● 姜佳鑫 溫永清/文

銅是有色金屬中最重要的金屬之一，與其他金屬相比，銅有高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性（僅次于銀），有良好的耐蝕性，易于壓力加工成線、棒、板、帶、管等各種半成品或零件，主要用作導(dǎo)電、導(dǎo)熱或耐蝕等要求的器材。

銅及銅合金是工業(yè)上的重要材料。隨著科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，對材料的性能提出了越來越高的要求。稀土元素具有典型的金屬性質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)極為活潑，幾乎能與惰性氣體以外的所有元素相互作用，同時具有大量吸收氣體的能力。其獨特性質(zhì)，能改善銅及銅合金的物理、機(jī)械性能等。

一、影響稀土元素在銅中吸收率的因素

影響稀土元素在銅中吸收率的因素主要有：稀土元素的顆粒大小、加入量、澆注溫度和保溫時間等。稀土的顆粒對于吸收率有很大的影響，在加入量相近的情況下，隨著稀土顆粒的減小，吸收率降低。主要原因是在加入的過程中，顆粒越小越不易壓入銅液中，上浮的幾率比較大，氧化燒損率越大；另外，加入量相同時，顆粒小，數(shù)量多，表面積大，燒損嚴(yán)重。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ce以顆粒質(zhì)量為5.40g加入純銅時，吸收率只有46.47%；在顆粒質(zhì)量為9.50g時，吸收率增加到69.09%。在顆粒平均質(zhì)量相近的情況下，加入的純稀土量越多，其吸收率也越高。但稀土的加入量不宜太多，以免產(chǎn)生不良的影響。在加入稀土?xí)r，溫度越高稀土燒損得越多，應(yīng)根據(jù)鑄件的尺寸選擇澆注溫度。稀土在銅液中易上浮，且其熔點較低，保溫時間越長燒損得越多。在實際生產(chǎn)時，為了使鑄件中稀土均勻分布，必須延長保溫時間，以凈化合金基體，提高鑄件質(zhì)量。保溫時間要根據(jù)鑄件的尺寸、加入量及分布情況而定。

二、稀土在銅及銅合金中的物理化學(xué)作用

工業(yè)用銅一般含有多種雜質(zhì)，其雜質(zhì)總量甚至可達(dá)0.05%-0.8%，其中有些雜質(zhì)含量雖不大，但往往嚴(yán)重影響純銅或銅合金材料的優(yōu)良性能。如氧、硫和銅形成的脆性化合物（Cu2O及Cu2S）降低銅的塑性，多了會使銅冷拉時產(chǎn)生毛刺，并降低銅的導(dǎo)電性、耐蝕性和焊接性能。在銅或銅合金中加入稀土添加劑，能有效地脫氣和去除雜質(zhì)，改善或提高各種性能。

1.稀土的脫氧、除氣作用

稀土與氧的親和勢很強(qiáng)，稀土氧化物具有良好的熱穩(wěn)定性，故脫氧產(chǎn)物固相浮于銅液表面進(jìn)入渣相而被除去。利用稀土金屬脫除銅及其合金中的少量氧，可獲得明顯效果。熱力學(xué)計算表明，鑭、鈰、鐠、釹是較鈦、鍺、鋯更強(qiáng)的脫氧劑，在高溫下，它們的脫氧能力顯著高于鋁和鋯，也超過鈹、鎂的脫氧能力，而與鈣的脫氧能力相近。

銅液對氮氣、二氧化碳和水蒸汽基本上不溶解，但對02、S02和H2都有較強(qiáng)的溶解能力。氫是以原子狀態(tài)溶解在銅液中，稀土元素很易與原子態(tài)氫發(fā)生作用，生成RH2和RH3型的穩(wěn)定氫化物(R代表稀土金屬)，是強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)。由此可見，稀土元素是極強(qiáng)的吸氫劑，由于一般氫在銅中的溶解量較小，加入稀土后，氫將優(yōu)先為稀土所吸收，并呈R-H系的固溶體狀態(tài)溶于銅及合金中，此時雖不會減少氫含量，但氫與稀土已形成穩(wěn)定的固溶體，故可避免在加熱情況下由于氫還原銅中的氧化物產(chǎn)生水蒸汽而導(dǎo)致銅變脆的氫脆發(fā)生，消除氫的有害作用。

2.稀土的除雜作用

鉛、鉍和硫等元素在銅及其合金中屬低熔點雜質(zhì)，大多不溶于銅，對銅及某些銅合金的加工產(chǎn)生有害影響。稀土元素化學(xué)活性特強(qiáng)，能與許多易熔成分生成難熔的二元或多元化合物。例如稀土與低熔點元素硫(95℃)、磷(44℃)、硒(220℃)、錫(232℃)、鉍(271℃)、鉛(327℃)、砷(818℃)均能相互作用，結(jié)合成各種原子比的熔點很高的稀土化合物和金屬化合物，大多超過或較大超過銅的熔點。

三、稀土對銅及銅基合金組織的影響和作用機(jī)制

1.細(xì)化組織

在銅及銅合金中添加稀土，具有細(xì)化晶粒，減少或消除柱狀晶、擴(kuò)大等軸晶區(qū)等作用。

細(xì)化晶粒的作用機(jī)理主要有以下兩種：(1)形成新晶核作用。稀土在銅及其合金中能形成高熔點化合物，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，從而細(xì)化晶粒。(2)微晶化作用。由于稀土元素的原子半徑(0.174-0.204nm)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。

從凝固原理及熱力學(xué)觀點看，由于稀土大量聚集在固液界面前沿的液相中，使合金在凝固時成分過冷增大，以樹枝狀方式凝固成長。同時在分枝節(jié)點處產(chǎn)生細(xì)頸、熔斷，增多了結(jié)晶核心，從而細(xì)化了晶粒。文獻(xiàn)報道，在導(dǎo)電銅、鉛黃銅、鋁黃銅、錳黃銅、銅基記憶合金中加入稀土，均引起了晶粒的顯著細(xì)化。

由于稀土原子半徑大于銅，進(jìn)入銅相晶格內(nèi)引起較大的晶格畸變，使系統(tǒng)能增加，為保持系統(tǒng)自由能最低，稀土原子只能向原子排列不規(guī)則的晶界上富集，所以在鑄態(tài)組織中，稀土大都分布于晶界，并阻滯晶粒長大。稀土含量越高，成分過冷傾向越大，枝晶間距越小，金相組織越細(xì)。如加過量稀土，形成大量稀土化合物，減少了稀土原子成分過冷作用，合金組織反而粗化。

文獻(xiàn)表明：在純銅中加入稀土元素，隨著稀土加入量的不同，分布位置也在變化，并且有向晶界分布的趨勢。在晶界上，稀土元素的存在形式為以稀土化合物為基形成的固溶體。當(dāng)稀土Ce的添加量低于0.2wt%時，銅中沒有發(fā)現(xiàn)稀土元素Ce，而是與雜質(zhì)等反應(yīng)形成比重輕的化合物上浮。當(dāng)稀土加入量達(dá)到0.2 wt%時，基體中會出現(xiàn)彌散分布的稀土小質(zhì)點。隨著稀土Ce的加入量的增加，晶粒尺寸減小。

文獻(xiàn)表明：在純銅中加入稀土元素La和Ce后，能細(xì)化晶粒，減少和消除柱狀晶，擴(kuò)大等軸晶，除去有害雜質(zhì)元素等。但是，當(dāng)Ce的加入量達(dá)到0.12wt%時，過量的稀土元素Ce形成了大量的二元或多元化合物，減少了稀土原子成分過冷作用，使組織粗化。

2.改變雜質(zhì)形態(tài)和分布

稀土改變雜質(zhì)的形態(tài)和分布主要表現(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)(其中有的雜質(zhì)可形成低熔點共晶)轉(zhuǎn)變成點狀或球狀，從而改善或提高了金屬和合金的機(jī)械加工性能。(3)使合金中的某些有害雜質(zhì)（如S、P、Pb、Bi等）由集中分布于枝晶或晶界間，改變?yōu)檩^均勻分布整個晶體中，使雜質(zhì)實現(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)減少合金晶界上低熔點有害雜質(zhì)的數(shù)量，從而減弱合金的高溫回火脆性。

3.稀土在銅中的合金化作用

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的中間相。它們在常溫下的韌性和強(qiáng)度普遍比純銅高一至數(shù)倍，某些稀土金屬(如Y、Ce等)與銅形成的金屬化合物相，還可能具有熱強(qiáng)性和高溫抗氧化性能，因此，稀土在銅中的合金化，對于提高銅及銅合金的機(jī)械性能、耐熱性和高溫抗氧化性有良好作用。

四、稀土對銅及銅合金工藝性能的影響

1.稀土對銅及銅合金鑄造性能的影響

由于稀土元素具有脫氧除氣作用，因而減少鑄錠的夾雜物和氣眼，使結(jié)晶組織細(xì)密，還使鑄錠柱狀晶區(qū)的寬度減小，晶粒細(xì)化。

采用稀土作為添加劑可有效防止鉛青銅鑄件在凝固過程中鉛的“逆偏析”現(xiàn)象，得到鉛相均布的組織。在錫青銅(含Sn7%～8%)中加入適量Ce可改善合金偏析現(xiàn)象。

在銅合金中加入適量稀土金屬，可提高流動性30%～40%，不同種類的銅合金，其流動性提高程度不同。研究資料指出，稀土加入量的控制十分重要，過量稀土?xí)@著降低流動性能，使鑄件表面不光潔，斷面上產(chǎn)生分散縮孔。原因是過量稀土易生成熔點高、密度大的稀土氧化物粘性渣，沾污了銅合金熔體，使其流動性大大降低。

2.稀土對切削加工性能的影響

文獻(xiàn)指出，在變形鉛黃銅添加0.03%～0.05%的稀土元素，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。研究還表明，鉛含量對切削性能的影響最大，稀土元素主要起細(xì)化鉛粒并促進(jìn)更多鉛粒存在于β相內(nèi)的“間接作用”，同時也有減小柱狀晶區(qū)寬度的“直接作用”，從而改善了切削加工性。

但添加微量混合稀土到高錳鋁青銅中，由于表面硬度略有提高，其切削加工性能略有降低。

3.稀土對熱、冷變形性能的影響

添加稀土使銅及其合金中的有害雜質(zhì)(Pb、Bi等)從易熔共晶狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦呷埸c化合物，因此可明顯改善銅及其合金的壓力加工性能。

添加微量稀土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。其原因認(rèn)為在于細(xì)化晶粒及鉛粒子，減少或消除柱狀晶，促進(jìn)高溫時β相轉(zhuǎn)變，與鉛形成高熔點化合物等作用；或認(rèn)為是由于稀土減弱了液體鉛對黃銅基體的浸潤能力。

文獻(xiàn)報道，在Cu-4.4mol%Sn合金含有0.1mol%的稀土(Y、Ce或La)，可大幅度地改善973K以上溫度的延展性，原因是由于稀土元素抑制晶界預(yù)先氧化，導(dǎo)致晶界強(qiáng)度提高。在H68黃銅中加入稀土元素，可消除因Pb造成的熱脆性。在λC59-1銅合金中添加0.1%的混合稀土可使其750℃下轉(zhuǎn)變?yōu)槌苄誀顟B(tài)，大大改善了工藝性能。

為提高紫銅管塑性，添加稀土后由于其凈化作用，可提高紫銅管的冷拔次數(shù)，節(jié)省中間退火工序，并改善了銅管表面質(zhì)量，提高了成品率。在含Ni、Zn的鋁青銅中，添加少量La，在固溶狀態(tài)下，La能改善其冷加工性能，并使之成為可熱處理強(qiáng)化合金。專利報導(dǎo)，在一種黃銅中加入鈰鑭合金，其冷軋壓下率可提高到48%～50%，退火溫度可比一般含等量鋅的黃銅提高100℃。

4.稀土對焊接性能的影響

在電子器件用的銅導(dǎo)絲中加入微量Ce，可使其具有優(yōu)良的焊接性能，這是由于鈰降低了銅中雜質(zhì)含量，提高了純銅的高溫、常溫塑性及晶間結(jié)合力，防止熔焊時產(chǎn)生大的收縮應(yīng)力而出現(xiàn)熱裂；此外，加Ce可細(xì)化焊合區(qū)晶粒。

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。稀土添加劑對改善銅及其合金的工藝性能具有很好的效果，但目前應(yīng)用于生產(chǎn)還不夠穩(wěn)定，有待進(jìn)一步研究。

五、稀土對銅及其合金機(jī)械性能的影響

純銅中添加稀土，由于稀土元素的脫氧、除氣和去雜作用，可明顯提高純銅的強(qiáng)度和硬度，增強(qiáng)熱穩(wěn)定性，并具有較好的高溫、常溫塑性。研究表明，混合稀土可以提高無氧銅的強(qiáng)度、硬度和塑性，阻礙退火過程中晶粒長大。采用稀土和磷銅脫氧的紫銅鑄造轉(zhuǎn)爐的吹氧槍噴頭，同鍛造加工的普通紫銅噴頭相比，由于稀土提高了純銅的導(dǎo)熱性和高溫機(jī)械性能，使其具有較長的使用壽命。

在α黃銅中加入鋅使在700℃和800℃時的延伸率分別為190%和170%。研究表明，在HPb59-1中添加稀土可提高高溫塑性，加熱溫度上限可由780℃提高到830℃。在HPb59-B中添加0.05%-0.03%La或Ce，可使其強(qiáng)度、硬度有所提高，但常溫延伸率并不降低；在變形鉛黃銅中添加微量稀土可顯著提高其高溫延伸率。銅鉛合金中加入稀土，可使其疲勞破壞時裂紋擴(kuò)展速度減慢，提高疲勞壽命。

在QBeZ合金中加入0.1%的稀土，可提高其抗拉強(qiáng)度、彈性極限、高溫硬度等性能；并可使合金中β相減少，明顯抑制晶界反應(yīng)。在ZQSn7-0.2錫青銅中添加鈰，可使其位錯密度增高，且出現(xiàn)較小的孿晶塊以及形成含Ce、P的化合物，從而提高其強(qiáng)度和硬度。

適量稀土可同時提高電極線銅合金的高溫延伸率和高溫強(qiáng)度，在含鉻的電極線銅合金中加入稀土，其高溫強(qiáng)度進(jìn)一步提高，高溫延伸率得以改善。在汽車散熱器專用銅合金中添加稀土后晶粒細(xì)化一倍，并有較多彌散強(qiáng)化相。提高了強(qiáng)度和硬度，軟化溫度提高到400℃。

六、稀土對銅及合金導(dǎo)電性方面的作用

稀土元素對銅及銅合金的電學(xué)性能的影響主要表現(xiàn)在兩方面：一方面，加入的稀土使銅及銅合金的晶粒細(xì)化，晶界增多，電子散射幾率增大，導(dǎo)致電阻率增大，導(dǎo)電性下降；另一方面，稀土的凈化作用使銅中雜質(zhì)減少，晶格畸變減弱，電子散射幾率減少，導(dǎo)電性能改善。這兩個對導(dǎo)電性能起相反作用的因素同時并存，其影響隨稀土加入量的變化而變化。研究發(fā)現(xiàn)，純銅的電阻率隨著稀土加入量的變化有一定的波動，當(dāng)稀土La、Ce的加入量均在0.02wt%左右時，導(dǎo)電能力最強(qiáng)。在銅鉻鋯合金中，當(dāng)稀土含量小于0.015wt%時，隨著稀土含量的增加，合金的導(dǎo)電率增加，提高的幅度大約為2%；當(dāng)稀土含量大于0.015wt%時，合金的導(dǎo)電率隨著稀土含量的增加明顯下降。在上引法生產(chǎn)無氧銅桿過程中，發(fā)現(xiàn)稀土添加量0.10wt%-0.15wt%時，電導(dǎo)率由未添加時的95.24%增加至97.41%。對于導(dǎo)電銅合金、導(dǎo)電銅排，稀土的添加也能取得良好的效果。保溫時間對稀土在銅中的導(dǎo)電性能有一定的影響，隨保溫時間的延長，稀土元素與純銅中的雜質(zhì)充分反應(yīng)，從而使純銅得到凈化，改善了導(dǎo)電性能。但保溫時間過長時，稀土元素與銅液中的某些低熔點雜質(zhì)形成難熔化合物，彌散分布于銅的基體中，使導(dǎo)電性下降。

七、稀土在提高銅及銅合金耐蝕性方面的作用

1.高溫抗氧化性

試驗證明，在導(dǎo)電率為99.5%IACS的導(dǎo)電銅中，加入0.1%-1.0%Y或RE，可大大提高在600℃時的抗氧化性能，并可提高其導(dǎo)電性能。純銅中加入稀土可提高其抗高溫氧化性能。

2.溶液介質(zhì)中的耐蝕性能

H68黃銅中加入0.07%-0.10%Ce，可顯著提高其耐蝕性和抗局部腐蝕傾向，這是由于Ce的加入阻礙了銅、鋅的進(jìn)一步溶解，且對鋅的抑制效應(yīng)優(yōu)于銅，從而抑制了黃銅的脫鋅。在錳黃銅ZHM55-3-1中添加0.015%-0.04%混合稀土，可使其耐蝕性有較大提高，腐蝕疲勞極限約可提高16%。在HAL77-2鋁黃銅中加入0.02%～0.04%混合稀土，可有效地抑制其脫鋅和晶間腐蝕。在鋁青銅中添加微量RE，可顯著提高耐蝕性能，腐蝕疲勞強(qiáng)度提高20%左右，耐空泡腐蝕性能提高44%。在QBeZ合金中加入適量稀土，可使之在Nacl溶液(3%水溶液)以及1N的H2SO4溶液中的耐蝕性均有所提高。

在HSn70-1錫黃銅中加入微量稀土等元素，其耐蝕性能和加工性能均優(yōu)于加砷錫黃銅，這是由于稀土元素可細(xì)化組織，在基體金屬界面上形成保護(hù)膜，阻止鋅原子擴(kuò)散以及抑制銅、鋅溶解等作用所致。

八、稀土在改善銅合金耐磨性方面的作用

在高錳鋁青銅中添加Ce和B，可使其干摩擦磨損量減少20%左右，潤滑摩擦磨損量減少50%左右。添加稀土的ZQPb25鉛青銅用于代替ZQSn6-6-3制作軸承套，軸承內(nèi)徑磨損量減少5倍左右，也減少了對主軸外徑的磨損，提高了軸套和主軸的使用壽命，也降低了鑄件的成本。

在銅排合金中加入La制作電機(jī)整流子，發(fā)現(xiàn)整流子磨損量微小，這種電機(jī)使用壽命比普通電機(jī)可提高數(shù)倍。

九、稀土在銅及其合金鑄件中的應(yīng)用

1.在水暖器材的銅合金中的應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會的進(jìn)步，人們對物質(zhì)生活水平的要求愈來愈高，其表現(xiàn)之一為越來越多的高、中檔水暖器材已不僅停留在高、中檔賓館中使用，而且逐步進(jìn)人了千家萬戶的平民百姓家中。這就給水暖器材的生產(chǎn)廠家提供了更為廣闊的市場，同時也對其生產(chǎn)廠家提出了更高的質(zhì)量要求，因為它不僅需要外形美觀大方；同時還需要具有良好的內(nèi)部質(zhì)量；更需要有低廉的價格。對此，廣東、上海等地的生產(chǎn)廠家試圖應(yīng)用稀土添加劑來改善和提高水暖器材的質(zhì)量，并獲得了良好的效果。他們的應(yīng)用結(jié)果表明，稀土添加劑在水暖器材中應(yīng)用的最大特點就在于：稀土添加劑能明顯改善水暖器材銅合金鑄件的鑄坯組織，并且具有極強(qiáng)的除渣能力，從而能較好地解決水暖器材中常見的泄漏缺陷。據(jù)此,稀土添加劑在水暖器材中的使用,便由試驗階段轉(zhuǎn)入了應(yīng)用階段。

2.在高爐風(fēng)口及氧槍噴頭中的應(yīng)用

煉鋼高爐中的風(fēng)口、氧槍噴頭不僅需要具備良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，而且希望有較高的高溫軟化溫度，其風(fēng)口還應(yīng)當(dāng)具有一定的耐壓能力。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的風(fēng)口、氧槍噴頭大都因其使用壽命短而困擾著生產(chǎn)廠家。為了延長風(fēng)口的使用壽命，不少廠家在紫銅中加人Zr、B等微量元素，但沒有取得根本性的突破。近幾年來，武漢、汕頭、煙臺、濟(jì)南以及南昌等鋼鐵企業(yè)和高爐風(fēng)口專業(yè)廠家在生產(chǎn)高爐風(fēng)口、氧槍噴頭的過程中加人適量的稀土添加劑后,獲得了較明顯的效果。主要表現(xiàn)在：風(fēng)口、氧槍的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，高溫軟化溫度高(可達(dá)到280℃以上)，且耐壓性能好(一般不小于200MPa)和不泄漏，從而較好地改善和提高了風(fēng)口、氧槍噴頭的使用壽命。這些結(jié)果與筆者研制的高導(dǎo)電稀土銅鑄件所得出的結(jié)論是一致的。

3.在銅基工藝品中的開發(fā)和應(yīng)用

銅合金工藝品由于造型美觀大方、表面光澤度好而深受人們的喜愛，尤其是近年來發(fā)展較快的仿金工藝品，更加受到廣大消費者的青睞。目前，工藝品都不同程度地存在著一些質(zhì)量問題。表現(xiàn)之一就是內(nèi)部組織存在缺陷，如夾渣、疏松、氣孔等，有的缺陷只經(jīng)稍加表面處理后便可看到；其次是光澤度保持時間短；三是仿金合金的表面和內(nèi)部顏色(金黃色)不一。在工藝品銅鑄件中加人適量稀土添加劑后，由于稀土元素的原子半徑(0.174-0.24nm)比銅的原子半徑大得多，所以稀土原子很容易填補(bǔ)正在生長中的銅及銅合金晶粒新相的表面缺陷，生成能阻礙晶粒繼續(xù)生長的膜，從而使晶粒細(xì)化為微晶，這便是稀土添加劑在銅及銅合金中的微晶化作用。另外，稀土添加劑還能改善銅合金工藝品的表面光澤度，尤其是在仿金合金中加入適量稀土添加劑后，不僅可以有效地延長仿金合金表面光澤的時間；而且還能獲得內(nèi)部和表面趨于一致光澤的仿金工藝品鑄件。

4.在耐磨銅合金中的應(yīng)用

美國在鉛青銅添加稀土的試驗中表明，稀土在鉛青銅中不僅能消除合金的偏析，還能提高鑄件的力學(xué)性能，其強(qiáng)度極限提高30%；延伸率提高近1倍。江西理工大學(xué)的研究表明，在鉛青銅(含鉛20%和30%)鑄件中加入適量的稀土，可以使回轉(zhuǎn)摩擦和往復(fù)平面摩擦的耐磨性能分別提高2.3倍和1.7倍。

在軸承材料鉛青銅(如HPb59-1,HPb60-2等)中添加適量(0.02wt%-0.10wt%)的稀土，可改善銅合金的鑄造性能，細(xì)化鑄造組織，改善高溫塑性，擴(kuò)大熱加工溫度范圍和熱加工性能，提高材料的高溫性能和使用性能。同時可消除鉛的偏析和急冷鑄件裂紋，使軸瓦的成品率由原來的88%提高到99%，使用壽命由原來的200小時延長到600小時。適量混合稀土能顯著提高高錳鋁青銅的耐磨性，磨損量比添加前減少50%-70%，從而使該合金在用于鑄造船舶螺旋漿中獲得了理想的效果。

在高錳鋁青銅中添加Ce和B，可使其干摩擦磨損量減少50%左右。添加稀土的ZQPb25鉛青銅用于代替ZQSn6-6-3制作軸承套，軸承內(nèi)徑磨損量減少5倍左右，也減少了對主軸外徑的磨損，提高了軸套和主軸的使用壽命，降低了鑄件的成本。

5.在銅基形狀記憶合金中的應(yīng)用

研究表明，晶粒細(xì)化可以降低銅基記憶合金沿晶斷裂的傾向，改善合金的延展性及抗疲勞性能。因此，稀土元素在Cu基形狀記憶合金中研究較多，主要添加的稀土元素有La、Ce、復(fù)合稀土(La+Ce)、Y和Nd等。

添加微量稀土元素La細(xì)化了Cu-Zn-Al-Mn-Ni形狀記憶合金的鑄態(tài)、淬火態(tài)組織，同時合金的相變后寬度Ms-As降低，馬氏體不易穩(wěn)定。稀土細(xì)化晶粒后，合金具有良好的單向和雙向記憶效應(yīng)，而且其冷加工性能也有所改善。

文獻(xiàn)研究表明，在Cu-Zn-Al合金中加入La或Ce或復(fù)合稀土(La+Ce)后，不但能夠細(xì)化晶粒、提高力學(xué)性能，而且可以將馬氏體相變溫度升高大約15℃，使馬氏體的滯后寬度降低到8℃左右。此外，復(fù)合稀土(La+Ce)的加入還能有效防止合金發(fā)生馬氏體的穩(wěn)定化現(xiàn)象。復(fù)合稀土加入量為0.04at%-0.10at%時，合金具有良好的形狀記憶性能。合金的斷口形貌分析表明，不含稀土試樣呈現(xiàn)典型的沿晶斷口形貌，而含稀土元素的合金試樣屬于韌性斷裂，但當(dāng)稀土含量大于0.10at%時，合金的形狀記憶性能有所下降。

在Cu-Zn-Al合金中，稀土元素含量達(dá)0.08wt%以后，鑄態(tài)晶粒尺寸由原來0.52mm降到0.30mm以下，合金斷裂方式由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檠有詳嗔?。稀土元素提高合金的相變溫度，改善合金的記憶性能。隨稀土含量增多，合金形狀記憶回復(fù)率提高，Dy含量在0.08wt%左右、Gd含量在0.08wt%～0.12wt%之間時回復(fù)率最高。Cu-Zn-Al (Dy，Gd)合金具有良好的耐腐蝕性能，在NaCl溶液中，腐蝕電流密度降低10倍左右。

十、稀土在銅及其合金鑄件中的應(yīng)用

1.稀土在導(dǎo)電銅中的應(yīng)用

作為導(dǎo)電用的銅材料，除了要求導(dǎo)電性好外，還要求有足夠的強(qiáng)度。欲導(dǎo)電性好，則要求銅的純度高，因為溶入銅中的幾乎所有其他元素都對銅導(dǎo)電性產(chǎn)生有害的影響。但是，為了提高材料的強(qiáng)度，常常又要加入某些微合金化元素。

為了獲得盡可能高的導(dǎo)電性和高強(qiáng)度的銅合金，在加工工藝及微合金化元素的選擇方面要做出很多工作。在無氧銅中添加一定量的混合稀土金屬，可以明顯細(xì)化晶粒，銅的電導(dǎo)率有所提高。稀土還可以提高無氧銅的強(qiáng)度和硬度。上海銅材廠和哈爾濱銅材廠曾研制出混合稀土銅、鑭銅和鈰銅等多種稀土銅合金用于導(dǎo)電用銅排、銅板的生產(chǎn)中，這些稀土銅合金的導(dǎo)電性、耐腐蝕性、耐磨性及高溫抗氧化性能都有明顯的提高。

2.稀土在紫銅管中的應(yīng)用

前蘇聯(lián)、美國等都曾研究過稀土在紫銅管中的應(yīng)用試驗。研究表明，稀土純化銅的能力很強(qiáng)，因此在紫銅管中加人適量稀土后便可增加紫銅管的冷拔次數(shù)，從而省去中間退火工序；同時冷拔紫銅管的表面質(zhì)量也得到了改善，并較好地提高了紫銅管的成品率。筆者以空調(diào)用紫銅管作為研究對象，曾經(jīng)做過一些研究工作。眾所周知，空調(diào)用紫銅管不僅應(yīng)當(dāng)具有良好的性能、精確的尺寸，而且對內(nèi)在質(zhì)量的要求也非常嚴(yán)格。然而空調(diào)用紫銅管的滲漏缺陷問題卻一直困擾著不少銅加工廠家。盡管有些廠家試圖通過控制回爐料的比例或完全不使用回爐料，且加強(qiáng)精煉、覆蓋等方面的工藝措施，仍然不能得到完全解決。那么，在紫銅管中加人稀土添加劑后，由于凈化了銅液，細(xì)化了晶粒，從而較好地去除了銅液中的雜質(zhì)和改善了鑄錠的組織。因此,不僅改善了空調(diào)用紫銅管的機(jī)械性能，而且較大幅度地提高了探傷合格率，即由原來的80.36%上升到95%以上。由此可見，在紫銅管中加人稀土添加劑后，能較好地解決紫銅管的滲漏缺陷問題。

3.稀土在上引鑄造無氧銅桿中的應(yīng)用

上引鑄造無氧銅桿是近10余年來的一項新技術(shù)，也稱之為奧托昆布法。國內(nèi)自80年代開始引進(jìn)該技術(shù)，目前已經(jīng)得到了飛快的發(fā)展。采用上引鑄造既可生產(chǎn)無氧銅桿，也可生產(chǎn)銅管、銅排及帶坯等。然而，在上引鑄造中目前普遍存在的問題是，錠坯的組織疏松、晶粒粗大以及氣孔等缺陷。這些缺陷不僅影響上引鑄坯的質(zhì)量，而且還有可能造成銅桿上引斷裂而導(dǎo)致上引過程無法進(jìn)行。稀土添加劑因其具有良好的脫氧、脫硫、凈化銅液的能力，因此被廣泛地用于上引鑄造中。另外，稀土添加劑對上引鑄造無氧桿還具有強(qiáng)烈的細(xì)化晶粒作用。筆者的研究發(fā)現(xiàn)，在上引鑄造無氧銅桿中加入稀土添加劑后，其無氧銅桿的晶粒得到了明顯的細(xì)化，且全部為細(xì)等軸晶組織。因此較好地消除了鑄坯的柱狀晶區(qū)，從而有效地改善無氧銅桿的導(dǎo)電率、延伸率、強(qiáng)度極限等綜合性能。