Zr含量对耐热铝合金导线组织与性能的影响.pdf

2023年8月下 世界有色金属 135前沿技术Leading-edge technologyZr含量对耐热铝合金导线组织与性能的影响翟元辉1，李智棣1，雷文魁2，邓伟萍2，李盛锋3（1.广东中联电缆集团有限公司，广东 佛山 5 2 8 2 4 4；2.广东领胜新材料科技有限公司，广东 佛山 5 2 8 1 0 0；3.广东省科学院新材料研究所，广东 广州 5 1 0 6 5 0）摘 要：采用连铸连轧和拉拔工艺制备了不同Z r 含量的耐热铝合金导线，利用光学显微镜、涡流导电仪和拉伸试验机，研究了Z r 含量对耐热铝合金导线显微组织、导电率、抗拉强度和耐热性能的影响。结果表明：微量Z r 元素与A l 通过包晶反应形成A l3Z r 粒子并弥散分布在耐热铝合金导线的-A l 基体和晶界上，可细化耐热铝合金导线的晶粒组织，提高耐热铝合金导线的抗拉强度和耐热性能。添加的Z r 含量越多，耐热铝合金导线的晶粒越细小，抗拉强度和耐热性能越好，但也会引起耐热铝合金导线的导电率略有下降。关键词：铝合金导线；Z r 含量；导电率；耐热性能；抗拉强度中图分类号：T G 1 4 6.2 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 6-0 1 3 5-3Effect of Zr Content on the Structure and Properties of Heat-resistant Aluminum Alloy ConductorsZHAIYuan-hui1,LIZhi-di1,LEIWen-kui2,DENGWei-ping2,LISheng-feng3(1.G u a n g d o n g Z h o n g l i a n C a b l e G r o u p C o.,L t d,F o s h a n 5 2 8 2 4 4,C h i n a;2.G u a n g d o n g L i n g s h e n g Ne w Ma t e r i a l T e c h n o l o g y C o.,L t d,F o s h a n 5 2 8 1 0 0,C h i n a;3.Ne w Ma t e r i a l s Re s e a r c h I n s t i t u t e o f G u a n g d o n g A c a d e my o f S c i e n c e s,G u a n g z h o u 5 1 0 6 5 0,C h i n a)Abstract:He a t r e s i s t a n t a l u mi n u m a l l o y w i r e s w i t h d i f f e r e n t Z r c o n t e n t s w e r e p r e p a r e d u s i n g c o n t i n u o u s c a s t i n g,r o l l i n g,a n d d r a w i n g p r o c e s s e s.T h e e f f e c t s o f Z r c o n t e n t o n t h e mi c r o s t r u c t u r e,c o n d u c t i v i t y,t e n s i l e s t r e n g t h,a n d h e a t r e s i s t a n c e o f h e a t r e s i s t a n t a l u mi n u m a l l o y w i r e s w e r e s t u d i e d u s i n g o p t i c a l mi c r o s c o p e s,e d d y c u r r e n t c o n d u c t i v i t y me t e r s,a n d t e n s i l e t e s t i n g ma c h i n e s.T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t r a c e a mo u n t s o f Z r e l e me n t s r e a c t w i t h A l t h r o u g h p e r i t e c t i c r e a c t i o n s t o f o r m A l 3 Z r p a r t i c l e s,w h i c h a r e d i s p e r s e d i n t h e h e a t-r e s i s t a n t a l u mi n u m a l l o y w i r e s -On t h e A l s u b s t r a t e a n d g r a i n b o u n d a r i e s,t h e g r a i n s t r u c t u r e o f h e a t-r e s i s t a n t a l u mi n u m a l l o y w i r e s c a n b e r e f i n e d,a n d t h e t e n s i l e s t r e n g t h a n d h e a t r e s i s t a n c e p e r f o r ma n c e o f h e a t-r e s i s t a n t a l u mi n u m a l l o y w i r e s c a n b e i mp r o v e d.T h e mo r e Z r c o n t e n t a d d e d,t h e f i n e r t h e g r a i n s i z e o f h e a t-r e s i s t a n t a l u mi n u m a l l o y w i r e s,t h e b e t t e r t h e i r t e n s i l e s t r e n g t h a n d h e a t r e s i s t a n c e,b u t i t a l s o c a u s e s a s l i g h t d e c r e a s e i n t h e c o n d u c t i v i t y o f h e a t-r e s i s t a n t a l u mi n u m a l l o y w i r e s.Keywords:a l u mi n u m a l l o y w i r e;Z r c o n t e n t;C o n d u c t i v i t y;He a t r e s i s t a n c e p e r f o r ma n c e;t e n s i l e s t r e n g t h收稿日期：2 0 2 3-0 6作者简介：翟元辉，男，生于1 9 8 5 年9 月，广东肇庆人，大学本科，高级工程师，研究方向：电线电缆制造。随着我国经济社会的快速发展，对电力的需求不断攀升1。我国电力资源的生产和消费分布不平衡，电力资源生产主要集中的西部和北方省份，而电力资源消费则主要集中在南方和东部沿海省份。为了缓解电力资源供需紧张，国家实施西电东送、南北互供和全国联网的电网战略2,3。铝合金导线是输送电力的载体，提高铝合金导线的导电率和耐热性能，可以减少输电线路的电能损耗，提高输电线路的电流载流量和输电效率4。为了提高架空输电线路的安全性，还需要不断地提高铝合金导线的强度5。侯雅尘等人6研究了Er、Zr、B对耐热导电铝合金组织和性能的影响。杨莉等人7研究人镧铈混合稀土对耐热铝合金导线组织与性能的影响。牛艳萍等人8研究了高强高导稀土铝合金导线的热处理工艺。由于耐热铝合金线的导电率与强度、耐热性能之间存在相互制约的问题，使得导电率、强度和耐热性的提升难以兼顾。本文研究了Zr含量对耐热铝合金导线显微组织、导电率、抗拉强度和耐热性能的影响，为生产高性能耐热铝合金导线提供理论依据。1 实验材料与方法实验材料为铝锭和 Al-5Zr 合金，经 ISPARK-8860型光电直读光谱仪分析，铝锭的化学成分为：Si 0.11%，Fe 0.13%，Mg 0.007%，Cu 0.005%，Mn 0.002%，Zn 0.001%，余 量 为 Al。Al-10Zr 合 金 的 化 学 成 分 为：Zr 4.98%，Si 0.12%，Fe 0.11%，Mg 0.003%，Cu 0.002%，Mn 0.001%，Zn 0.002%，余量为Al。在蓄热式燃气熔铝炉内于750加热熔化铝锭，然后将铝液导入带永磁搅拌装置的倾动式保温炉内，再按Zr含量分别为0.05%、0.1%、0.15%、0.2%和0.25%计算后加入Al-10Zr合金，启动永磁搅拌装置对铝合金液搅拌15min，再用纯度99.99%的氩气和占铝合金液重量0.2%的精炼剂对铝合金液喷吹精炼20min进行除气除杂处理，扒去铝合金液表面的浮渣后再静置30min，然后将铝合金液依次流过设置在流槽上的除气箱和过滤箱进行在线除气过滤处理，再将铝合金液流入连铸机，连铸成梯形的铝合金连铸坯，将铝合金连铸坯穿过中频感应加热器后送入连轧机，连轧成直径9.5毫米的铝合金圆杆，最后将铝合金圆杆拉拔成直径2mm的耐热铝合金导线。在耐热铝合金导线上取样，试样经磨制、抛光和腐蚀后，在CTM25型莱卡金相显微镜上进行显微组织观察。在世界有色金属2023年8月下136前沿技术Leading-edge technologyWD-100型数字涡流导电仪上测量耐热铝合金导线的导电率。在TH-480型电子拉力试验机上对耐热铝合金导线进行室温拉伸，变形速率为2mm/min，检测耐热铝合金导线的抗拉强度。将耐热铝合金导线在230加热1小时，然后冷却至室温后，再对耐热铝合金导线进行拉伸试验，检测耐热铝合金导线的抗拉强度，用该抗拉强度除以加热前耐热铝合金导线的抗拉强度，得到耐热铝合金导线的强度保持率，强度保持率越高代表耐热铝合金导线的耐热性能越好。2 实验结果与分析2.1 对耐热铝合金导线显微组织的影响图1为添加不同Zr含量后耐热铝合金导线的显微组织。从图1可看到，未添加Zr元素时，耐热铝合金导线的-Al晶粒较为粗大，如图1（a）所示。添加Zr元素后，在耐热铝合金液凝固过程中，Zr元素与Al发生包晶反应形成Al3Zr粒子，Al3Zr粒子可以充当-Al晶粒凝固结晶的异质形核核心，从而起到细化-Al晶粒的作用7。从图1可看到，随着Zr元素含量的逐渐增加，由于Zr元素与Al发生包晶反应形成的Al3Zr粒子的数量也越多，充当-Al晶粒凝固结晶的异质形核核心也越多，可以生成更多的-Al晶粒，再加上后面连铸连轧和拉拔变形产生的剧烈塑性变形可以进一步破碎细化-Al晶粒，因而，耐热铝合金导线的-Al晶粒也越细小。-Al晶粒越细小，耐热铝合金导线拉伸变形时参与变形的-Al晶粒也越多，变形抗力也越大，因而，-Al晶粒的细化会有利于提高耐热铝合金导线的抗拉强度。2.2 对耐热铝合金导线导电率的影响耐热铝合金导线的导电率随Zr含量增加的变化曲线如图2所示。从图2可看到，未添加Zr元素时，耐热铝合金导线的导电率较高，其导电率为62.6%IACS。添加Zr元素后，耐热铝合金导线的导电率随Zr含量的增加而逐渐下降，添加0.05%的Zr元素，耐热铝合金导线的导电率下降到62.5%IACS。Zr元素的添加量增加到0.1%，耐热铝合金导线的导电率下降到62.3%IACS。Zr元素的添加量增加到0.15%时，耐热铝合金导线的导电率下降到62.1%IACS。当Zr元素的添加量增加到0.2%时，耐热铝合金导线的导电率出现明显下降，此时耐热铝合金导线的导电率为61.5%IACS。当Zr元素的含量增加到0.25%时，耐热铝合金导线的导电率进一步下降到60.8%IACS。耐热铝合金导线的导电率随Zr含量的增加而下降的原因是因为添加Zr元素后，Zr元素与Al会通过包晶反应形成Al3Zr粒子并弥散分布在耐热铝合金导线的-Al基体和晶界上，分布在-Al基体和晶界上的Al3Zr粒子会破坏耐热铝合金导线的晶体结构，使晶格产生畸变，增大自由电子的散射，降低自由电子的移动速度，从而导致耐热铝合金导线的电阻率上升，导电率下降10。添加的Zr元素越多，Zr元素与Al会通过包晶反应形成的Al3Zr粒子也越多，耐热铝合金导线的晶体结构产生畸变越严重，对自由电子的散射越显著，对自由电子移动的阻碍也越明显，因而耐热铝合金导线的导电率随着Zr含量的增加而逐渐下降。2.3 对耐热铝合金导线抗拉强度的影响耐热铝合金导线的抗拉强度随Zr元素含量的变化曲线如图2所示。从图2可看到，未添加Zr元素时，耐热铝合金导线的抗拉强度较低，其抗拉强度为193.5MPa。添加Zr元素后，耐热铝合金导线的抗拉强度随Zr含量的增加而逐渐升高。当Zr元素的含量为0.05%时，耐热铝合金导线的抗拉强度为206.8MPa。当Zr元素的含量增加到0.1%时，耐热铝合金导线的抗拉强度提高到218.1MPa。当Zr元素的含量增加到0.15%时，耐热铝合金导线的抗拉强度提高到225.7MPa。当Zr元素的含量增加到0.2%时，耐热铝合金导线的抗拉强度提高到229.6MPa。当Zr元素的含量增加到0.25%时，耐热铝合金导线的抗拉强度进一步提高到图1不同Zr含量耐热铝合金导线的显微组织（a）0，（b）0.0 5%，（c）0.1%，（d）0.1 5%，（e）0.2%，（f）0.2 5%2023年8月下 世界有色金属 137前沿技术Leading-edge technology231.4MPa。添加Zr元素后，耐热铝合金导线的抗拉强度提高的原因是，Zr元素与Al会通过包晶反应形成Al3Zr粒子并弥散分布在耐热铝合金导线的-Al基体和晶界上，在耐热铝合金导线拉伸变形时，弥散分布在-Al基体和晶界上的Al3Zr粒子会阻碍-Al基体内部位错的滑移和晶界的移动，从而增加耐热铝合金导线的变形抗力，即提高耐热铝合金导线的抗拉强度。添加的Zr元素越高，分布在-Al基体和晶界上的Al3Zr粒子的数量也越多，对-Al基体内部位错滑移和晶界移动的阻碍作用越强，耐热铝合金导线的变形抗力也就越大，对耐热铝合金导线的强化效果也越明显6,10，因而，耐热铝合金导线的抗拉强度随Zr元素含量的增加而逐渐升高。图2耐热铝合金导线的导电率和抗拉强度随Zr含量增加的变化曲线2.4 对耐热铝合金导线耐热性能的影响将耐热铝合金导线在230加热1小时，然后冷却至室温，再对耐热铝合金导线进行拉伸试验，检测耐热铝合金导线的抗拉强度，用该抗拉强度除以加热前耐热铝合金导线的抗拉强度，得到耐热铝合金导线的强度保持率，强度保持率越高代表耐热铝合金导线的耐热性能越好，此时耐热铝合金导线的抗拉强度和强度保持率随Zr含量的变化曲线如图3所示。从图3可看到，未添加Zr元素时，耐热铝合金导线的耐热性能较差，其强度保持率为85.1%。当添加0.05%的 Zr 元素后，耐热铝合金导线的强度保持率提高到了91.9%。当添加0.1%的Zr元素后，耐热铝合金导线的强度保持率提高到了94.1%。当添加0.15%的Zr元素后，耐热铝合金导线的强度保持率提高到了94.6%。当添加0.2%的Zr元素后，耐热铝合金导线的强度保持率提高到了95.4%。当Zr元素的添加量增加到0.25%时，耐热铝合金导线的强度保持率进一步提高到了96.8%。添加Zr元素后耐热铝合金导线的耐热性能提高的原因是，添加的Zr元素在铝合金凝固过程中会与Al通过包晶反应形成Al3Zr粒子并弥散分布在耐热铝合金导线的-Al基体和晶界上，弥散分布在-Al基体和晶界上的Al3Zr粒子会阻碍位错的滑移和晶界的移动，阻碍晶粒发生再结晶和长大，从而提高耐热铝1严 灏.新 能 源 电 力 消 费 与 我 国 新 型 电 力 系 统 建 设 J.工 程 经济,2022,32(12):71-74.2孙艺新.发展能源电网新型基础设施建设的战略方向与行动建议J.中国电力企业管理,2020,595(10):22-25.3梁政平.电网技术的创新、发展与应用J.电力建设,2007,316(1):1-3.4张强,杨长龙,韩钰,等.耐热铝合金导线综述J.热加工工艺,2018,47(22):35-37.5邹伟丰.耐热铝合金导线在高架空输电线路增容改造的设计应用J.电子测试,2018,383(1):113-114.6侯雅尘,杨昇,蔡彬,等.Er、Zr、B对耐热导电铝合金组织和性能的影响J.特种铸造及有色合金,2017,37(5):550-553.7杨莉,周楠,王顺成,等.镧铈混合稀土对耐热铝合金导线组织与性能的影响J.中国金属通报,2018,991(4):208-210.8牛艳萍,杨勇,唐维学,等.高强高导稀土铝合金导线的热处理工艺正交试验优化J.中国金属通报,2018,993(6):120-122.9夏峰,梁民宪,郭永春,等.微量锆对铸态A356铝合金组织和性能的影响J.铸造,2017,66(11):1155-1158.10 王海生,闵洁,王鸿钧.含Zr、Ce稀土元素铝合金导线的微结构与导电性能研究J.稀有金属,2020,44(7):716-721.合金导线的再结晶温度，即提高耐热铝合金导线的耐热性能4,6。添加的Zr元素越多，弥散分布在-Al基体和晶界上的Al3Zr粒子的数量越多，对-Al基体内位错滑移和晶界移动的阻碍作用越强，晶粒发生再结晶和长大需要的温度也就越高，即耐热铝合金导线的再结晶温度也越高，因而，耐热铝合金导线的耐热性能越好，耐热铝合金导线的强度保持率也就越高。图3耐热铝合金导线的抗拉强度和强度保持率随Zr含量的变化曲线3 结论（1）Zr元素含量越多，耐热铝合金导线的晶粒越细小，抗拉强度和耐热性能越好，但也会引起导电率略有下降。（2）Zr元素含量为0.25%时，耐热铝合金导线的导电率为60.8%IACS，抗拉强度为231.4MPa，230加热1小时后强度保持率为96.8%。