含量为0.02 %～0.10 %的微量元素Zr后，除添加量为0.04 %时，铸态晶粒异常粗大外，其余添加量均明显细化晶粒，且细化程度随添加量的增加而显著增大，但趋势放缓。其中，Zr的添加量为0.10 %时，细化后的铸态平均晶粒直径仅为65.98 μm，是未添加时的17.3 %。图2（d）、（e）显示，肉眼无法分辨出单个晶粒。

H65合金中添加含量为0.02 %～0.10 %的微量元素Y后，合金铸态晶粒呈现为或细小或粗大的现象，并无明显规律。

H65合金中添加含量为0.02 %～0.10 %的微量元素Co后，添加量为0.02 %时，合金铸态平均晶粒直径为160.77 μm，是未添加时的42.2 %；之后，随着添加量的增加，合金铸态晶粒细化效果减弱；添加量达到或超过0.08 %时，合金铸态晶粒反而更加粗大。

综上，四种微量添加元素中，除Y外，其余三种均对H65铸态合金晶粒具有细化作用，但具体添加量各有区别。其中，Zr元素的细化效果最为明显，添加量为0.08 %和0.10 %时，合金铸态平均晶粒直径分别为139.90 μm和65.98 μm，是未添加时的36.8 %和17.3 %。

分析认为［5-8］，H65合金凝固过程中，晶粒大小取决于单位体积中所生成的晶核总数，晶核总数越大，则晶粒越小。晶核总数又与晶核的形成速率密切正相关，Ti、Zr、Co等元素具有在液相中完全溶解，而在固相中几乎不溶解的特点，可以迅速增加液相中形核的数量，多个晶粒共同生长。另一方面，根据Gibbs吸附理论［9］，这些组元更多地富集在晶界或其他界面，能优先在金属或合金新相结晶面上成长，作选择性的吸附，使晶体的继续长大受到阻碍。因此，在H65合金熔体中添加Ti、Zr、Co等元素，可以起到细化晶粒的作用。