鋯、銅及均勻化處理對高導(dǎo)耐熱鋁合金電工圓桿性能的影響*

鞏向鵬，張曉燕，黃 鑫，張俊杰，林廷藝

(貴州大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，貴陽 550025)

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鋯、銅及均勻化處理對高導(dǎo)耐熱鋁合金電工圓桿性能的影響*

鞏向鵬，張曉燕，黃 鑫，張俊杰，林廷藝

(貴州大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，貴陽 550025)

通過掃描電鏡、X射線物相分析等方法，研究了Zr、Cu元素及均勻化工藝對高導(dǎo)耐熱鋁合金電工圓桿組織及性能的影響。結(jié)果表明，通過“添加Zr(0.10%)Cu(0.08%)+ 300 ℃×16 h均勻化+ 83%軋制”處理后，試樣綜合性能較優(yōu)，試樣導(dǎo)電率為59.5%IACS，抗拉強(qiáng)度達(dá)到149 MPa，230 ℃保溫1 h，強(qiáng)度殘存率為94.3%。

鋯、銅；高導(dǎo)耐熱鋁合金電工圓桿；抗拉強(qiáng)度；導(dǎo)電率；強(qiáng)度殘存率

0 引 言

隨著電力、電器用電需求的急劇增長，輸電線路已日益向高強(qiáng)度、高耐熱、高載電量方向發(fā)展[1]，然而我國目前的輸電線路基本上仍是以應(yīng)用最廣的普通架空鋁導(dǎo)線為主，由于這種導(dǎo)線導(dǎo)電率低、耐熱性差，使用受到限制[2-3]。高導(dǎo)耐熱鋁合金導(dǎo)線是一種具備較高導(dǎo)電率和高運(yùn)行溫度的特種導(dǎo)線。鋁合金電工圓桿是最重要的電線、電纜原材料之一，其性能的好壞將直接影響電線、電纜的質(zhì)量。添加微量Zr元素能改善鋁合金電工圓桿的耐熱性能，但鋁桿的導(dǎo)電率、強(qiáng)度仍不能滿足需求?；诖?，本實驗是在添加0.10%Zr的基礎(chǔ)上，通過復(fù)合添加Cu、均勻化處理、軋制工藝提高鋁桿電學(xué)、力學(xué)性能及耐熱性能，為研制高性能高導(dǎo)耐熱鋁合金導(dǎo)線做初步探索。

1 材料及方法

1.1 實驗材料

本實驗的原材料為硼化后質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.7%的工業(yè)純鋁，Al-10wt%Cu、Al-10wt%Zr中間合金，Zr、Cu名義和實際成分如下表1。每種狀態(tài)澆鑄5根，為保證實驗準(zhǔn)確性，測試性能時，數(shù)據(jù)取平均值。

1.2 實驗方法

1.2.1 添加Zr、Cu元素

用剛玉坩堝在井式電阻爐中進(jìn)行熔煉，熔煉溫度控制在800，740 ℃左右加入中間合金，攪拌、除渣后，澆注到預(yù)熱至280 ℃左右的鋼模中，制成?17 mm×180 mm的鋁合金電工圓桿。

1.2.2 均勻化處理

將試樣分別在300，350，400，450和470 ℃下進(jìn)行均勻化處理，均勻化處理時間分別為2，4，8和16 h。為了保持均勻化處理狀態(tài)的組織和性能，均勻化處理后水冷。

1.2.3 耐熱性能測量

將鋁合金電工圓桿在230 ℃退火1 h，冷卻到室溫后，測試其抗拉強(qiáng)度，以強(qiáng)度殘存率表示鋁電工圓桿的耐熱性能，室溫下電工圓桿強(qiáng)度殘存率不應(yīng)低于90%。

表1 實驗原料合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

Table 1 The chemical composition of the experimental alloy (mass fraction/%)

成分編號 CuCu(實際收得率)ZrZr(實際收得率)其它Al1--0.1000.098≤0.3Bal20.0200.0190.1000.099≤0.3Bal30.0400.0380.1000.099≤0.3Bal40.0600.0590.1000.098≤0.3Bal50.0800.0780.1000.097≤0.3Bal60.1000.0930.1000.096≤0.3Bal70.1200.1180.1000.099≤0.3Bal

1.3 分析測試方法

采用ICAP-6300型全譜直讀型ICP光譜儀檢測添加微量元素的實際收得率；用CSS-4410電子萬能材料實驗機(jī)測試合金抗拉強(qiáng)度；利用UTM4304高溫蠕變實驗機(jī)測試合金的耐熱性能；用Sigma2008B/C數(shù)字渦流金屬電導(dǎo)率儀測試合金電學(xué)性能；采用Olympus—BH2光學(xué)顯微鏡、KYKY-2800B掃描電鏡、APOLLO-10X能譜儀觀察微觀組織形貌及元素分布；利用X’Pert PRO X射線多晶衍射儀分析合金中的物相組成。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 Zr、Cu元素對鑄態(tài)鋁合金電工圓桿組織和性能的影響

圖1添加Zr、Cu的鋁合金電工圓桿顯微組織圖。由圖1可知，原鋁電工圓桿晶粒相對粗大，且在部分晶界處存在有夾雜物或者是空隙(圖1(a))；添加少量Zr元素晶粒一定程度細(xì)化，且二次相粒子以細(xì)小顆粒狀形態(tài)均勻分布于晶界處(圖1(b))；在定量添加Zr元素基礎(chǔ)上復(fù)合添加Cu晶粒細(xì)化程度更為明顯，并有枝晶偏析，且在晶界處存在粗大平衡相(圖1(c))。對晶界及晶內(nèi)成分(圖2中1、2、3、4點)進(jìn)行EDS分析，結(jié)果見表2，大部分Zr、Cu元素偏聚于晶界及其附近區(qū)域，且在晶界位置(1、2點)：鋁元素與Cu、Zr元素的原子比大致與XRD物相分析(圖6(a))結(jié)果相符，該晶界處二次相粒子為CuAl2、ZrAl3等相，該相可釘扎晶界[4]。

圖1 添加Zr、Cu的鋁合金電工圓桿顯微組織圖

Fig 1 Microstructure of aluminum alloy electric rods with Zr and Cu

圖2 復(fù)合添加Zr、Cu元素的鋁合金電工圓桿微觀形貌(SEM)

Fig 2 Morphology (SEM) chart of round rod with Zr,Cu

表2 能譜分析結(jié)果(原子百分比/%)

Table 2 The EDS analysis results(atomic percent/%)

元素位置 AlFeCuVZrBY1點72.470.0527.400.000.130.030.012點69.990.0329.900.010.150.020.023點94.850.025.100.000.020.010.014點95.010.024.890.020.030.000.03

圖3為Zr、Cu元素含量與鋁桿性能的關(guān)系曲線；圖3(a)為Cu、Zr元素對力學(xué)及電學(xué)性能的影響；圖3(b)為Cu、Zr元素對耐熱性能的影響。分析可知，添加Zr(0.10%)，導(dǎo)電率有所降低，抗拉強(qiáng)度小幅升高，耐熱性能提升較為顯著；復(fù)合添加Cu元素，隨Cu含量增加，鋁桿導(dǎo)電率有所降低，抗拉強(qiáng)度提高，耐熱性能小幅提升。Zr元素可與Al元素形成亞穩(wěn)A13Zr相粒子，分布于晶界處，A13Zr是一種高穩(wěn)定性金屬間化合物，可有效釘扎晶界及位錯，阻礙晶內(nèi)滑移和晶間滑移，防止再結(jié)晶的產(chǎn)生，因此合金抗拉強(qiáng)度及耐熱性能提高[5]；Zr是第5周期過渡族元素，未充滿性很強(qiáng)，Al合金中的自由電子容易轉(zhuǎn)移到Zr原子的電子殼層中，從而減少了定向運(yùn)動的自由電子數(shù)量，導(dǎo)電率降幅較大。復(fù)合添加Cu元素，Cu與鋁基體發(fā)生置換固溶反應(yīng)，起到固溶強(qiáng)化作用；另外， Cu與α-Al形成CuAl2相粒子分布于晶界區(qū)域，能夠釘扎晶界，對晶界滑移產(chǎn)生阻礙作用，合金的耐熱性能及強(qiáng)度提高；同時Cu元素能使晶粒細(xì)化(圖1(c))，晶界面積增加，自由電子穿過晶界的阻力增大，導(dǎo)電率降低。5號試樣鑄態(tài)性能相對較優(yōu)，導(dǎo)電率為59.3%IACS，抗拉強(qiáng)度為77 MPa，強(qiáng)度殘存率為95.5%，鋁桿耐熱性能已達(dá)標(biāo)，但電學(xué)及力學(xué)性能仍不能滿足需求，后續(xù)實驗主要研究鋁桿電學(xué)及力學(xué)性能。

圖3 Zr、Cu元素含量與鋁桿性能的關(guān)系曲線

Fig 3 The relationship curve of Cu, Zr element and aluminium rod performance

圖4為均勻化處理對鋁桿微觀組織的影響。

圖4 均勻化處理對鋁桿微觀組織的影響

Fig 4 The effect of homogenization treatment on microstructure of aluminum poles

2.2 均勻化處理對鋁合金電工圓桿組織及性能的影響

圖5為均勻化處理與合金抗拉強(qiáng)度及導(dǎo)電率的關(guān)系曲線。對5號試樣進(jìn)行均勻化處理，其中時間為0點為未經(jīng)均勻化處理的鑄態(tài)合金，澆注時冷卻速度較快，合金元素來不及從固溶體中析出而使合金基體處于異常過飽和狀態(tài)。經(jīng)不同溫度均勻化處理后，合金性能表現(xiàn)為兩種趨勢：300及350 ℃低溫均勻化，抗拉強(qiáng)度降低(圖5(a))，導(dǎo)電率顯著提高(圖5(b))，且300 ℃×16 h均勻化處理，導(dǎo)電率最高61.4%IACS，抗拉強(qiáng)度為74 MPa。400及450 ℃高溫均勻化，合金性能變化剛好與低溫均勻化處理時相反，抗拉強(qiáng)度一定程度提高(圖5(a))，導(dǎo)電率明顯下降(圖5(b))，經(jīng)450 ℃×4 h均勻化處理，抗拉強(qiáng)度為83 MPa，導(dǎo)電率為58.34%IACS。300 ℃均勻化處理后，非平衡的過飽和固溶體析出平衡相Al2Cu等，使固溶體晶格畸變作用減弱，從而使導(dǎo)電率得到提升；其中平衡相Al2Cu的析出序列為：α過飽和固溶體→GP區(qū)→θ″(亞穩(wěn)相)→θ′(亞穩(wěn)相)→θ(平衡相Al2Cu)，GP區(qū)及亞穩(wěn)相θ″、θ′與基體成共格或半共格關(guān)系，共格邊界附近產(chǎn)生晶格畸變，阻礙位錯運(yùn)動，合金強(qiáng)度升高；而θ′相完全脫溶形成的θ(平衡相Al2Cu)與基體成非共格關(guān)系，共格畸變將消失[6]，合金強(qiáng)度隨之降低，本實驗中析出溫度(300、350 ℃)相對較高，析出相大多為θ(平衡相Al2Cu)，這種平衡相對合金強(qiáng)度的提升作用并不明顯，相反，由于基體固溶度降低，晶格畸變減少，合金力學(xué)性能有所下降。400及450 ℃高溫度均勻化時，枝晶基本上消除(圖4(b))，Al2Cu等相回溶入基體中，與鋁基體形成置換固溶體，晶格畸變程度增大，合金抗拉強(qiáng)度升高。隨合金晶格畸變程度增大，對電子散射能力也增強(qiáng)，合金的導(dǎo)電率顯著降低[7]。470 ℃均勻化，晶粒粗化，出現(xiàn)過燒，力學(xué)性能惡化。

圖5 均勻化處理與合金性能的關(guān)系曲線

Fig 5 The relationship curve of homogenization treatment and alloy properties

高導(dǎo)耐熱鋁合金電工圓桿均勻化處理的目的有兩個，一是在強(qiáng)度降低較少的前提下，最大程度提高導(dǎo)電率；二是使鑄態(tài)合金的化學(xué)成分和組織均勻。因此，300 ℃×16 h是該高導(dǎo)耐熱鋁合金電工圓桿合適的均勻化處理工藝。

2.3 XRD物相分析

圖6為鑄態(tài)及經(jīng)均勻化處理后XRD物相分析圖譜。由分析結(jié)果表明，鑄態(tài)合金的相組織結(jié)構(gòu)為固溶體基體α(Al)及CuAl2、Al3Zr相。300 ℃低溫均勻化時，CuAl2、Al3Zr相含量增加。450 ℃高溫均勻化，合金中微量CuAl2、Al3Zr相回溶到固溶體基體中。

2.4 軋制處理對鋁合金電工圓桿組織和性能的影響

采用壓縮變形方式，對300 ℃×16 h均勻化處理后試樣進(jìn)行10道次軋制，變形量為83%；軋制處理后，鋁合金電工圓桿導(dǎo)電率降低了1.9%IACS，抗拉強(qiáng)度大幅提高，軋制后強(qiáng)度為149 MPa，強(qiáng)度殘存率小幅降低(見表3)。軋制處理使得粗大晶粒及第二相明顯細(xì)化，晶粒延變形方向被拉長，晶粒尺寸更為細(xì)小，位錯密度增大(圖7)，故抗拉強(qiáng)度升高；晶粒的細(xì)化，使得晶界面積增加，自由電子穿過晶界的阻力增大，進(jìn)而導(dǎo)電率有所降低[8]；軋制處理后，形變儲能增加，再結(jié)晶溫度降低，耐熱性能有所下降。

圖6 鑄態(tài)及經(jīng)均勻化處理后XRD物相分析

圖7 83%軋制處理后電工圓桿微觀組織圖

Fig 7 After 83% of the rolling treatment on microstructure of aluminum electrical round rod

表3 軋制處理對鋁合金電工圓桿性能的影響

Table 3 The effect of different drawing process on performance

試樣導(dǎo)電率/%IACS抗拉強(qiáng)度/MPa強(qiáng)度殘存率/%300℃×16h61.47495.12%300℃×16h+83%軋制59.514994.3%

3 結(jié) 論

(1) 添加Zr(0.10%)元素，導(dǎo)電率明顯下降，抗拉強(qiáng)度小幅提高，耐熱性能提升較為顯著；復(fù)合添加Cu，抗拉強(qiáng)度大幅升高，導(dǎo)電率有所下降，耐熱性能小幅提升，添加量為0.08%時，綜合性能較好。

(2) 對較優(yōu)性能鑄態(tài)試樣進(jìn)行均勻化處理，低溫均勻化處理，合金導(dǎo)電率一定程度提高，抗拉強(qiáng)度有所下降；高溫均勻化處理，可一定程度提高抗拉強(qiáng)度，但導(dǎo)電率下降較為明顯，試樣經(jīng)300 ℃×16 h均勻化，試樣性能良好。

(3) 對經(jīng)300 ℃×16 h均勻化處理的試樣，進(jìn)行83%變形量軋制處理，試樣晶粒更為細(xì)小，導(dǎo)電率小幅下降，但抗拉強(qiáng)度明顯提升，試樣綜合性能較優(yōu)。導(dǎo)電率為59.5%IACS，抗拉強(qiáng)度為149 MPa，耐熱性能較優(yōu)。

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Effects of zirconium, copper and homogenization treatment on properties of thermal-resistant aluminum alloy electrical rod with high conductivity

GONG Xiangpeng，ZHANG Xiaoyan，HUANG Xin，ZHANG Junjie，LIN Tingyi

(School of Materials and Metallurgy, Guizhou University, Guizhou 550025, China)

The effects of Zr,Cu and homogenization treatment on microstructures and properties of thermal-resistant aluminum alloy electrical rod with high conductivity were investigated by scanning electron microscope, X-ray diffraction analysis and other methods. The results show that: The specimen has good comprehensive properties after treatment of "adding Zr(0.10%)Cu(0.08%)+ 300 ℃×16 h homogenization treatment +83% rolling ", the conductivity of specimen is 59.5%IACS, tensile strength reachs 149 MPa and the tensile strength remnant ratio is 94.3% after 230 ℃×1 h heat preservation.

zirconium,copper; the thermal-resistant aluminum alloy electrical rod with high conductivity; tensile strength; conductivity; tensile strength remnant ratio

1001-9731(2016)11-11168-05

貴州省工業(yè)攻關(guān)資助項目(2012-3043)；國家級大學(xué)生創(chuàng)新實驗資助項目(貴大國創(chuàng)字2013016號)

2015-07-08

2015-09-16 通訊作者：張曉燕，E-mail: ivzhangxiaoyan@163.com

鞏向鵬 (1988-)，男，山東淄博人，在讀碩士，師承張曉燕教授，從事新型鋁導(dǎo)線研究。

TG146.21

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.11.033