连铸连轧对稀土耐热铝合金组织、导电率与力学性能的影响

2018-09-13牛艳萍王顺成张志敏翟元辉

世界有色金属 2018年13期

杨勇，牛艳萍，周楠，王顺成，张志敏，翟元辉

（1.广东省工业分析检测中心，广东广州 510651；2.广东省材料与加工研究所，广东广州 510651；3.广东新亚光电缆实业有限公司，广东清远 511500）

随着我国国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，对电力的需求急剧增长，输电线路日益向超高压大容量方向发展，以增加输电容量[1]。提高铝合金导线的导电率和耐热性能是提高输电线路输电容量的重要措施，对于减少输电线路的电能损耗，提高电能利用效率具有十分重要的意义[2]。

但目前我国的输电导线主要还是传统的钢芯铝绞线，这种钢芯铝绞线的导电率低、电能损耗大，耐热性差，导致输电容量受到很大的限制[3]。近年来国家电网公司大力推进科技创新，提高电网建设技术水平，逐步加大高强、高导、耐热的铝合金芯铝绞线、全铝合金绞线等节能型铝合金导线的推广应用[4]。

Al-Zr-RE系稀土耐热铝合金导线具有强度高、导电率高和耐热性能好的优点，适合于大跨越、特高压、大容量的电力传输，可显著提高输电容量，减少输电线路电能损耗，提高电能利用效率[5-7]。为了获得高强度、高导电率的Al-Zr-RE系稀土耐热铝合金导线，本文采用连铸连轧工艺制造Al-0.05Zr-0.06La-0.11Ce系稀土耐热铝合金圆杆，研究了连铸连轧对稀土耐热铝合金圆杆显微组织、导电率与力学性能的影响，为深刻理解连铸连轧稀土耐热铝合金的组织性能演变规律和优化连铸连轧工艺提供理论指导。

1 实验材料与方法

实验材料为Al-Zr-RE系稀土耐热铝合金，采用纯铝锭、AlZr10合金、AlFe10合金和镧铈混合稀土AlRE10合金熔炼配制，经ARL460型光电直读光谱仪测定，稀土耐热铝合金的化学成分为：0.052%的Zr，0.058%的La，0.11%的Ce，0.56%的Fe，0.11%的Si，0.065%的Cu，量为Al。

实验设备为15吨熔铝炉、带永磁搅拌的圆形倾动式保温炉、轮带式连铸机和15机架Y型连轧机，连铸机结晶轮直径为1600 mm，连铸坯横断面积为2400 mm2，连铸坯线速度为0.2 m/s，冷却水流量为60 m3/h，连轧机终轧速度为6.2 m/s。

在熔铝炉内将纯铝锭加热熔化，将铝液流入保温炉内，再加入AlZr10合金、AlFe10合金和镧铈混合稀土AlRE10合金熔炼成稀土耐热铝合金液，经永磁搅拌使铝合金液的成分均匀，再通过喷吹精炼对铝合金液进行除气除杂处理，经过静置保温后，将铝合金液浇入连铸机，连铸连轧成直径9.5 mm的稀土耐热铝合金圆杆，浇铸温为710 ℃，开轧温度为490 ℃，终轧温度为320 ℃。

在稀土耐热铝合金连铸坯和圆杆上取样，试样经磨制、抛光和腐蚀后，在OLYMPUS-M10型金相显微镜上进行显微组织观察，采用FEI-TS型透射电镜对显微组织进行观察分析，采用WCW-500型直流双臂电桥导电仪测量稀土耐热铝合金连铸坯和圆杆的导电率。在NYP1000型电子拉伸试验机上对稀土耐热铝合金连铸坯和圆杆进行室温拉伸试验，检测抗拉强度和伸长率，拉伸速度为2 mm/min。

2 实验结果与讨论

2.1 对显微组织的影响

图1为连铸连轧Al-0.05Zr-0.06La-0.11Ce系稀土耐热铝合金的显微组织。图2为连铸连轧稀土耐热铝合金的透射电镜图。由于连铸坯是由铝合金液直接凝固而成，因此，铝合金连铸坯的显微组织是由粗大的树枝晶构成，晶间存在大量的共晶相，并连续分布在晶界上，说明连铸坯的成分存在微观偏析，组织成分不均匀，如图1（a）所示，透射电镜分析结果表明，由于连铸坯的晶粒没有产生塑性变形，因此，连铸坯的晶粒内部没有亚晶界和位错存在，如图2（a）所示。

随着连铸连轧道次的逐渐增加，剧烈的塑性变形使铝合金的粗大的树枝晶得到破碎，晶粒尺寸越来越细，第二相分布越来越均匀，如图1（b）和（c）所示，同时剧烈的塑性变形使铝合金的晶粒内部产生大量的亚晶界和位错，亚晶界和位错数量越来越多，如图2（b）和（c）所示。

由于连铸连轧产生的剧烈塑性变形使连铸坯的粗大树枝晶得到完全的破碎，稀土耐热铝合金圆杆的晶粒组织及第二相均分布均匀，如图1（d）所示，同时稀土耐热铝合金圆杆的晶粒内部存在大量的亚晶界和位错，如图2（d）所示。

图1 连铸连轧稀土耐热铝合金的显微组织

图2 连铸连轧稀土耐热铝合金的透射电镜图

2.2 对导电率的影响

图3为连铸连轧对Al-0.05Zr-0.06La-0.11Ce系耐热铝合金导电率的影响。金属材料导电过程的本质是金属内部自有电子的运动过程，而金属材料导电率的高低则由金属原子点阵结构对自由电子运动的阻碍作用决定[8]。从图3可看到，稀土耐热铝合金连铸坯由于是由铝合金液直接凝固而成，铝基体固溶体度较低，晶粒内部的亚晶界和位错密度较低，铝原子排布较为规整，因此铝合金连铸坯的导电率较高，其导电率为60.8%IACS。经过连续轧制后，由于剧烈的塑性变形，使铝合金晶粒畸变越来越严重，晶粒内部的亚晶界数量越来越多，位错密度越来越高，因此，连铸连轧稀土耐热铝合金的导电率开始略有下降。从图3可看到，连铸连轧稀土耐热铝合金圆杆的导电率为60.1 % IACS，与稀土耐热铝合金连铸坯相比，连铸连轧稀土耐热铝合金圆杆的导电率下降了1.15%。

图3 连铸连轧对稀土耐热铝合金导电率的影响

2.3 对力学性能的影响

图4为连铸连轧对Al-0.05Zr-0.06La-0.11Ce系耐热铝合金拉伸力学性能的影响。

从图4可看到，由于铝合金连铸坯的显微组织为粗大的树枝晶，导致连铸坯的拉伸力学性能较低，其抗拉强度为150.8MPa，伸长率为12.5%。

经过连铸连轧后，由于剧烈的塑形变形使连铸坯的粗大树枝晶得到破碎，组织成分趋于更加均匀，特别是剧烈的塑形变形使铝合金的晶粒内容产生大量的亚晶界和位错，进一步起到增强铝合金强度的作用，使连铸连轧铝合金的抗拉强度得到显著的提高，但剧烈的塑性变形也会使铝合金产生明显加工硬化，使连铸连轧铝合金的塑性下降[9]。