雷文魁，王順成，鄭開(kāi)宏，張志敏，丁俊旺，翟元輝

1.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院）金屬加工與成型技術(shù)研究所，廣東 廣州 510650；2.廣東新亞光電纜實(shí)業(yè)有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511500

6201鋁合金具有優(yōu)良的導(dǎo)電、焊接和耐蝕性能，同時(shí)還具有導(dǎo)電容量大、抗拉強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、弧垂特性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)電鋁材，特別是被用作架空大跨越鋼芯鋁合金絞線或鋁合金絞線中的輸電導(dǎo)線［1］.據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)，2013年我國(guó)線路損失率達(dá)6.67%，輸電線路損耗電量約為3550億kW·h，若20%輸電線路采用高強(qiáng)高導(dǎo)鋁合金導(dǎo)線，總損耗可減少19.77億kW·h.因此，開(kāi)發(fā)高強(qiáng)高導(dǎo)電工鋁合金材料在輸電導(dǎo)線中具有巨大的應(yīng)用潛力［2］.

相關(guān)研究表明［3－5］，加入 適 量 La，Ce混合稀土能對(duì)工業(yè)純鋁及6061，6063，7075等鋁合金組織起到晶粒細(xì)化和凈化作用，從而有利于提高其導(dǎo)電性能和力學(xué)性能.但鮮見(jiàn)La，Ce混合稀土對(duì)6201鋁合金組織性能影響的相關(guān)研究報(bào)道.在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，6201電工鋁合金的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能未能達(dá)到國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，也出現(xiàn)有鑄坯開(kāi)裂和軋制斷桿現(xiàn)象.本文重點(diǎn)研究了La，Ce混合稀土對(duì)6201電工鋁合金的鑄態(tài)組織、導(dǎo)電性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律，為6201電工鋁合金的推廣應(yīng)用提供依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)用的6201鋁合金錠采用工業(yè)純鋁w（Al）＝99.7%、速溶硅 w（Si）＝99.2%及純鎂 w（Mg）＝99.8%熔煉澆鑄而成.采用SPECTROMAXx型光電直讀光譜儀測(cè)定其化學(xué)成分，結(jié)果列于表1.添加的混合稀土為 Al－10%RE中間合金，其中La6.5%，Ce3.5%.

表1 6201鋁合金錠的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 6201aluminum alloy

實(shí)驗(yàn)材料的制備：首先在100kg坩堝爐中配制6201鋁合金，澆鑄成鋁錠；然后在7.5kW井式電阻爐內(nèi)的石墨坩堝中加熱熔化6201鋁錠，待熔體溫度加熱至740℃后，進(jìn)行精煉和扒渣；分別添加1%，2%，3%，4%及5%的 Al－10%RE合金，對(duì)應(yīng)的La和Ce混合稀土含量分別為0.1%，0.2%，0.3%，0.4%及0.5%.攪拌并靜置30min后，澆注到水冷鐵模鑄成直徑100mm，高250mm的圓棒坯；最后在MSH－638T擠壓機(jī)上將圓棒坯擠壓成直徑13mm的鋁合金圓桿.

從圓棒坯取樣，試樣經(jīng)磨制、拋光和腐蝕后在LEICA－DMI3000M金相顯微鏡下進(jìn)行組織觀察，腐蝕劑為Keller試劑.采用截線法測(cè)量晶粒的平均直徑.采用Philips－PW型X射線衍射儀分析合金相組成.用FD－101型數(shù)字渦流導(dǎo)電儀測(cè)定鋁合金圓桿的電導(dǎo)率.將鋁合金圓桿加工成直徑5mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形拉伸試樣后，在DNS200型萬(wàn)能電子拉伸機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度是2mm／min.在JCXA－733型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下，對(duì)鋁合金圓桿進(jìn)行能譜掃描分析，并對(duì)拉伸試樣斷口形貌進(jìn)行觀察.

圖1 不同La，Ce混合稀土添加量的6201鋁合金的鑄態(tài)組織（a）0；（b）0.1%；（c）0.2%；（d）0.3%；（e）0.4%；（f）0.5%Fig.1 As－cast microstructure of 6201aluminum alloy with different additive amounts of La and Ce mischmetal

2 結(jié)果與討論

2.1 La，Ce混合稀土對(duì)鑄態(tài)組織的影響

晶粒大小對(duì)材料的性能有重要的影響，鑄態(tài)組織的細(xì)化是加工成形后獲得細(xì)小晶粒的基礎(chǔ)［6］.圖1為L(zhǎng)a，Ce混合稀土含量對(duì)6201鋁合金鑄態(tài)組織的影響.由圖1（a）可知，未添加混合稀土的6201鋁合金鑄態(tài)組織的晶粒平均直徑可達(dá)158μm，枝晶粗大.添加了0.1%混合稀土的合金鑄態(tài)組織晶粒變小，晶粒平均直徑為107μm，如圖1（b）所示.隨著混合稀土添加量的逐漸增加，6201鋁合金鑄態(tài)組織晶粒越來(lái)越細(xì)化，晶粒尺寸更加細(xì)小均勻.添加了0.5%混合稀土的6201鋁合金的晶粒平均直徑為46μm，與未添加混合稀土相比減小了70.89%，如圖1（f）所示.上述結(jié)果表明，添加微量的混合稀土對(duì)6201鋁合金組織起到了細(xì)化晶粒的作用.

圖2為含0.3%混合稀土的6201鋁合金的X射線衍射譜圖.從圖2可以看出，6201鋁合金鑄態(tài)組織中主要有α－Al相和AlFeSiLaCe相，以及 Mg與Si形成的化合物 Mg2Si相，且α－Al相和 Mg2Si相的強(qiáng)度峰值較高.

圖2 含0.3%混合稀土的6201鋁合金的X射線衍射譜圖Fig.2 XRD spectra of 6201aluminum alloy with 0.3%La and Ce mischmetal

從圖1的6201鋁合金鑄態(tài)組織金相照片中可以看到有顏色較深的組織析出，這是La，Ce混合稀土元素添加到鋁合金中形成的AlFeSiLaCe相，這與XRD的分析結(jié)果一致.為進(jìn)一步確定合金中的相組成，選取添加0.3%混合稀土的6201鋁合金組織進(jìn)行能譜分析.圖3是含0.3%混合稀土的6201鋁合金的掃描電鏡圖片，其分析結(jié)果列于表2.由圖3及表2可知，譜圖1的白亮區(qū)是含混合稀土的第二相AlFeSiLaCe相，譜圖2為元素Mg和Si形成的合金化Mg2Si相.

圖3 含0.3%混合稀土的6201鋁合金的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM image of 6201aluminum alloy with 0.3%La and Ce mischmetal

影響晶粒細(xì)化程度的主要因素是單位合金熔體中的形核核心的數(shù)量和孕育劑在形核過(guò)程中所起作用的大小.文獻(xiàn)［5］的研究結(jié)果表明，在合金凝固時(shí)，La和Ce在鋁中的固溶度很小，大部分La和Ce富集在界面前沿的液相邊界層中，與雜質(zhì)元素產(chǎn)生強(qiáng)烈的交互作用，減小了Fe和Si等雜質(zhì)原子進(jìn)入固溶體的概率.La和Ce的加入影響固－液相界面前沿的溶質(zhì)再分配，使得La和Ce與其它元素在固－液相界面前沿液相中的濃度梯度增加，產(chǎn)生一個(gè)成分過(guò)冷區(qū)，當(dāng)成分過(guò)冷度大于形成新晶核所需的臨界過(guò)冷度時(shí)，就會(huì)大大提高形核率.La和Ce的化學(xué)性質(zhì)活潑，能與其它雜質(zhì)元素或合金元素形成多種化合物，形成的化合物中有的可作為異質(zhì)晶核，大量新晶核的形成限制了柱狀晶的成長(zhǎng).由于La和Ce的電負(fù)性比Al小，熔于鋁基體后形成置換式固溶體容易填補(bǔ)合金相的表面缺陷，這對(duì)鋁熔體的形核速度有利，從而增加了鋁熔體單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)目，使其鑄態(tài)組織得到細(xì)化［7］.同時(shí)，La和Ce是表面活性元素，容易富集在固－液相界面前沿，從而起到了阻礙α－Al晶粒長(zhǎng)大的作用，進(jìn)一步促進(jìn)了晶粒的細(xì)化［8］.

2.2 La，Ce混合稀土對(duì)導(dǎo)電性能的影響

La，Ce混合稀土對(duì)6201鋁合金電導(dǎo)率的影響如圖4所示.從圖4可見(jiàn)，隨著混合稀土添加量的逐漸增加，6201鋁合金的電導(dǎo)率逐漸提高.當(dāng)混合稀土添加量為0.5%時(shí)，6201鋁合金的電導(dǎo)率為55.7%IACS，與未添加混合稀土?xí)r相比，電導(dǎo)率提高了5.69%.

按照金屬導(dǎo)電理論可知，晶體越完整，異類原子等引起的晶格畸變和晶界等缺陷越少，其電阻越小.雜質(zhì)元素在金屬中以固溶態(tài)存在時(shí)對(duì)導(dǎo)體電阻率的增大作用遠(yuǎn)大于析出態(tài)［9］.由于混合稀土元素La和Ce可除去鋁熔體中的H等雜質(zhì)元素，減少氣孔的數(shù)量，凈化鋁基體和晶界，從而有利于提高合金的導(dǎo)電性能.Fe是影響6201鋁合金導(dǎo)電性能的主要雜質(zhì)，La和Ce能夠改善雜質(zhì)元素在6201鋁合金中的分布，使晶界上的Al＋Al3Fe網(wǎng)狀（針狀A(yù)l3Fe）共晶組織消失［8］.未添加混合稀土?xí)r，雜質(zhì)元素多呈游離態(tài)分布，溶解在鋁基體中.添加混合稀土后，混合稀土元素與一些固溶于鋁基體中的有害雜質(zhì)形成了穩(wěn)定的金屬間化合物，如析出態(tài)的AlFeSiLaCe相等［10］，從而降低了Fe等雜質(zhì)元素在鋁基體中的固溶度，提高了6201鋁合金的電導(dǎo)率.

表2 含0.3%混合稀土的6201鋁合金的EDS分析結(jié)果Table 2 EDS analysis results of 6201aluminum alloy with 0.3%La and Ce mischmetal

圖4 La，Ce混合稀土對(duì)6201鋁合金電導(dǎo)率的影響Fig.4 Effect of La and Ce mischmetal content on electrical conductivity of 6201aluminum alloy

2.3 La，Ce混合稀土對(duì)力學(xué)性能的影響

圖5 為L(zhǎng)a，Ce混合稀土對(duì)6201鋁合金力學(xué)性能的影響.從圖5可知，隨著混合稀土添加量的逐漸增加，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率逐漸增加.當(dāng)混合稀土添加量增至0.5%時(shí)，6201鋁合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為236MPa和16.7%，與未添加混合稀土相比，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別提高了11.32%和15.17%.

圖5 La，Ce混合稀土對(duì)6201鋁合金力學(xué)性能的影響Fig.5 Effect of La and Ce mischmetal content on mechanical properties of 6201aluminum alloy

圖6 所示為6201鋁合金拉伸試樣的斷口形貌.由圖6可見(jiàn)，未添加混合稀土的6201鋁合金晶粒粗大，在拉伸試樣斷口表面能夠看到部分粗大的淺韌窩.隨著混合稀土添加量的逐漸增加，斷口表面的韌窩數(shù)目增多，形成的韌窩加深.斷口形貌與混合稀土改善6201鋁合金的拉伸力學(xué)性能的規(guī)律相吻合，說(shuō)明添加La，Ce混合稀土提高了6201鋁合金的力學(xué)性能.

圖6 La，Ce混合稀土添加量對(duì)6201鋁合金斷口形貌的影響（a）0；（b）0.3%；（c）0.5%Fig.6 Effect of La and Ce mischmetal content on fracture morphology of 6201aluminum alloy

添加一定量的混合稀土，可改善6201鋁合金的力學(xué)性能，其原因如下：La，Ce與Al形成Al2La晶核，達(dá)到了細(xì)化晶粒的效果，從而改善了其力學(xué)性能［11］.由于稀土化合物與鋁基體的結(jié)構(gòu)差別較大，會(huì)在鋁基體中引起較大的畸變能，而晶界原子的排列比較松散，稀土化合物在晶界上聚集所引起的畸變能要比其在鋁基體中析出時(shí)所產(chǎn)生的畸變能要小得多，因而富稀土化合物基本上存在于晶間或枝晶間［12］.添加混合稀土后，6201鋁合金的組織被細(xì)化，這有利于阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高6201鋁合金的抗拉強(qiáng)度.混合稀土的加入使得Si等合金元素在Al中的固溶度降低，所加的混合稀土與未固溶的合金元素以高熔點(diǎn)的第二相化合物存在，呈不連續(xù)的網(wǎng)狀沿晶界分布，這種不連續(xù)的網(wǎng)狀分布可提高晶界抵抗滑移的能力，從而提高鋁合金的力學(xué)強(qiáng)度［13］.在以上幾種強(qiáng)化作用下，6201鋁合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都有所上升.

3 結(jié) 論

（1）隨著La，Ce混合稀土添加量的逐漸增加，6201鋁合金的鑄態(tài)組織晶粒逐漸被細(xì)化，電導(dǎo)率、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率逐漸提高.

（2）當(dāng)混合稀土添加量為0.5%時(shí)，6201鋁合金的晶粒平均直徑為46μm，電導(dǎo)率、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為55.7%IACS，236MPa和16.7%，與未添加混合稀土相比，6201鋁合金的電導(dǎo)率、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別提高了5.69%，11.32%和15.37%.

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