摘 要

本文以6063铝合金作为研究对象，研究在合金中添加少量(0.0~0.4wt.%)稀土Y后，对6063铝合金显微组织的影响。研究过程包括设计合金成分、浇注合金试样、制备金相试样，观察显微组织。

论文采用光学显微组织分析、扫描电子显微镜、电子探针、XRD和DSC等方法，观察和分析6063铝合金的显微组织。研究在加入稀土Y以后对6063铝合金显微组织的影响，探讨Y元素在铝合金中的分布和存在形式。对铝合金采用T6处理，研究固溶和时效处理对铝合金显微组织形态和元素分布的影响。

研究结果显示：稀土Y的加入可以起到细化晶粒的效果，从而提高6063铝合金的综合性能。当加入Y较少时，Y含量越高，细化作用越强，合金的性能提高越大。当Y的含量过高后，会形成Al₂Y在晶界处偏聚，降低合金的性能。分析实验数据可以得出，含0.3wt.%Y的合金细化效果最好。稀土对第二相有轻微的变质作用。Y的添加不会改第二相的大小，但从片状的形态变成细纤维状或棒状。对合金进行T6处理，固溶处理过程中，低熔点的Mg₂Si相会分解，进入固溶体中，形成过饱和固溶体。并且Mg、Cu等元素也几乎完全融入了固溶体基体中。经过时效后，Mg₂Si在晶内形成细小的点状弥散相。

关键词：6063铝合金；显微组织；稀土Y；细化晶粒；

Abstract

In this paper, the influence of 0.0~0.4wt.% rare earth Y on the microstructure of 6063 aluminum alloy was studied. The research process includes designing alloy composition, pouring alloy sample, preparing metallographic specimen, observing microstructure.

The microstructure of 6063 aluminum alloy was observed and analyzed by means of optical microscopy, scanning electron microscopy, electron probe, XRD and DSC. The influence of adding rare earth Y on Microstructure of 6063 aluminum alloy was studied. The distribution and existing form of Y in aluminum alloy were discussed. The effect of solid solution and aging treatment on Microstructure and element distribution of aluminum alloy was investigated by T6 treatment.

The results show that the addition of rare earth Y can refine the grain size and improve the comprehensive properties of the 6063 aluminum alloy. When adding Y is less, the higher the content of Y is, the stronger the refinement is, and the better the properties of the alloy are. When the content of Y is too high, Al₂Y will be formed at the grain boundary and will reduce the properties of the alloy. It can be concluded that the alloy with 0.3wt.%Y has the best refining effect by analyzing the experimental data. Rare earth has a slight metamorphism on the second phase. The addition of Y does not change the size of the second phase, but changes from a flaky form into a fine fiber or rod. When the alloy is treated by T6, the low melting point Mg₂Si will break down and enter into solid solution to form supersaturated solid solution. And Mg, Cu and other elements are almost completely integrated into the solid solution matrix. After aging, the Mg2Si forms a small dot like diffused phase in the crystal.

Key Words：6063 aluminum alloy；Microstructures；Refined grain；rare earth Y

目 录

摘 要 I

英文摘要 II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1 国内外导线发展现状 1

1.2 6063铝合金 3

1.3 稀土在铝合金中的应用 3

1.3.1 稀土在铝合金中的作用 4

1.3.2稀土铝合金在电力方面的应用 5

1.4研究内容和意义 6

第2章 实验方法 8

2.1 合金成分设计 8

2.2 合金的熔炼 8

2.2.1原材料及设备 8

2.2.2合金名义成分 8

2.2.3合金的熔炼 9

2.3 合金的热处理 10

2.4 金相组织观察 10

2.5 扫描电镜观察和能谱分析 11

2.6 熔化与凝固特性 11

2.7 物相分析 11

第3章 稀土Y对6063铝合金组织的影响 12

3.1 显微组织分析 12

3.2 稀土Y对6063铝合金组织的影响机理 17

3.3 热处理6063铝合金组织的影响 19

第4章 结论 21

致 谢 24

第1章 绪论

随着国民经济的发展和国家发展战略改变，对远距离高压输电线缆的需求和性能要求都越来越高。因此，现在急需一种造价低廉，性能优异的导电材料来满足国民经济发展的需求。根据国家能源局发布的数据，2016年全社会用电量59198亿千瓦时。由于我国的电力资源供需关系在地域上存在很大差异，电力资源与需求呈现逆向分布，西部和北部电能大量富余，而东部地区却严重缺电，需要大量远距离电能输送来平衡这种供需差异。但是在输送过程中却伴随着大量的电能损耗。同样根据能源局的数据，2016年全年的全国线路损失率高达6.72%，这也就是说仅仅在电能的输送过程中就浪费掉了3978亿千瓦时的电能。如果能研发一种高导电率、高强度的导电材料，那么对国家发展和社会进步将产生巨大的作用。

1.1 国内外导线发展现状

金属材料是人类最早使用的导电材料，而应用较多的则是铝、铜、银、金以及它们的合金。导电金属应具有高的导电性，导热性，足够的机械强度，不易氧化，不易腐蚀，容易加工和易于焊接等特性，同时还希望金属材料资源丰富，价格便宜。与其他几种材料相比，铝及其合金具有其他三种材料所不能具有的优势。首先，铝是地壳中含量最高的金属元素，廉价易得。其次，铝的密度较小，仅为2.70g/cm3（纯铜密度为8.96g/cm3），熔点660℃，导电导热性能好，具有较好的抗大气腐蚀能力和加工工艺性能。塑性好，能够通过冷热变形加工成各种形式的材料。可以热处理强化，提高高强度。虽然纯铝的强度低，但是通过加入适量的硅、铜、镁、锌、锰合金元素，制成铝合金，在经过冷变形和热处理后，性能可以明显提高。

管母线应用于低压输配电，替代母线槽，因其导体形式为中空结构，导电率高，电流密度可以做到4.5A/mm²，仍然把温升控制在标准范围内。这样可以节省宝贵的导体金属材料，取消了金属外壳，散热好，工程造价低，而且布线清晰，安装方便灵活，在一些企业里已经初步使用，效果还是不错的。目前管母线产品线已扩大到使用范围更加广阔的低压输配电领域以及风电、铁路牵引站、隧道等特定行业。我国现在大量使用的是铜管母线，性能优良。（1）它的载流量大。绝缘铜管母线的主体为空心铜管或铝合金管，表面积大。其导体表面电流密度分布均匀，最高额定电流可达12000A。（2）绝缘性能好。绝缘铜管母线采用密封屏蔽绝缘方式，外壳接地电位为零，母线表面电场分布均匀，电气绝缘性能强。（3）机械强度高。绝缘铜管母线主体允许应力为矩形母线的4倍，可承受的短路电流大，机械强度高。在我国铜资源非常匮乏，早在上世纪国家就提出了以铝节铜的方针政策。与铜相比，铝较为廉价，资源储备也非常丰富。在性能方面铝的导电能力虽然略逊于铜，但是铝合金的比重远小于铜，在相同的载流量下，铝的重量仅为铜的二分之一。

(a)

(b)

图1.1 管母线的应用：

(a) 母线在户内与开关柜进线连接 (b) 管型绝缘母线铺设在桥架上

表1-1 铜和铝管母线性能参数

目前，我国高压、超高压和特高压架空输电线路常用钢芯铝绞线，该种导线的生产和应用技术基本成熟，但其输电线损高、耐腐蚀性能差，载流量低。为了解决输电线路的节能改造，降低输电线损，提高线路寿命，世界上很多国家都开发使用了中强度铝合金导线，并已有了较多成熟的应用经验。采用高导电率的铝合金导线 (AAAC) 替代钢芯铝绞线(ACSR) 实现输电线路的节能降耗是发展的趋势之一。在输电线路上采用全铝合金导线较常规钢芯铝导线具有众多优点。

1921年瑞士最早开发出高强度铝合金线。紧随其后，美国和德国等国家也纷纷开发出来了自己的铝合金导线，并开始在高压输电方面进行运用。从上世纪50年代开始，在日本欧洲和美国等地方开始大量采用铝合金导线，使用量达到了50%以上，有些地区甚至达到了80%~90%。而我国目前大量使用的任然是钢芯铝绞线，由于铁的电导率小、比重大、耐腐蚀性差等问题，使得钢芯铝绞线与全铝合金绞线相比同样具有这些问题。全铝合金绞线是高强度铝合金线的另外一种应用形式，它同样具有很好的综合性能。与钢芯铝绞线相比，其抗拉强度大、弧垂性能好、导线表面硬度高、耐磨耐压、施工压接简单易行，而且因无钢芯，导线在交流电压作用下，不存在磁滞损耗和涡流损耗，技术经济效果更佳。

在20世纪80年代，我国曾开展了以利用稀土改善Al导体导电性的研究，取得了较大进展。但由于稀土元素化学性质活泼对工艺因素极为敏感，我国Al和稀土资源成分复杂，使稀土铝合金的电性能不稳定。目前国内研究中，比较热门的合金元素为B、Er、La、Zr、Ce、Sc等。

纯铝的导电性能是非常优秀的，铝仅次于银、铜和金。室温时，电工铝的等体积电导率可达62%IACS，若按单位质量导电能力计算，其导电能力为铜的一倍。但是其强度却比较低，因此需要加入各种合金元素来对铝合金进行强化，其中最为常用的就是Mg、Si、Cu等元素。合金元素的加入虽然提高了铝的强度，但是却有影响了铝原来优秀的导电性能。这是因为，当合金元素进入铝中会和铝形成固溶体和金属间化合物，它们的存在都会降低铝的导电性能。对于固溶体而言，在形成固溶体是，金属材料的导电能力降低。就算是加入的合金元素的导电性强于基体金属，合金的导电性也会比原纯金属的导电性差。例如向铝中加入铜，虽然铜的导电能力要强于铝，但是铜的加入不但不能提高铝的导电能力，相反还降低了铝合金的导电能力。金属化合物的电阻率比各个组成元素的电阻率都大。金属化合物的导电能力与组元的给出价电子的能力有关。若组元的电离势相同，则相对应的金属间化合物的导电性就越强；相反，那么相对应的金属间化合物的导电能力就越差。

1.2 6063铝合金