時(shí)效工藝對Al-Mg-Si合金導(dǎo)線抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率的影響*

楊 莉，陸冠華，康躍華，王順成，翟元輝，張志敏

1.廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510650；2. 廣東新亞光電纜實(shí)業(yè)有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511500

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力工業(yè)建設(shè)突飛猛進(jìn)，輸電線路建設(shè)正朝著長距離、大跨越、大容量方向發(fā)展[1].我國現(xiàn)有長距離、大跨越架空輸電線路的電纜主要是由純鋁導(dǎo)線加工而成的鋼芯鋁絞線，這種鋼芯鋁絞線的電能損耗較大.為了降低輸電線路的電能損耗，迫切需要開發(fā)高強(qiáng)度的鋁合金導(dǎo)線來制造全鋁合金絞線，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼芯鋁絞線[2].全鋁合金絞線的全部線股均由同質(zhì)的鋁合金線絞成，具有輸送容量大，電能線路損耗少、耐腐蝕、弧垂特性好和施工便利等優(yōu)點(diǎn)[3-4].Al-Mg-Si系合金是可熱處理強(qiáng)化的鋁合金，是全鋁合金絞線的主要合金材料[5-6].為了優(yōu)化Al-Mg-Si系合金導(dǎo)線的熱處理工藝，本文采用連鑄連軋和拉拔工藝制備了Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線，研究了自然時(shí)效和人工時(shí)效工藝對Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率的影響.

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為Al-0.8Mg-0.7Si合金，采用工業(yè)純鋁(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.7%)、速溶硅(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.5%)和純鎂(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.8%)通過熔煉制成.實(shí)驗(yàn)設(shè)備為15 t雙室熔煉爐、圓形傾動(dòng)式保溫爐、LGZ-1600型輪帶式連鑄機(jī)和15機(jī)架Y型連軋機(jī)，連鑄機(jī)結(jié)晶輪直徑為1600 mm，連鑄坯橫斷面積為2400 mm2.

在雙室熔煉爐內(nèi)加熱熔化工業(yè)純鋁錠并升溫至760 ℃，然后加入速溶硅和純鎂錠，攪拌熔化成鋁合金液，經(jīng)精煉和扒渣后，將鋁合金液轉(zhuǎn)入圓形傾動(dòng)式保溫爐內(nèi)進(jìn)行調(diào)溫和保溫，最后連鑄連軋成直徑9.5 mm的Al-0.8Mg-0.7Si合金圓桿.鋁合金液澆鑄溫度為710 ℃，連鑄機(jī)結(jié)晶輪轉(zhuǎn)動(dòng)線速度為0.2 m/s，冷卻水流量為60 m3/h，終軋速度為6.2 m/s.

將Al-0.8Mg-0.7Si合金圓桿拉拔成直徑4 mm的鋁合金導(dǎo)線，在520 ℃固溶處理1 h后進(jìn)行水淬，然后分別進(jìn)行自然時(shí)效和人工時(shí)效.時(shí)效處理后，用QJ-31型雙臂電橋儀測量Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的導(dǎo)電率，用DNS200型電子拉伸機(jī)檢測Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度(拉伸速度2 mm/min).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 自然時(shí)效對抗拉強(qiáng)度的影響

圖1為Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度與自然時(shí)效時(shí)間之間的關(guān)系曲線.由圖1可知，隨著自然時(shí)效時(shí)間的延長，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度逐漸提高.當(dāng)自然時(shí)效時(shí)間超過72 h后，抗拉強(qiáng)度的提高速度開始下降.當(dāng)自然時(shí)效時(shí)間達(dá)到192 h時(shí)，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值318 MPa.隨著自然時(shí)效時(shí)間繼續(xù)延長，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)小幅度下降.固溶處理后的Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線是過飽和固溶體，這種過飽和固溶體不穩(wěn)定，在室溫保存時(shí)就會發(fā)生自然時(shí)效作用.在G.P.區(qū)或原子團(tuán)簇形成后，位錯(cuò)切過相質(zhì)點(diǎn)所需的力隨著Mg2Si強(qiáng)化相尺寸的增大而急劇增加[7]，使Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度逐漸升高.但是由于室溫下的外界驅(qū)動(dòng)力較小，自由能的變化驅(qū)動(dòng)著G.P.區(qū)或原子團(tuán)簇的形成，Mg2Si強(qiáng)化相尺寸不會一直增大，驅(qū)動(dòng)力也不足以使其發(fā)生相轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致后續(xù)自然時(shí)效引起Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度升高速率逐漸減小.在達(dá)到室溫下的Mg2Si強(qiáng)化相平衡后，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度不再繼續(xù)升高，在保持一個(gè)相對穩(wěn)定階段后，開始出現(xiàn)小幅度下降.

圖1 自然時(shí)效對鋁合金導(dǎo)線抗拉強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of natural aging on tensile strength of aluminum alloy wires

2.2 自然時(shí)效對導(dǎo)電率的影響

圖2為Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的導(dǎo)電率與自然時(shí)效時(shí)間之間的關(guān)系曲線.由圖2可知，隨自然時(shí)效時(shí)間延長，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的導(dǎo)電率逐漸下降.當(dāng)自然時(shí)效時(shí)間為1 h時(shí)，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的導(dǎo)電率降至最低，導(dǎo)電率為52.5%IACS.當(dāng)自然時(shí)效時(shí)間超過1 h后，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的導(dǎo)電率略有波動(dòng)，但總體較穩(wěn)定.上述結(jié)果表明，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的自然時(shí)效作用比較明顯，自然時(shí)效時(shí)導(dǎo)電率趨于穩(wěn)定的時(shí)間約為1 h.鋁合金導(dǎo)電率的變化與其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化密切相關(guān)，根據(jù)量子力學(xué)中的經(jīng)典電子理論[8]，自然時(shí)效過程中，鋁合金強(qiáng)化相的數(shù)量增多，原子團(tuán)簇質(zhì)點(diǎn)與鋁基體存在共格關(guān)系，共格界面具有較小的界面能.應(yīng)變能在不同的界面關(guān)系中會變大，原子團(tuán)簇析出導(dǎo)致應(yīng)變能增大而強(qiáng)化鋁合金，彈性應(yīng)變的增大增加了自由電子的散射程度，使自由電子的平均自由程減小，最終導(dǎo)致Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的導(dǎo)電率下降.

圖2 自然時(shí)效對鋁合金導(dǎo)線導(dǎo)電率的影響Fig.2 Effect of natural aging on conductivity of aluminum alloy wires

2.3 人工時(shí)效對抗拉強(qiáng)度的影響

在不同溫度下進(jìn)行人工時(shí)效，時(shí)效時(shí)間對Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線抗拉強(qiáng)度的影響如圖3所示.由圖3可知，在不同溫度下進(jìn)行人工時(shí)效，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度均隨時(shí)效時(shí)間延長而不斷提高.人工時(shí)效的溫度越高，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線抗拉強(qiáng)度的提高速率越快，越早到達(dá)抗拉強(qiáng)度的峰值平臺.在175 ℃溫度下人工時(shí)效8 h時(shí)，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值330 MPa，合金導(dǎo)線具有最佳的時(shí)效強(qiáng)化效果.在185 ℃人工時(shí)效6 h時(shí)，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值平臺；在195 ℃人工時(shí)效4 h后，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值平臺，但其抗拉強(qiáng)度都低于330 MPa.

圖3 人工時(shí)效對鋁合金導(dǎo)線抗拉強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of artificial aging on tensile strength of aluminum alloy wires

從Al-0.8Mg-0.7Si合金的脫溶序列可知，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線在175 ℃人工時(shí)效過程中，析出相主要為β″過渡相.隨著時(shí)效時(shí)間的延長，β″過渡相的密度增大，但是析出相平均尺寸在迅速長大后基本維持不變[9].當(dāng)達(dá)到抗拉強(qiáng)度峰值后，由于析出相的種類沒有發(fā)生變化，其抗拉強(qiáng)度值變化較小.在185 ℃和195 ℃進(jìn)行人工時(shí)效，析出相的類型為β″和β′過渡相的混合，而非單一的β″相.由于β′過渡相較易生長，在185 ℃和195 ℃時(shí)效時(shí)，鋁合金導(dǎo)線的相平均尺寸在時(shí)效初期就大于175 ℃時(shí)效，故人工時(shí)效初期，時(shí)效溫度高的抗拉強(qiáng)度也高.在185 ℃人工時(shí)效過程中，β″和β′過渡相的數(shù)量隨時(shí)效時(shí)間增加而變化較小，這也反映在鋁合金抗拉強(qiáng)度的變化上[10].但是在195 ℃人工時(shí)效過程中，析出的β′過渡相隨著時(shí)效時(shí)間的增加而增多，時(shí)效時(shí)間為4 h時(shí)析出相主要為β′相，這也導(dǎo)致Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度在時(shí)效4 h后沒有繼續(xù)提高.

在175 ℃人工時(shí)效過程中，強(qiáng)化相為單一的β″過渡相，隨著析出相體積分?jǐn)?shù)增大，析出相的密度增大，位錯(cuò)切過析出相的切應(yīng)力大幅增加，從而提高Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度.但是隨著析出相的粗化，位錯(cuò)繞過析出相所需的切應(yīng)力小于其切過的應(yīng)力，此時(shí)位錯(cuò)的奧羅萬機(jī)制啟動(dòng)，使得析出相的強(qiáng)化作用降低[11].在185 ℃和195 ℃下，析出相的粗化一方面降低了析出相的密度，另一方面β′過渡相的出現(xiàn)降低了析出相與基體的連續(xù)性，而且β′相也極易長大，這都降低了對Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的強(qiáng)化作用.

2.4 人工時(shí)效對導(dǎo)電率的影響

在不同溫度下進(jìn)行人工時(shí)效，時(shí)效時(shí)間對Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線導(dǎo)電率的影響如圖4所示.由圖4可知，隨著人工時(shí)效時(shí)間的延長，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的導(dǎo)電率呈上升趨勢.在時(shí)效前期，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的導(dǎo)電率變化速率隨著時(shí)效溫度升高而增大.在195 ℃人工時(shí)效4 h后，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的導(dǎo)電率曲線開始進(jìn)入穩(wěn)定平臺.在185 ℃人工時(shí)效6 h后，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的導(dǎo)電率曲線開始進(jìn)入穩(wěn)定平臺.在175 ℃進(jìn)行人工時(shí)效時(shí)，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的導(dǎo)電率曲線進(jìn)入穩(wěn)定平臺最晚，當(dāng)時(shí)效時(shí)間為8 h時(shí)，導(dǎo)電率為55.6 %IACS.

圖4 人工時(shí)效對鋁合金導(dǎo)線導(dǎo)電率的影響Fig.4 Effect of artificial aging onconductivity of aluminum alloy wires

在Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線人工時(shí)效的初始階段，析出相的尺寸較小，同時(shí)存在大量的原子團(tuán)簇，與自然時(shí)效時(shí)一樣，原子團(tuán)簇加劇了對電子的散射作用，而脫溶析出又會消耗溶質(zhì)原子，使電子運(yùn)動(dòng)阻力減小，這兩個(gè)作用疊加之后使得Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線在時(shí)效初期的導(dǎo)電率相對較低.隨著時(shí)效時(shí)間的增加，原子團(tuán)簇轉(zhuǎn)變?yōu)棣隆搴挺隆溥^渡相，使原子團(tuán)簇對電子的散射作用迅速減弱，導(dǎo)電率迅速提高.β′相的尺寸比β″相大，故β′相對溶質(zhì)原子的消耗也比β″相多，這使得β′相的析出大大加快了導(dǎo)電率的增加.時(shí)效溫度升高會加劇析出相的形核長大，并且隨著時(shí)效溫度的升高，β′相開始形核，β′相比β″相更容易長大，β′相的長大與其周圍的位錯(cuò)環(huán)密切相關(guān)，其相尺寸一般都比β″相大，會消耗更多的溶質(zhì)原子，使導(dǎo)電率上升更快[12].這使得在195 ℃和185 ℃進(jìn)行時(shí)效時(shí)，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的導(dǎo)電率上升速率大于在175 ℃時(shí)效的.

3結(jié) 論

隨著自然時(shí)效時(shí)間延長，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度逐漸提高，導(dǎo)電率逐漸下降.當(dāng)自然時(shí)效時(shí)間為192 h時(shí)，鋁合金導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值318 MPa，導(dǎo)電率為52.5 %IACS.隨著人工時(shí)效時(shí)間延長，Al-0.8Mg-0.7Si合金導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率均逐漸提高.在175 ℃人工時(shí)效8 h時(shí)，鋁合金導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值330 MPa，導(dǎo)電率為55.6 %IACS.

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