稀土生產(chǎn)中的放射性的基本知識(shí)

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　　一、稀土對(duì)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(guò)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(duì)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(zhǎng)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，變小;又從凝固原理及熱力學(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(guò)冷增大，以樹(shù)枝狀方式凝固生長(zhǎng)，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(zhǎng)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(zhǎng)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(wàn)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(duì)夾雜物組織的影響

　　稀土對(duì)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(shù)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(duì)銅的潤(rùn)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?/p>

　　二、稀土對(duì)銅及銅合金性能的影響

　　1、稀土對(duì)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(duì)不同種類(lèi)的銅合金，加入稀土后流動(dòng)性可提高30 %～40 %。對(duì)高錳鋁青銅，稀土的加入量不超過(guò)0.15%時(shí)，流動(dòng)性隨稀土加入量的增加而增加。在高鉛青銅(ZQPb25 - 5)中加入0.5%～1.0%混合稀土，HPb59 - 1 鉛黃銅中加入0.04%～0.05%混合稀土，均可以改善合金的偏析或逆偏析現(xiàn)象。添加0.01%～0.03%混合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(kāi)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0.03%～0.05%的稀土，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(duì)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。

　　2、稀土對(duì)銅及銅合金機(jī)械性能和導(dǎo)電性能的影響

　　稀土對(duì)銅及銅合金機(jī)械性能的影響主要表現(xiàn)在硬度、強(qiáng)度、塑性等方面。稀土在純銅中含量為0.1%～0.2%時(shí)，強(qiáng)度提高幅度較大，高于0.2%時(shí)強(qiáng)度提高緩慢。稀土對(duì)H68黃銅強(qiáng)度的影響有雙重作用:一方面，稀土的固溶強(qiáng)化及凈化作用，使料強(qiáng)度升高;而另一方面，當(dāng)稀土加入量超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，稀土的有害作用掩蓋了有利作用，宏觀表現(xiàn)為強(qiáng)度下降。

　　關(guān)于稀土對(duì)銅及銅合金導(dǎo)電性影響的機(jī)理是:一方面，稀土的細(xì)化作用使銅晶粒細(xì)化，晶界增加，電散射幾率增大，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)電性改善。這兩個(gè)對(duì)導(dǎo)電性起相反作用的因素同時(shí)存在，其影響隨稀土加入量的變化而變化。

　　3、稀土對(duì)銅及銅合金抗氧化性和耐腐蝕性能的影響

　　為了解決抗氧化性能和高電導(dǎo)率之間的矛盾，采用添加稀土金屬作為銅及銅合金的合金元素。發(fā)現(xiàn)在適當(dāng)加入量時(shí)，電導(dǎo)率不但沒(méi)有降低反而略有提高，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)銅中加入稀土

　　能明顯改善抗氧化性能。關(guān)于在銅及銅合金中加入稀土后耐蝕性能均有不同程度的提高，對(duì)此現(xiàn)象的解釋主要有: (1)稀土的凈化作用，消除銅基體中雜質(zhì)。(2) 在銅及銅合金表面形成致密的氧化層，阻止基體原子向外擴(kuò)散和外部原子向內(nèi)擴(kuò)散。(3) 提高銅及銅合金的腐蝕電位。(4)稀土的加入縮小了銅合金的結(jié)晶溫度范圍。

　　混合稀土的加入不僅可以改善錫黃銅的耐蝕性能，還可以改變錫黃銅的腐蝕形貌，不僅減小了易脫落層的厚度，同時(shí)也大大減小了滲透層的厚度。

　　4、稀土對(duì)銅及銅合金耐磨性能的影響

　　稀土和銅元素可以形成硬度較高、分布均勻的金屬間化合物，這些化合物成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力;而且稀土可以有效地改善夾雜物的存在形式和分布，減少其弱化晶界的可能，減少了承受載荷時(shí)沿晶界開(kāi)裂的幾率，因而提高了耐磨性。含有稀土的鑄造黃銅具有較高的硬度及良好的塑性及韌性，可以縮短跑合階段的時(shí)間，延長(zhǎng)穩(wěn)定磨損的階段，從而達(dá)到減少磨耗，延長(zhǎng)工件使用壽命的目的。在高錳鋁青銅中添加稀土，可使其干摩擦磨損減少20%左右，潤(rùn)滑摩擦磨損量減少50%左右。

　　三、稀土-銅中間合金

　　稀土在銅及銅合金的實(shí)際工業(yè)化應(yīng)用中，因稀土與銅的原子半徑差異較大，不利于固溶，且流動(dòng)性較差，直接在銅及銅合金的熔煉過(guò)程中添加稀土?xí)斐纱罅繜龘p并出現(xiàn)渣相，難以控制銅及銅合金中稀土元素分布的穩(wěn)定和均勻性，嚴(yán)重影響了稀土對(duì)銅及銅合金各種性能應(yīng)有的改善效果。

　　稀土-銅中間合金是一種稀土與銅的共晶合金體，它在保留了稀土應(yīng)有特性的同時(shí)，還具備了在銅及銅合金中良好的固溶性，因此流動(dòng)性較強(qiáng)，方便加入量的掌握和攪拌控制的均勻性，能極大的發(fā)揮出稀土在銅及銅合金中的有益特性。

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