La，Ce混合稀土对6201电工铝合金组织性能的影响＊

雷文魁，王顺成，郑开宏，张志敏，丁俊旺，翟元辉

1.广东省工业技术研究院（广州有色金属研究院）金属加工与成型技术研究所，广东 广州 510650；2.广东新亚光电缆实业有限公司，广东 清远 511500

6201铝合金具有优良的导电、焊接和耐蚀性能，同时还具有导电容量大、抗拉强度高、质量轻、弧垂特性好等一系列优点，广泛应用于导电铝材，特别是被用作架空大跨越钢芯铝合金绞线或铝合金绞线中的输电导线［1］.据国家能源局统计，2013年我国线路损失率达6.67%，输电线路损耗电量约为3550亿kW·h，若20%输电线路采用高强高导铝合金导线，总损耗可减少19.77亿kW·h.因此，开发高强高导电工铝合金材料在输电导线中具有巨大的应用潜力［2］.

相关研究表明［3－5］，加入 适 量 La，Ce混合稀土能对工业纯铝及6061，6063，7075等铝合金组织起到晶粒细化和净化作用，从而有利于提高其导电性能和力学性能.但鲜见La，Ce混合稀土对6201铝合金组织性能影响的相关研究报道.在实际生产过程中，6201电工铝合金的导电性能和力学性能未能达到国家相关标准，也出现有铸坯开裂和轧制断杆现象.本文重点研究了La，Ce混合稀土对6201电工铝合金的铸态组织、导电性能和力学性能的影响规律，为6201电工铝合金的推广应用提供依据.

1 实验材料与方法

实验用的6201铝合金锭采用工业纯铝w（Al）＝99.7%、速溶硅 w（Si）＝99.2%及纯镁 w（Mg）＝99.8%熔炼浇铸而成.采用SPECTROMAXx型光电直读光谱仪测定其化学成分，结果列于表1.添加的混合稀土为 Al－10%RE中间合金，其中La6.5%，Ce3.5%.

表1 6201铝合金锭的化学成分Table 1 Chemical composition of 6201aluminum alloy

实验材料的制备：首先在100kg坩埚炉中配制6201铝合金，浇铸成铝锭；然后在7.5kW井式电阻炉内的石墨坩埚中加热熔化6201铝锭，待熔体温度加热至740℃后，进行精炼和扒渣；分别添加1%，2%，3%，4%及5%的 Al－10%RE合金，对应的La和Ce混合稀土含量分别为0.1%，0.2%，0.3%，0.4%及0.5%.搅拌并静置30min后，浇注到水冷铁模铸成直径100mm，高250mm的圆棒坯；最后在MSH－638T挤压机上将圆棒坯挤压成直径13mm的铝合金圆杆.

从圆棒坯取样，试样经磨制、抛光和腐蚀后在LEICA－DMI3000M金相显微镜下进行组织观察，腐蚀剂为Keller试剂.采用截线法测量晶粒的平均直径.采用Philips－PW型X射线衍射仪分析合金相组成.用FD－101型数字涡流导电仪测定铝合金圆杆的电导率.将铝合金圆杆加工成直径5mm的标准圆柱形拉伸试样后，在DNS200型万能电子拉伸机上进行室温拉伸试验，拉伸速度是2mm／min.在JCXA－733型场发射扫描电镜下，对铝合金圆杆进行能谱扫描分析，并对拉伸试样断口形貌进行观察.

图1 不同La，Ce混合稀土添加量的6201铝合金的铸态组织（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 结果与讨论

2.1 La，Ce混合稀土对铸态组织的影响

晶粒大小对材料的性能有重要的影响，铸态组织的细化是加工成形后获得细小晶粒的基础［6］.图1为La，Ce混合稀土含量对6201铝合金铸态组织的影响.由图1（a）可知，未添加混合稀土的6201铝合金铸态组织的晶粒平均直径可达158μm，枝晶粗大.添加了0.1%混合稀土的合金铸态组织晶粒变小，晶粒平均直径为107μm，如图1（b）所示.随着混合稀土添加量的逐渐增加，6201铝合金铸态组织晶粒越来越细化，晶粒尺寸更加细小均匀.添加了0.5%混合稀土的6201铝合金的晶粒平均直径为46μm，与未添加混合稀土相比减小了70.89%，如图1（f）所示.上述结果表明，添加微量的混合稀土对6201铝合金组织起到了细化晶粒的作用.

图2为含0.3%混合稀土的6201铝合金的X射线衍射谱图.从图2可以看出，6201铝合金铸态组织中主要有α－Al相和AlFeSiLaCe相，以及 Mg与Si形成的化合物 Mg2Si相，且α－Al相和 Mg2Si相的强度峰值较高.

图2 含0.3%混合稀土的6201铝合金的X射线衍射谱图Fig.2 XRD spectra of 6201aluminum alloy with 0.3%La and Ce mischmetal

从图1的6201铝合金铸态组织金相照片中可以看到有颜色较深的组织析出，这是La，Ce混合稀土元素添加到铝合金中形成的AlFeSiLaCe相，这与XRD的分析结果一致.为进一步确定合金中的相组成，选取添加0.3%混合稀土的6201铝合金组织进行能谱分析.图3是含0.3%混合稀土的6201铝合金的扫描电镜图片，其分析结果列于表2.由图3及表2可知，谱图1的白亮区是含混合稀土的第二相AlFeSiLaCe相，谱图2为元素Mg和Si形成的合金化Mg2Si相.

图3 含0.3%混合稀土的6201铝合金的SEM照片Fig.3 SEM image of 6201aluminum alloy with 0.3%La and Ce mischmetal

影响晶粒细化程度的主要因素是单位合金熔体中的形核核心的数量和孕育剂在形核过程中所起作用的大小.文献［5］的研究结果表明，在合金凝固时，La和Ce在铝中的固溶度很小，大部分La和Ce富集在界面前沿的液相边界层中，与杂质元素产生强烈的交互作用，减小了Fe和Si等杂质原子进入固溶体的概率.La和Ce的加入影响固－液相界面前沿的溶质再分配，使得La和Ce与其它元素在固－液相界面前沿液相中的浓度梯度增加，产生一个成分过冷区，当成分过冷度大于形成新晶核所需的临界过冷度时，就会大大提高形核率.La和Ce的化学性质活泼，能与其它杂质元素或合金元素形成多种化合物，形成的化合物中有的可作为异质晶核，大量新晶核的形成限制了柱状晶的成长.由于La和Ce的电负性比Al小，熔于铝基体后形成置换式固溶体容易填补合金相的表面缺陷，这对铝熔体的形核速度有利，从而增加了铝熔体单位体积内的晶粒数目，使其铸态组织得到细化［7］.同时，La和Ce是表面活性元素，容易富集在固－液相界面前沿，从而起到了阻碍α－Al晶粒长大的作用，进一步促进了晶粒的细化［8］.

2.2 La，Ce混合稀土对导电性能的影响

La，Ce混合稀土对6201铝合金电导率的影响如图4所示.从图4可见，随着混合稀土添加量的逐渐增加，6201铝合金的电导率逐渐提高.当混合稀土添加量为0.5%时，6201铝合金的电导率为55.7%IACS，与未添加混合稀土时相比，电导率提高了5.69%.

按照金属导电理论可知，晶体越完整，异类原子等引起的晶格畸变和晶界等缺陷越少，其电阻越小.杂质元素在金属中以固溶态存在时对导体电阻率的增大作用远大于析出态［9］.由于混合稀土元素La和Ce可除去铝熔体中的H等杂质元素，减少气孔的数量，净化铝基体和晶界，从而有利于提高合金的导电性能.Fe是影响6201铝合金导电性能的主要杂质，La和Ce能够改善杂质元素在6201铝合金中的分布，使晶界上的Al＋Al3Fe网状（针状Al3Fe）共晶组织消失［8］.未添加混合稀土时，杂质元素多呈游离态分布，溶解在铝基体中.添加混合稀土后，混合稀土元素与一些固溶于铝基体中的有害杂质形成了稳定的金属间化合物，如析出态的AlFeSiLaCe相等［10］，从而降低了Fe等杂质元素在铝基体中的固溶度，提高了6201铝合金的电导率.

表2 含0.3%混合稀土的6201铝合金的EDS分析结果Table 2 EDS analysis results of 6201aluminum alloy with 0.3%La and Ce mischmetal

图4 La，Ce混合稀土对6201铝合金电导率的影响Fig.4 Effect of La and Ce mischmetal content on electrical conductivity of 6201aluminum alloy

2.3 La，Ce混合稀土对力学性能的影响

图5 为La，Ce混合稀土对6201铝合金力学性能的影响.从图5可知，随着混合稀土添加量的逐渐增加，合金的抗拉强度和伸长率逐渐增加.当混合稀土添加量增至0.5%时，6201铝合金的抗拉强度和伸长率分别为236MPa和16.7%，与未添加混合稀土相比，抗拉强度和伸长率分别提高了11.32%和15.17%.

图5 La，Ce混合稀土对6201铝合金力学性能的影响Fig.5 Effect of La and Ce mischmetal content on mechanical properties of 6201aluminum alloy

图6 所示为6201铝合金拉伸试样的断口形貌.由图6可见，未添加混合稀土的6201铝合金晶粒粗大，在拉伸试样断口表面能够看到部分粗大的浅韧窝.随着混合稀土添加量的逐渐增加，断口表面的韧窝数目增多，形成的韧窝加深.断口形貌与混合稀土改善6201铝合金的拉伸力学性能的规律相吻合，说明添加La，Ce混合稀土提高了6201铝合金的力学性能.

图6 La，Ce混合稀土添加量对6201铝合金断口形貌的影响（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铝合金的力学性能，其原因如下：La，Ce与Al形成Al2La晶核，达到了细化晶粒的效果，从而改善了其力学性能［11］.由于稀土化合物与铝基体的结构差别较大，会在铝基体中引起较大的畸变能，而晶界原子的排列比较松散，稀土化合物在晶界上聚集所引起的畸变能要比其在铝基体中析出时所产生的畸变能要小得多，因而富稀土化合物基本上存在于晶间或枝晶间［12］.添加混合稀土后，6201铝合金的组织被细化，这有利于阻碍位错的运动，从而提高6201铝合金的抗拉强度.混合稀土的加入使得Si等合金元素在Al中的固溶度降低，所加的混合稀土与未固溶的合金元素以高熔点的第二相化合物存在，呈不连续的网状沿晶界分布，这种不连续的网状分布可提高晶界抵抗滑移的能力，从而提高铝合金的力学强度［13］.在以上几种强化作用下，6201铝合金的抗拉强度和伸长率都有所上升.

3 结 论

（1）随着La，Ce混合稀土添加量的逐渐增加，6201铝合金的铸态组织晶粒逐渐被细化，电导率、抗拉强度和伸长率逐渐提高.

（2）当混合稀土添加量为0.5%时，6201铝合金的晶粒平均直径为46μm，电导率、抗拉强度和伸长率分别为55.7%IACS，236MPa和16.7%，与未添加混合稀土相比，6201铝合金的电导率、抗拉强度和伸长率分别提高了5.69%，11.32%和15.37%.

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