稀土La微合金化纯铜组织性能研究

孟凡硕，陈立鹏，刘劲松，，陈 岩（.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 059；.中国科学院 金属研究所，辽宁 沈阳 006）



稀土La微合金化纯铜组织性能研究

孟凡硕1，陈立鹏1，刘劲松1，2，陈 岩2
（1.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159；2.中国科学院 金属研究所，辽宁 沈阳 110016）

摘要：利用微合金化原理将稀土La添加到纯铜中，通过真空熔炼炉熔炼出不同稀土La含量的微合金化铜合金，探究不同稀土La含量对铸态纯铜组织及性能的影响。成分分析的结果表明，稀土La添加可以显著去除纯铜中Si、Pb等杂质元素，且在实验添加量范围内，稀土含量越高净化作用越明显；组织观测的结果表明，稀土La添加可以有效细化纯铜的晶粒，稀土含量越高晶粒越细小；力学性能测试的结果表明，稀土La添加可以显著提高纯铜的抗拉强度与硬度，但其延伸率随着稀土含量的增加呈现先升高后下降的趋势，且均低于原始纯铜。总的来看，La含量为0.089％的微合金化纯铜试样的综合性能最佳。

关键词：微合金化；La；铸态纯铜；成分分析；组织观测；力学性能

1　引言

微合金化是指通过冶金方式向材料中加入微量的合金元素，在应变和热循环的作用下，通过形成的合金元素基化合物的溶解与析出机制，对材料的化学、物理及力学性质产生极为明显的影响［1-3］。基于这一方面，稀土元素作为一种可以有效改善合金综合性能的添加剂，在微合金化技术的发展过程中得到了广泛的应用［4-7］。稀土微合金化技术最早应用于改进钢铁材料的性能［8］，后来逐渐延伸至有色金属领域［9-11］。大量的研究表明，微量的稀土添加对铜合金的组织有深度的净化作用，并且可以有效地改善合金的流动、导电以及耐蚀性能［12-13］。而相对而言，稀土在铜合金方面的研究比较深入，在纯铜方面的研究则较少。

稀土元素La是稀土金属中一种十分重要的元素，其含量占总稀土含量的14.1％，并且相比较于其他稀土元素，La更容易分离提取［14］，因此稀土La元素是目前稀土微合金化技术使用最为广泛的元素之一。综合考虑稀土元素对铜及铜合金的性能的影响，本文采通过微合金化的方式将稀土La添加到纯铜中，探究了不同含量稀土La添加对纯铜组织及性能的影响。

2　实验方案

2.1熔炼

为了降低杂质元素对实验结果的影响，实验材料选用高纯度的99.99％电解铜和99％金属镧，金属La的成分如表1所示。为了避免熔炼时空气中氧等气体的卷入，采用ZG-0.001真空感应熔炼炉进行微合金化熔炼实验，实验根据稀土添加量分6个批次进行，6个批次分别记为0～5#，为了方便对照，0#实验未加入稀土。

熔炼时先将电解铜板熔化成铜液，再将稀土加入铜液，稀土加入前用铜箔包裹预热，加入稀土后待合金液均匀后再进行浇注，最终得到各组试样的铸锭。

表1　金属镧化学成分

2.2成分分析及性能测试

用钻床对1～5#铸锭钻孔得到铜屑，制成分析试样，采用Analyst AA800原子吸收光谱仪来准确测定稀土的含量。铜中其他合金元素含量的测定，则采用4460光电直读光谱仪进行测量，即从0～5#铸锭中截取圆片试样，对试样表面进行抛光后再进行分析测试。

切取各组铸锭部分试样，通过镶嵌、磨样、抛光、腐蚀制备金相，在ZMEF4A型金相显微镜下进行观测，探究稀土La添加对纯铜组织的影响；将腐蚀后的金相试样再次抛光处理，在FM-700显微硬度计上进行硬度测试，探究稀土添加对纯铜硬度的影响；用线切割制备拉伸试样，试样用砂纸打磨后在德国Zwick Z050型电子万能拉伸试验机上进行测试，拉伸速度为1 mm/min，每组实验选取3个试样进行测量，性能结果取平均值，探究稀土添加对纯铜力学性能的影响。

3　实验结果及分析

3.1成分分析

各批次试样成分分析的结果如表2所示，可以看出随着稀土La含量的升高，Si和Pb两种元素的降低十分明显，而由于原始纯铜中的S元素含量较低，稀土添加对S元素含量的降低作用并不明显，但总的来说稀土La添加起到了进一步净化纯铜的作用，这对提高纯铜的各方面的性能会将产生积极的影响［15-17］。

表2　各批次试样成分

3.2组织分析

金相观测的结果如图1所示，图1（a）～（f）分别为纯铜、Cu-0.024％La、Cu-0.039％La、Cu-0.089％La、 Cu-0.185％La、Cu-0.319％La试样的铸态组织，可以看到，随着稀土含量的升高，试样的晶粒尺寸也越来越细小，从纯铜到稀土La含量达到0.319％，试样的晶粒逐渐由粗大的柱状晶（图1（a））转变为较细小的柱状晶（图1（b）～（d））最终变为细小柱状晶与等轴晶的混晶组织（图1（e））。这充分表明了，稀土添加对铸态纯铜晶粒具有明显的细化作用，且在本实验稀土添加范围内，晶粒尺寸随稀土La含量的升高而变得更为细小。

根据Hall-Petch关系，晶粒越为细小，则材料的强度及塑形越好［18］，那么稀土La的加入势必会相应地提高纯铜的力学性能。

图1　不同稀土La添加量合金的组织

3.3力学性能

硬度测试及拉伸实验的结果如表3所示，根据相关结果绘制出图2、3，可以看到随着稀土添加量的增加，试样的抗拉强度和硬度呈上升趋势，5#试样（稀土La含量0.319％）抗拉强度达到187.95MPa，硬度达到75.19HV，这与晶粒细化导致试样强度升高的分析一致，其具体的机理还需要进一步分析。从延伸率方面分析，随着稀土含量的升高，稀土试样的延伸率先升高后下降，在稀土含量达到0.089％时延伸率最高达到39.34％，但此时的延伸率仍低于纯铜。这说明，虽然稀土能够净化熔体，降低纯铜中部分杂质元素的含量，但其加入纯铜后形成第二相粒子造成的恶化作用要强于净化作用，结果导致延伸率的下降。而稀土La含量为0.089％的微合金试样之所以在延伸率方面达到极值，正是恶化作用与净化作用共同作用的结果，所以从力学性能的各个方面来看，0.089％稀土La含量的微合金化铜合金具有较好的综合性能。

表3　力学性能测试结果

图2　不同La含量下铸造纯铜的抗拉强度变化

图3　不同La含量下铸造纯铜的延伸率及显微硬度的变化

4　结论

（1）稀土La添加可以显著去除纯铜中Si、Pb等杂元素，其净化作用随着稀土La含量的升高而增强。

（2）稀土La添加可以显著细化纯铜的晶粒，随着稀土La含量的升高，稀土La微合金化纯铜的晶粒逐渐由粗大柱状晶转变为细小等轴晶与柱状晶的混晶组织。

（3）微合金化纯铜的抗拉强度与硬度随着稀土La含量的升高获得了很大的提升，但延伸率并没有提高。综合考虑，0.089％稀土La含量的微合金化纯铜组织性能较好。

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Research on Micro-structure and Properties of Micro-alloyed Pure Copper with the Addition of Rare Earth Element La

MENG Fan-shuo1，CHEN Li-peng1，LIU Jin-song1，2，CHEN Yan2
（1.School of Materials Science and Engineering，Shenyang University of Science and Technology，Shenyang 110159，Liaoning，China；2.Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，Liaoning，China）

Abstract:Taking use of the micro-alloying principle，the rare earth element La was added into the pure copper.Then the microalloyed copper alloys with different content of La were produced by the vacuum melting furnace，and the microstructure and properties of the as-cast copper micro-alloyed with different content of La were explored.The composition analysis shows that the addition of La can effectively remove the impurity elements Si and Pb in the pure copper.And in the experimental range，the more the rare earth La added，the more obvious the purification worked； The results of microstructure observation show that the addition of La can also effectively refine the grain of copper，however the higher the content of La，the smaller the grain size is； Mechanical property tests show that the tensile strength and hardness improved after La addition.As the La content increased，the elongation of the samples increased first and then decreased.However the elongation of all the micro-alloyed copper alloys is lower than the initial pure copper.In general，the comprehensive performance of the micro-alloyed pure copper with the content of 0.089％ La is better.

Keywords:microalloying；La；as-cast pure copper；composition analysis；microstructure observation；mechanical property

中图分类号：TG146.1+1

文献标识码：A

文章编号：1009-3842（2016）02-0024-04

收稿日期：2015-08-31

作者简介：孟凡硕（1991-），男，河南虞城人，硕士研究生，主要从事铜及铜合金方面的研究。E-mail:fanshuomeng@126.com