通過形變時效工藝同時提高Al-Mg-Si-Cu合金強度和電導率*

陳　敬，陳江華，劉春輝，賴玉香，顧　媛

(湖南大學 材料科學與工程學院，長沙 410082)

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通過形變時效工藝同時提高Al-Mg-Si-Cu合金強度和電導率*

陳敬，陳江華，劉春輝，賴玉香，顧媛

(湖南大學 材料科學與工程學院，長沙 410082)

摘要：鋁是一種優(yōu)良的導電材料，但由于強度低，其應用受到很大限制。隨著鋁在電力工業(yè)中應用逐漸增加，近年來，越來越多的工作致力于提高鋁的導電率與強度的綜合性能。通過改變傳統(tǒng)T6時效工藝順序發(fā)明一種同時顯著提高Al-Mg-Si-Cu合金導電率和強度的形變時效工藝。本文采用顯微硬度測量，導電率測試以及透射電鏡(TEM)微觀結構表征研究了形變時效工藝與傳統(tǒng)T6時效工藝制備的材料在綜合性能和微觀組織上的差異。軋制變形引入的位錯在后續(xù)時效過程調(diào)控析出，析出相形貌的改變是導電率相對T6工藝提高的原因，而殘留位錯可提高材料強度。

關鍵詞：鋁合金；導電率；強度；位錯；析出相

0引言

鋁在電器制造工業(yè)、電線電纜工業(yè)和無線電工業(yè)中有廣泛的用途。在鋁材料中商業(yè)純鋁擁有最高的導電率，大約為62%IACS(國際退火銅標準)，然而它的抗拉強度僅僅只有160 MPa左右，這使得它的應用受到很大限制[1-2]。為了提高鋁材料在電力相關行業(yè)中的應用，我們必須在保證它優(yōu)良的導電性能的情況下，盡可能地提高強度。早期的工作者通過合金化來提高強度，比如添加Mg和Si元素形成的Al-Mg-Si系合金[2]。雖然合金強度獲得了一定的提升，但是金屬的導電性能對于其微觀結構很敏感。溶質(zhì)原子、晶格自振動和缺陷都會成為電子運動的散射源，阻礙電子的運動，從而使鋁合金的導電性能下降。然而這些缺陷以及溶質(zhì)原子所誘導的位錯強化，細晶強化，固溶強化以及析出強化對于合金材料強度的提高是非常重要。這似乎使高強和高導同時存在成為了矛盾體。近一二十年來，國內(nèi)外研究人員主要是通過改變鋁合金成份提高綜合性能[3-4]，這些都是通過對材料本身合金成分做一定的調(diào)控或過時效鋁合金來提高其導電率，而鋁合金僅僅通過傳統(tǒng)T6時效工藝來獲得的綜合性能提高非常有限。

最近，一種結合形變和時效的工藝成功應用到改善鋁合金的力學性能上[5-6]，本工作基于這種思想，通過改變傳統(tǒng)T6時效工藝的順序開發(fā)一種同時提高合金導電率和強度的形變時效工藝，探究冷軋后直接時效對Al-Mg-Si-Cu合金硬度和導電率的影響，并通過顯微結構表征研究了不同工藝性能差異的原因。新開發(fā)的工藝可以很容易的在現(xiàn)有的鋁合金加工設備上實施，不添加額外的成本。另外，本方法可以應用到其它時效硬化性鋁合金和加工方法中，比如拉拔和擠壓等。

1實驗

實驗所用材料為熱軋5 mm厚度的Al-Mg-Si-Cu合金板材，合金成分為Al-1.0Mg-0.5Si-0.8Cu(質(zhì)量分數(shù)，%)。我們采用了2種熱加工工藝，流程圖如圖1所示。

圖1　熱加工工藝流程圖

Fig 1 Schematic illustration of thermo-mechanical processing schedules

圖1(a)所示為傳統(tǒng)T6熱加工工藝流程圖。傳統(tǒng)工藝流程首先是將5 mm厚度的板材在室溫下進行冷

軋至2 mm，軋制每道次變形量為10%，總變形量為60%，再線切割成15 mm×15 mm×2 mm的試樣，試樣經(jīng)560 ℃固溶處理30 min后，立即在室溫下水淬，隨后在油浴爐中進行180 ℃人工時效處理。圖1(b)所示即為新開發(fā)的形變時效工藝加工流程圖。新工藝流程首先是將5 mm厚度的板材進行560 ℃固溶處理30 min，立即在室溫水淬，隨后在油浴爐中進行180 ℃人工時效5 h(時效時間為傳統(tǒng)工藝合金硬度峰值點)，隨后將5 mm厚度板材在室溫下分別軋制到4，3和2 mm，每道次變形量同樣是10%，總變形量分別為20%，40%，60%，再統(tǒng)一線切割成15 mm×15 mm×2 mm的試樣，試樣最后在油浴爐中進行180 ℃人工時效處理。為了對比兩個工藝獲得的綜合性能差異，當硬度值降到110 HV左右時，實驗停止。硬度測試是采用HXD-1000T Vickers硬度試驗機對不同時效工藝樣品進行硬度測試，除去最大值和最小值求平均值。樣品的電導率測量是采用D60K電導率儀，樣品在測試之前都經(jīng)過拋光處理。對于微觀結構的表征，采用JEOL JEM-3010透射電鏡(TEM)，操作電壓為200 kV。采用標準電解雙噴的拋光方法制備TEM觀察試樣，電解液為25%硝酸+75%甲醇(體積分數(shù))，電壓15～20 V，溫度維持在約-25 ℃。

2結果與討論

2.1不同加工工藝制備合金的硬度和電導率對比

圖2顯示的是合金通過兩種加工工藝制備合金的電導率和硬度隨時效時間增加的函數(shù)關系曲線。曲線上的每一個點代表試樣在同一時效時間的硬度和電導率測量值，從圖2中，可以輕易的看到當曲線處在坐標系的右上方時，代表合金在這種加工工藝下?lián)碛懈玫木C合性能。首先看傳統(tǒng)工藝電導率和硬度函數(shù)關系曲線，傳統(tǒng)工藝時效時間為72 h時硬度值110.3 HV，電導率為51.2%IACS。在傳統(tǒng)T6時效工藝中，隨著時效時間的延長，硬度值隨著時效時間的延長先上升后下降，而電導率始終保持上升的趨勢。在傳統(tǒng)的Al-Mg-Si-Cu合金時效中，經(jīng)過固溶和淬火后立即進行人工時效，其時效析出序列一般為：SSSS→Clusters/GP-zones→β″，L/Q″→Q′/β′→Q，其中SSSS代表過飽和固溶體[7-10]。Al-Mg-Si-Cu合金中β″針狀析出相為基體中的主要強化相，硬度呈現(xiàn)先上升是由于溶質(zhì)原子聚集形成更多β″針狀析出相的結果。隨著時效時間的延長，β″針狀析出相粗化或向后序相轉變而使硬度下降。根據(jù)硬度的變化可以推測，溶質(zhì)原子隨著時間的延長聚集程度越來越高，析出相引起的基體應變逐漸減小，電子運動過程中散射概率下降從而使得電導率呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢[1]。而相比于傳統(tǒng)T6時效工藝，無論預變形量是20%，40%或者60%，新的形變時效工藝在綜合性能方面獲得明顯的提升。而且，隨著變形量的增加，綜合性能也依次遞升。變形量為20%，40%和60%的新工藝后續(xù)人工時效時間均為12h時的硬度值和電導率分別為：(109 HV，53.4%IACS)，(111.4 HV，53.63%IACS)，(110 HV，53.9% IACS)。從圖中可以看出，隨著時效時間的延長，它們的硬度值都呈現(xiàn)下降的趨勢，電導率均保持上升的趨勢。根據(jù)新工藝中預時效為180 ℃×5 h，其為傳統(tǒng)時效工藝中硬度峰值時效時間點，正如前述，此時基體中主要強化相為β″針狀相，而軋制引入了大量的位錯提供的位錯強化使得合金硬度明顯提升，這也就是新工藝制備合金硬度相比傳統(tǒng)T6時效更高的主要原因。在后續(xù)的人工時效過程中，無論變形量為多少，基體中的β″針狀相會向后序相進行轉變并不同程度的粗化，同時由軋制變形引入的位錯也會發(fā)生一定程度的退化，這也就使得硬度一直呈現(xiàn)下降的趨勢，而析出相的微觀結構演變同時使得電導率保持上升的趨勢。對比兩種工藝，在相近110 HV左右，無論變形量為多少，新工藝制備合金電導率都有一個顯著的提升，而且，隨著變形量的增加，綜合性能同時呈現(xiàn)上升的趨勢。

圖2采用兩種制備工藝加工的Al-Mg-Si-Cu合金電導率和硬度的關系曲線

Fig 2 The synergy of electrical conductivity and hardness in Al-Mg-Si-Cu alloys processed by T6 temper and our new method

2.2不同加工工藝制備合金的顯微結構差異

為了解釋新工藝在綜合性能提升的機理以及隨著變形量增加綜合性能提升的原因，我們選取如圖2中紅圈所標識的幾個時效時間點樣品進行TEM微觀結構表征。在這4個時效時間點合金硬度都接近110HV，而電導率有著不同程度的差別，TEM觀察方向均為[001]Al。

對于形變時效結合制備的樣品，在180 ℃后續(xù)時效12 h后基體中的位錯形貌圖如圖3所示。隨著軋制變形量的增加，基體中引入的位錯含量增加，經(jīng)過軋制變形后的試樣經(jīng)過后續(xù)時效后，軋制變形引入的位錯仍然有一定量的殘留。而且隨著變形量增加，經(jīng)歷同樣退火條件后，基體中殘留位錯纏結程度有所增加。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)隨著軋制變形量的增加，材料強化效果得到不斷提升，然而位錯對金屬電導率的影響卻有所不同，對于大塊金屬，只有當溫度小于100 K時，位錯才會對電子散射有一定作用[11-12]，否則微乎其微[13-16]，然而位錯卻會強化材料。相比于位錯對電導率的影響，溶質(zhì)原子在基體中存在的形式對金屬導電率的影響很大[17]，對于Al-Mg-Si-Cu析出強化型合金，為了揭示新工藝相比于傳統(tǒng)T6工藝可以同時提升導電率和硬度的機理，需要從其析出的差別出發(fā)。

圖4即為采用傳統(tǒng)T6工藝和變形量不同的新工藝制備樣品經(jīng)后續(xù)時效后基體中析出相的TEM圖像。

圖3采用不同變形量的形變時效工藝制備的Al-Mg-Si-Cu合金經(jīng)后續(xù)180 ℃時效12 h后位錯結構的TEM圖片

Fig 3 TEM images of the dislocation structures in Al-Mg-Si-Cu alloy subjected to subsequent ageing at 180 ℃ after cold-rolling with different thickness reductions

圖4采用傳統(tǒng)工藝和時效變形工藝制備的Al-Mg-Si-Cu合金經(jīng)后續(xù)180 ℃時效不同時間的樣品沿[001]Al取向觀察的TEM圖像

Fig 4 The TEM images of the Al-Mg-Si-Cu alloys subsequently aged at 180 ℃ after treatment by traditional T6 temper and our new method

傳統(tǒng)T6工藝過時效樣品的TEM析出形貌圖如圖4(a)所示，由圖中可以觀察到針狀相和板條相兩種不同類型的析出相，其截面分別在圖中以實線黑箭頭和白箭頭所示，其側面分別以虛線黑箭頭和白箭頭所示。對比圖4(a)和(b)可知新工藝預變形量為20%并后續(xù)時效的樣品中的析出相發(fā)生了明顯的粗化，主要為桿狀析出相。根據(jù)前述，溶質(zhì)原子在基體中以什么形式存在很大程度上會影響金屬的電導率，析出相的粗化使得溶質(zhì)原子越發(fā)聚集而對電子散射概率下降，從而使得電導率提高。圖4(c)和(d)分別為軋制變形量為40%和60% 樣品中析出相的TEM形貌圖，對比圖4(b)，可以更加明顯的發(fā)現(xiàn)，隨著變形量的增加，析出相又有了進一步粗化。相應的，隨著變形量增加，電導率逐步上升。比較圖4(c)和(d)，軋制變形量增加到60%后，析出粗化程度已經(jīng)較為接近，而且這兩個時效時間點樣品的電導率值也較為接近。另外，形變時效結合處理的樣品中存在缺陷引入的應力場(如圖4(b)-(d)中的黑色陰影)且隨形變量增大而變多，這些時效后殘留的缺陷可以提高鋁合金的強度。

綜上所述，新工藝相比于傳統(tǒng)T6工藝，在接近的硬度值時，電導率有較大的提升。這是由于新工藝通過軋制引入位錯作為一種有效強化機制，而位錯對于大塊金屬在室溫下對電導率的影響相比于溶質(zhì)原子可以忽略。形變引入的位錯等缺陷可以改變析出相的形態(tài)，大幅度粗化析出相來進而減少溶質(zhì)原子對電子散射概率提高電導率。位錯強化可以彌補由于析出相的粗化而下降的那部分強度，這樣新工藝相比于傳統(tǒng)T6工藝在硬度相近的情況下，電導率有明顯提升。而對于新工藝中軋制變形量提升，綜合性能不斷提升的原因是由于隨著變形量的增加，在材料中預制的位錯含量增加，位錯不僅具有強化效果，而且位錯在退火過程作為溶質(zhì)原子的擴散通道加快析出的粗化速率。所以在經(jīng)歷相同退火時間，當變形量為60%時，析出相的粗化更加明顯，電導率值也最高。變形量越大，退火后殘留的位錯越多，析出相粗化更明顯，綜合性能越好。

3結論

(1)通過改變傳統(tǒng)T6時效工藝順序發(fā)明一種同時顯著提高Al-Mg-Si-Cu合金導電率和強度的形變時效工藝。軋制變形引入的位錯在后續(xù)時效過程調(diào)控析出，析出相的粗化程度明顯更高，繼而使得溶質(zhì)原子更加聚集電子散射的概率減小，析出相形貌的改變是導電率相對T6工藝提高的原因，而殘留位錯可提高材料強度。

(2)Al-Mg-Si-Cu合金傳統(tǒng)T6時效工藝處理后期主要析出針狀和桿狀兩類析出相，而形變時效工藝制備鋁合金在時效后主要析出桿狀析出相，且隨預變形量的增加，析出相粗化程度加大。位錯強化可以彌補由于析出相的粗化而下降的那部分強度，這樣新工藝相比于傳統(tǒng)T6工藝在硬度相近的情況下，電導率有明顯提升。

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Simultaneously improvingstrength and electrical conductivity in Al-Mg-Si-Cu alloy by combined deformation and aging

CHEN Jing, CHEN Jianghua, LIU Chunhui, LAI Yuxiang, GU Yuan

(College of Materials Science and Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China)

Abstract:Application of Al as an excellent conductor is restricted due to its low strength. With the increasing attention on Al in electric power industry, a variety of strategies have been proposed to obtain a better comprehensive property of electrical conductivity and strength. In this work, a combined deformation and ageing method, through which a simultaneous improvement in strength and electrical conductivity is achieved in Al-Mg-Si-Cu alloy, is developed by changing the sequence of traditional T6 temper. The differences in comprehensive property and microstructure between the T6 treated alloy and the one treated by our method are investigated by micro-hardness measurement, electrical conductivity test and transmission electron microscopy(TEM). The dislocations introduced by cold-rolling could tune the precipitation during subsequent ageing. The coarsened precipitates contribute to the enhancement in electrical conductivity while the retained dislocations increase the hardening potential of the alloys.

Key words:Al alloy; electrical conductivity; strength; dislocation; precipitate

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.02.028

文獻標識碼：A

中圖分類號：TG113；TM241

作者簡介：陳敬(1990-)，男，江西撫州人，在讀碩士，師承陳江華教授，從事有色金屬材料研究。

基金項目：國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2009CB623704)；國家自然科學基金資助項目(51171063)；湖南省高校科技創(chuàng)新團隊資助項目(2009-70)

文章編號：1001-9731(2016)02-02139-04

收到初稿日期：2015-03-15 收到修改稿日期：2015-06-20 通訊作者：劉春輝，E-mail: chliu@hnu.edu.cn