0 前言

铜和铜合金是重要的工业原料，广泛地应用于电机、构件、工程、运输等领域。高新技术的发展对于铜及铜基合金性能提出了更高的要求。稀土是化学性质较活泼的金属元素，能与许多元素发生相互作用。稀土在有色金属中的应用越来越引起材料工作者的注意。研究表明，稀土在铜及铜基合金能起脱气除杂、改变显微结构、改善机械加工性能、提高耐腐蚀和耐磨性能的作用。

1 稀土在铜及铜基合金中的脱气除杂作用

铜及铜合金常含有气体杂质如氧、氢、硫等，这些杂质对于材料的加工性能有不良的影响。稀土与这些元素有较强的亲和力。稀土与氧能形成稳定的稀土氧化物，稀土氧化物漂浮于铜液之上可以除去。热力学研究结果表明镧、铈、镨、钕具有较好的脱氧能力。稀土元素能和铜液中溶解的氢原子反应生成稳定的稀土氢化物，防止了氢的危害。铈和钇在铜液中具有脱硫作用，大约加入0.28%的铈对硫的净化能力最强^[1]。

铜液中的其他一些有害杂质如铅、铋等，在铜中溶解度不大，对于铜的加工性能有害^[2]。稀土元素能与这些物质生成难熔的金属间化合物或稀土化合物，消除晶界上的有害杂质，改善了热轧性能。

2 稀土对于铜及铜基合金的显微结构的影响

稀土对于显微结构的影响主要体现在能细化晶粒和改变杂质分布。细化晶粒主要是稀土元素具有抑制晶粒长大的作用。其基本原理是由于稀土离子半径比铜离子半径要大，由于热力学的作用而富集在晶界中，合金以枝状方式生长，产生较多的结晶中心，从而使晶粒细化。实验和生产也证明了这种结果。

稀土元素可以改变铜及铜合金中杂质的分布及形态。可以与杂质形成金属间化合物或稀土化合物，使杂质成弥散状态，可消除合金中的条块状的杂质，提高合金的机械加工性能。或者通过减少低熔点杂质的数量，改善热处理性能^[3]。

合金中稀土元素的含量适量时，可明显地细化ZL203合金晶粒的同时，也改善了合金的机械性能。稀土元素含量为0.08%~0.10%时，合金的各项性能较好^[4]。

3 稀土对铜及铜基合金机械性能的影响

纯铜中添加稀土，可明显提高纯铜的强度和硬度，增强热稳定性，并具有较好的高温、常温塑性。混合稀土可以阻碍退火过程中晶粒长大。

在铅黄铜中添加稀土可提高高温塑性，加热温度上限可由780℃提高到830℃，混合稀土加入量为0.03%~0.06%(质量分数)时，即可较明显地细化合金的晶粒，同时稀土的加入使铜合金的机械性能明显改善^[5]。当混合稀土金属量增加到0.06%(质量分数)时，铸态试样抗拉强度提高2 8%，延伸率提高5%，退火试样抗拉强度提高47%，延伸率提高13.5%。在铅黄铜HPb59B中添加0.05%~0.03%La或Ce，可使其强度、硬度有所提高，但常温延伸率并不降低; 在铅黄铜中添加微量稀土可显著提高其高温延伸率。铜铅合金中加入稀土，可使其疲劳破坏时裂纹扩展速度减慢，提高疲劳寿命^[6]。

不同稀土含量对铜合金硬度也有影响，当稀土加入量增加时，铜合金的硬度(kg/cm²)可从66增加到69, 然后硬度增加趋于平缓^[7]。其原因在于稀土和铜形成金属间化合物。这些全属间化合物粒子较硬，分布于基体中，成为位错运动的阻力。随着稀土含量增加，粒子数增多，对位错运动的阻力增大，合金被强化的程度增加，因此合金的硬度增加。

在铍青铜QBeZ合金中加入0.1%的稀土，可提高其抗拉强度、弹性极限、高温硬度等性能，并可使合金中β相减少，明显抑制晶界反应。在锡青铜中添加铈，可使其位错密度增高，且出现较小的孪晶块以及形成含Ce、Pb的化合物，从而提高其强度和硬度^[6]。

适量稀土可同时提高电极线铜合金的高温延伸率和高温强度，在含铬的电极线铜合金中加入稀土，其高温强度进一步提高，高温延伸率得以改善^[8]。在汽车散热器专用铜合金中添加稀土后晶粒细化一倍，并有较多弥散析出相^[9]。提高了强度和硬度，软化温度提高到400℃。

4 稀土对铜及铜基合金加工性能的影响

在铜合金中加入适量稀土金属，可提高流动性30%~40%。不同种类的铜合金，其流动性提高程度不同，但过量稀土会降低流动性能，使铸件表面不光洁，断面上产生分散缩孔。稀土元素能使铸锭柱状晶区的宽度减小，晶粒细化^[6]。

在铅黄铜添加一定量的稀土元素，可大大改善其切削加工性能，可显著地降低表面粗糙度、毛刺和刀具磨损。铅含量对切削性能的影响较大，稀土元素主要起细化铅粒并促进更多铅粒存在于β相内，也有减小柱状晶区宽度的作用，从而改善了切削加工性^[6]。

添加稀土使铜及其合金中的有害杂质(Pb、Bi等)从易熔共晶状态转变为高熔点化合物，因此可明显改善铜及其合金的压力加工性能。添加微量稀土可显著提高铅黄铜的高温延伸率，改善热加工性能，减轻或消除热轧开裂现象。其原因据认为在于细化晶粒，减少或消除柱状晶，促进高温时β相转变，与铅形成高熔点化合物等作用^[3]。

在CuSn合金含有少量的稀土(Y、Ce或La)，可大幅地改善700℃以上温度的延性，原因是由于稀土元素抑制晶界预先氧化，导致晶界强度高^[6]。在黄铜H68中加入稀土元素，可消除因Pb造成的热脆性。在含Ni、Zn的铝青铜中，固溶状态下的La能改善其冷加工性能，并使之成为可热处理强化合金。在一种黄铜中加入铈镧合金，其冷轧压下率可提高，退火温度比一般含等量锌的黄铜提高100℃。

在铝铜合金中加入混合稀土变质，改变了合金的凝固结晶特性，并使金属净化，气体和夹杂物减少，表面张力降低，从而使其流动性提高，线收缩热裂倾向和显微缩裂倾向下降，特别是混合稀土加入量为0.2%时，可使合金完全变质，获得最佳的铸造性能^[10]。

在ZL204合金中添加微量的富Ce混合稀土，可明显提高了铸造性能。稀土的加入量以0.3%~0.5%为宜，以骨骼状的金属间化合物的形式分布于晶间^[11]。富Ce混合稀土能不同程度地提高合金的流动性和降低合金的热裂倾向性，明显地提高合金的铸造性能。合金流动性的提高和热裂倾向性的降低，主要是由于稀土的加入使合金在凝固过程中枝晶细化，在凝固后期枝晶的联生增强^[12]。

5 稀土对铜及铜基合金耐蚀及耐磨性能的影响

铈的加入可明显提高合金的耐腐蚀性和抗局部侵蚀倾向。在纯铜中加入0.2%(质量分数)的稀土，在400%和18h氧化增重比不加者大大减小，表明稀土能抑制铜离子在氧化层的扩散，使氧化速度下降^[13]。钇的加入使纯铜的氧化膜发生变化，增加了一层Y₂O₃, 可抑制铜离子的扩散，也有认为稀土能引起氧化激活能的增加，从而使氧化速度下降。

在黄铜H68中加入0.07%~0.10%Ce，可显著提高其耐蚀性和抗局部腐蚀倾向，这是由于Ce的加入阻碍了铜、锌的进一步溶解，且对锌的抑制效应优于铜，从而抑制了黄铜的脱锌。在锰黄铜中添加0.015%~0.04%混合稀土，可使其耐蚀性有较大提高，腐蚀疲劳极限约可提高16%。在铝黄铜中加入0.02%~0.04%混合稀土，可有效地抑制其脱锌和晶间腐蚀^[6]。在铝青铜中添加微量稀土，可显著提高耐蚀性能，腐蚀疲劳强度提高20%左右^[14]。在QBe2合金中加入适量稀土，可使之在NaCI溶液(3%水溶液)以及0.5mol/L的硫酸溶液中的耐蚀性均有所提高^[6]。在锡黄铜中加入微量稀土等元素，其耐蚀性能和加工性能均优于加砷锡黄铜。这是由于稀土元素可细化组织，在基体金属界面上形成保护膜，阻止锌原子扩散以及抑制铜、锌溶解等作用所致。在ZQSnl0-2锡青铜合金中加入0.25%金属稀土可使该合金的耐海水腐蚀能力提高20倍左右^[15]。

在高锰铝青铜中添加Ce和B，可使其干摩擦磨损量减少20%左右，润滑摩擦磨损量减少50%左右。添加稀士的ZQPb25铅青铜用于代替ZQSn6-6-3锡青铜制作轴承套，轴承内径磨损量减少5倍左右，也减少了对主轴外径的磨损，提高了轴套和主轴的使用寿命，也降低了铸件的成本^[6]。稀土耐磨铜合金(RPH)与ZQSn6-6-3锡青铜的对比试验表明，稀土耐磨铜合金作为滑动轴承材料有较ZQSn6-6-3锡青铜更适应滑动摩擦的组织结构，因而有较好的使用寿命。稀土与铅结合，生成较硬的稀土铅化合物，影响铅在合金中的分布状态^[16]。

6 结语

加入稀土可以对铜及铜基合金的各种性能产生重要的影响。稀土的加入可以净化杂质，细化晶粒。许多研究成果也证实了以上这些作用，也为稀土在铜及铜基合金中的应用提供了良好的指导和奠定了坚实的基础。