連鑄連軋對稀土耐熱鋁合金組織、導電率與力學性能的影響

楊 勇，牛艷萍，周 楠，王順成，張志敏，翟元輝

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

隨著我國國民經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，對電力的需求急劇增長，輸電線路日益向超高壓大容量方向發展，以增加輸電容量[1]。提高鋁合金導線的導電率和耐熱性能是提高輸電線路輸電容量的重要措施，對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]。

但目前我國的輸電導線主要還是傳統的鋼芯鋁絞線，這種鋼芯鋁絞線的導電率低、電能損耗大，耐熱性差，導致輸電容量受到很大的限制[3]。近年來國家電網公司大力推進科技創新，提高電網建設技術水平，逐步加大高強、高導、耐熱的鋁合金芯鋁絞線、全鋁合金絞線等節能型鋁合金導線的推廣應用[4]。

Al-Zr-RE系稀土耐熱鋁合金導線具有強度高、導電率高和耐熱性能好的優點，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]。為了獲得高強度、高導電率的Al-Zr-RE系稀土耐熱鋁合金導線，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，研究了連鑄連軋對稀土耐熱鋁合金圓桿顯微組織、導電率與力學性能的影響，為深刻理解連鑄連軋稀土耐熱鋁合金的組織性能演變規律和優化連鑄連軋工藝提供理論指導。

1 實驗材料與方法

實驗材料為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ARL460型光電直讀光譜儀測定，稀土耐熱鋁合金的化學成分為：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。

實驗設備為15噸熔鋁爐、帶永磁攪拌的圓形傾動式保溫爐、輪帶式連鑄機和15機架Y型連軋機，連鑄機結晶輪直徑為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，連軋機終軋速度為6.2 m/s。

在熔鋁爐內將純鋁錠加熱熔化，將鋁液流入保溫爐內，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，經永磁攪拌使鋁合金液的成分均勻，再通過噴吹精煉對鋁合金液進行除氣除雜處理，經過靜置保溫后，將鋁合金液澆入連鑄機，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，試樣經磨制、拋光和腐蝕后，在OLYMPUS-M10型金相顯微鏡上進行顯微組織觀察，采用FEI-TS型透射電鏡對顯微組織進行觀察分析，采用WCW-500型直流雙臂電橋導電儀測量稀土耐熱鋁合金連鑄坯和圓桿的導電率。在NYP1000型電子拉伸試驗機上對稀土耐熱鋁合金連鑄坯和圓桿進行室溫拉伸試驗，檢測抗拉強度和伸長率，拉伸速度為2 mm/min。

2 實驗結果與討論

2.1 對顯微組織的影響

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成，晶間存在大量的共晶相，并連續分布在晶界上，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，透射電鏡分析結果表明，由于連鑄坯的晶粒沒有產生塑性變形，因此，連鑄坯的晶粒內部沒有亞晶界和位錯存在，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，第二相分布越來越均勻，如圖1（b）和（c）所示，同時劇烈的塑性變形使鋁合金的晶粒內部產生大量的亞晶界和位錯，亞晶界和位錯數量越來越多，如圖2（b）和（c）所示。

由于連鑄連軋產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，同時稀土耐熱鋁合金圓桿的晶粒內部存在大量的亞晶界和位錯，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 對導電率的影響

圖3為連鑄連軋對Al-0.05Zr-0.06La-0.11Ce系耐熱鋁合金導電率的影響。金屬材料導電過程的本質是金屬內部自有電子的運動過程，而金屬材料導電率的高低則由金屬原子點陣結構對自由電子運動的阻礙作用決定[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，晶粒內部的亞晶界和位錯密度較低，鋁原子排布較為規整，因此鋁合金連鑄坯的導電率較高，其導電率為60.8%IACS。經過連續軋制后，由于劇烈的塑性變形，使鋁合金晶粒畸變越來越嚴重，晶粒內部的亞晶界數量越來越多，位錯密度越來越高，因此，連鑄連軋稀土耐熱鋁合金的導電率開始略有下降。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電率下降了1.15%。

圖3 連鑄連軋對稀土耐熱鋁合金導電率的影響

2.3 對力學性能的影響

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

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，導致連鑄坯的拉伸力學性能較低，其抗拉強度為150.8MPa，伸長率為12.5%。

經過連鑄連軋后，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容產生大量的亞晶界和位錯，進一步起到增強鋁合金強度的作用，使連鑄連軋鋁合金的抗拉強度得到顯著的提高，但劇烈的塑性變形也會使鋁合金產生明顯加工硬化，使連鑄連軋鋁合金的塑性下降[9]。

圖4 連鑄連軋對稀土耐熱鋁合金拉伸力學性能的影響

從圖4可看到，連鑄連軋稀土耐熱鋁合金圓桿的抗拉強度為166.8 MPa，伸長率為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度提高了10.6%，而伸長率則下降了8.8%。

3 結論

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

（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度為166.8 MPa，伸長率為11.4%，導電率為60.1% IACS。