铜含量对稀土铝合金组织和性能的影响

曾华荣, 刘宇，张迅，曾鹏(贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州贵阳 550025)

铜含量对稀土铝合金组织和性能的影响

曾华荣, 刘宇，张迅，曾鹏
(贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州贵阳 550025)

利用金相显微镜、扫描电镜、万能试验机和导电仪等分析测试了不同Cu添加量+0.2%混合稀土的8030铝合金的显微组织和性能。结果表明，随着Cu含量的增加，铝合金抗拉强度有所提高，电导率上升。

铝合金；铜；稀土；组织性能

0 引言

8030铝合金是在纯铝的基础上加入了0.3%～0.8%铁、0.15%～0.3%铜和少量硅元素，具有较高的机械性能、电学性能和安全性，能够使电缆在在长期过载和过热的情况下保持连续稳定性[1]。8030铝合金在相同载流量下，质量仅为铜的45.6%，密度为铜的30.4%，可节约架桥成本[2]。抗拉强度和导电率是铝合金线材的两个主要性能指标，但两者相互矛盾，难以同时满足使用要求。要使铝电工线材具有很高的强度，则其电导率往往会不足；如果提高了铝电工杆的强度，电导率就会在一定程度上降低。在铝合金中提高Cu的含量不仅能提高合金的固溶强化和析出硬化作用，提高抗拉强度和机械性能，而且过量的Cu生成的CuAl2等相能起到弥散强化的作用，有助于高温耐热性能的提高[3]。稀土元素是铸造铝硅合金中常用的变质剂，稀土Ce也能显著影响铝硅合金中显微组织、形貌、富铁相含量及合金力学性能等[4]。稀土Ce、La可与固溶于铝合金中的一些有害杂质元素形成稳定的金属间化合物，并在晶界析出，降低杂质在基体中的固溶度，从而提高铝导体的电导率[5]。文献[6]和[7]表明在铝合金中加入微量稀土可以起到晶粒细化和净化作用，从而提高其机械性能和电学性能。本实验中采用固定变量法，研究8030合金中固定稀土元素添加量为0.2%，分别加入0.3%，0.4%，0.5%的Cu元素，分析了合金显微组织及力学性能等，为进一步提高该合金机械性能与电学性能提供参考。

1 实验材料和方法

本实验采用商用8030铝合金，由于Cu、Re元素与8030铝合金的熔点相差较大，熔体的成分不易控制，所以采用Al－50Cu中间合金，Al－50Re中间合金的形式加入。8030合金成分见表1。

实验中将8030铝合金置于7.5 kW石墨坩埚电阻炉中进行熔炼，熔炼前先清理坩埚内表面，去除杂质，然后在坩埚内部喷一层涂料，加热烘干。先将铝合金棒条预热至170 ℃，之后放入760 ℃的电阻炉中进行熔炼。待其完全熔化后，先将Al－50Cu中间合金加入熔池，然后压入用铝箔纸包裹的Al－50Re中间合金，搅拌均匀，除气精炼保温至760 ℃，保温时间为20 min，之后去除表面浮杂物。将铝液倒入保温至300 ℃的金属型模具中获得拉伸试样。实验中固定混合稀土的添加量为0.2%，Cu的添加量分别为0.3%、0.4%、0.5%。之后取铸态试样进行拉伸性能和电学性能测试。

表1 合金的化学成分 (质量分数，%)

利用Olympus-GX51型光学显微镜观察金相组织，利用配有能谱仪的Supra40热场发射扫描电镜对试样进行显微组织观察和微区成分分析。用CSS-4410电子万能材料实验机测试合金的室温抗拉强度，拉伸速率为1 mm/min。将圆棒坯用金属型材挤压机XJ1800在480 ℃挤压成φ8.5 mm的电工圆杆，利用FD-101型数字涡流导电仪进行电学性能测试。

2 实验结果与分析

2.1 合金显微组织

图1为为添加微量Cu和混合稀土的8030铝合金显微组织，可以看出，Cu和稀土对8030铝合金显微组织有很大的影响。从图1.a可知，未添加Cu和混合稀土时，铝合金晶粒较粗大，晶界较宽，晶界附近几乎没有析出相，且在晶界处存在少量空隙和夹杂物。图1.b～d为分别添加0.2%Re-0.3%Cu、0.2%Re-0.4%Cu和0.2%Re-0.5%Cu后8030铝合金的铸态组织。

图1 8030铝合金铸态组织

可以看出，随着铜添加量的增加，合金晶粒被细化，组织逐渐致密，α（Al）枝晶逐渐增多，细化效果变得明显，且在晶界及晶界附近能够观察到越来越多的颗粒状第二相粒子。稀土元素La、Ce等与Al原子半径相差较大，因此在Al中的固溶度极低，主要富集在晶界处。由于合金中加入的稀土含量较少，其中铸态组织并没有太大的差异，也不能观察到明显的稀土相。在铝合金中复合添加Cu和Re后，合金组织明显细化，组织更加均匀。铝合金中添加铜后一般形成难溶相CuAl2等，分布在晶界及晶界附近，阻碍晶粒长大，从而细化晶粒。而在此基础上，复合添加微量稀土元素后，一方面，形成金属间化合物增加有效形核核心的数量，另一方面，稀土铈等是表面活性物质，易吸附偏聚相界和晶界上，阻碍晶粒的长大，达到细化晶粒的效果。

图2为添加0.4%Cu+Re0.2%的铝合金组织形貌和面扫描分布，从图中可以看出合金铸造组织中存在许多空洞，可能是由于合金铸造过程中出现的微观缺陷。对图中亮白色点进行面扫描分析，可以看出，Cu元素分布比较均匀，亮白色点上Ce、La元素偏聚，因此亮白色点可能为含Al、Cu元素的稀土相。

图2 添加0.4%Cu+Re0.2%的铝合金组织形貌和面扫描分布面

图3 为添加0.5%Cu+Re0.2%铝合金的XRD谱图，主要相为Al、CuAl2、CeCu6、Cu5La等，析出的CuAl2相等对基体有强化作用，细晶强化和析出相强化使抗拉强度增大。

图3 Al-0.5Cu-0.2Re的XRD谱图

2.2 合金抗拉强度变化

图4 Cu含量对抗拉强度的影响

从图4可知，混合稀土含量一定时，合金的抗拉强度随Cu含量的增加而提高。当Cu含量为0.5%时，抗拉强度提高约35%。这是由于铜溶入到铝合金中后，一部分固溶于基体中，Cu与Al基体发生置换反应，铝基体点阵发生很大晶格畸变，起到固溶强化作用，抗拉强度有所提升，一部分形成CuAl2等难溶相，钉扎晶界，从而提高试样的抗拉强度[9]。另一部分Cu与Al原子形成CuAl2相粒子分布于晶界区域，这些颗粒能够钉扎晶界，塑性变形时需要消耗更多的能量，提高了力学性能。

2.3 Cu、Re对合金电学性能变化

合金电导率的变化如图5所示，随着Cu添加量的增加，合金电导率增加，当Cu添加量为0.5%时，合金电导率为60.9%IACS。由于Al原子半径大于Cu，Cu与Al形成置换固溶体，使Al原子周围发生晶格畸变，增加电子散射。此外，Cu可细化晶粒，使晶界增多，增大了电子通过的难度，从而使电导率降低。由于混合稀土La和Ce可除去铝液中的H等杂质元素，减少气孔数量，净化铝基体和晶界，从而有利于提高合金的导电性能。La和Ce能够改善杂质元素在8030铝合金中的分布，与基体中的有害杂质形成了稳定的金属间化合物，从而降低了杂质元素在铝基体中的固溶度[6]，提高了8030铝合金的电导率。

图5 Cu含量对电导率的影响

3 结论

（1）添加0.5%Cu和0.2%混合稀土后，8030铝合金的铸态组织明显细化，稀土化合物主要分布在晶界上。

（2）加入0.2%混合稀土，改变Cu添加量时，合金的抗拉强度随Cu含量的增加而提高。

（3）随着Cu添加量的增加，合金电导率增加，当Cu添加量为0.5%时，合金电导率为60.9%IACS。

[1] 井佳明, 赵建国, 贠亚琼. 8030铝合金连铸连轧导电铝杆的工艺研究 [J]. 有色金属加工, 2016,45( 02): 25-28.

[2] 陈焱, 张鞍生. 铝合金电缆的应用及市场分析 [J]. 稀有金属与硬质合金, 2016, 44(02): 81-84.

[3] 肖代红, 王健农, 陈康华. Cu含量对Al-Cu-0.4Mg-0.6Ag合金组织与力学性能的影响 [J]. 有色金属, 2009,61( 01): 6-10.

[4] 孙莉. Cu、Ce对Al-7Si-0.35Mg合金显微组织和力学性能的影响 [D].湖南大学, 2014.

[5] 王洋, 张晓燕, 樊磊, 等. Zr及稀土Ce、La对铝电工圆杆性能的影响 [J]. 轻合金加工技术, 2015, 43(02): 43-46.

[6] 雷文魁, 王顺成, 郑开宏, 等. La,Ce混合稀土对6201电工铝合金组织性能的影响 [J]. 材料研究与应用, 2015, 9(01): 20-24.

[7] 雷文魁, 王顺成, 郑开宏, 等. Y对6201电工用铝合金组织与性能的影响 [J]. 轻合金加工技术, 2015, 43(09): 22-26.

[8] 徐洁. Sn、Cu及Al-Ti5-B1对Al-Si-Sn-Cu轴承合金的组织和性能的影响 [J]. 中国铸造装备与技术, 2015,( 05): 46-49.

[9] 张俊杰, 张晓燕, 张忠全, 等. 铜对稀土铝合金电工圆杆性能的影响 [J]. 有色金属工程, 2016,27(02): 23-26.

Effect of copper content on microstructure and mechanical properties of rare earth aluminum alloy

ZHANG Xun, LU Yu, ZENG Peng, ZENG Huarong
(Electric Power Science Research Institute Guizhou Power Grid Co., Ltd,.Guiyang 550002,Guizhou,China)

The microstructure and properties of 8030 aluminum alloy with different Cu + 0.2% mixed rare earth were analyzed by optical microscope,scanning electron microscope,universal testing machine and electric conductivity meter.The results showed that the tensile strength and the electric conductivity improved with the Cu content increased.

∶Aluminum Alloy;Copper;Rare Earth; Microstructure And Properties

TG146.21；

A；

1 006-9 658（201 6）06-001 6-03

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.06.005

2016-08-29

稿件编号:1608-1495

曾华荣（1969—），男，学士学位，高级工程师，主要从事高电压技术方向研究.