混合稀土对铝镁合金组织、导电性能和力学性能的影响

 

Al-Mg-Si合金具有优良的导电性能、焊接性能和耐蚀性能，同时还具有导电容量大、抗拉强度高、质量轻、弧垂特性好等一系列的优点，广泛应用于导电铝材，特别是被用作架空大跨越钢芯铝合金绞线或铝合金绞线中的输电导线[1]。随着我国电网建设力度的不断加大，新建电力输变电工程的电压等级朝高压或超高压方向发展，已有输变电工程也要进行升级改造，这就对架空导线的力学性能和导电性能提出了更高的要求[2]。同时，高强高导电工铝合金在提高电力输送效率，减少线路损耗及运行成本等节能减排方面也有着至关重要的意义。据国家能源局统计，我国2013年线路损失率达6.67%，输电线路损电量约为3550亿千瓦时，到2015年，若20%输电线路采用高强高导铝合金导线技术，总损耗可减少19.77亿千瓦时。因而开发新型高强高导的电工铝合金材料变得尤为重要[3]。

 

曹大力等人分别研究了稀土元素La和Ce对工业纯铝、6061、6063、7075等铝合金组织性能的影响[4-8]，结果表明，加入适量的稀土元素La或Ce能对纯铝和铝合金起到晶粒细化和净化作用，从而提高铝及铝合金的导电性能和力学性能。但未见报道La、Ce混合稀土对Al-Mg-Si合金组织和性能的影响。本文研究了La、Ce混合稀土对Al-0.75Mg-0.6Si合金的组织、导电性能和力学性能的影响。

 

 

实验材料为Al-0.75Mg-0.6Si合金，采用工业纯铝(99.7%，质量分数，下同)、速溶硅(99.2%)、纯镁(99.8%)熔炼配制。经SPECTROMAXx型光电直读光谱仪测定，Al-0.75Mg-0.6Si合金的化学成分（%）为：Mg 0.75，Si 0.60，Fe 0.15，Cu 0.002，Mn 0.002，Cr 0.001，Zn 0.002，Al 余量。混合稀土是Al-10%RE中间合金，其中La 6.5%，Ce 3.5%。

 

在7.5 kW井式电阻炉内的石墨坩埚中加热熔化Al-0.75Mg-0.6Si合金锭，待熔体温度加热至720 ℃后，进行精炼和扒渣，然后分别添加1、2、3、4、5%的Al-10%RE合金，对应的La、Ce混合稀土含量分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5%。搅拌并静置30 min后，浇注到水冷铁模铸成直径为100 mm、高为250 mm的Al-0.75Mg-0.6Si合金圆棒。在MSH-638T挤压机上将Al-0.75Mg-0.6Si合金圆棒挤压成直径13 mm的Al-0.75Mg-0.6Si合金圆杆。

 

对Al-0.75Mg-0.6Si合金圆棒取样，试样经磨制、抛光和腐蚀后在LEICA-DMI3000M金相显微镜下进行组织观察。用FD-101型数字涡流导电仪测定Al-0.75Mg-0.6Si合金圆杆的电导率。将Al-0.75Mg-0.6Si合金圆杆加工成直径5 mm的标准圆柱形拉伸试样后，在DNS200型万能电子拉伸机上进行室温拉伸试验，拉伸速度是2 mm/min。

 

 

 

图1为La、Ce混合稀土含量对Al-0.75Mg-0.6Si合金铸态组织的影响。由图1(a)可知，未添加La、Ce混合稀土时，Al-0.75Mg-0.6Si合金铸态组织由粗大枝晶组成。当添加0.1% 的La、Ce混合稀土时，Al-0.75Mg-0.6Si合金铸态组织晶粒变小，如图1(b)所示。随着La、Ce混合稀土添加量的逐渐增加，Al-0.75Mg-0.6Si合金铸态组织晶粒越来越细化，尺寸更加细小均匀，如图1(c)、 (d) 、(e)、 (f)所示。上述结果表明，添加微量的La、Ce混合稀土对Al-0.75Mg-0.6Si合金具有晶粒细化作用。

 

晶粒大小对材料的性能有重要的影响，铸态组织的细化是加工成形后获得细小晶粒的基础。影响晶粒细化程度的主要因素是单位合金熔体中影响形核核心的数量和作为形核作用的孕育剂的作用大小。文献[5]表明，合金凝固时，La和Ce在铝中的固溶度很小，大部分La和Ce富集在界面前沿的液相边界层中，与杂质元素产生强烈的交互作用，减小了Fe和Si等杂质原子进入固溶体的概率。La和Ce的加入影响固-液相界面前沿的溶质再分配，使得La和Ce和其它元素在固-液相界面前沿液相中的浓度梯度增加，产生一个成分过冷区，当成分过冷度大于形成新晶核所需的临界过冷度时，就会大大提高形核率。La和Ce的化学性质活泼，能与其它杂质元素或合金元素形成多种化合物，形成的化合物中有的可作为异质晶核，大量新晶核的形成限制了柱状晶的成长。La和Ce的电负性比Al小，熔于铝基体后形成置换式固溶体容易填补合金相的表面缺陷，这对铝熔体的形核速度有利，从而增加了铝熔体单位体积内的晶粒数目，使其铸态组织得到细化。同时，La和Ce是表面活性元素，容易富集在固-液相界面前沿，从而起到了阻碍α-Al晶粒长大的作用，进一步促进了晶粒的细化。

 

 

 

 

 

图2为La、Ce混合稀土添加量对Al-0.75Mg-0.6Si合金电导率的影响。从图2可见，随着La、Ce混合稀土添加量的逐渐增加，Al-0.75Mg-0.6Si合金的电导率逐渐增加，当La、Ce混合稀土添加量为0.5%时，Al-0.75Mg-0.6Si合金的电导率为55.7% IACS，与未添加La、Ce混合稀土相比，此时的Al-0.75Mg-0.6Si合金的电导率提高了5.69%。

 

按照金属导电理论可知，晶体越完整，异类原子等引起的晶格畸变和晶界等缺陷越少，其电阻越小。杂质元素在金属中以固溶态存在时对导体电阻率的增大作用远大于析出态[9]。混合稀土中的La、Ce元素对铝合金液具有净化作用，可除去铝熔体中的H等杂质元素，减少气孔的数量，净化铝基体和晶界，从而有利于提高Al-0.75Mg-0.6Si合金的导电性能。La和Ce能够改善Al-0.75Mg-0.6Si合金中杂质元素的分布规律，使晶界上Al+Al3Fe网状（针状Al3Fe）共晶组织消失。Fe是影响Al-0.75Mg-0.6Si合金导电性能的主要杂质，杂质元素在未添加混合稀土前多呈游离态分布，溶解在铝基体中。添加La、Ce混合稀土后，La、Ce稀土元素与一些固溶于铝基体中的有害杂质形成了稳定的金属间化合物，如析出态的FeRESiAl等[10]，从而降低了Fe杂质元素在铝基体中的固溶度，提高了Al-0.75Mg-0.6Si合金的电导率。

 

 

 

 

图3为La、Ce混合稀土对Al-0.75Mg-0.6Si合金拉伸力学性能的影响。从图3可知，随着La、Ce混合稀土添加量的逐渐增加，Al-0.75Mg-0.6Si合金的抗拉强度和伸长率逐渐增加。当La、Ce混合稀土添加量增至0.5%时，Al-0.75Mg-0.6Si合金的抗拉强度和伸长率分别为236 MPa和16.7%，与未添加La、Ce混合稀土相比，此时的Al-0.75Mg-0.6Si合金的抗拉强度和伸长率分别提高了11.32%和15.17%。

 

添加一定量La、Ce混合稀土后的铝合金中，La、Ce混合稀土元素与Al形成Al3RE晶核，达到细化晶粒的效果，从而增加了其力学性能[11]。稀土化合物与铝基体的结构差别较大，会在铝基体中引起较大的畸变能，而晶界原子的排列比较松散，稀土化合物在晶界上聚集所引起的畸变能要比其在铝基体中析出所产生的畸变能小得多，因而富稀土化合物基本上存在于晶间或枝晶间。添加La、Ce混合稀土后Al-0.75Mg-0.6Si合金的Al4SiRE明显得到细化，细小的Al4SiRE相有利于阻碍位错的运动，从而提高Al-0.75Mg-0.6Si合金的抗拉强度。La、Ce混合稀土的加入使得Si等合金元素在Al中的固溶度降低，所加La、Ce混合稀土与未固溶的合金元素以高熔点的第二相化合物存在，呈不连续的网状沿晶界分布。这种不连续的网状分布可提高晶界抵抗滑移的能力，从而提高铝合金的力学强度。以上几种强化作用都使Al-0.75Mg-0.6Si合金的抗拉强度和伸长率上升。

 

 

 

 

 

采用金相显微镜、涡流导电仪和拉伸试验机，研究了La、Ce混合稀土对Al-0.75-0.6Si合金组织、导电性能和力学性能的影响。结果表明：添加微量的La、Ce混合稀土对Al-0.75Mg-0.6Si合金可起到晶粒细化和净化作用，提高Al-0.75Mg-0.6Si合金的导电性能和力学性能。随着La、Ce混合稀土添加量的增加，Al-0.75Mg-0.6Si合金铸态组织晶粒逐渐被细化，电导率、抗拉强度和伸长率逐渐提高。当La、Ce混合稀土添加量为0.5%时，Al-0.75Mg-0.6Si合金的电导率为55.7% IACS，抗拉强度和伸长率分别为236 MPa和16.7%，与未添加La、Ce混合稀土相比，Al-0.75Mg-0.6Si合金的电导率提高了5.69%，抗拉强度和伸长率分别提高了11.32%和15.17%。

(1) 随着La、Ce混合稀土添加量的逐渐增加，Al-0.75Mg-0.6Si合金的铸态组织晶粒逐渐被细化，电导率、抗拉强度和伸长率逐渐提高。

 

(2) 当La、Ce混合稀土添加量为0.5%时，Al-0.75Mg-0.6Si合金的电导率、抗拉强度和伸长率分别为55.7% IACS、236 MPa和16.7%，与未添加La、Ce混合稀土相比，此时的Al-0.75Mg-0.6Si合金的电导率、抗拉强度和伸长率分别提高了5.69%、11.32%和15.37%。