La，Ce混合稀土對6201電工鋁合金組織性能的影響＊

雷文魁，王順成，鄭開宏，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.廣東新亞光電纜實業(yè)有限公司，廣東 清遠 511500

6201鋁合金具有優(yōu)良的導電、焊接和耐蝕性能，同時還具有導電容量大、抗拉強度高、質(zhì)量輕、弧垂特性好等一系列優(yōu)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］.據(jù)國家能源局統(tǒng)計，2013年我國線路損失率達6.67%，輸電線路損耗電量約為3550億kW·h，若20%輸電線路采用高強高導鋁合金導線，總損耗可減少19.77億kW·h.因此，開發(fā)高強高導電工鋁合金材料在輸電導線中具有巨大的應用潛力［2］.

相關(guān)研究表明［3－5］，加入 適 量 La，Ce混合稀土能對工業(yè)純鋁及6061，6063，7075等鋁合金組織起到晶粒細化和凈化作用，從而有利于提高其導電性能和力學性能.但鮮見La，Ce混合稀土對6201鋁合金組織性能影響的相關(guān)研究報道.在實際生產(chǎn)過程中，6201電工鋁合金的導電性能和力學性能未能達到國家相關(guān)標準，也出現(xiàn)有鑄坯開裂和軋制斷桿現(xiàn)象.本文重點研究了La，Ce混合稀土對6201電工鋁合金的鑄態(tài)組織、導電性能和力學性能的影響規(guī)律，為6201電工鋁合金的推廣應用提供依據(jù).

1 實驗材料與方法

實驗用的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定其化學成分，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鋁合金錠的化學成分Table 1 Chemical composition of 6201aluminum alloy

實驗材料的制備：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，進行精煉和扒渣；分別添加1%，2%，3%，4%及5%的 Al－10%RE合金，對應的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金相顯微鏡下進行組織觀察，腐蝕劑為Keller試劑.采用截線法測量晶粒的平均直徑.采用Philips－PW型X射線衍射儀分析合金相組成.用FD－101型數(shù)字渦流導電儀測定鋁合金圓桿的電導率.將鋁合金圓桿加工成直徑5mm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2mm／min.在JCXA－733型場發(fā)射掃描電鏡下，對鋁合金圓桿進行能譜掃描分析，并對拉伸試樣斷口形貌進行觀察.

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混合稀土對鑄態(tài)組織的影響

晶粒大小對材料的性能有重要的影響，鑄態(tài)組織的細化是加工成形后獲得細小晶粒的基礎(chǔ)［6］.圖1為La，Ce混合稀土含量對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)組織晶粒越來越細化，晶粒尺寸更加細小均勻.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6201鋁合金組織起到了細化晶粒的作用.

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程中所起作用的大小.文獻［5］的研究結(jié)果表明，在合金凝固時，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(zhì)元素產(chǎn)生強烈的交互作用，減小了Fe和Si等雜質(zhì)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(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)生一個成分過冷區(qū)，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(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.由于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(nèi)的晶粒數(shù)目，使其鑄態(tài)組織得到細化［7］.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［8］.

2.2 La，Ce混合稀土對導電性能的影響

La，Ce混合稀土對6201鋁合金電導率的影響如圖4所示.從圖4可見，隨著混合稀土添加量的逐漸增加，6201鋁合金的電導率逐漸提高.當混合稀土添加量為0.5%時，6201鋁合金的電導率為55.7%IACS，與未添加混合稀土時相比，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(zhì)元素在金屬中以固溶態(tài)存在時對導體電阻率的增大作用遠大于析出態(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電性能.Fe是影響6201鋁合金導電性能的主要雜質(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Al3Fe）共晶組織消失［8］.未添加混合稀土時，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6201鋁合金電導率的影響Fig.4 Effect of La and Ce mischmetal content on electrical conductivity of 6201aluminum alloy

2.3 La，Ce混合稀土對力學性能的影響

圖5 為La，Ce混合稀土對6201鋁合金力學性能的影響.從圖5可知，隨著混合稀土添加量的逐漸增加，合金的抗拉強度和伸長率逐漸增加.當混合稀土添加量增至0.5%時，6201鋁合金的抗拉強度和伸長率分別為236MPa和16.7%，與未添加混合稀土相比，抗拉強度和伸長率分別提高了11.32%和15.17%.

圖5 La，Ce混合稀土對6201鋁合金力學性能的影響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，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鋁合金的拉伸力學性能的規(guī)律相吻合，說明添加La，Ce混合稀土提高了6201鋁合金的力學性能.

圖6 La，Ce混合稀土添加量對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鋁合金的力學性能，其原因如下：La，Ce與Al形成Al2La晶核，達到了細化晶粒的效果，從而改善了其力學性能［11］.由于稀土化合物與鋁基體的結(jié)構(gòu)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時所產(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鋁合金的組織被細化，這有利于阻礙位錯的運動，從而提高6201鋁合金的抗拉強度.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強度［13］.在以上幾種強化作用下，6201鋁合金的抗拉強度和伸長率都有所上升.

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)組織晶粒逐漸被細化，電導率、抗拉強度和伸長率逐漸提高.

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

［1］劉斌，鄭秋，黨朋，等.鋁合金在架空導線領(lǐng)域的應用及發(fā)展［J］.電線電纜，2012（4）：10－15.

［2］黃崇祺.電工用鋁和鋁合金在電纜工業(yè)中的應用和前景［J］.電線電纜，2013（2）：10－15.

［3］曹大力，石忠寧，楊少華，等.稀土在鋁及鋁合金中的作用［J］.稀土，2006，27（5）：88－93.

［4］張?zhí)?，熊計，王均，?稀土對6061鋁合金組織和擠壓性能的影響［J］.輕合金加工技術(shù)，2010，38（6）：33－35.

［5］賴人銘，熊計，趙國忠，等.稀土元素La對6063鋁合金組織和性能的影響［J］.輕合金加工技術(shù)，2007，35（10）：28－32.

［6］鐘建華，朱洪斌，馮凱，等.稀土元素對7075鋁合金組織的影 響 ［J］.特 種 鑄 造 及 有 色 冶 金，2010，30（10）：899－901.

［7］閆洪，李正華，黃昕.鑭對ADC12鋁合金固溶時效組織的影響［J］.稀土，2013，34（5）：1－5.

［8］李紅英，孫遠，賓杰，等.Ce對耐熱鋁導體材料鑄態(tài)組織和性 能 的 影 響 ［J］.中 南 大 學 學 報，2011，42（10）：3026－3032.

［9］傅高升，孫鋒山，任立英，等.微量稀土對工業(yè)純鋁中雜質(zhì)相的變質(zhì)行為［J］.中國稀土學報，2001，19（2）：133－137.

［10］KARABAY S.Modification of AA－6201alloy for manufacturing of high conductivity and extra high conductivity wires with property of high tensile stress after artificial aging heat treatment for all－aluminium alloy conductors［J］.Materials ＆design，2006，27（10）：821－832.

［11］王會陽，安云岐，李承宇，等.稀土在鋁和鋁合金中應用的研究及進展［J］.稀土，2012，33（1）：74－80.

［12］秦興國，吳玉程，黃新民，等.稀土元素對高強高導鋁合金的性能影響［J］.金屬功能材料，2010，17（6）：17－21.

［13］孫常明，史志銘，李志芳.利用富鈰混合稀土改善工業(yè)純鋁中富鐵相形貌的研究［J］.中國稀土學報，2007，25（3）：318－322.