微合金化2297鋁合金板材組織與性能的研究

張明玉 王謙 閔光輝，②

（①昌吉學院 昌吉 831100 ②山東大學材料學院 濟南 250014）

鋁及其鋁合金具有很多優(yōu)點，例如儲量豐富而且分布及其廣泛，其密度小而且質(zhì)量輕，具有很好的延展性和導電性，而且其導熱性十分的優(yōu)良同時還具有可循環(huán)利用，回收方便等[1-2]。

微合金化對合金的析出相的數(shù)量、類別以及析出的順序都有不同的影響，目前為止，賓杰等人研究Zr、Er微量元素對鋁合金組織性能的影響得出Zr、Er在基體中形成β'相，能夠有效地細化晶粒，釘扎晶界[3]。目前國內(nèi)的電線電纜都是純鋁為主，鋁合金材料的偏少，而2297鋁合金由于本身的特點，在電線電纜上的應用也有很大的發(fā)展前景，并且微量元素的添加對提高2297鋁合金的導電性和力學強度具有很大的意義和參考價值。

1 實驗材料及其方法

實驗采用2297鋁合金為原料（Cu 2.5-3.1%，Li 1.1-1.7%，Mg 0.25%，Mn 0.1-0.5%，Zr 0.08-0.15%，Ti 0.12%，Zn 0.05%質(zhì)量分數(shù)）分別加入Al-Ca75%、Al-La95%和Al-Sc10%的中間合金，得到含微量元素的2297鋁合金（表1）。實驗采用電阻爐進行熔煉，澆注模具采用的是石墨干鍋；將得到的鑄錠進行去皮處理，得到的圓柱鑄錠尺寸為Φ125 mm×150 mm。采用擠壓機型號為XJ-800SM的擠壓機進行擠壓，擠壓溫度為400℃。擠壓比為8∶1，擠壓成厚度為16mm的板材。對擠壓后的板材在箱式電阻爐里進行退火處理，退火溫度分別是380℃、400℃和420℃，退火時間為0.5h～3h。

金相試樣在擠壓板材相同位置的軋制面取得，得到的試樣經(jīng)過砂紙的粗磨，細磨后在拋光機上經(jīng)過金剛石研磨膏精拋，腐蝕劑采用Keller’s試劑（190 mL H2O+2mL HF+3mL HCl+5mL HNO3），金相觀察采用Nikon DS-U3 Nikon光學電子顯微鏡(OM)，采用型號為D8 ADVANCE的X射線衍射分析儀測試XRD，硬度測試采用HV-1000型顯微硬度計測試其硬度?？估瓘姸?、屈服強度以及延伸率的測試采用鋼研納克GNT100電子萬能拉伸壓縮試驗機測得，加工的拉伸件根據(jù)GB228－2002的要求加工成拉伸件，拉伸速率設定為2mm/min，3個拉伸件為一組，測量數(shù)據(jù)取平均值。電阻率采用型號為ULVAC/ZEM-3的塞貝克系數(shù)/電導率測試系統(tǒng)測得。

表1 實驗合金的實際化學成分（%）

2 結果分析與討論

2.1 擠壓態(tài)組織與性能

對去皮以后的鑄錠進行均勻化熱處理后進行擠壓實驗，得出擠壓以后的金相圖（圖1），可以得出在擠壓的過程中，原始的粗大晶粒破碎，晶粒的組織在巨大的外力作用下被拉伸變長，樹枝晶消失形成拉伸的纖維狀組織，纖維組織的晶界上第二相變的細小而且均勻，這時在部分的晶界有動態(tài)再結晶的出現(xiàn)。對擠壓板材進行硬度測試，發(fā)現(xiàn)2297鋁合金的硬度最大為74.8 HV，加入微量元素Sc的2297鋁合金硬度為73.6 HV，加入微量元素La和Ca的2297鋁合金相對比較小?？梢缘贸鎏砑游⒘吭剡M行熱擠壓后合金的硬度有不同程度的下降。對擠壓板材進行導電率測試，發(fā)現(xiàn)含有微量元素La的2297鋁合金的導電率最高為39.8%IACS。因為添加的La元素會使得合金中晶界強度加強，雜質(zhì)元素同時會相應減少，提升合金韌性同時對導電率也有提高[4-5]。

2.2 退火工藝下組織與性能

對含有微量元素的2297鋁合金進行退火處理，2297鋁合金在400℃的退火條件下，經(jīng)過2h和2.5h可以形成完全的再結晶組織，當達到3h后晶粒開始變得粗大，形成了島狀的再結晶組織。同時在對含有三種不同微量元素的2297鋁合金進行退火處理后，在2h和2.5h均發(fā)現(xiàn)再結晶現(xiàn)象，同時發(fā)現(xiàn)還有纖維狀的組織，說明微量元素的添加在一定程度上對再結晶有抑制的作用（圖2）。

由金屬的導電理論可知，雜質(zhì)元素在合金中以固溶態(tài)存在時對導體電阻率的增大作用大于析出態(tài)的，因為在金屬A中融入不同類原子B時，溶劑的點陣會產(chǎn)生畸變，從而增加了電子散射，致使電阻升高[6]。對含有微量元素2297鋁合金的擠壓板材進行不同溫度和時間的退火后測試其導電率，可以得出合金在隨著退火的時間的增加導電率也相應的有所變化，當合金發(fā)生再結晶的時候，相應的合金的導電率達到最大。因為對2297鋁合金進行不同的退火處理，退火時間的長短同樣會影響導電率，因為退火時間的不同，對GP區(qū)的產(chǎn)生影響不同，GP區(qū)會對電子產(chǎn)生不同的散射效果，從而影響導電率。本實驗得出400℃退火條件下2297-La在退火2h的導電率到達43.5%IACS（圖3）。微量元素的添加能夠有效地使得晶粒得到細化，共面滑移現(xiàn)象會得到改善，韌性也會有顯著的提高[7]。圖4為420℃退火條件下的力學性能圖，可以得出合金的拉伸強度和屈服強度在合金再結晶的時候達到最大值，合金的延伸率隨著退火時間的延長逐漸下降。在420℃退火條件下，2297-Sc在退火2.5h后的拉伸強度最大為309MPa（圖4），延伸率為11.6%。微量元素的添加對合金的強度和延伸率有一定程度的提高，這是由于合金晶粒的細化效果與第二相的數(shù)量相對的提高而導致的第二相強化作用引起的；同時力學性能的改善和第二相的形態(tài)也有一定關系，因為連續(xù)以及不連續(xù)的網(wǎng)狀第二相改變成細小的顆粒狀，這些因素對合金的抗拉強度和延伸率都有關。

圖1 擠壓板材組織

圖2 400℃退火條件下再結晶的組織

3 結論

（1）擠壓態(tài)板材的電學和力學性能經(jīng)退火處理后，再結晶處的力學和電學性能最佳。

（2）在400℃退火條件，2297-La在退火2h的導電率到達43.5%IACS。在420℃退火條件下2297-Sc在退火2.5h后的拉伸強度最大為309Mpa，延伸率為11.6%。

圖3 400℃退火條件下的導電性

圖4 420℃退火條件下的力學性能