[发明专利]一种铜及铜合金中低熔点杂质元素铅的改性剂及改性方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种对有色金属材料中低熔点杂质元素改性的工艺方法，尤其涉及一种铜及铜合金中低熔点杂质元素铅的改性剂及改性方法。

背景技术

铜及其合金中的低熔点杂质元素铅在铸坯凝固过程中会最后在晶界上偏聚析出，使铜及铜合金材料的化学成分变的不均匀，使晶界和晶粒内部差生电位差，容易使铜及铜合金零件产生微电偶腐蚀，因此晶界处低熔点杂质元素的存在会恶化铜材的物理力学性能，缩短铜材的使用寿命，而且铅在使用过程中会溶解析出，对人体健康造成不可逆的损害。

铅的熔点为327℃，铅在铜中基本不固溶，微量的铅在铜的晶界处与铜形成低熔点的铜-铅共晶组织，共晶温度326℃。铜及其合金在进行热加工时，铜-铅共晶先熔化，极大的降低了铜及其合金的晶粒之间的结合力，导致铜产生“热脆”。由于铅既不能与铜形成固溶体，又不能与铜形成化合物，当铅在铜中的含量极微小时，就会出现易熔的薄层，在加工过程中沿着薄层形成裂纹，降低铜加工材的成品率。随铅含量增加，铜及铜合金材料的高温脆性区也会明显增大，使铜的热裂倾向增加。因此，铜中微量铅的存在不仅会使铜的热加工变的困难，而且会降低铜材的室温和高温力学性能、导电性能及耐腐蚀性能等。

目前，铜加工业中常规的除杂方法仅仅是针对氧的去除，主要采用磷脱氧和木炭脱氧，还没有专门针对低熔点杂质元素铅的去除和改性方法。为了提高铜加工材的成材率，降低产品缺陷，很有必要开展铜中低熔点杂质元素铅的去除方法和改性变质处理技术，尽可能降低铜中低熔点杂质元素铅的危害，提高铜材的综合性能。

发明内容

本发明为解决现有技术中铜及铜合金材料中低熔点杂质元素铅引起的缺陷和危害，提供了一种铜及铜合金材料中低熔点杂质元素铅的改性剂，以及对铜及铜合金材料中低熔点杂质元素铅的改性方法。

本发明适用的铜及铜合金材料是指包含低熔点杂质元素铅的铜材料，其中按重量百分数计，铅含量为0.001-3%的铜材料。

一种铜及铜合金材料中低熔点杂质元素铅的改性剂，所述改性剂由镧、铈、钇、钕及不可避免的杂质元素组成，按重量百分数计，

镧10-30%，

铈50-70%，

钇10-20%，

钕1-10%，

余量为不可避免的杂质元素且杂质元素含量为0-1%。

一种去除铜及铜合金中低熔点杂质元素铅的方法，包括以下步骤，

步骤1 熔化铜材

将含有低熔点杂质元素铅的铜材置入熔炼炉，采用石墨坩埚，温度控制在1100-1250℃将铜材全部熔化成铜液；

步骤2 预脱氧

将熔炼炉中熔化的铜液表面覆盖一层厚度为4-10厘米的木炭层，之后加入磷含量在10-14%的铜磷中间合金，按重量百分数计，铜磷中间合金的加入量占熔化的铜液总重量的0.1~0.3%，然后反应0.5-1小时，目的是使磷充分脱氧；

反应过程中进行炉前取样分析，通过直读光谱仪测定铜液中的磷含量和氧含量，在木炭和铜磷中间合金共同脱氧的作用下，直到最终将铜液中磷含量控制在50-200ppm，氧含量控制在0-10ppm；

步骤3 铜材改性

将预脱氧后的铜液升温至1250-1280℃后，加入上述改性剂，并电磁搅拌20-30分钟，然后去除浮渣；

按铜液的重量百分数计，当铜液中铅含量为0.001-3%时，所述改性剂的加入量为0.01-10%；

该步骤的目的是使改性剂充分熔化并与杂质元素铅完全发生作用，生成REPb₃、REPb、RE₃Pb、RE₅Pb₃等化合物，RE代表镧、铈、钇、钕。这些化合物熔点高，密度小，在铜液中具有较大的表面张力，会以球形粒子的形似存在于铜液中，最终凝固后会以第二相颗粒的形式存在于晶粒内部，在铜材中起到第二相强化的作用，可以改善铜材的力学性能。改性剂的加入使铅由集中分布于晶界变为较均匀的分布在晶粒内部，提高了化学成分的均匀性，还可以改善铜材的导电导热性能和耐腐蚀性能。

步骤4 浇铸铜材

将改性后的铜液静置30-40分钟，然后浇铸到经过预热的模具中，冷却后得到对低熔点杂质元素铅改性后的铸态铜材。

经过上述方法改性后的铜棒材、铜管材和铜线材，其室温力学性能较改性前提高1-10倍、高温力学性能较改性前提高1-40倍、导电导热性能较改性前提高1-2倍、耐腐蚀性能较改性前提高20-60%。