曾華榮, 劉宇，張迅，曾鵬(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州貴陽 550025)

銅含量對(duì)稀土鋁合金組織和性能的影響

曾華榮, 劉宇，張迅，曾鵬
(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州貴陽 550025)

利用金相顯微鏡、掃描電鏡、萬能試驗(yàn)機(jī)和導(dǎo)電儀等分析測(cè)試了不同Cu添加量+0.2%混合稀土的8030鋁合金的顯微組織和性能。結(jié)果表明，隨著Cu含量的增加，鋁合金抗拉強(qiáng)度有所提高，電導(dǎo)率上升。

鋁合金；銅；稀土；組織性能

0 引言

8030鋁合金是在純鋁的基礎(chǔ)上加入了0.3%～0.8%鐵、0.15%～0.3%銅和少量硅元素，具有較高的機(jī)械性能、電學(xué)性能和安全性，能夠使電纜在在長期過載和過熱的情況下保持連續(xù)穩(wěn)定性[1]。8030鋁合金在相同載流量下，質(zhì)量?jī)H為銅的45.6%，密度為銅的30.4%，可節(jié)約架橋成本[2]?？估瓘?qiáng)度和導(dǎo)電率是鋁合金線材的兩個(gè)主要性能指標(biāo)，但兩者相互矛盾，難以同時(shí)滿足使用要求。要使鋁電工線材具有很高的強(qiáng)度，則其電導(dǎo)率往往會(huì)不足；如果提高了鋁電工桿的強(qiáng)度，電導(dǎo)率就會(huì)在一定程度上降低。在鋁合金中提高Cu的含量不僅能提高合金的固溶強(qiáng)化和析出硬化作用，提高抗拉強(qiáng)度和機(jī)械性能，而且過量的Cu生成的CuAl2等相能起到彌散強(qiáng)化的作用，有助于高溫耐熱性能的提高[3]。稀土元素是鑄造鋁硅合金中常用的變質(zhì)劑，稀土Ce也能顯著影響鋁硅合金中顯微組織、形貌、富鐵相含量及合金力學(xué)性能等[4]。稀土Ce、La可與固溶于鋁合金中的一些有害雜質(zhì)元素形成穩(wěn)定的金屬間化合物，并在晶界析出，降低雜質(zhì)在基體中的固溶度，從而提高鋁導(dǎo)體的電導(dǎo)率[5]。文獻(xiàn)[6]和[7]表明在鋁合金中加入微量稀土可以起到晶粒細(xì)化和凈化作用，從而提高其機(jī)械性能和電學(xué)性能。本實(shí)驗(yàn)中采用固定變量法，研究8030合金中固定稀土元素添加量為0.2%，分別加入0.3%，0.4%，0.5%的Cu元素，分析了合金顯微組織及力學(xué)性能等，為進(jìn)一步提高該合金機(jī)械性能與電學(xué)性能提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

本實(shí)驗(yàn)采用商用8030鋁合金，由于Cu、Re元素與8030鋁合金的熔點(diǎn)相差較大，熔體的成分不易控制，所以采用Al－50Cu中間合金，Al－50Re中間合金的形式加入。8030合金成分見表1。

實(shí)驗(yàn)中將8030鋁合金置于7.5 kW石墨坩堝電阻爐中進(jìn)行熔煉，熔煉前先清理坩堝內(nèi)表面，去除雜質(zhì)，然后在坩堝內(nèi)部噴一層涂料，加熱烘干。先將鋁合金棒條預(yù)熱至170 ℃，之后放入760 ℃的電阻爐中進(jìn)行熔煉。待其完全熔化后，先將Al－50Cu中間合金加入熔池，然后壓入用鋁箔紙包裹的Al－50Re中間合金，攪拌均勻，除氣精煉保溫至760 ℃，保溫時(shí)間為20 min，之后去除表面浮雜物。將鋁液倒入保溫至300 ℃的金屬型模具中獲得拉伸試樣。實(shí)驗(yàn)中固定混合稀土的添加量為0.2%，Cu的添加量分別為0.3%、0.4%、0.5%。之后取鑄態(tài)試樣進(jìn)行拉伸性能和電學(xué)性能測(cè)試。

表1 合金的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

利用Olympus-GX51型光學(xué)顯微鏡觀察金相組織，利用配有能譜儀的Supra40熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)試樣進(jìn)行顯微組織觀察和微區(qū)成分分析。用CSS-4410電子萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試合金的室溫抗拉強(qiáng)度，拉伸速率為1 mm/min。將圓棒坯用金屬型材擠壓機(jī)XJ1800在480 ℃擠壓成φ8.5 mm的電工圓桿，利用FD-101型數(shù)字渦流導(dǎo)電儀進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 合金顯微組織

圖1為為添加微量Cu和混合稀土的8030鋁合金顯微組織，可以看出，Cu和稀土對(duì)8030鋁合金顯微組織有很大的影響。從圖1.a可知，未添加Cu和混合稀土?xí)r，鋁合金晶粒較粗大，晶界較寬，晶界附近幾乎沒有析出相，且在晶界處存在少量空隙和夾雜物。圖1.b～d為分別添加0.2%Re-0.3%Cu、0.2%Re-0.4%Cu和0.2%Re-0.5%Cu后8030鋁合金的鑄態(tài)組織。

圖1 8030鋁合金鑄態(tài)組織

可以看出，隨著銅添加量的增加，合金晶粒被細(xì)化，組織逐漸致密，α（Al）枝晶逐漸增多，細(xì)化效果變得明顯，且在晶界及晶界附近能夠觀察到越來越多的顆粒狀第二相粒子。稀土元素La、Ce等與Al原子半徑相差較大，因此在Al中的固溶度極低，主要富集在晶界處。由于合金中加入的稀土含量較少，其中鑄態(tài)組織并沒有太大的差異，也不能觀察到明顯的稀土相。在鋁合金中復(fù)合添加Cu和Re后，合金組織明顯細(xì)化，組織更加均勻。鋁合金中添加銅后一般形成難溶相CuAl2等，分布在晶界及晶界附近，阻礙晶粒長大，從而細(xì)化晶粒。而在此基礎(chǔ)上，復(fù)合添加微量稀土元素后，一方面，形成金屬間化合物增加有效形核核心的數(shù)量，另一方面，稀土鈰等是表面活性物質(zhì)，易吸附偏聚相界和晶界上，阻礙晶粒的長大，達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。

圖2為添加0.4%Cu+Re0.2%的鋁合金組織形貌和面掃描分布，從圖中可以看出合金鑄造組織中存在許多空洞，可能是由于合金鑄造過程中出現(xiàn)的微觀缺陷。對(duì)圖中亮白色點(diǎn)進(jìn)行面掃描分析，可以看出，Cu元素分布比較均勻，亮白色點(diǎn)上Ce、La元素偏聚，因此亮白色點(diǎn)可能為含Al、Cu元素的稀土相。

圖2 添加0.4%Cu+Re0.2%的鋁合金組織形貌和面掃描分布面

圖3 為添加0.5%Cu+Re0.2%鋁合金的XRD譜圖，主要相為Al、CuAl2、CeCu6、Cu5La等，析出的CuAl2相等對(duì)基體有強(qiáng)化作用，細(xì)晶強(qiáng)化和析出相強(qiáng)化使抗拉強(qiáng)度增大。

圖3 Al-0.5Cu-0.2Re的XRD譜圖

2.2 合金抗拉強(qiáng)度變化

圖4 Cu含量對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

從圖4可知，混合稀土含量一定時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度隨Cu含量的增加而提高。當(dāng)Cu含量為0.5%時(shí)，抗拉強(qiáng)度提高約35%。這是由于銅溶入到鋁合金中后，一部分固溶于基體中，Cu與Al基體發(fā)生置換反應(yīng)，鋁基體點(diǎn)陣發(fā)生很大晶格畸變，起到固溶強(qiáng)化作用，抗拉強(qiáng)度有所提升，一部分形成CuAl2等難溶相，釘扎晶界，從而提高試樣的抗拉強(qiáng)度[9]。另一部分Cu與Al原子形成CuAl2相粒子分布于晶界區(qū)域，這些顆粒能夠釘扎晶界，塑性變形時(shí)需要消耗更多的能量，提高了力學(xué)性能。

2.3 Cu、Re對(duì)合金電學(xué)性能變化

合金電導(dǎo)率的變化如圖5所示，隨著Cu添加量的增加，合金電導(dǎo)率增加，當(dāng)Cu添加量為0.5%時(shí)，合金電導(dǎo)率為60.9%IACS。由于Al原子半徑大于Cu，Cu與Al形成置換固溶體，使Al原子周圍發(fā)生晶格畸變，增加電子散射。此外，Cu可細(xì)化晶粒，使晶界增多，增大了電子通過的難度，從而使電導(dǎo)率降低。由于混合稀土La和Ce可除去鋁液中的H等雜質(zhì)元素，減少氣孔數(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。La和Ce能夠改善雜質(zhì)元素在8030鋁合金中的分布，與基體中的有害雜質(zhì)形成了穩(wěn)定的金屬間化合物，從而降低了雜質(zhì)元素在鋁基體中的固溶度[6]，提高了8030鋁合金的電導(dǎo)率。

圖5 Cu含量對(duì)電導(dǎo)率的影響

3 結(jié)論

（1）添加0.5%Cu和0.2%混合稀土后，8030鋁合金的鑄態(tài)組織明顯細(xì)化，稀土化合物主要分布在晶界上。

（2）加入0.2%混合稀土，改變Cu添加量時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度隨Cu含量的增加而提高。

（3）隨著Cu添加量的增加，合金電導(dǎo)率增加，當(dāng)Cu添加量為0.5%時(shí)，合金電導(dǎo)率為60.9%IACS。

[1] 井佳明, 趙建國, 贠亞瓊. 8030鋁合金連鑄連軋導(dǎo)電鋁桿的工藝研究 [J]. 有色金屬加工, 2016,45( 02): 25-28.

[2] 陳焱, 張鞍生. 鋁合金電纜的應(yīng)用及市場(chǎng)分析 [J]. 稀有金屬與硬質(zhì)合金, 2016, 44(02): 81-84.

[3] 肖代紅, 王健農(nóng), 陳康華. Cu含量對(duì)Al-Cu-0.4Mg-0.6Ag合金組織與力學(xué)性能的影響 [J]. 有色金屬, 2009,61( 01): 6-10.

[4] 孫莉. Cu、Ce對(duì)Al-7Si-0.35Mg合金顯微組織和力學(xué)性能的影響 [D].湖南大學(xué), 2014.

[5] 王洋, 張曉燕, 樊磊, 等. Zr及稀土Ce、La對(duì)鋁電工圓桿性能的影響 [J]. 輕合金加工技術(shù), 2015, 43(02): 43-46.

[6] 雷文魁, 王順成, 鄭開宏, 等. La,Ce混合稀土對(duì)6201電工鋁合金組織性能的影響 [J]. 材料研究與應(yīng)用, 2015, 9(01): 20-24.

[7] 雷文魁, 王順成, 鄭開宏, 等. Y對(duì)6201電工用鋁合金組織與性能的影響 [J]. 輕合金加工技術(shù), 2015, 43(09): 22-26.

[8] 徐潔. Sn、Cu及Al-Ti5-B1對(duì)Al-Si-Sn-Cu軸承合金的組織和性能的影響 [J]. 中國鑄造裝備與技術(shù), 2015,( 05): 46-49.

[9] 張俊杰, 張曉燕, 張忠全, 等. 銅對(duì)稀土鋁合金電工圓桿性能的影響 [J]. 有色金屬工程, 2016,27(02): 23-26.

Effect of copper content on microstructure and mechanical properties of rare earth aluminum alloy

ZHANG Xun, LU Yu, ZENG Peng, ZENG Huarong
(Electric Power Science Research Institute Guizhou Power Grid Co., Ltd,.Guiyang 550002,Guizhou,China)

The microstructure and properties of 8030 aluminum alloy with different Cu + 0.2% mixed rare earth were analyzed by optical microscope,scanning electron microscope,universal testing machine and electric conductivity meter.The results showed that the tensile strength and the electric conductivity improved with the Cu content increased.

∶Aluminum Alloy;Copper;Rare Earth; Microstructure And Properties

TG146.21；

A；

1 006-9 658（201 6）06-001 6-03

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.06.005

2016-08-29

稿件編號(hào):1608-1495

曾華榮（1969—），男，學(xué)士學(xué)位，高級(jí)工程師，主要從事高電壓技術(shù)方向研究.