电磁搅拌频率对Cu-2Ag-0.04La合金组织及性能的影响*

2022-04-13洪志远宋鸿武王克鲁张士宏

铜业工程 2022年1期

郭伟，陈岩，洪志远，宋鸿武，王克鲁，张士宏,4，邱仟

（1.南昌航空大学航空制造工程学院，江西南昌 330063；2.中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心, 辽宁沈阳110016；3.江西铜业技术研究院有限公司, 江西南昌 330096；4. 江西铜业股份有限公司, 江西南昌 330096）

1 引言

近年来，由于航空航天、微电子、轨道交通、通讯等行业的迅速发展，对高强高导铜合金的性能提出更高的要求。高强高导铜合金微细导线广泛应用于集成电路封装、微特电机、电声器材和电磁阀等元器件中［1-3］。其中，Cu-Ag合金具有众多优良性能，如Ag的添加对铜的塑性影响不大；Ag元素的添加对铜基体导电性的影响最小，且导电率远高于其他方法制备的等强度铜基材料［4］；小变形可以获得较高的强度［5］；可通过热处理提可高塑性和导电性，结合适当的冷加工工艺可使材料具有良好的电学和力学性能［6］。因此，近年来，Cu-Ag合金被认为是生产超微细铜导线材最理想的材料［7］。

张欣［8］等研究了稀土元素对Al-3.0wt.%Mg合金微观组织影响和作用机理，表明适量的稀土能够细化该合金的晶粒、枝晶和骨骼状富铁第二相，具有优秀的除杂作用，并显著提高合金的性能。

电磁场技术在半固态合金加工中的应用促进了制备工艺的开发和创新［9］，因其与合金熔体非接触、零污染、操作简单等优点，有研究表明电磁搅拌对铜合金的铸态组织也有明显改善作用［10-11］。索小娟［12］等研究了不同电磁搅拌频率对A356铝合金试样晶粒大小和形状的影响。发现电磁搅拌对试样的晶粒有明显的细化作用,对晶粒的形状有一定改善作用；随电磁搅拌频率的增加晶粒的尺寸大小呈现出先降低后增加的趋势。Mehr N F［13］等研究了电磁强度、搅拌时间和台阶厚度对试样微观组织演变、形状因子、球形当量直径、固体分数和显微硬度的影响，根据组织与硬度结果获得了电磁搅拌最佳参数。

采用定向凝固技术制备的柱状晶体微观结构有效地降低了断线现象，简化了传统的制丝工艺，降低了成本［14-15］。本文以Cu-2%Ag合金为对象，通过添加微量稀土La及在下引定向凝固连铸过程中对合金熔体进行不同频率的电磁搅拌，研究了电磁搅拌频率对Cu-2%Ag-0.04%La合金凝固组织和力学性能影响。

2 试验材料与方法

采用电解铜、高纯银和稀土镧按2%Ag和0.04%La配比，利用真空感应炉熔炼，铸造出Cu-2%Ag及Cu-2%Ag-0.04%La合金杆坯。实验装置为真空下引连续铸造炉，额定容量为25 kg，其示意图如图1。把铜料放入坩埚，抽真空，升温至1160 ℃并保温后，加入纯银及稀土镧。在下引铸造过程中对合金熔体进行进行电磁搅拌，搅拌频率分别为10 Hz、20 Hz、30 Hz、40 Hz，电流大小为280 A。待铜液升温至牵引温度后，保温静置15 min后，开始牵引，牵引速度为5 mm/min，连铸出Φ15 mm的Cu-2%Ag-0.04%La合金杆。

图1 真空下引式连铸装置示意图

对不同参数的Φ15 mm铸态杆坯进行宏观组织观察及力学性能检测。截取Φ15 mm铸态试样的横向和纵向组织进行机械磨抛，随后腐蚀用3.5 gFeCl3、25 mL无水乙醇和75 mL纯净水混合溶液进行侵蚀，使用Olympus OLS-5000激光共聚焦显微镜进行组织观察。利用AFFRI DM8型号硬度仪测试合金的Vickers硬度，加载载荷为100 g，加载时间15 s，每个样品测试6个以上不同的位置，取平均值作为该样品的硬度。不同电磁搅拌频率样品各取3个制成拉伸标准样，在MTS E45.105型号万能试验机进行拉伸试验，拉伸速度为2 mm/min，测量拉伸性能。

3 试验结果及分析

3.1 电磁搅拌频率对Cu-2%Ag-0.04%La合金组织的影响

不同搅拌频率下Cu-2%Ag-0.04%La合金的铸态金相组织如图2所示。从中可以看出，随着频率的增加，横截面方向微观组织中枝晶逐渐粗化；纵截面方向微观组织中长条形枝晶逐渐增多。同时枝晶间隙中分布着白色较大颗粒，为Cu-2%Ag-0.04%La合金的第二相。

当搅拌频率为10 Hz时，横截面方向枝晶数量较多，分布密集，一次枝晶臂长70.3 μm（平均值，下同），宽10.1 μm；二次枝晶臂长49.5 μm，宽12.5 μm，一次枝晶与二次枝晶长度相差较大；纵截面方向组织长条状枝晶排列整齐，比较稀疏，与下引方向一致，其中枝晶间距为12.3 μm，枝晶间隙分布有少量第二相颗粒，见图2(a)和图2(b)。当搅拌频率增加到20 Hz时，Cu-2%Ag-0.04%La合金横截面方向组织枝晶略有增大，一次枝晶臂长78.5 μm，宽12.8 μm，二次枝晶臂长60.6 μm，宽14.9 μm；纵截面方向组织长条状枝晶间距为11.5 μm，排列也较为紧密，见图2(c)和图2(d)。当搅拌频率增大到30 Hz时，横截面方向组织枝晶增大更为明显，枝晶排列较为稀疏，一次枝晶臂长80.7 μm，宽14.5 μm，二次枝晶臂长70.6 μm，宽16.5 μm；纵截面方向组织长条状枝晶排列反而稀疏，枝晶间距为11.1 μm，枝晶数量减少，见图2(e)和图2(f)。频率为40 Hz时，合金的横截面方向枝晶更为疏散，一次枝晶与二次枝晶长度较为接近，其中一次枝晶臂长度增加到88.3 μm，宽增加到15.1 μm，二次枝晶臂长增长至76.1 μm，宽增加到17.8 μm；纵截面方向组织长条状枝晶排列变得紧密，枝晶间距仅为10.3 μm，枝晶宽度均减小、数量增加，见图2(g)和图2(h)。

图2 不同搅拌频率的Cu-2%Ag-0.04%La合金的金相组织

在初生Cu枝晶的生长过程中，由于温度和浓度的波动，局部的枝晶侧面会向外突出，因为这些突出部分处于更有利于生长的成分过冷区环境中，所以一次枝晶不仅能够继续快速生长，而且延伸会产生分枝，形成了一次枝晶骨干较长的树枝晶。在施加在电磁揽拌后，由于电磁搅拌引起的强烈混合对流作用［16］，使得Cu-2%Ag-0.04%La合金熔体的温度和成分均匀，温度波动和浓度波动减小，晶粒本身随溶液混合对流运动而转动。在这种情况下，晶粒的生长在任何方向上都没有明显的优先性，因此枝晶的生长在各个方向上都是一样的，随着搅拌频率增加，搅拌强度也随之增大，熔体对流也变得强烈，熔体中的成分温度更加均匀，进一步消除了由于温差和成分过冷造成的晶粒的优先生长，最终形成了一次枝晶和二次枝晶粗长且长度接近的树枝晶。

3.2 电磁搅拌频率对Cu-2%Ag-0.04%La合金力学性能的影响

图3为不同电磁搅拌频率下Cu-2%Ag-0.04%La合金的应力应变曲线。从中可见，随着电磁搅拌频率的增加，Cu-2%Ag-0.04%La合金的力学性能有着下降的趋势。当电磁搅拌频率从10Hz增加到40Hz时，抗拉强度由198.0 MPa减少至181.2 MPa，延伸率的变化不是很明显。表1给出了不同电磁搅拌频率条件下Cu-2%Ag-0.04%La合金的显微硬度。随着电磁搅拌频率的增大，硬度从79.2 HV持续下降到73.4 HV，较10 Hz的合金降幅达7.3%。这一显微硬度的变化规律与拉伸实验结果一致。

表1 在不同频率下Cu-2%Ag-0.04%La合金的力学性能

图3 在不同频率下Cu-2%Ag-0.04%La合金的应力应变曲线

力学性能的变化主要枝晶形貌与数量有关，合适的电磁搅拌频率能有效改善合金的组织，提高其硬度性能。由合金横向组织对比可知（见图2），随着搅拌频率提高，横截面上的枝晶组织排列稀疏，数量减少，且枝晶逐渐长的粗长，符合Hall-Petch公式，合金硬度和强度下降。细短的初生Cu枝晶排列比较密集，在合金塑性变形过程中，位错滑移运动会在该位置受到阻碍，而分布疏散的粗大型枝晶，抵抗变形的能力会下降。