RE 和Ti 對Al-Mg-Si 導(dǎo)體材料組織和性能的影響

趙紅亮，孔亞萍，劉志鵬

(鄭州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州450001)

0 引言

Al-Mg-Si 合金由于其良好的導(dǎo)電性、熱塑性、耐腐蝕性及良好的加工性能，且易氧化著色，被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)電導(dǎo)熱材料［1-2］． 但Al-Mg-Si 導(dǎo)體材料，存在晶粒粗大、雜質(zhì)含量高的問題，其機械性能和導(dǎo)電性能仍有待提高． 研究表明，適量的Ti加入到鋁合金中，形成金屬間化合物TiAl3和TiB2，增加有效核心的數(shù)量，細化晶粒，提高合金強度和塑性［3］．在Al-Mg-Si 合金中添加適量的稀土元素能夠凈化熔體［4］，細化晶粒，從而改善合金機械、物理及工藝性能［5］． 并且，稀土可以與合金中的鐵、過剩硅等反應(yīng)生成化合物，使雜質(zhì)元素由固溶態(tài)變?yōu)槲龀鰬B(tài)，提高合金導(dǎo)電性［6］． 筆者在Al-Mg-Si 導(dǎo)體材料中添加稀土和鈦，研究其對Al-Mg-Si 合金組織和性能的影響．

1 實驗材料與方法

Φ60 mm×110 mm 的柱狀模具中(鑄鐵型，預(yù)熱溫度為200 ℃)． 試樣經(jīng)人工研磨、拋光后用5%HF 腐蝕10 s，在OLYMPUS 金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡上觀察合金組織． 對鑄錠570 ℃均勻化處理8 h 后，460 ℃擠壓至Φ10 mm，然后對合金棒進行500 ℃固溶處理30 min，水淬冷卻，之后進行180 ℃時效處理8 h． 采用SHIMADZU 電子萬能拉伸機測試合金桿抗拉強度和伸長率，用FD101 渦流電導(dǎo)儀測試合金導(dǎo)電性能． 實驗合金中RE 和Ti 添加量見表1．

基體合金為導(dǎo)體中最常用的Al-0．8Mg-0．6Si(w(Fe)＜0．3%，w(B)＜0．06%)． 將Al-0．8Mg-0． 6Si 放入坩堝電阻爐中，720 ℃保溫至Al-0．8Mg-0．6Si 完全熔化，升溫至750 ℃，加入預(yù)熱好的Al-10RE 中間合金(RE 為混合稀土，其中80%的Ce，20%其它．)或/和Al-Ti 中間合金，保溫50 min，期間每隔15 min 攪拌一次． 用高純氬氣進行除氣處理． 降溫至720 ℃，將合金液澆入

表1 實驗合金中RE 和Ti 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab．1 The content of RE and Ti in the experiment alloy %

2 結(jié)果與分析

2．1 RE 和Ti 對Al-Mg-Si 合金組織的影響

圖1 為RE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．3%時，不同Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)(x)對合金顯微組織的影響．由圖1 可知，Ti 可以使Al-Mg-Si 晶粒細化，隨著合金中Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，晶粒細化程度先增加后降低．當(dāng)合金中Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．15%時，晶粒尺寸最小，由原始尺寸180 μm 變?yōu)?00 μm．繼續(xù)增加合金中Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，晶粒尺寸反而有所增大，并且出現(xiàn)了粗大的塊狀第二相． 與含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．2%Ti 的合金相比，含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．25%Ti 的合金中塊狀第二相數(shù)量較多，且形狀更加不規(guī)則．

圖1 Al-0．8Mg-0．6Si-0．3RE-xTi 合金顯微組織Fig．1 Microstructures of Al-0．8Mg-0．6Si-0．3RE-xTi

圖2 為合金中Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．15%時，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的RE 對合金顯微組織的影響． 可以看出，RE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對晶粒尺寸有細化作用，細化效果隨著稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先增加后降低． 當(dāng)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．3%時，晶粒最小，由原始尺寸160 μm 變?yōu)?00 μm;繼續(xù)增加稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)，晶粒尺寸反而變大，并且出現(xiàn)了塊狀第二相．

圖2 Al-0．8Mg-0．6Si-0．15Ti-xRE 合金顯微組織Fig．2 Microstructures of Al-0．8Mg-0．6Si-0．15Ti-xRE

圖3 為不規(guī)則塊狀相的掃描照片．可以發(fā)現(xiàn)，圖3(a)中的塊狀相表面為灰色，圖3(b)中的塊狀相表面除了灰色區(qū)域還有白色區(qū)域，且塊狀相表面不平整，存在溝槽，白色區(qū)域形狀不規(guī)則．分別對圖3(a)中灰色塊狀相(點A)和圖3(b)中塊狀相的灰色區(qū)域(點B)與白色區(qū)域(點C)做能譜分析，如表2 所示． 可看出A，B，C 3 點成分相近，不規(guī)則塊狀相由Al，Ti，Ce 3 種元素組成，Al，Ti，Ce 的摩爾比接近20∶2∶1，由于合金中Ti 元素和Ce 元素太少，XRD 分析中未能檢測出鋁鈦鈰相． 但結(jié)合文獻［7］，可推斷出該相是Al20Ti2Ce 相．

在Al-Mg-Si 合金熔體中，Ce 和Ti 反應(yīng)生成Al20Ti2Ce 相，該相呈塊狀，尺寸較大，形狀不規(guī)則，割裂基體，阻礙電子傳輸，從而影響合金性能．而在熔體中RE 與Ti 發(fā)生反應(yīng)是受質(zhì)量分?jǐn)?shù)限制的．當(dāng)熔體中RE 與Ti 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別低于0．3%和0．15%時，反應(yīng)不能進行或者很難進行．當(dāng)RE與Ti 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到一定值后，反應(yīng)得以進行，形成三元相Al20Ti2Ce．這種化合物的形成消耗了大量的Ti 和Ce，使熔體中Ti 和Ce 的有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，Ti 和Ce 的細化效果減弱，合金性能也受到不利影響．

2．2 Ce 和Ti 對Al-Mg-Si 合金性能的影響

圖3 不規(guī)則塊狀相的掃描照片F(xiàn)ig．3 SEM micrographs of irregular block phase a-The gray block phase;b-gray and white block phase

不同RE 和Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的合金力學(xué)性能和導(dǎo)電性能如表3 所示．由表3 可知，當(dāng)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．3%時，隨著Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，合金的強度、伸長率和電導(dǎo)率先增加后降低．合金強度和伸長率在鈦含量為0．15%時達到峰值，分別為265 MPa 和10．3%，相對Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 時，分別提高了3．5%和22．6%． 電導(dǎo)率在Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．10%時達到峰值，為56．4%IACS． 當(dāng)Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．15%時，隨著RE 含量的增加，合金的強度、伸長率和導(dǎo)電率先增加后降低．當(dāng)RE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．3%時，合金強度、伸長率和電導(dǎo)率達到峰值，分別為265 MPa、10．3%和56%，相對稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 時，分別提高4．7%、5．1%和12%．當(dāng)稀土和Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別大于0．3%和0．15%時，合金性能降低，是因為合金中出現(xiàn)了塊狀A(yù)l20Ti2Ce相和粗大針狀相．Al20Ti2Ce 相體積較大，形狀不規(guī)則，割裂基體，阻礙電子傳輸，嚴(yán)重降低合金的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能． 粗大針狀相分布在晶界，割裂基體，影響電子傳輸，對合金力學(xué)性能和導(dǎo)電性能都有不利影響．

表2 A，B，C 點各元素的摩爾比Tab．2 The molar ratio of elements in point A，B，C

3 結(jié)論

表3 實驗合金的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能Tab．3 The mechanical properties and electric conductivity of the experiment alloy

(1)在Al-Mg-Si-0．3RE 合金中加入Ti 和Al-Mg-Si-0．15Ti 合金中加入RE，晶粒都得到不同程度的細化．當(dāng)Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．15%，稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．3%時，晶粒尺寸最小，為100 μm．

(2)當(dāng)Ti 和RE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別超過0．15%和0．3%時，生成Al20Ti2Ce 塊狀相．該相的形成一方面消耗了Ti 和RE，使熔體中Ti 和RE 的有效含量降低，削弱了Ti 和RE 的有利作用．此外，該相形狀不規(guī)則，割裂基體，阻礙電子傳輸，對合金導(dǎo)電性能不利．

(3)在稀土和鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0． 3% 和0．15%時，合金力學(xué)性能和導(dǎo)電性能最佳．其抗拉強度、伸長率和電導(dǎo)率分別為265 MPa，10．3%，

56%IACS．

［1］ 梁振宇．合金元素對Al-Mg-Si 合金導(dǎo)體材料組織和性能的影響研究［D］． 長沙:湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2011．

［2］ 張珊珊．Al-Mg-Si 合金鑄態(tài)組織及其鑄錠均勻化處理的研究［D］． 沈陽:東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2011．

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［7］ 李苗．Al-Ti-C-RE 細化劑的低溫綠色制備及其細化行為研究［D］． 鄭州:鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2011．