Al-Mg-Si合金具有優良的導電性能、焊接性能和耐蝕性能，同時還具有導電容量大、抗拉強度高、質量輕、弧垂特性好等一系列的優點，廣泛應用于導電鋁材，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線[1]。隨著我國電網建設力度的不斷加大，新建電力輸變電工程的電壓等級朝高壓或超高壓方向發展，已有輸變電工程也要進行升級改造，這就對架空導線的力學性能和導電性能提出了更高的要求[2]。同時，高強高導電工鋁合金在提高電力輸送效率，減少線路損耗及運行成本等節能減排方面也有著至關重要的意義。據國家能源局統計，我國2013年線路損失率達6.67%，輸電線路損電量約為3550億千瓦時，到2015年，若20%輸電線路采用高強高導鋁合金導線技術，總損耗可減少19.77億千瓦時。因而開發新型高強高導的電工鋁合金材料變得尤為重要[3]。

 

曹大力等人分別研究了稀土元素La和Ce對工業純鋁、6061、6063、7075等鋁合金組織性能的影響[4-8]，結果表明，加入適量的稀土元素La或Ce能對純鋁和鋁合金起到晶粒細化和凈化作用，從而提高鋁及鋁合金的導電性能和力學性能。但未見報道La、Ce混合稀土對Al-Mg-Si合金組織和性能的影響。本文研究了La、Ce混合稀土對Al-0.75Mg-0.6Si合金的組織、導電性能和力學性能的影響。

 

 

實驗材料為Al-0.75Mg-0.6Si合金，采用工業純鋁(99.7%，質量分數，下同)、速溶硅(99.2%)、純鎂(99.8%)熔煉配制。經SPECTROMAXx型光電直讀光譜儀測定，Al-0.75Mg-0.6Si合金的化學成分（%）為：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中間合金，其中La 6.5%，Ce 3.5%。

 

在7.5 kW井式電阻爐內的石墨坩堝中加熱熔化Al-0.75Mg-0.6Si合金錠，待熔體溫度加熱至720 ℃后，進行精煉和扒渣，然后分別添加1、2、3、4、5%的Al-10%RE合金，對應的La、Ce混合稀土含量分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5%。攪拌并靜置30 min后，澆注到水冷鐵模鑄成直徑為100 mm、高為250 mm的Al-0.75Mg-0.6Si合金圓棒。在MSH-638T擠壓機上將Al-0.75Mg-0.6Si合金圓棒擠壓成直徑13 mm的Al-0.75Mg-0.6Si合金圓桿。

 

對Al-0.75Mg-0.6Si合金圓棒取樣，試樣經磨制、拋光和腐蝕后在LEICA-DMI3000M金相顯微鏡下進行組織觀察。用FD-101型數字渦流導電儀測定Al-0.75Mg-0.6Si合金圓桿的電導率。將Al-0.75Mg-0.6Si合金圓桿加工成直徑5 mm的標準圓柱形拉伸試樣后，在DNS200型萬能電子拉伸機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速度是2 mm/min。

 

 

 

圖1為La、Ce混合稀土含量對Al-0.75Mg-0.6Si合金鑄態組織的影響。由圖1(a)可知，未添加La、Ce混合稀土時，Al-0.75Mg-0.6Si合金鑄態組織由粗大枝晶組成。當添加0.1% 的La、Ce混合稀土時，Al-0.75Mg-0.6Si合金鑄態組織晶粒變小，如圖1(b)所示。隨著La、Ce混合稀土添加量的逐漸增加，Al-0.75Mg-0.6Si合金鑄態組織晶粒越來越細化，尺寸更加細小均勻，如圖1(c)、 (d) 、(e)、 (f)所示。上述結果表明，添加微量的La、Ce混合稀土對Al-0.75Mg-0.6Si合金具有晶粒細化作用。

 

晶粒大小對材料的性能有重要的影響，鑄態組織的細化是加工成形后獲得細小晶粒的基礎。影響晶粒細化程度的主要因素是單位合金熔體中影響形核核心的數量和作為形核作用的孕育劑的作用大小。文獻[5]表明，合金凝固時，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，與雜質元素產生強烈的交互作用，減小了Fe和Si等雜質原子進入固溶體的概率。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濃度梯度增加，產生一個成分過冷區，當成分過冷度大于形成新晶核所需的臨界過冷度時，就會大大提高形核率。La和Ce的化學性質活潑，能與其它雜質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晶核，大量新晶核的形成限制了柱狀晶的成長。La和Ce的電負性比Al小，熔于鋁基體后形成置換式固溶體容易填補合金相的表面缺陷，這對鋁熔體的形核速度有利，從而增加了鋁熔體單位體積內的晶粒數目，使其鑄態組織得到細化。同時，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晶粒長大的作用，進一步促進了晶粒的細化。

 

 

 

 

 

圖2為La、Ce混合稀土添加量對Al-0.75Mg-0.6Si合金電導率的影響。從圖2可見，隨著La、Ce混合稀土添加量的逐漸增加，Al-0.75Mg-0.6Si合金的電導率逐漸增加，當La、Ce混合稀土添加量為0.5%時，Al-0.75Mg-0.6Si合金的電導率為55.7% IACS，與未添加La、Ce混合稀土相比，此時的Al-0.75Mg-0.6Si合金的電導率提高了5.69%。

 

按照金屬導電理論可知，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。雜質元素在金屬中以固溶態存在時對導體電阻率的增大作用遠大于析出態[9]。混合稀土中的La、Ce元素對鋁合金液具有凈化作用，可除去鋁熔體中的H等雜質元素，減少氣孔的數量，凈化鋁基體和晶界，從而有利于提高Al-0.75Mg-0.6Si合金的導電性能。La和Ce能夠改善Al-0.75Mg-0.6Si合金中雜質元素的分布規律，使晶界上Al+Al3Fe網狀（針狀Al3Fe）共晶組織消失。Fe是影響Al-0.75Mg-0.6Si合金導電性能的主要雜質，雜質元素在未添加混合稀土前多呈游離態分布，溶解在鋁基體中。添加La、Ce混合稀土后，La、Ce稀土元素與一些固溶于鋁基體中的有害雜質形成了穩定的金屬間化合物，如析出態的FeRESiAl等[10]，從而降低了Fe雜質元素在鋁基體中的固溶度，提高了Al-0.75Mg-0.6Si合金的電導率。

 

 

 

 

圖3為La、Ce混合稀土對Al-0.75Mg-0.6Si合金拉伸力學性能的影響。從圖3可知，隨著La、Ce混合稀土添加量的逐漸增加，Al-0.75Mg-0.6Si合金的抗拉強度和伸長率逐漸增加。當La、Ce混合稀土添加量增至0.5%時，Al-0.75Mg-0.6Si合金的抗拉強度和伸長率分別為236 MPa和16.7%，與未添加La、Ce混合稀土相比，此時的Al-0.75Mg-0.6Si合金的抗拉強度和伸長率分別提高了11.32%和15.17%。

 

添加一定量La、Ce混合稀土后的鋁合金中，La、Ce混合稀土元素與Al形成Al3RE晶核，達到細化晶粒的效果，從而增加了其力學性能[11]。稀土化合物與鋁基體的結構差別較大，會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所產生的畸變能小得多，因而富稀土化合物基本上存在于晶間或枝晶間。添加La、Ce混合稀土后Al-0.75Mg-0.6Si合金的Al4SiRE明顯得到細化，細小的Al4SiRE相有利于阻礙位錯的運動，從而提高Al-0.75Mg-0.6Si合金的抗拉強度。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混合稀土與未固溶的合金元素以高熔點的第二相化合物存在，呈不連續的網狀沿晶界分布。這種不連續的網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強度。以上幾種強化作用都使Al-0.75Mg-0.6Si合金的抗拉強度和伸長率上升。

 

 

 

 

 

采用金相顯微鏡、渦流導電儀和拉伸試驗機，研究了La、Ce混合稀土對Al-0.75-0.6Si合金組織、導電性能和力學性能的影響。結果表明：添加微量的La、Ce混合稀土對Al-0.75Mg-0.6Si合金可起到晶粒細化和凈化作用，提高Al-0.75Mg-0.6Si合金的導電性能和力學性能。隨著La、Ce混合稀土添加量的增加，Al-0.75Mg-0.6Si合金鑄態組織晶粒逐漸被細化，電導率、抗拉強度和伸長率逐漸提高。當La、Ce混合稀土添加量為0.5%時，Al-0.75Mg-0.6Si合金的電導率為55.7% IACS，抗拉強度和伸長率分別為236 MPa和16.7%，與未添加La、Ce混合稀土相比，Al-0.75Mg-0.6Si合金的電導率提高了5.69%，抗拉強度和伸長率分別提高了11.32%和15.17%。

(1) 隨著La、Ce混合稀土添加量的逐漸增加，Al-0.75Mg-0.6Si合金的鑄態組織晶粒逐漸被細化，電導率、抗拉強度和伸長率逐漸提高。

 

(2) 當La、Ce混合稀土添加量為0.5%時，Al-0.75Mg-0.6Si合金的電導率、抗拉強度和伸長率分別為55.7% IACS、236 MPa和16.7%，與未添加La、Ce混合稀土相比，此時的Al-0.75Mg-0.6Si合金的電導率、抗拉強度和伸長率分別提高了5.69%、11.32%和15.37%。