連鑄連軋對(duì)稀土耐熱鋁合金組織、導(dǎo)電率與力學(xué)性能的影響

楊 勇，牛艷萍，周 楠，王順成，張志敏，翟元輝

（1.廣東省工業(yè)分析檢測(cè)中心，廣東 廣州 510651；2.廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510651；3.廣東新亞光電纜實(shí)業(yè)有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511500）

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，對(duì)電力的需求急劇增長(zhǎng)，輸電線路日益向超高壓大容量方向發(fā)展，以增加輸電容量[1]。提高鋁合金導(dǎo)線的導(dǎo)電率和耐熱性能是提高輸電線路輸電容量的重要措施，對(duì)于減少輸電線路的電能損耗，提高電能利用效率具有十分重要的意義[2]。

但目前我國(guó)的輸電導(dǎo)線主要還是傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線，這種鋼芯鋁絞線的導(dǎo)電率低、電能損耗大，耐熱性差，導(dǎo)致輸電容量受到很大的限制[3]。近年來國(guó)家電網(wǎng)公司大力推進(jìn)科技創(chuàng)新，提高電網(wǎng)建設(shè)技術(shù)水平，逐步加大高強(qiáng)、高導(dǎo)、耐熱的鋁合金芯鋁絞線、全鋁合金絞線等節(jié)能型鋁合金導(dǎo)線的推廣應(yīng)用[4]。

Al-Zr-RE系稀土耐熱鋁合金導(dǎo)線具有強(qiáng)度高、導(dǎo)電率高和耐熱性能好的優(yōu)點(diǎn)，適合于大跨越、特高壓、大容量的電力傳輸，可顯著提高輸電容量，減少輸電線路電能損耗，提高電能利用效率[5-7]。為了獲得高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率的Al-Zr-RE系稀土耐熱鋁合金導(dǎo)線，本文采用連鑄連軋工藝制造Al-0.05Zr-0.06La-0.11Ce系稀土耐熱鋁合金圓桿，研究了連鑄連軋對(duì)稀土耐熱鋁合金圓桿顯微組織、導(dǎo)電率與力學(xué)性能的影響，為深刻理解連鑄連軋稀土耐熱鋁合金的組織性能演變規(guī)律和優(yōu)化連鑄連軋工藝提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為Al-Zr-RE系稀土耐熱鋁合金，采用純鋁錠、AlZr10合金、AlFe10合金和鑭鈰混合稀土AlRE10合金熔煉配制，經(jīng)ARL460型光電直讀光譜儀測(cè)定，稀土耐熱鋁合金的化學(xué)成分為：0.052%的Zr，0.058%的La，0.11%的Ce，0.56%的Fe，0.11%的Si，0.065%的Cu，量為Al。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為15噸熔鋁爐、帶永磁攪拌的圓形傾動(dòng)式保溫爐、輪帶式連鑄機(jī)和15機(jī)架Y型連軋機(jī)，連鑄機(jī)結(jié)晶輪直徑為1600 mm，連鑄坯橫斷面積為2400 mm2，連鑄坯線速度為0.2 m/s，冷卻水流量為60 m3/h，連軋機(jī)終軋速度為6.2 m/s。

在熔鋁爐內(nèi)將純鋁錠加熱熔化，將鋁液流入保溫爐內(nèi)，再加入AlZr10合金、AlFe10合金和鑭鈰混合稀土AlRE10合金熔煉成稀土耐熱鋁合金液，經(jīng)永磁攪拌使鋁合金液的成分均勻，再通過噴吹精煉對(duì)鋁合金液進(jìn)行除氣除雜處理，經(jīng)過靜置保溫后，將鋁合金液澆入連鑄機(jī)，連鑄連軋成直徑9.5 mm的稀土耐熱鋁合金圓桿，澆鑄溫為710 ℃，開軋溫度為490 ℃，終軋溫度為320 ℃。

在稀土耐熱鋁合金連鑄坯和圓桿上取樣，試樣經(jīng)磨制、拋光和腐蝕后，在OLYMPUS-M10型金相顯微鏡上進(jìn)行顯微組織觀察，采用FEI-TS型透射電鏡對(duì)顯微組織進(jìn)行觀察分析，采用WCW-500型直流雙臂電橋?qū)щ妰x測(cè)量稀土耐熱鋁合金連鑄坯和圓桿的導(dǎo)電率。在NYP1000型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上對(duì)稀土耐熱鋁合金連鑄坯和圓桿進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，檢測(cè)抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，拉伸速度為2 mm/min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 對(duì)顯微組織的影響

圖1為連鑄連軋Al-0.05Zr-0.06La-0.11Ce系稀土耐熱鋁合金的顯微組織。圖2為連鑄連軋稀土耐熱鋁合金的透射電鏡圖。由于連鑄坯是由鋁合金液直接凝固而成，因此，鋁合金連鑄坯的顯微組織是由粗大的樹枝晶構(gòu)成，晶間存在大量的共晶相，并連續(xù)分布在晶界上，說明連鑄坯的成分存在微觀偏析，組織成分不均勻，如圖1（a）所示，透射電鏡分析結(jié)果表明，由于連鑄坯的晶粒沒有產(chǎn)生塑性變形，因此，連鑄坯的晶粒內(nèi)部沒有亞晶界和位錯(cuò)存在，如圖2（a）所示。

隨著連鑄連軋道次的逐漸增加，劇烈的塑性變形使鋁合金的粗大的樹枝晶得到破碎，晶粒尺寸越來越細(xì)，第二相分布越來越均勻，如圖1（b）和（c）所示，同時(shí)劇烈的塑性變形使鋁合金的晶粒內(nèi)部產(chǎn)生大量的亞晶界和位錯(cuò)，亞晶界和位錯(cuò)數(shù)量越來越多，如圖2（b）和（c）所示。

由于連鑄連軋產(chǎn)生的劇烈塑性變形使連鑄坯的粗大樹枝晶得到完全的破碎，稀土耐熱鋁合金圓桿的晶粒組織及第二相均分布均勻，如圖1（d）所示，同時(shí)稀土耐熱鋁合金圓桿的晶粒內(nèi)部存在大量的亞晶界和位錯(cuò)，如圖2（d）所示。

圖1 連鑄連軋稀土耐熱鋁合金的顯微組織

圖2 連鑄連軋稀土耐熱鋁合金的透射電鏡圖

2.2 對(duì)導(dǎo)電率的影響

圖3為連鑄連軋對(duì)Al-0.05Zr-0.06La-0.11Ce系耐熱鋁合金導(dǎo)電率的影響。金屬材料導(dǎo)電過程的本質(zhì)是金屬內(nèi)部自有電子的運(yùn)動(dòng)過程，而金屬材料導(dǎo)電率的高低則由金屬原子點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)對(duì)自由電子運(yùn)動(dòng)的阻礙作用決定[8]。從圖3可看到，稀土耐熱鋁合金連鑄坯由于是由鋁合金液直接凝固而成，鋁基體固溶體度較低，晶粒內(nèi)部的亞晶界和位錯(cuò)密度較低，鋁原子排布較為規(guī)整，因此鋁合金連鑄坯的導(dǎo)電率較高，其導(dǎo)電率為60.8%IACS。經(jīng)過連續(xù)軋制后，由于劇烈的塑性變形，使鋁合金晶粒畸變?cè)絹碓絿?yán)重，晶粒內(nèi)部的亞晶界數(shù)量越來越多，位錯(cuò)密度越來越高，因此，連鑄連軋稀土耐熱鋁合金的導(dǎo)電率開始略有下降。從圖3可看到，連鑄連軋稀土耐熱鋁合金圓桿的導(dǎo)電率為60.1 % IACS，與稀土耐熱鋁合金連鑄坯相比，連鑄連軋稀土耐熱鋁合金圓桿的導(dǎo)電率下降了1.15%。

圖3 連鑄連軋對(duì)稀土耐熱鋁合金導(dǎo)電率的影響

2.3 對(duì)力學(xué)性能的影響

圖4為連鑄連軋對(duì)Al-0.05Zr-0.06La-0.11Ce系耐熱鋁合金拉伸力學(xué)性能的影響。

從圖4可看到，由于鋁合金連鑄坯的顯微組織為粗大的樹枝晶，導(dǎo)致連鑄坯的拉伸力學(xué)性能較低，其抗拉強(qiáng)度為150.8MPa，伸長(zhǎng)率為12.5%。

經(jīng)過連鑄連軋后，由于劇烈的塑形變形使連鑄坯的粗大樹枝晶得到破碎，組織成分趨于更加均勻，特別是劇烈的塑形變形使鋁合金的晶粒內(nèi)容產(chǎn)生大量的亞晶界和位錯(cuò)，進(jìn)一步起到增強(qiáng)鋁合金強(qiáng)度的作用，使連鑄連軋鋁合金的抗拉強(qiáng)度得到顯著的提高，但劇烈的塑性變形也會(huì)使鋁合金產(chǎn)生明顯加工硬化，使連鑄連軋鋁合金的塑性下降[9]。

圖4 連鑄連軋對(duì)稀土耐熱鋁合金拉伸力學(xué)性能的影響

從圖4可看到，連鑄連軋稀土耐熱鋁合金圓桿的抗拉強(qiáng)度為166.8 MPa，伸長(zhǎng)率為11.4%，與稀土耐熱鋁合金的連鑄坯相比，連鑄連軋稀土耐熱鋁合金圓桿的抗拉強(qiáng)度提高了10.6%，而伸長(zhǎng)率則下降了8.8%。

3 結(jié)論

（1）連鑄連軋產(chǎn)生的劇烈塑性變形可破碎細(xì)化連鑄坯的晶粒組織，并使稀土耐熱鋁合金的晶粒內(nèi)部產(chǎn)生大量亞晶界和位錯(cuò)，從而提高鋁桿的強(qiáng)度，但塑性和導(dǎo)電率略有下降

（2）連鑄連軋Al-0.05Zr-0.06La-0.11Ce系稀土耐熱鋁合金圓桿的抗拉強(qiáng)度為166.8 MPa，伸長(zhǎng)率為11.4%，導(dǎo)電率為60.1% IACS。