稀土在銅及銅合金中的作用

一、稀土對銅及銅合金組織的影響
1、凈化組織
工業(yè)用銅中往往含有多種雜質(zhì),雖然有些雜質(zhì)含量很低,甚至低于0.001 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同) ，但是這些雜質(zhì)元素會(huì)嚴(yán)重影響銅及銅合金的加工性能、降低導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性。如氧、硫和銅形成的脆性化合物(Cu2O 和Cu2S) 可以降低銅的塑性，這些脆性化合物冷拉時(shí)還會(huì)產(chǎn)生毛刺，并降低銅的導(dǎo)電性、耐蝕性和焊接性能。稀土凈化銅及銅合金組織主要有兩種方式: (1) 稀土與氧和硫的親和力很強(qiáng),形成熔點(diǎn)較高，熱穩(wěn)定性強(qiáng)，比重較小的稀土化合物，從而達(dá)到脫硫、脫氧的作用；又稀土元素很容易與原子態(tài)氫發(fā)生作用，生成RH2 或RH3 型穩(wěn)定氫化物(R 代表稀土金屬) ,這些氫化物以固溶體的形式溶于銅合金中，從而消除了氫的有害作用。(2) 稀土與鉛、鉍等元素生成比銅熔點(diǎn)高的高熔點(diǎn)金屬間化合物，因此在銅熔鑄過程中，可以保持固體狀態(tài)，與熔渣一起從液體金屬銅合金中排除，達(dá)到脫鉛、鉍的目的。

2、細(xì)化組織
稀土對銅及銅合金顯微組織的影響主要體現(xiàn)為細(xì)化晶粒，減少或消除柱狀晶，擴(kuò)大等軸晶區(qū)的作用。稀土細(xì)化銅及銅合金組織的作用機(jī)理主要存在以下三種: (1) 形成新晶核，抑制晶粒長大。稀土在銅及其合金中能與一些元素反應(yīng)形成高熔點(diǎn)化合物，常以極微細(xì)顆粒懸浮于熔體之中，成為彌散的結(jié)晶核心，使晶粒變多，變?。挥謴哪淘砑盁崃W(xué)觀點(diǎn)看，由于稀土大量聚集在固液界面前沿的液相中，使合金在凝固時(shí)成分過冷增大，以樹枝狀方式凝固生長，同時(shí)在分枝節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生細(xì)頸、熔斷，增多了結(jié)晶核心，從而細(xì)化了晶粒。(2) 微晶化作用。由于稀土元素的原子半徑( 0.174nm～0.204 nm) 比銅的原子半徑(0.127nm) 要大36 %～60 % ，故稀土原子很容易填補(bǔ)正在生長中的銅或銅合金的晶粒新相的表面缺陷，生成能阻礙晶粒繼續(xù)生長的膜，從而細(xì)化為微晶； (3) 合金化作用。稀土在銅中的溶解度很小，一般僅千分之幾到萬分之幾，但稀土與銅能生成多種金屬間化合物。這些金屬間化合物彌散分布于基體中，達(dá)到細(xì)化晶粒。

3、稀土對夾雜物組織的影響
稀土對夾雜物組織的影響主要是改變雜質(zhì)的形態(tài)和分布。其主要表現(xiàn)有以下四種: (1) 減輕或消除合金結(jié)構(gòu)中的樹枝狀晶形和柱狀結(jié)晶,這與稀土同某些雜質(zhì)形成難熔化合物并呈彌散狀態(tài)有關(guān)。(2) 使合金中某些呈條狀、片狀甚至塊狀的雜質(zhì)(如鉛、鉍等，其中有的雜質(zhì)可形成低熔點(diǎn)共晶) 轉(zhuǎn)變成點(diǎn)狀或球狀，從而改善或提高了銅及其合金的機(jī)械及加工性能，這是由于活性很強(qiáng)的稀土金屬，能使像鉛這樣的一些雜質(zhì)對銅的潤濕性急劇降低，這些雜質(zhì)在其自身表面張力的作用下，使體積大大縮小。(3) 使合金中的某些有害雜質(zhì)由集中分布于枝晶或晶界間，改變?yōu)檩^均勻分布于整個(gè)晶體中，使雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)在金屬微觀體積上的再分布，或?qū)δ承╇s質(zhì)的宏觀偏析發(fā)生影響，導(dǎo)致各種性能得以提高。(4) 含稀土的化合物被吸附在金屬或合金的晶界上，減少合金晶界上低熔點(diǎn)有害雜質(zhì)的數(shù)量，從而減弱合金的高溫回火脆性。如在鈹銅合金中未加稀土前，夾雜物多為不規(guī)則棱角形的Cu2O 和Cu2S，添加適量稀土后，夾雜物全部球化，稀土夾雜物取代了Cu2O 和Cu2S ，使夾雜物由固溶態(tài)變?yōu)橄⊥粱衔镂龀觥?br />
二、稀土對銅及銅合金性能的影響
1、稀土對銅及銅合金加工性能的影響
在銅合金中加入適量稀土金屬，可以改善銅及銅合金的鑄造性能。對不同種類的銅合金，加入稀土后流動(dòng)性可提高30 %～40 %。對高錳鋁青銅、高鉛青銅、鉛黃銅中加入微量混合稀土，均可以改善合金的偏析或逆偏析現(xiàn)象，并可顯著提高變形鉛黃銅的高溫延伸率，改善熱加工性能，減輕或消除熱軋開裂現(xiàn)象。加入稀土可使殘余應(yīng)力值降低，稀土在一定變形度范圍內(nèi)( < 14 %) 可提高材料的冷變形能力。在變形鉛黃銅中添加稀土，可大大改善其切削加工性能，尤為顯著的是降低表面粗糙度、毛刺和刀具磨損。稀土添加劑對改善銅及其合金的焊接工藝性能具有很好的效果，焊縫金屬中的雜質(zhì)如微量Pb、Fe 、Si 、Bi 可引起熱裂紋，添加稀土元素將有效地防止這一傾向。