Zn和稀土元素La对铜性能的影响.pdf

第5 8 卷第3 期 2 006 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 8 ．N O ．3 A u g u s t 2 006 Z n 和稀土元素L a 对铜性能的影响 范世平1 ，郭纯恩2 ，赵越超3 1 ．新疆哈密石油基地机械厂，新疆哈密8 3 9 0 0 9 ；2 ．新疆哈密石油基地地质研究院 油藏所，新疆哈密8 3 9 0 0 9 ；3 ．辽宁工程技术大学，辽宁阜新 12 3 0 0 0 摘要在纯铜中加入z n 和稀土元素L a ，通过双电桥测试电阻、拉伸和硬度实验及金相组织观察，研究不同含量的z n 和稀 土L a 对铜的导电性、抗拉强度、硬度、金相组织的影响。研究发现，加入适量稀土元素可以净化铜的基体，起到脱氧、净化和细化 晶粒的作用，改善其导电性。z n 的加入对铜有固溶强化和细晶强化的作用，可以显著提高纯铜的硬度，但对导电性却有负面影响。 在z n 含量为0 ．4 ％，L a 含量为0 ．0 8 ％时，铜的综合性能达到最佳。 关键词金属材料；铜；稀土元素L 8 ；锌；导电性；强度；硬度 中图分类号T G l 4 6 ．1 1 ；T G l l 3 ．2文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 3 0 0 1 3 0 3 铜是重要的工业材料，具有良好的导电性、导热 性和耐蚀性，易于压力加工成线、棒、板、带、管等各 种半成品或零件，主要用作导电、导热或耐蚀等要求 的器材。随着科学技术的飞跃发展，对材料的性能 提出了越来越高的要求。在铜中加入微量稀土后不 仅提高其导电性能，而且改善其力学性能和加工性 能⋯1 。采用合金化的方法，在纯铜基础上加入不同 量的锌和稀土镧，研究其对铜的导电性、强度、硬度 等的影响，并找出最佳的添加量，为高强高导铜合金 的进一步研究打下基础。 1实验方法 以工业纯铜、Z n 和C u ．L a 中间合金为原料，中 间合金中L a 的含量为1 0 ．5 ％。在D R L 一9 型高温炉 中熔炼。熔炼时用木炭粉覆盖，试样用石墨型浇注， 尺寸为q , 1 6 ．5 r a m 2 0 0 m m 。共熔炼3 组，L a 和Z n 的加入量 质量分数，％ 分别为0 ．0 2 ，0 ．0 6 ，0 ．0 8 和 0 ．4 ，0 ．6 ，0 ．8 。用双电桥法测量试样电阻，在W E ． 3 0 型万能试验机上测定抗拉强度，在H B ．3 0 0 布氏 硬度计上测定硬度。 2 试验结果及分析 2 ．1 稀土L a 和Z n 对纯铜导电性的影响 导电性测定结果见图1 。可见，电阻率随L a 和 收稿臼期2 0 0 4 一1 2 2 0 基金项目辽宁省自然基金项目 2 0 0 2 2 1 5 7 作者简介范世平 1 9 8 1 一 ，女，四川泸州市人，助理工程师。主要 从事有色金属材料方面的研究。 Z n 加入量的增加而波动变化，在Z n 含量为0 ．4 ％、 L a 含量为0 ．0 2 ％处电阻率达到最小值，即导电性的 0 埘} 1 0 2{ 0 4 } ． n0 ．0 8 R E ％ 图1不同稀土L a 和Z n 加入量与电阻率的关系 F i g ．1 R e l a t i o n s h i po fL aa n dZ na d d i t i o n t Oe l e c t r i c i t yr e s i s t a n c e a 纯铜 b C u 一 O ．8 ％ Z n 一 O ．0 8 ％ L a 最大值。这是由于一方面稀土L a 对有铜细化和净 化的作用，加入的稀土能够细化晶粒，使晶界增多， 电子散射几率增大，导致电阻率增大，导电性降低， 如图2 所示。稀土的加入也可起净化作用，稀土与 铜中的氧、硫等杂质形成难溶的二元或多元化合物， 使杂质减少，晶格畸变减弱，电子散射几率减小，从 而改善导电性，这两个对导电性起相反作用的因素 共同作用，其影响随稀土加入量的变化而变化旧J 。 另一方面Z n 加入在铜中形成置换固溶体，而固溶 体的电阻率随着溶质原子增多而增大，即导电性随 溶质原予的增多而减小。从点阵品格看是由于在溶 剂铜点阵中溶人异类原子后引起点阵畸变，并随着 Z n 加入量的增多引起点阵畸变的程度增大，对电子 运动的散射也就越强。因此，电阻率将随之增大，导 ㈣ ㈣ 嘶 懈 叁| 啦 n n n j 万方数据 1 4有色金属第5 8 卷 电性减小。另外，Z n 的加入提高了异质形核几率， 导致晶粒细化，晶界增多，电子散射几率增大，导电 性能下降。 图2 金相照片 x1 0 0 F i g ．2M e t a l l o g r a p h yp i c t u r e 1 0 0 2 ．2 稀土L a 和Z n 对C u 强度的影响 抗拉强度测定结果见图3 。可见加入稀土后， 铜棒的抗拉强度与纯铜相比有所提高，但随稀土加 入量的增多，抗拉强度有下降趋势。抗拉强度的增 高是由于稀土在铜中的变质和净化作用。稀土的加 入能消除枝状晶区，急剧细化晶粒，另外稀土和一些 杂质形成难熔化合物并呈弥散状态分布∞J 。同时 稀土的加入能使金属和合金中某些呈条状、片状甚 至块状的杂质转变成点状或球状，从而改善或提高 抗拉强度。当稀土加入量过多时，则产生大量氧化 物夹杂，由于其分布极不均匀，致使强度下降。由图 3 也可以看出随着z n 的加入量的增多合金的强度 有显著提高。这是因为Z n 加入到铜中，形成较稳定 图3 不同稀土L a 和Z n 加入最与抗拉强度关系 F i g ．3R e l a t i o n s h i po fL aa n dZ na d d i t i o nt os t r e n g t h 参考文献 的分布“柯氏气团”，产生固溶强化效应。 2 ．3L a 和Z n 对C u 硬度的影响 硬度测定结果见图4 。随着L a 和z n 加入量增 多，纯铜的硬度显著提高。这是因为一方面加入L a 后对纯铜的组织有明显的细化作用，L a 能够与铜中 的杂质元素化合形成高熔点的稀土化合物，部分化 合物悬浮在溶液中并弥散分布，可作为异质形核核 心，从而阻碍晶粒长大。z n 的加入则促进了非自发 形核，细化晶粒。而晶粒尺寸的减小会增大纯铜的 硬度。另一方面，稀土与纯铜中的氧，氢，硫等有害 杂质亲和力很大，可形成化合物一部分弥散的分布 于铜的基体中，另一部分则呈固相上浮到铜液表面 而进入渣相，使铜液净化，从而使铜原子结合力增 强，导致合金的硬度增高M 』。 0 ．t X 0 ．0 20 ． 坶l ．0 60l 啦 【R E I ／％ 图4 不同稀土L a 和Z n 加入量与硬度关系 F i g ．1R e l a t i o n s h i po fL aa n dZ na d d i t i o nt oh a r d n e s s 3结论 加入适量稀土元素可以净化铜的基体，起到脱 氧、净化和细化晶粒的作用，改善其导电性。z n 的 加入对铜有固溶强化和细晶强化的作用，可以显著 提高纯铜的硬度，对导电性却有负面影响。综合试 验结果分析可知，Z n 和L a 的加入明显提高纯铜的 强度和硬度。在Z n 含量为0 ．4 ％、L a 含量为 0 ．0 8 ％时，铜的综合性能达到最佳。 [ 1 ] 谈荣生，孙连超．稀土在纯铜和铜合金中的应用和现状研究[ J ] ．中国稀土学报，1 9 9 5 ，1 3 4 4 5 4 4 9 ． [ 2 ] 尹志民，张生龙．高强高导铜合金研究热点及发展趋势[ j ] ．矿冶工程，2 0 0 2 ，2 2 2 1 9 ， [ 3 ] 仲伟深，付大军，孙跃军．稀土对电气化铁路电车线纯铜性能的影响[ J ] 铸造，2 0 0 1 ，5 0 2 8 1 8 3 [ 4 ] 张连勇．稀土L a C e 在纯铜中的作用机理及对其性能的影响[ D ] ．辽宁阜新辽宁工程技术大学，4 5 4 8 万方数据 第3 期范世平等Z n 和稀土元素L a 对铜性能的影响 1 5 E f f e c t so fL aa n dZ no nP r o p e r t i e so fP u r eC o p p e r F A NS h i p i n 9 1 ，G U OC h u n e n2 ，Z H A OY u e - c h a 0 3 1 ．X i n j i a n gH a m iP e t r o l u m b a s eM e c h a n i c a lF a c t o r y ，H a m i8 3 9 0 0 9 ，X i 巧i a n g ，C h i n a ； 2 ．X i 脚i a n gH a m iP e t r o l u m - b a s eG e o l o g i c a lR e s e a r c hI n s t i t u t e ，H a m i8 3 9 0 0 9 ，X i n j i a n g ，C h i n a ； 3 ．L i a o n i n gT e c h n i c i a lU n i v e r s i t y ，F u x i n1 2 3 0 0 0 ，L i a o n i n g ，C h i n a A b s t r a c t T h ec o n d u c t i v i t y ，s t r e n g t ha n dh a r d n e s so ft h ec o p p e rm a t e r i a lw i t ha d d i t i o no ft h em e t a lZ na n dr a r e e a r t h e l e m e n tL aa r ei n v e s t i g a t e db ye l e c t r i c i t yr e s i s t a n c em e a s u r e m e n tw i t hd o u b l eb r i d g ec i r c u i t ，t e n s i l et e s ta n d h a r d n e s sm e a s u r e m e n t ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep u r ec o p p e rs u b s t r a t ec a nb ep u r i f i e ds u c ha so x y g e ne l i m i n a t i o n ，a n dt h ec r y s t a l l i n eg r a i ni sf i n e db ya d d i t i o no fr a r e e a r t he l e m e n tL a ，S Ot h ec o n d u c t i v i t yi si m p r o v e d ． T h es o l u t i o na n df i n eg r a i ns t r e n g t h e n i n ge f f e c t sa r ea c c o m p l i s h e db ya d d i t i o no fm e t a lZ n ，h o w e v e rt h ec o n d u c t i v i t yi sd e c r e a s e ds o m e w h a t ．T h eo p t i m a lc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t yo fs p e c i m e ni sa c h i e v e dw i t ht h ec o n t e n to f 0 ．0 8 ％L aa n d0 ．4 ％Z n ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；c o p p e r ；r a r e e a r t he l e m e r x t sL a ；Z n ；c o n d u c t i v i t y ；s t r e n g t h ；h a r d n e s s 上接第1 2 页，C o n t i n u e df r o mP ．1 2 [ 1 1 ] 铸工手瓣编写组．铸造有色金属手册[ M ] 。北京机械工业出版社，1 9 7 8 1 9 8 ． [ 1 2 ] 鲁薇华，王汝耀．锶变质铝硅合金的组织、性能及其变质工艺[ J ] ．铸造，1 9 9 7 ，4 6 9 4 4 4 9 ． [ 1 3 ] 孙伟成，张淑荣，侯爱芹．稀土在铝合金中的行为[ M ] ．北京兵器工业出版社，1 9 9 2 1 9 2 1 9 6 L a s t i n gM o d i f i c a t i o nE f f e c ta n dR e m e l t i n gM o d i f i c a t i o nS t a b i l i t yo fA I - 1 0 C eM a s t e rA l l o yo n 口- A l W A N G Z h e n g - j u n1 一，L I UT i a n Z U 0 1 ，W A N GX i a o - j u n1 ，X I AT i a n ．d o n 9 1 ，Z H A OW e n - j u n 1 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fG a n s uN e wN o n f e r r o u sM e t a lM a t e r i a l s ，C o l l e g eo fM a t e r i a l s S c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a ； 2 ．S u q i a nC o l l e g e ，S u q i a n2 2 3 8 0 0 ，J i a n g s u ，C h i n a A b s t r a e t T h el a s t i n gm o d i f i c a t i o na n dt h er e m e l t i n gm o d i f i c a t i o ne f f e c t so fA l l O C em a s t e ra l l o y so n 口一A 1a r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so ft h eo p t i c sm i c r o s c o p ea n dX r a yd i f f r a c t i o n ，a n dc o m p a r e dw i t ht h es o d i u ms a l tm o d i f i c a t i o n e f f e c t ．T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e r ei sa ne x c e l l e n tm o d i f i c a t i o ne f f e c tw i t ht h ep r o p e ra d d i t i o no f ．4 1 一 l O C em a s t e ra l l o yi n 口一础．T h em o d i f i c a t i o ne f f e c to fA I l O C em a s t e ra l l o yc a nh o l dl o n g e rt i m ea n db e t t e rr e m e l t i n g m o d i f i c a t i o ns t a b i l i t yt h a nt h a to fs o d i u ms a l t ．I na d d i t i o n ．t h em o d i f y i n ga n dr e f i n i n gt e c h n o l o g i e s 诵t hA 1 一l O C em a s t e r a l l o yw o u l dn e v e rp o l l u t et h ee n v i r o n m e n t ．T h e r e f o r e ．t h es h o r t c o m i n g so fc u r r e n tm o d i f i e r sc a nb eo v e r c o m eb yu s eo f t h eA 1 一l O C em a s t e ra l l o y sa n dt h ep r e f e r a b l ea p p l i c a b l ef o r e g r o u n dc a nb ep r e d i c t e d ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；A t 一1 0 C em a s t e ra l l o y ；m o d i f i c a t i o ne f f e c t s ；l a s t i n gm o d i f i c a t i o ne f f e c t s ；r e m e l t i n gm o d i f i c a t i o n 万方数据