Zr對H65合金鑄態(tài)晶粒尺寸和硬度的影響

吳 語，趙 忱，梅 偉

（1.江西銅業(yè)技術(shù)研究院有限公司，江西 南昌 330096；2.國家銅冶煉及加工工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330096；3.江西銅業(yè)集團(tuán)公司 銅板帶有限公司，江西 南昌 330096）

Zr對H65合金鑄態(tài)晶粒尺寸和硬度的影響

吳 語1，2，趙 忱1，2，梅 偉3

（1.江西銅業(yè)技術(shù)研究院有限公司，江西 南昌 330096；2.國家銅冶煉及加工工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330096；3.江西銅業(yè)集團(tuán)公司 銅板帶有限公司，江西 南昌 330096）

以添加不同含量Zr元素的H65鑄態(tài)合金為研究對象，采用定性比較和定量測量的方式對合金鑄態(tài)晶粒尺寸和硬度值進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明：Zr元素的添加對H65合金鑄態(tài)組織細(xì)化作用較顯著，并且晶粒細(xì)化在合金硬度值上表現(xiàn)為明顯的提升。其中，Zr含量為0.050%的合金晶粒平均直徑為63.38μm（僅為未添加時(shí)的3.3%），硬度值為143.02HV。

H65合金；Zr含量；晶粒細(xì)化；晶粒平均直徑；硬度

1 引言

細(xì)化晶粒作為一種有效提升材料常溫下強(qiáng)度和塑性的方法，在材料制備和性能提升方面常被人們所采用。在熔煉過程中添加高熔點(diǎn)物質(zhì)，使其在凝固過程中富集于結(jié)晶前沿抑制枝晶生長或與合金主要元素形成第二相質(zhì)點(diǎn)增加形核數(shù)量，均能實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒、改善組織的目的。研究表明［1-3］，在銅及銅合金中添加Ti、Co、La和Ce等微量元素可以明顯減小原始枝晶尺寸、提高材料硬度、降低柱狀晶比例，并能起到凈化合金基體等積極作用。

本文以H65合金為實(shí)驗(yàn)對象，在熔煉過程中添加微量的高熔點(diǎn)物質(zhì)Zr，通過觀察和對比添加Zr前后H65合金鑄態(tài)宏觀和微觀組織的差異性，研究Zr元素對合金鑄態(tài)晶粒尺寸和硬度的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為H65合金，主要化學(xué)元素Cu：63.5%～68%，Zn：32%～36%。以Cu-Zr作為中間合金，分別添加0%、0.015%、0.030%和0.050%的微量元素Zr。

在50kg中頻感應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行熔化精煉，熔煉溫度1100～1120℃，澆注溫度1040～1050℃，Ф40mm鐵模澆鑄。表1為合金各元素檢測實(shí)際含量，均在合金名義成分范圍內(nèi)。

表1 實(shí)驗(yàn)合金各元素實(shí)際含量 質(zhì)量分?jǐn)?shù)：%

采用電火花線切割機(jī)對鑄態(tài)合金進(jìn)行取樣。宏觀金相試樣采用濃度為40%的HNO3溶液侵蝕，微觀金相試樣采用5gFeCl3+10mlHCl+100ml C2H5OH溶液侵蝕；利用Keyence VHX-1000 3D光學(xué)顯微鏡和JSM-6510掃描電子顯微鏡進(jìn)行組織觀察、圖像采集和晶粒尺寸測量；采用Oxford Inca X-max EDS System對合金進(jìn)行微區(qū)元素分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 微量Zr元素對H65鑄態(tài)晶粒尺寸的影響

圖1是在H65合金中分別添加不同含量Zr元素后，獲得的宏觀金相照片?？梢钥闯觯海?）圖1（a）所示的未添加Zr元素的合金晶粒，相比圖1（b）、（c）和（d）所示的添加了Zr元素的合金晶粒要粗大很多；（2）添加量為0.050%時(shí)的合金組織，晶粒細(xì)小，晶界難以分辨，無法觀察到單一晶粒；（3）隨著Zr元素添加量的增大，合金細(xì)化程度增加，且組織中柱狀晶區(qū)所占比例持續(xù)減小。

圖1 不同Zr含量的H65鑄坯宏觀組織（20×）

利用截距法對上述H65合金組織進(jìn)行晶粒度測量，測得合金晶粒平均直徑依次為1911.07μm、379.42μm、168.13μm和63.38μm。由此可見，添加量為0.015%時(shí)的合金晶粒尺寸，僅為未添加時(shí)的20%；添加量為0.030%時(shí)的合金晶粒尺寸，為添加量0.015%時(shí)的44%；添加量為0.050%時(shí)的合金晶粒尺寸，為添加量0.030%時(shí)的38%，為未添加時(shí)的3.3%。由此可見，盡管Zr元素添加量的增加，一直具有正的細(xì)化效果，但細(xì)化程度隨添加量的增加呈現(xiàn)放緩趨勢。

圖2 不同Zr含量的H65鑄態(tài)晶粒平均直徑

上述現(xiàn)象的發(fā)生，主要是因?yàn)椋?-5］：一方面，沒有固溶到基體中的那一部分Zr，則由于自身熔點(diǎn)較高，在冷卻過程中率先析出形成形核質(zhì)點(diǎn)，增加了合金凝固過程中的形核數(shù)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化；另一方面，在合金中溶解的那一部分Zr，凝固過程中在固液界面推進(jìn)的前方形成成分過冷，對晶粒長大具有抑制作用，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的結(jié)果。而且，在抑制晶粒長大的過程中，為前面所述未溶解的Zr形核提供了更多的時(shí)間機(jī)會，因此以上兩個(gè)方面對晶粒細(xì)化發(fā)揮獨(dú)立和交互作用。

圖3是Zr含量為0.050%的H65鑄態(tài)SEM像及面掃描元素分布結(jié)果，圖中顯示Zr元素廣泛分布在合金基體中，由此可以推斷，前面所述的原因之中，抑制作用對晶粒細(xì)化可能發(fā)揮了更大的作用。

圖3 0.050%Zr含量的H65鑄態(tài)SEM像（500×）及面掃描元素分布

不同Zr含量的H65合金鑄態(tài)微觀組織如圖4所示?？梢钥闯觯海?）添加Zr元素的H65合金與未添加時(shí)一樣，鑄態(tài)均為明顯的枝晶a+β組織；（2）0.015%和0.030%的Zr添加量對α相的二次晶枝有細(xì)化作用，但區(qū)別不明顯；（3）添加量達(dá)0.050%時(shí)，枝晶主干長度明顯變小，但主干和二次晶枝呈現(xiàn)球化，說明Zr元素的細(xì)化作用并非隨添加量的增加呈單一變化趨勢。二次晶枝的細(xì)化，主要也是因?yàn)椋?-8］二次晶枝本身作為固液相的界面，在向前推進(jìn)生長的過程中，受到了Zr元素的抑制作用；而出現(xiàn)球化則可能是由于形核數(shù)量較多，枝干還沒有來得及更充分的生長便因相遇而完成凝固。

圖4 不同Zr含量的H65鑄態(tài)微觀組織（500×）

3.2 微量Zr元素對H65硬度的影響

圖5是根據(jù)實(shí)際檢測結(jié)果，繪制的H65鑄態(tài)合金硬度與Zr含量之間的關(guān)系。由圖可知，在未添加Zr含量時(shí)，合金硬度僅為97.7HV；添加Zr元素的H65鑄態(tài)合金硬度高達(dá)130HV以上，其中添加量為0.050%的合金硬度更是達(dá)到143.02HV，但進(jìn)一步增加Zr含量，合金硬度的進(jìn)一步上升不明顯。這說明，Zr元素的添加對H65合金鑄態(tài)硬度的提升有明顯作用，其原因是Zr元素添加使得合金晶粒細(xì)化，在性能上表現(xiàn)為細(xì)晶強(qiáng)化的作用。

圖5 H65鑄態(tài)合金硬度與Zr含量關(guān)系

4 結(jié)語

（1）Zr元素對H65鑄態(tài)合金具有明顯晶粒細(xì)化作用，Zr含量為0.050%時(shí)的合金晶粒尺寸，僅為未添加時(shí)的3.3%，但細(xì)化程度隨添加量的增加呈現(xiàn)遞減趨勢。

（2）添加Zr元素可以顯著提升H65鑄態(tài)合金硬度，其中添加量為0.050%的合金硬度可達(dá)143.02HV。

（3）建議后續(xù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步加大Zr元素添加量，以觀察其在H65合金中可能存在的形式；定量計(jì)算各細(xì)化機(jī)制在晶粒細(xì)化方面發(fā)揮作用的比例。

［1］WEI CAI， YU WU， et al.Effect of Ti on the Structure and Properties of Cu-15Ni-10Mn Alloy As-cast Smelted at Atmosphere［J］.Advanced Materials Research， Vols.887-888（2014）：362-365.

［2］蔡薇， 吳語， 王剛， 等.微量鈷對鑄態(tài)Cu-15Ni-10Mn合金組織及性能的影響［J］.鑄造， 2014， 63（12）：1273-1272.

［3］孟德權(quán)， 張偉強(qiáng)， 張廣鳳.稀土元素La和Ce對鑄態(tài)純銅組織與性能的影響［J］.鑄造， 2007， 56（6）：651-653.

［4］孫明， 吳國華， 戴吉春， 等.Zr在鎂合金中晶粒細(xì)化行為研究進(jìn)展［J］.鑄造， 2010， 59（3）：255-258.

［5］Taznuar Y， Kono N， Mottegi T， et al.Giarn refining mechanism and easting strueture of Mg-Zr alloy［J］.Jpn Inst Light Met， 1998， 48：185.

［6］胡漢起.金屬凝固［M］.冶金工業(yè)出版社， 1985.

［7］左玉波， 崔建忠， 趙志浩.細(xì)化劑和冷卻速率對Al-Mg-Mn合金凝固組織的影響［J］.稀有金屬， 2008， 33（5）： 589-592.

［8］常國威， 王建中.金屬凝固過程中的晶體生長與控制［M］.冶金工業(yè)出版社， 2002.

Effect of Zr on the Grain Size and Hardness of H65 Alloy Cast Grain

WU Yu1，2， ZHAO Chen1，2， MEI Wei3
（1.Jiangxi Copper Technology Research Institute Co.， Ltd， Nanchang 330096， Jiangxi， China； 2.National Copper Smelting And Fabrication Engineering Research Center， Nanchang 330096， Jiangxi， China； 3.JCC Copper Strip Co.， Ltd.， Nanchang 330096， Jiangxi， China）

The effects of addition of different Zr content oncast structure and hardness of H65 alloy were studied through qualitative analysis and quantitative comparison.The results showed that the addition of Zr had obvious refining effect on H65 alloy cast structure，Zr reduced the grain size and increased the hardness of H65 alloy.The average grain diameter of the alloy is 63.38μm （only 3.3% of the alloy without Zr）， the hardness is 143.02HV as the content of Zr is 0.050%.

H65 alloy；Zr content；grain refining；average grain diameter；hardness

TG146.1

A

1009-3842（2015）06-0028-03

2015-08-20

吳語（1986-），男，安徽太和人，工程師，工學(xué)碩士，主要研究高性能銅合金材料制備、加工及成果轉(zhuǎn)化。E-mail： momowuyu2004@163.com