摘 要

在电力行业发展日新月异的今天，导电行业越来越受到重视。由于我国铜资源缺乏而铝资源丰富，并且铝导电性与铜差距不大，可以考虑如何用铝代替铜作导电。Sc是公认的对铝合金强化作用最好的合金元素，仅需微量便可以大大提高铝合金综合力学性能，因此成为研究热点。要想更好的研究铝合金在导线领域的作用，研究Sc对其的强化必不可少，十分具有现实意义。

本文首先熔铸出不同Sc含量的6063铝合金，每组细分为铸态和T6态铝合金。通过对每组含Sc的铸态和T6态铝合金显微组织、导电性能和综合力学性能的实验分析研究，确定6063铝合金具有最佳综合性能时的Sc含量。

实验结果表明，相对于未加Sc元素时，铸态铝合金抗拉强度、伸长率和硬度分别提高了36.9%、26.1%、26.6%，T6态合金分别上升43.6%、9.5%和19.8%，力学性能上升明显，但是Sc的加入也会减少少量导电性能，最大减小幅度都仅在3%左右；同时对于相同组分的铝合金，T6态的抗拉强度和硬度、导电性相比于铸态都有较大提升，而伸长率有所下降。通过金相组织图发现Sc元素能细化铝合金晶粒，并且在含量为0.25wt.%时晶粒细化效果最好，故有良好力学性能；固溶时效处理后原本富集的Mg₂Si相弥散进Al基体中，同时富集的Sc也均匀分布，故抗拉强度和硬度提高，伸长率降低。

关键词：铝合金；稀土钪；力学性能；导电性

Abstract

In the ever-changing power industry today, the conductive industry is paid more and more attention. Because of the lack of copper resources in China and rich in aluminum resources, and aluminum conductivity and copper gap is not large, aluminum is considered using instead of copper for electrical conductivity. Sc, being focused on researching, is recognized as the best alloying effect on aluminum alloy, only a small amount can greatly improve the comprehensive mechanical properties of aluminum alloy. To better study the role of aluminum in the field of wire, the study of Sc is essential to its strengthening, very practical significance.

In this paper, 6063 aluminum alloys with different Sc contents were first cast, each of which was classified into cast and T6 aluminum alloys. The Sc content of 6063 aluminum alloy with the best comprehensive performance was determined by the experimental analysis of microstructure, electrical conductivity and comprehensive mechanical properties of cast and T6 aluminum alloys.

The results show that the tensile strength, elongation and hardness of cast aluminum alloy are increased by 36.9%, 26.1% and 26.6% respectively, and the T6 alloy increases by 43.6%, 9.5% and 19.8% respectively compared with those without Sc element. The mechanical properties of the increase, but the addition of Sc will reduce the amount of conductive properties, the maximum reduction is only about 3%; while the same component of the aluminum alloy, T6 state tensile strength and hardness, conductivity compared to In the as-cast have a greater increase, while the elongation has declined. It is found that the Sc element can refine the grain of the aluminum alloy by the metallographic structure diagram, and the grain refinement effect is the best when the content is 0.25wt%, so it has good mechanical properties. After the solution aging treatment, the Mg₂Si phase Diffused into the Al matrix, while the rich Sc is also evenly distributed, so the tensile strength and hardness, elongation decreased.

Key Words: Aluminum alloy; Scandium; Mechanical properties; Conductivity

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1 架空输电的发展 1

1.1.1 架空输电对材料的选用 1

1.1.2 国内外铝合金导电使用现状 1

1.2 铝合金概述 2

1.2.1 铝合金分类 2

1.2.2 6063铝合金 3

1.3 稀土金属Sc及其在铝合金中的应用 3

1.3.1 稀土金属Sc 3

1.3.2 Sc对铝合金的影响 3

1.3.3 含Sc铝合金应用 5

1.4 铝合金的强化机制 6

1.4.1 细晶强化 6

1.4.2 形变强化 6

1.4.3 固溶强化 6

1.4.4 弥散强化 6

1.5 研究内容和意义 7

第2章 实验方法 8

2.1 实验设备及材料 8

2.1.1 实验材料铝合金 8

2.1.2 其他实验材料 8

2.1.3 实验仪器设备 8

2.2 实验流程 9

2.2.1 合金铸造 9

2.2.2 热处理强化 9

2.2.3 金相制备 10

2.3 材料测试与表征方法 10

2.3.1 材料金相组织观察 10

2.3.2 SEM-EDS能谱分析 10

2.3.3 导电性测试 10

2.3.4 力学性能测试 11

第3章 Sc对6063铝合金性能的影响 12

3.1 Sc对6063铝合金力学性能影响 12

3.1.1 铸态铝合金力学性能 12

3.1.2 T6态铝合金的力学性能 13

3.1.3 力学性能影响分析 14

3.2 Sc对6063铝合金导电s性能影响 16

3.2.1 铸态铝合金导电性能 16

3.2.2 T6态铝合金导电性能 18

3.2.3 导电性能影响分析 19

第4章 结论 20

致 谢 21

参考文献 22

绪论

电力行业是整个国民经济的基础和命脉，在新中国建立以后，中国的电力行业取得了长足的发展。经过50多年的努力，特别是改革开放以来20多年的快速发展，电力供需形势经历了从过去的严重短缺到目前的基本平衡的发展历程。随着社会的告诉发展，整个社会对电力的需求也越来越大[^[1]-][^[2]][^[3]]，其中运输电力的导线构成了电力行业重要的一环。现阶段我国主要是用铜做输电导线，然而我国铜资源缺乏，铜矿正处于紧缺状态。在各国铜价持续高涨的情况下，寻找能代替铜做导线的材料刻不容缓[^[4]]。

全球范围内，铝在电缆工业中应用十分广泛。作为比铜导电性稍弱的金属，铝合金具有密度小、强度高、耐腐蚀性好、价格较低和加工成本低的优点[^[5]]，故使用铝作为铜的代替金属是十分理想的选择。虽说很多国家都在支持铝在输电导线中的应用，但由于各国家的科学技术水平和自然资源分布，导致各国在铝导线开发的发展程度不同，但是总的来说，铝在输电线方面的应用发展是飞快的。

架空输电的发展

架空输电对材料的选用

架空导线是架空电力线路的主要组成部件，其作用是传输电流，输送电功率。由于架设在杆塔上面，导线要承受自重及风、雪、冰等外加荷载，同时还会受到周围空气所含化学物质的侵蚀。因此，不仅要求导线有良好的电气性能、足够的机械强度及抗腐蚀能力，还要求尽可能质轻且价廉。

铝合金的导电性、焊接性、耐腐蚀性好，除此之外铝合金的导电容量高、抗拉强度优异、弧垂特性好。所以铝合金广泛运用在导电线路中，尤其在架空大跨越钢芯铝合金绞线中运用广泛[^[6]]。根据国家能源局的统计结果显示，2014年我国输电线路损失率达7.76%，输电线路损耗电量约为3550亿kW·h，如果五分之一的输电线路采用高强高导铝合金导线，总共的损失能减少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的运用中具有巨大的潜力[^[7]]。

国内外铝合金导电使用现状

上世纪20年代，美国、瑞士和德国率先将铝合金导线应用于高压输电线路，从20世纪50年代开始，铝合金导线在欧洲、北美等国家和地区被广泛采用，日本和美国的输电线路50%以上采用铝合金导线，法国更高达80%以上，即使是印度、孟加拉国等发展中国家，其使用量也较大。由于铝合金导线的技术性能优越，运行效果良好，特别是在超高压线路和大跨越线路上使用效果更好，因而逐渐被世界各国广泛采用。