Zr对H65合金铸态晶粒尺寸和硬度的影响

吴 语，赵 忱，梅 伟

（1.江西铜业技术研究院有限公司，江西 南昌 330096；2.国家铜冶炼及加工工程技术研究中心，江西 南昌 330096；3.江西铜业集团公司 铜板带有限公司，江西 南昌 330096）

Zr对H65合金铸态晶粒尺寸和硬度的影响

吴 语1，2，赵 忱1，2，梅 伟3

（1.江西铜业技术研究院有限公司，江西 南昌 330096；2.国家铜冶炼及加工工程技术研究中心，江西 南昌 330096；3.江西铜业集团公司 铜板带有限公司，江西 南昌 330096）

以添加不同含量Zr元素的H65铸态合金为研究对象，采用定性比较和定量测量的方式对合金铸态晶粒尺寸和硬度值进行了比较分析。结果表明：Zr元素的添加对H65合金铸态组织细化作用较显著，并且晶粒细化在合金硬度值上表现为明显的提升。其中，Zr含量为0.050%的合金晶粒平均直径为63.38μm（仅为未添加时的3.3%），硬度值为143.02HV。

H65合金；Zr含量；晶粒细化；晶粒平均直径；硬度

1 引言

细化晶粒作为一种有效提升材料常温下强度和塑性的方法，在材料制备和性能提升方面常被人们所采用。在熔炼过程中添加高熔点物质，使其在凝固过程中富集于结晶前沿抑制枝晶生长或与合金主要元素形成第二相质点增加形核数量，均能实现细化晶粒、改善组织的目的。研究表明［1-3］，在铜及铜合金中添加Ti、Co、La和Ce等微量元素可以明显减小原始枝晶尺寸、提高材料硬度、降低柱状晶比例，并能起到净化合金基体等积极作用。

本文以H65合金为实验对象，在熔炼过程中添加微量的高熔点物质Zr，通过观察和对比添加Zr前后H65合金铸态宏观和微观组织的差异性，研究Zr元素对合金铸态晶粒尺寸和硬度的影响。

2 实验

实验材料为H65合金，主要化学元素Cu：63.5%～68%，Zn：32%～36%。以Cu-Zr作为中间合金，分别添加0%、0.015%、0.030%和0.050%的微量元素Zr。

在50kg中频感应炉内进行熔化精炼，熔炼温度1100～1120℃，浇注温度1040～1050℃，Ф40mm铁模浇铸。表1为合金各元素检测实际含量，均在合金名义成分范围内。

表1 实验合金各元素实际含量 质量分数：%

采用电火花线切割机对铸态合金进行取样。宏观金相试样采用浓度为40%的HNO3溶液侵蚀，微观金相试样采用5gFeCl3+10mlHCl+100ml C2H5OH溶液侵蚀；利用Keyence VHX-1000 3D光学显微镜和JSM-6510扫描电子显微镜进行组织观察、图像采集和晶粒尺寸测量；采用Oxford Inca X-max EDS System对合金进行微区元素分析。

3 结果与分析

3.1 微量Zr元素对H65铸态晶粒尺寸的影响

图1是在H65合金中分别添加不同含量Zr元素后，获得的宏观金相照片。可以看出：（1）图1（a）所示的未添加Zr元素的合金晶粒，相比图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）添加量为0.050%时的合金组织，晶粒细小，晶界难以分辨，无法观察到单一晶粒；（3）随着Zr元素添加量的增大，合金细化程度增加，且组织中柱状晶区所占比例持续减小。

图1 不同Zr含量的H65铸坯宏观组织（20×）

利用截距法对上述H65合金组织进行晶粒度测量，测得合金晶粒平均直径依次为1911.07μm、379.42μm、168.13μm和63.38μm。由此可见，添加量为0.015%时的合金晶粒尺寸，仅为未添加时的20%；添加量为0.030%时的合金晶粒尺寸，为添加量0.015%时的44%；添加量为0.050%时的合金晶粒尺寸，为添加量0.030%时的38%，为未添加时的3.3%。由此可见，尽管Zr元素添加量的增加，一直具有正的细化效果，但细化程度随添加量的增加呈现放缓趋势。

图2 不同Zr含量的H65铸态晶粒平均直径

上述现象的发生，主要是因为［4-5］：一方面，没有固溶到基体中的那一部分Zr，则由于自身熔点较高，在冷却过程中率先析出形成形核质点，增加了合金凝固过程中的形核数量，进而实现晶粒细化；另一方面，在合金中溶解的那一部分Zr，凝固过程中在固液界面推进的前方形成成分过冷，对晶粒长大具有抑制作用，从而达到细化晶粒的结果。而且，在抑制晶粒长大的过程中，为前面所述未溶解的Zr形核提供了更多的时间机会，因此以上两个方面对晶粒细化发挥独立和交互作用。

图3是Zr含量为0.050%的H65铸态SEM像及面扫描元素分布结果，图中显示Zr元素广泛分布在合金基体中，由此可以推断，前面所述的原因之中，抑制作用对晶粒细化可能发挥了更大的作用。

图3 0.050%Zr含量的H65铸态SEM像（500×）及面扫描元素分布

不同Zr含量的H65合金铸态微观组织如图4所示。可以看出：（1）添加Zr元素的H65合金与未添加时一样，铸态均为明显的枝晶a+β组织；（2）0.015%和0.030%的Zr添加量对α相的二次晶枝有细化作用，但区别不明显；（3）添加量达0.050%时，枝晶主干长度明显变小，但主干和二次晶枝呈现球化，说明Zr元素的细化作用并非随添加量的增加呈单一变化趋势。二次晶枝的细化，主要也是因为［6-8］二次晶枝本身作为固液相的界面，在向前推进生长的过程中，受到了Zr元素的抑制作用；而出现球化则可能是由于形核数量较多，枝干还没有来得及更充分的生长便因相遇而完成凝固。

图4 不同Zr含量的H65铸态微观组织（500×）

3.2 微量Zr元素对H65硬度的影响

图5是根据实际检测结果，绘制的H65铸态合金硬度与Zr含量之间的关系。由图可知，在未添加Zr含量时，合金硬度仅为97.7HV；添加Zr元素的H65铸态合金硬度高达130HV以上，其中添加量为0.050%的合金硬度更是达到143.02HV，但进一步增加Zr含量，合金硬度的进一步上升不明显。这说明，Zr元素的添加对H65合金铸态硬度的提升有明显作用，其原因是Zr元素添加使得合金晶粒细化，在性能上表现为细晶强化的作用。

图5 H65铸态合金硬度与Zr含量关系

4 结语

（1）Zr元素对H65铸态合金具有明显晶粒细化作用，Zr含量为0.050%时的合金晶粒尺寸，仅为未添加时的3.3%，但细化程度随添加量的增加呈现递减趋势。

（2）添加Zr元素可以显著提升H65铸态合金硬度，其中添加量为0.050%的合金硬度可达143.02HV。

（3）建议后续实验进一步加大Zr元素添加量，以观察其在H65合金中可能存在的形式；定量计算各细化机制在晶粒细化方面发挥作用的比例。

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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

吴语（1986-），男，安徽太和人，工程师，工学硕士，主要研究高性能铜合金材料制备、加工及成果转化。E-mail： momowuyu2004@163.com