浅析磷铜球晶粒细化的方法
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现在普遍在金属或熔体中加入合金元素或化合 物ꎬ进行所谓的变质处理来达到改善铸造组织的目 的. 铸造用铜及铜合金在实际生产中应用广泛ꎬ 通 过添加合金元素细化晶粒的主要有纯铜、黄铜和铜 基形状记忆合金.
稀土元素作为一种添加剂在铜及铜合金中的应 用比较广泛ꎬ 关于稀土对铜和铜合金的作用ꎬ国内 已作了大量的基础和应用研究工作. 在纯铜熔炼过 程中ꎬ广泛使用稀土变质剂来细化晶粒. 在铜中添加 微量钆、钕、镝、铒、镧和富铈混合稀土ꎬ 可以起到细 化晶粒、改善组织结构、净化除杂的作用ꎬ 并能提高 铜的机械性能和导电性[１] . 需要指出的是ꎬ 在纯铜 中添加适量稀土ꎬ可以基本消除柱状晶区ꎬ 使其转 变为细小的等轴晶组织. 但是ꎬ过量添加反而使铸 锭组织产生疏松缺陷ꎬ 性能下降. 其中稀土镧和铈 的最佳加入量为 ０������ ０２ % [ ２] . 而相对于磷铜合金来 说ꎬ这种方法不可行. 因为稀土的添加会增加合金的
２ 快速冷却法
增加过冷度是细化晶粒方法里面比较常用的一 种方法. 其主要原理就是改变结晶过程中的凝固条 件ꎬ尽量增加冷却速度ꎬ使结晶形成的晶核来不及完 全成长就已经凝固ꎬ从而获得细化的初生晶粒. 快速 凝固时的冷却速度很快(１０３ ~ １０６ Ｋ / ｓ) . 实验证明ꎬ 晶粒大小与形核率和核长大速度密切相关. 若形核 率大于核长大速度ꎬ则晶粒细小ꎬ反之晶粒粗大. 但 形核率的核长大速度都随着过冷度的加快而增大ꎬ 只有提高过冷度ꎬ使过冷度很大时ꎬ形核率大于核长 大速度ꎬ并使两者的差距很大ꎬ晶粒才会被进一步细 化ꎬ在工业上ꎬ通常采用导热性好的金属模来代替沙 模ꎬ在模外采取强制冷却以及采用低温慢速浇注等 都是有效的快速冷却方法[３] . 但在磷铜合金的生产 过程中ꎬ因为采用上引连铸工艺ꎬ通有冷却水的结晶 器进入到铜水中ꎬ难以实现很大的过冷度ꎬ而且由于 较大的温差ꎬ热损耗很明显ꎬ容易加大能量的损失. 所以在快速凝固铜合金粉末的制备中采用较多ꎬ磷 铜合金生产中使用有一定的局限性.
( 广东南方特种铜材有限公司ꎬ广东 广州 ５１１３５６)
摘 要:介绍了目前国内晶粒细化的几种方法ꎬ并以实现微晶磷铜为例ꎬ浅析了微晶磷铜的实现途径. 关键词:微晶ꎻ 晶粒细化ꎻ 微晶铜 中图分类号: ＴＧ１４６. １ ＋ １ 文献标识码: Ａ
Ｂｒｉｅｆ Ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｇｒａｉｎ Ｒｅｆｉｎｉｎｇ ｏｆ Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂａｌｌ
３ 常规的热处理方法
根据金属热处理原理ꎬ铸态的材料经过适当的 升温、保温再冷却的工艺ꎬ可以明显细化晶粒. 这种 方法对较长ꎬ而且 对于磷铜合金来说有可能导致表面磷含量的变化.
４ 机械振动、超声波振动和电磁振动
结晶过程中ꎬ在固溶状态施与机械振动、超声波 振动和电磁振动ꎬ也能起到细化晶粒的效果. 其原理 是ꎬ在晶核形成、长大过程中ꎬ搅拌和振动可以向液 态金属中提供能量以提供形核功ꎬ促进晶核的形成. 同时ꎬ搅拌和机械振动也能使已经结晶的晶体在液 流的对流冲击下破碎形成新的晶核ꎬ增加晶核数量 达到细化晶粒的目的. 对于磷铜合金来说ꎬ方法固然 实在ꎬ但是在上引连铸过程中ꎬ要达到这样的振动程 度ꎬ又要兼顾安全和效率是很难的.
ＬＩＵ Ｌｉ ( Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｎａｎｆａｎｇ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｃｏｐｐｅｒ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｃｏ. ꎬ ＬｔｄꎬＧｕａｎｇｚｈｏｕꎬＧｕａｎｇｄｏｎｇꎬ５１１３５６ꎬＰ. Ｒ. Ｃｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｓｅｖｅｒａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｇｒａｉｎ ｒｅｆｉｎｉｎｇ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔꎬ ａｎｄ ｔａｋｅｓ ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｐｈｏｓｐｈｏｒ ｃｏｐｐｅｒ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｔｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｐｈｏｓｐｈｏｒ ｃｏｐｐｅｒ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ: ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅꎻ ｇｒａｉｎ ｒｅｆｉｎｉｎｇꎻ ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｃｏｐｐｅｒ
收稿日期:２０１８ － ０３ － ０５ 作者简介:刘 力(１９７８ － ) ꎬ男ꎬ２００３ 年毕业于武汉科技大学金属材料工程专业ꎬ工程师.
南 方 金 属
４６
ＳＯＵＴＨＥＲＮ ＭＥＴＡＬＳ
２０１８ 年第 ４ 期
杂质ꎬ从而“ 污染” 本身就要求较高和严格的电镀工 艺ꎻ其次ꎬ稀土元素的添加ꎬ会影响磷的消耗和含量ꎬ 不利于实际生产.
细化金属晶粒的方法很多. 按实现的途径可以 分为物理细化法和化学细化法. 目前对铜及铜合金 晶粒细化方法的研究主要集中在: 添加合金元素细 化晶粒ꎻ 快速凝固法细化晶粒ꎻ 形变处理细化晶粒
和电脉冲孕育处理细化晶粒几个方面. 本文以磷铜 球为例ꎬ对铜及铜合金晶粒细化的方法进行了综述.
１ 添加稀土(合金)元素细化晶粒
总第 ２２３ 期 ２０１８ 年 ８ 月
南 方 金 属 ＳＯＵＴＨＥＲＮ ＭＥＴＡＬＳ
Ｓｕｍ. ２２３ Ａｕｇｕｓｔ ２０１８
文章编号: １００９ － ９７００(２０１８)０４ － ００４５ － ０３
浅析磷铜球晶粒细化的方法
刘 力
目前国内市场上销售的普通磷铜球技术上已比 较成熟. 但不可避免地存在偏析、晶粒粗大等微观组 织缺陷. 而随着客户对产品要求的不断提高ꎬ普通的 磷铜球已经不能满足客户生产高档产品的要求ꎬ严 重阻碍了客户的生产和产品质量的提高. 具体反馈 有:阳极袋、 过 滤 器、 泵 等 设 备 使 用 寿 命 短ꎻ 阳 极 泥 多ꎬ镀液清净度差使电镀件产生表面光洁度差、发黑 等缺陷. 为了满足客户的要求ꎬ提高磷铜球在市场上 的竞争能力ꎬ市场上个别企业已经开发出 ＰＣ 阳极 铜升级换代的新产品微晶 ＰＣ 阳极铜.
顾名思义ꎬ微晶 ＰＣ 阳极铜最大的特点就是晶 粒更微小. 从宏观来看ꎬ晶粒细化既能提高材料的强 度ꎬ 又能提高材料塑性ꎬ 同时也能显著提高其力学 性能. 从金相组织看ꎬ微晶磷铜柱状晶大大减少ꎬ等 轴晶增多ꎬ结晶体更为细密ꎬ磷分布更均匀ꎬ偏析现 象减少. 在电镀过程中ꎬ磷铜阳极溶化得更均匀ꎬ利 用率更高.
稀土元素作为一种添加剂在铜及铜合金中的应 用比较广泛ꎬ 关于稀土对铜和铜合金的作用ꎬ国内 已作了大量的基础和应用研究工作. 在纯铜熔炼过 程中ꎬ广泛使用稀土变质剂来细化晶粒. 在铜中添加 微量钆、钕、镝、铒、镧和富铈混合稀土ꎬ 可以起到细 化晶粒、改善组织结构、净化除杂的作用ꎬ 并能提高 铜的机械性能和导电性[１] . 需要指出的是ꎬ 在纯铜 中添加适量稀土ꎬ可以基本消除柱状晶区ꎬ 使其转 变为细小的等轴晶组织. 但是ꎬ过量添加反而使铸 锭组织产生疏松缺陷ꎬ 性能下降. 其中稀土镧和铈 的最佳加入量为 ０������ ０２ % [ ２] . 而相对于磷铜合金来 说ꎬ这种方法不可行. 因为稀土的添加会增加合金的
２ 快速冷却法
增加过冷度是细化晶粒方法里面比较常用的一 种方法. 其主要原理就是改变结晶过程中的凝固条 件ꎬ尽量增加冷却速度ꎬ使结晶形成的晶核来不及完 全成长就已经凝固ꎬ从而获得细化的初生晶粒. 快速 凝固时的冷却速度很快(１０３ ~ １０６ Ｋ / ｓ) . 实验证明ꎬ 晶粒大小与形核率和核长大速度密切相关. 若形核 率大于核长大速度ꎬ则晶粒细小ꎬ反之晶粒粗大. 但 形核率的核长大速度都随着过冷度的加快而增大ꎬ 只有提高过冷度ꎬ使过冷度很大时ꎬ形核率大于核长 大速度ꎬ并使两者的差距很大ꎬ晶粒才会被进一步细 化ꎬ在工业上ꎬ通常采用导热性好的金属模来代替沙 模ꎬ在模外采取强制冷却以及采用低温慢速浇注等 都是有效的快速冷却方法[３] . 但在磷铜合金的生产 过程中ꎬ因为采用上引连铸工艺ꎬ通有冷却水的结晶 器进入到铜水中ꎬ难以实现很大的过冷度ꎬ而且由于 较大的温差ꎬ热损耗很明显ꎬ容易加大能量的损失. 所以在快速凝固铜合金粉末的制备中采用较多ꎬ磷 铜合金生产中使用有一定的局限性.
( 广东南方特种铜材有限公司ꎬ广东 广州 ５１１３５６)
摘 要:介绍了目前国内晶粒细化的几种方法ꎬ并以实现微晶磷铜为例ꎬ浅析了微晶磷铜的实现途径. 关键词:微晶ꎻ 晶粒细化ꎻ 微晶铜 中图分类号: ＴＧ１４６. １ ＋ １ 文献标识码: Ａ
Ｂｒｉｅｆ Ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｇｒａｉｎ Ｒｅｆｉｎｉｎｇ ｏｆ Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂａｌｌ
３ 常规的热处理方法
根据金属热处理原理ꎬ铸态的材料经过适当的 升温、保温再冷却的工艺ꎬ可以明显细化晶粒. 这种 方法对较长ꎬ而且 对于磷铜合金来说有可能导致表面磷含量的变化.
４ 机械振动、超声波振动和电磁振动
结晶过程中ꎬ在固溶状态施与机械振动、超声波 振动和电磁振动ꎬ也能起到细化晶粒的效果. 其原理 是ꎬ在晶核形成、长大过程中ꎬ搅拌和振动可以向液 态金属中提供能量以提供形核功ꎬ促进晶核的形成. 同时ꎬ搅拌和机械振动也能使已经结晶的晶体在液 流的对流冲击下破碎形成新的晶核ꎬ增加晶核数量 达到细化晶粒的目的. 对于磷铜合金来说ꎬ方法固然 实在ꎬ但是在上引连铸过程中ꎬ要达到这样的振动程 度ꎬ又要兼顾安全和效率是很难的.
ＬＩＵ Ｌｉ ( Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｎａｎｆａｎｇ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｃｏｐｐｅｒ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｃｏ. ꎬ ＬｔｄꎬＧｕａｎｇｚｈｏｕꎬＧｕａｎｇｄｏｎｇꎬ５１１３５６ꎬＰ. Ｒ. Ｃｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｓｅｖｅｒａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｇｒａｉｎ ｒｅｆｉｎｉｎｇ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔꎬ ａｎｄ ｔａｋｅｓ ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｐｈｏｓｐｈｏｒ ｃｏｐｐｅｒ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｔｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｐｈｏｓｐｈｏｒ ｃｏｐｐｅｒ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ: ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅꎻ ｇｒａｉｎ ｒｅｆｉｎｉｎｇꎻ ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｃｏｐｐｅｒ
收稿日期:２０１８ － ０３ － ０５ 作者简介:刘 力(１９７８ － ) ꎬ男ꎬ２００３ 年毕业于武汉科技大学金属材料工程专业ꎬ工程师.
南 方 金 属
４６
ＳＯＵＴＨＥＲＮ ＭＥＴＡＬＳ
２０１８ 年第 ４ 期
杂质ꎬ从而“ 污染” 本身就要求较高和严格的电镀工 艺ꎻ其次ꎬ稀土元素的添加ꎬ会影响磷的消耗和含量ꎬ 不利于实际生产.
细化金属晶粒的方法很多. 按实现的途径可以 分为物理细化法和化学细化法. 目前对铜及铜合金 晶粒细化方法的研究主要集中在: 添加合金元素细 化晶粒ꎻ 快速凝固法细化晶粒ꎻ 形变处理细化晶粒
和电脉冲孕育处理细化晶粒几个方面. 本文以磷铜 球为例ꎬ对铜及铜合金晶粒细化的方法进行了综述.
１ 添加稀土(合金)元素细化晶粒
总第 ２２３ 期 ２０１８ 年 ８ 月
南 方 金 属 ＳＯＵＴＨＥＲＮ ＭＥＴＡＬＳ
Ｓｕｍ. ２２３ Ａｕｇｕｓｔ ２０１８
文章编号: １００９ － ９７００(２０１８)０４ － ００４５ － ０３
浅析磷铜球晶粒细化的方法
刘 力
目前国内市场上销售的普通磷铜球技术上已比 较成熟. 但不可避免地存在偏析、晶粒粗大等微观组 织缺陷. 而随着客户对产品要求的不断提高ꎬ普通的 磷铜球已经不能满足客户生产高档产品的要求ꎬ严 重阻碍了客户的生产和产品质量的提高. 具体反馈 有:阳极袋、 过 滤 器、 泵 等 设 备 使 用 寿 命 短ꎻ 阳 极 泥 多ꎬ镀液清净度差使电镀件产生表面光洁度差、发黑 等缺陷. 为了满足客户的要求ꎬ提高磷铜球在市场上 的竞争能力ꎬ市场上个别企业已经开发出 ＰＣ 阳极 铜升级换代的新产品微晶 ＰＣ 阳极铜.
顾名思义ꎬ微晶 ＰＣ 阳极铜最大的特点就是晶 粒更微小. 从宏观来看ꎬ晶粒细化既能提高材料的强 度ꎬ 又能提高材料塑性ꎬ 同时也能显著提高其力学 性能. 从金相组织看ꎬ微晶磷铜柱状晶大大减少ꎬ等 轴晶增多ꎬ结晶体更为细密ꎬ磷分布更均匀ꎬ偏析现 象减少. 在电镀过程中ꎬ磷铜阳极溶化得更均匀ꎬ利 用率更高.