微量镧对纯铜晶粒大小及硬度的影响

赵轩　孟祥锋　周丹

摘 要 金属材料的性能和晶粒大小有着密切关系，工业生产中常常通过不同的手段细化材料的晶粒，控制和改善铜及其合金组织，提高材料性能。文章通过在纯铜中添加微量稀土元素镧，研究镧对纯铜晶粒大小和硬度的影响，分析产生变化的原因。

关键词 纯铜；镧；晶粒；硬度

中图分类号：TG146 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0064-01

稀土元素作为一种添加剂在黑色金属中的应用已经进行了大量的研究，并在钢铁工业中成熟运用，并表现出良好的效

果[1]。而稀土元素在有色金属中的应用，近些年来也越来越受到更广泛的关注。关于稀土对铜和铜合金的作用方面也已做了大量的基础和应用性研究工作。现在学者们普遍认为稀土的加入可以使铜及铜合金的热塑性能、耐腐蚀性能、导电性能、机械性能等得到改善[2]。铜及铜合金中的杂质有氧、氢、硫、氮、铅、秘等，这些元素的存在使铜的机械性能等受到很大影响。稀土元素对氧、氢、硫、氮等具有较高的亲合力，可以起到净化合金的作用，提高合金的性能和质量[3]。有文献[4]记载不同稀土含量可以影响铜合金硬度。当稀土加入量增加时，铜合金的硬度也增加，而硬度达到某一值后增加则趋于平缓。文献[5]讨论了稀土对连续铸造紫铜杆的变质作用，指出添加微量稀土元素钇或混合稀土可细化铸杆的晶粒，提高紫铜杆的机械性能。

本文通过在纯铜中加入稀土元素镧，采用真空熔炼，分析研究微量稀土元素镧对纯铜晶粒大小和硬度的影响，为稀土在铜中作用的研究做基础性工作。

1 实验材料及方法

原材料采用99.9%的T2纯铜和纯度都大于99.9%的稀土金属镧。纯铜在加热前要进行使用碳酸钠水溶液表面处理和预热去气。粉末状稀土镧和紫铜棒一起放入事先烘干的石墨坩埚中，放入真空熔炼炉中加热到设计温度，保温预定时间，然后采用炉冷。通过不同的成分配比加工成成分0.02、0.04、0.06、0.08和0.1wt%系列的Cu-Re合金试样。在XLM-20型金相显微镜下观察组织，并做定量金相分析。在布氏硬度机测量试样的硬度。

2 实验结果与分析

2.1 试验结果

2.2 镧对晶粒大小的影响

晶粒大小是由晶粒度表示。而晶粒度的数值表示有多种。为了更方便直观，本实验采用金相法测量的晶粒大小用公称直径表示。从实验结果我们能清楚的看到微量镧的加入起到细化晶粒的作用。

学者普遍认为稀土元素能脱氧和去除杂质的能力都很强，并且和铜液中的硅、铁等杂质形成难溶的多元稀土化合物[6]，由于这些化合物熔点高。熔炼过程中常以颗粒状悬浮于熔体之中，形成结晶形核的基底，增加了细小等轴晶的生成，从而细化晶粒。另一方面，镧原子半径大于铜的原子半径，进入铜相晶格内引起较大的晶格畸变，产生较大的畸变能，使系统能量增加，稀土原子只能向高能量的晶界富集，使系统保持最低的自由能。所以铸态组织中镧原子大部分沿晶界分布，而且阻滞晶粒得长大。在以上两方面的作用下，纯铜的晶粒被细化了。

2.3 镧对纯铜硬度的影响

从实验结果来看，稀土镧对纯铜硬度影响随着稀土加入量的增加硬度逐渐增大，并且当含量超过0.08wt%时，硬度显著提高。

试验过程中，稀土元素的加入量逐渐增加，合金成分的变化带来了组织结构的变化，这一点可以通过硬度试验能敏感的反映出来。最初当镧的加入量很少时，稀土原子进入铜晶格的间隙中，产生晶格畸变，引起固溶强化。这种强化是由于晶格畸变应力场与位错应力场的交互作用，阻碍了位错运动，从而强化。同时溶质原子本身与位错的交互作用也引起强度的变化。另一方面，晶粒大小也会影响性能，主要反映在晶界的影响。减小晶粒尺寸可以增加位错运动障碍的数量，减小同一晶粒内位错塞积长度，而在一个晶粒内部只有塞积更多数量的位错才能给相邻晶粒位错源的开动提供必要动力，这就增大了位错运动的阻力。再有晶粒越细小，晶界就越多越曲折，越不利于裂纹的传播，从而在断裂前可承受较大的塑性变形。从实验结果中看到，加入少量的镧之后，晶粒细化，增加晶界对位错阻碍，起到细晶强化的作用。此外由于镧的加入，还会形成镧和铜的金属间化合物。这些金属间化合物粒子较硬，分布于基体中，成为位错运动的阻力。随着稀土含量增加，粒子数增多，对位错运动的阻力增大，合金被强化的程度增加，因此合金的硬度增加。在以上几方面原因共同作用下，镧使纯铜的硬度提高。

3 结论

通过实验结果显示，在纯铜中添加微量的稀土元素镧，可以起到细化晶粒的作用，并且随着镧元素加入量的增加，细化作用会更明显。微量的稀土元素镧能够提高纯铜的硬度，当加入量超过0.08wt%时，强化作用更加明显。从晶粒大小和硬度之间的变化关系可以推断，晶粒越细小硬度越高。

参考文献

[1]余宗森.稀土在钢中应用的新进展[J].材料科学进展，1987，1（7）：1.

[2]庄红，刘勇健.稀土对铜及铜合金性能的影响[J].有色金属，1997，47（2）：90-94.

[3]张密林，等.稀土在铝及其合金中的应用进展[J].稀土，1988（5）：34-36.

[4]刘技文.稀土铜铬锆合金性能的研究[J].上海金属（有色分册），1993（5）：10-11.

[5]魏志庆，郑培新.稀土对真空上引法连续铸造紫铜杆的变质作用[J].稀土，1991（1）：53-55.

[6]谈荣生，孙连超.稀土对变形铅黄铜高温性能的影响[J].中国稀土学报，1992（3）：239-242.endprint