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        中國工程院院士雷清泉對稀土鋁合金電纜金相圖的分析

                發布時間:2021-03-26        

        中國工程院院士雷清泉對稀土鋁合金電纜金相圖的分析


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              稀土高鐵鋁合金導體是在鋁中加入稀土、鐵以及其它多種微量合金元素生成的,它的強度和韌性,是這樣得到加強的。前不久,在中國工程院院士、著名絕緣材料專家雷清泉先生的主持下,青島科技大學三位金屬材料學博士----彭紅瑞、徐磊、李成棟,在欣意公司物理試驗室取樣,用掃描電子顯微鏡分別放大1000倍和2000倍,研究了稀土高鐵鋁合金、鋁以及銅單絲的磨拋金相和拉伸斷口的微觀形貌,給出了以下解釋:

        金屬材料強化的方法有多種,稀土高鐵鋁合金導體的生產工藝主要涉及兩種:

              一是細化了晶粒。晶粒的細化有利于金屬變形的均勻化,使更多的晶粒參與變形,從而提高延伸率。稀土高鐵鋁合金導體在熔煉過程中,加入了稀土、鐵以及其它微量的合金元素,稀土起凈化的作用,使熔體中的氧化物減少,凈化了鋁。而鐵及其它的微量元素與鋁形成的金屬間化合物,成為鋁之外的“第二相”(金相圖中白色小點兒),在鋁中高度分散。在凝固過程中,這些高度分散的“第二相”成為鋁結晶的核心。核心越多,形成的晶粒就越多,每個晶粒的尺寸也就越小,從而有效細化了晶粒。

             細化晶粒對金屬的強化作用,可以形象的比喻為:鋁導體就像是顆粒較粗的玉米面和(huo)在了一起,所以強度和韌性都差;晶粒得到細化的稀土高鐵鋁合金導體,就像面粉和在一起,所以強度和韌性都有提高。

             二是“第二相”的彌散強化。鐵及其它的微量元素與鋁形成的金屬間化合物,是鋁之外的“第二相”。在掃描電鏡下,鋁合金中的這些“第二相”幾何形狀為等軸狀,呈細小彌散態均勻分布在鋁基體中,也起到了顯著的強化作用?!暗诙唷睂饘俚膹浬娀饔?,可以這樣比喻:“第二相”對稀土高鐵鋁合金導體的強化作用,就像在水泥中摻入了沙子。而觀察鋁單絲的金相圖,可以看出其沒有“第二相”分布,且存在大塊的夾雜顆粒,這就大大降低了導體的力學性能,導電性自然也會受到影響。當然,導體最重要的,還有它的導電性。一般來講,在鋁基中加入其它金屬元素,導電性是降低的,但從金相圖中可以看出,經過稀土除雜、細化后,稀土高鐵鋁合金導體中的“第二相”顆粒細小,分布均勻,每個顆粒都獨立存在,并沒有形成鏈狀的連續相或大塊的顆粒,所以沒有影響鋁基體的連續性,因此,對導電性能沒有太大影響。

               要做到既增加強度和韌性,又不影響導電性,添加各種元素的種類和比例非常重要,要恰到好處。在鋁中添加稀土、鐵以及各種微量元素的配方,是欣意公司董事長林澤民先生經過十幾年的摸索,經歷了無數次試驗才掌握的,這種擁有專利權的獨特配方,也正是欣意公司核心技術所在。

               從材料學上講,金屬拉伸斷口上覆蓋的大量顯微微坑,被稱為“韌窩”(斷口微觀形貌圖中蜂窩狀的圖形,就是韌窩)?!绊g窩”是金屬斷裂時發生微觀變形的痕跡,“韌窩”的底部都會有一個或一個以上的“第二相”粒子,其數量和大小反映了“第二相”的數量、大小和分布,也反映了材料的韌性高低。從鋁合金、鋁、銅三種金屬單絲斷口微觀形貌圖可以直觀地看到,稀土高鐵鋁合金單絲斷口上的“韌窩”,整體數量較多,分布均勻,證明導體的韌性很好。而普通鋁單絲斷口上的“韌窩”數量較少,分布不均,證明韌性很差。再把稀土高鐵鋁合金單絲和普通銅單絲斷口做一比較也可以直觀的看到,普通銅單絲的斷口上,只有少量大“韌窩”,且“韌窩”底部有明顯較大的硬顆粒雜質,這種較大的顆粒起到了割裂金屬基體的作用,導致其韌性降低。

        幾位材料學博士也把市面上較罕見的精煉銅單絲斷口,與稀土高鐵鋁合金單絲斷口作了對比,也可以明顯看出,稀土高鐵鋁合金單絲的“韌窩”多少、大小,也較精煉銅好,說明我公司稀土高鐵鋁合金單絲的韌性,也好于精煉銅單絲。

        對比結論:    

              稀土高鐵鋁合金導體通過在鋁中加入稀土、鐵以及其它微量合金元素,除去了鋁中的雜質,生成了鋁基之外的“第二相”,細化了鋁的晶粒,在保證優異導電性能的情況下,大大提高了導體的力學性能,使“以鋁代銅”成為現實。


        專家介紹:

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              雷清泉:中國工程院院士,著名絕緣材料專家。先后主持完成了國家"九五"重點科技攻關項目1項、國家自然科學基金項目3項、其它科研課題12項,目前主持國家自然科學基金重點項目1項。在利用熱激電流技術研究絕緣高聚物中的電子運動規律、評定其耐電老化特性和指導材料的改性等方面取得了多項創新性成果,且達到了國內領先及國際先進水平。



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              彭紅瑞:材料學博士,1989年7月畢業于山東工業大學金屬材料及熱處理專業,獲碩士學位。1986-1989 年在山東工業大學從事金屬材料表面強化工藝的研究,熟悉金屬材料的有關知識。1989-1997年在青島科技大學從事金屬表面超硬涂層的制備、工藝、應用實驗。1997年至今,在青島科技大學從事納米復合材料的研究工作。



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              李成棟畢業于山東大學材料科學與工程學院,材料學博士,主要從事非晶、納米晶、微晶新型金屬功能材料的熔煉工藝和快速凝固技術的開發與研究;著力探索工藝-組織-性能之間的作用機理與規律,開發高性能合金新材料。先后主持和參加國家973、863、國家自然科學基金項目、科研院所技術開發專項基金等,累計科研經費1000余萬元;負責完成了2種多組元、高均勻度國家標準合金試樣的制備。



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              徐磊:1990~1997年在西北工業大學材料學院金屬材料與熱處理專業學習,獲得工學學士和碩士學位;1998~2004年在美國密歇根理工大學學習,獲得博士學位;2005~2006年在美國新墨西哥礦業理工學院從事博士后研究。2006年9月至今在青島科技大學從事教學科研工作。主要研究方向為材料加工和材料微觀結構的仿真模擬,材料力學性能的仿真研究,粉末冶金。

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