均勻化熱處理對(duì)8030鋁合金力學(xué)和導(dǎo)電性能的影響

章 劍，郭未椿，方 航

(上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093)

近年來，8030 鋁合金導(dǎo)線由于有著耐熱、良好的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能被廣泛研究。電力科學(xué)研究院劉宇等人經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Cu元素添加能使8030鋁合金組織細(xì)化，經(jīng)過熱處理后的組組織上彌散分布著Cu和Si的第二相[1]；隨著Cu元素的增加，8030合金抗拉強(qiáng)度提高，而電導(dǎo)率下降，研究發(fā)現(xiàn)除了抗拉強(qiáng)度上升和導(dǎo)電率下降，還有延伸率也有一定的下降。除了研究關(guān)于這方面的研究文獻(xiàn)越來越多，申請(qǐng)8030鋁合金的成分專利也越來越多，許多公司也研究8030鋁合金并將生產(chǎn)為鋁桿出售到國(guó)外，但是對(duì)于銅含量增加，熱處理后的微觀分析還不是很多，導(dǎo)電性能和抗拉強(qiáng)度不能做到更好的平衡。本文以8030鋁合金為基礎(chǔ)，按照表1添加不同含量Cu，研究均勻化熱處理鋁合金力學(xué)性能和導(dǎo)電性能變化。

表1 8030鋁合金桿成分及成分設(shè)計(jì)Table 1 Composition design and composition of 8030 aluminum alloy rod (wt%)

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)選用8030鋁合金桿(成分如表1所示)，Al-50Cu中間合金，商用精煉劑，商用覆蓋劑，商用清渣劑。

DSC 8000型差示掃描熱量?jī)x，PerkinElmer公司；D8 ADVANCZ型X射線衍射儀，Bruker公司；Z100HT金屬材料萬能試驗(yàn)機(jī)；HD-103型數(shù)字渦流導(dǎo)電儀；配有能譜quanta 450 型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，F(xiàn)EI公司；X射線衍射儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

預(yù)設(shè)定電阻爐溫度為750 ℃，先將預(yù)熱干燥的8030鋁合金桿加入坩堝中熔煉, 等待8030鋁桿熔化 ,并將預(yù)熱干燥的Al-50Cu中間合金放入電阻爐中隨爐加熱。等待Al-50Cu中間合金熔化,加入覆蓋劑(50% NaCl+50% KCl),并將電阻爐溫度降至720 ℃，保溫20 min。下一步進(jìn)行精煉,用鐘罩將商業(yè)化精煉劑送入到合金液中,輕輕的將鐘罩在坩堝四周進(jìn)行攪動(dòng)。待精煉完成加入清渣劑,保溫15 min，取出坩堝進(jìn)行扒渣,用扒渣勺進(jìn)行快速扒渣，使熔體表面無雜質(zhì)。利用差示掃描熱量計(jì)對(duì)添加Cu的8030鋁合金桿進(jìn)行差熱(DSC)分析，發(fā)現(xiàn)起始熔化溫度為600 ℃左右，645 ℃左右出現(xiàn)極大的熔化峰。設(shè)置的均勻化退火溫度為460 ℃、510 ℃和560 ℃保溫24 h選擇抗拉強(qiáng)度和延伸率最好,然后在此溫度保溫時(shí)間分別為12 h、24 h和48 h,選擇出最佳熱處理時(shí)間。用金屬材料萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試8030鋁合金的室溫抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率，拉伸速率為 5 mm/min；用數(shù)字渦流導(dǎo)電儀測(cè)試不同熱處理的鋁合金的導(dǎo)電性能；用熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)拉伸斷裂試樣進(jìn)行斷口形貌拍攝；用X射線衍射儀測(cè)試不同溫度均勻化熱處理后的鋁合金樣品的XRD。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

從圖1中可以很明顯可以看出來，在銅成分含量相同的時(shí)候，隨著均勻化溫度不斷的提高抗拉強(qiáng)度先上升后下降，而延伸率先下降后上升；鋁合金線錠在均勻化退火處理后，在晶界處及晶粒之間富集的合金元素慢慢的向鋁基體中擴(kuò)散,組織變的更加均勻使得力學(xué)性能變得更加優(yōu)秀[2]。當(dāng)Cu為0.3wt%,當(dāng)均勻化溫度升高到510 ℃，合金抗拉強(qiáng)度性和延伸率都達(dá)到最好，分別為168.7 MPa和13.6%，相對(duì)于均勻化溫度460 ℃(抗拉強(qiáng)度162.5 MPa，延伸率12.7%)分別提高了3.8%和7%。當(dāng)勻化退火溫度繼續(xù)升高后，鋁合金晶粒出現(xiàn)了長(zhǎng)大，導(dǎo)致鋁合金抗拉強(qiáng)度(160 MPa)和延伸率(13.2%)都下降，相對(duì)于(Cu含量為0.3wt%樣品,均勻化溫度510 ℃)分別降低了5.4%和2.9%。并可以從規(guī)律中發(fā)現(xiàn)均勻化熱處理溫度為510 ℃，力學(xué)性能是最好的，抗拉強(qiáng)度為168.7 MPa,延伸率為13.6%。

圖1 460 ℃、510 ℃、560 ℃不同均勻化溫度熱處理24 h下的抗拉強(qiáng)度和延伸率Fig.1 Tensile strength and elongation after heat treatmentat 460 ℃, 510 ℃ and 560 ℃ for 24 hours

在同一均勻化溫度時(shí)，隨著銅含量的提高，抗拉強(qiáng)度不斷提高，而延伸率不斷下降，在銅含量從0.15wt%到0.20wt%，抗拉強(qiáng)度較快，在均勻化溫度510 ℃熱處理24 h，抗拉強(qiáng)度提高了12.5%;而銅含量從0.20wt%到0.30wt%上升較緩慢，0.20wt%到0.25wt%抗拉強(qiáng)度提高了4.6%，0.25wt%到0.30wt%僅提高了3%；銅含量從0.15wt%到0.20wt%，0.20wt%到0.25wt%，0.25wt%到0.30wt%,延伸率依次降低了7.5%、7.8%、1.8%。從圖1的折線圖當(dāng)中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)銅含量從0.25wt%到0.30wt%的抗拉強(qiáng)度提高的極其緩慢，因?yàn)?CuA12) 相是硬脆相[3]，CuA12數(shù)量過多會(huì)對(duì)鋁合金桿的抗拉強(qiáng)度起到的影響逐漸降低，所以使得時(shí)8030鋁合金的抗拉強(qiáng)度在銅含量增加增不夠明顯。

圖2 12 h、24 h、48 h不同均勻化退火時(shí)間的鋁合金抗拉強(qiáng)度和延伸率Fig.2 Tensile strength and elongation of aluminum alloy withdifferent homogenization annealing time of 12 h, 24 h and 48 h

如圖2所示，當(dāng)Cu含量為0.3wt%，12 h、24 h不同均勻化退火時(shí)間的鋁合金抗拉強(qiáng)度依次提高了3.3%、6.5%，然而當(dāng)均勻化退火熱處理時(shí)間達(dá)到48h時(shí)，鋁合金的抗拉強(qiáng)度反而降低了3.0%，實(shí)驗(yàn)表明此時(shí)有一部分在晶界處和晶粒之間存在的第二相合金元素回溶進(jìn)鋁基體中，從而降低了第二相的強(qiáng)化作用，導(dǎo)致8030鋁合金的機(jī)械性能降低[4]。從圖2數(shù)據(jù)分析可知，鋁合金桿在510 ℃均勻化退火熱處理24 h后具有最好的抗拉強(qiáng)度。

圖3(a)為鋁合金在460 ℃、510 ℃、560 ℃均勻化處理24 h后的鋁合金硬度散點(diǎn)數(shù)據(jù)圖，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，隨著溫度的不斷提高，鋁合金的硬度先上升后下降。在460 ℃升到510 ℃，鋁合金的硬度上升特別明顯，提高了將近17%，這是因?yàn)殇X合金線錠在均勻化退火處理后，在晶界處及晶粒之間富集的合金元素慢慢的向鋁基體中擴(kuò)散[5]，Cu元素與基體形成Al2Cu,Al2Cu以固溶的形式存在使得鋁合金力學(xué)性能得到提高；從510 ℃升到560 ℃，鋁合金反而下降了將近10%，當(dāng)均勻化退火溫度繼續(xù)升高后，鋁合金的微觀晶粒尺寸變大[7]，導(dǎo)致鋁合金桿的力 學(xué)性能變差。

圖3 460 ℃、510 ℃、560 ℃均勻化處理24 h后的鋁合金硬度(a)和 510 ℃均勻化退火熱處理0 h、12 h、24 h、48 h后(b)的硬度Fig.3 hardness of aluminum alloy after homogenization at 460 ℃, 510 ℃, 560 ℃ for 24 h (a), and hardness afterhomogenization annealing at 510 ℃ for 0 h, 12 h, 24 h and 48 h(b)

圖3(b)是在510 ℃均勻化處理12 h、24 h、48 h后的鋁合金硬度，根據(jù)圖中數(shù)據(jù)表明，隨著均勻化退火熱處理的時(shí)間不斷提高，鋁合金的硬度先上升后下降，12 h上升到24 h,硬度提高了6.06%(Cu含量為0.3wt%)；24 h上升到48 h,硬度反而下降了將近4%，當(dāng)均勻化退火時(shí)間繼續(xù)升高后，鋁合金的晶粒經(jīng)歷長(zhǎng)大的階段，導(dǎo)致鋁合金桿的力學(xué)性能變差。

2.2 導(dǎo)電性能

隨著熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，8030鋁合金的導(dǎo)電率降低的幅度越來越小，添加0.3wt%Cu的鋁合金經(jīng)過510 ℃/48 h均勻化熱處理后，其導(dǎo)電率上升到了最高到達(dá)61.3ICAS，這是由于處在基體當(dāng)中的Cu元素固溶達(dá)到飽和，向經(jīng)晶界處移動(dòng)，并出現(xiàn)新相Al13Cu4Fe3，電子擴(kuò)散阻力減少，使得導(dǎo)電率上升。510 ℃/24 h鋁合金的導(dǎo)電率相對(duì)510 ℃/24 h鋁合金導(dǎo)電率基本沒有多少提升，特別是當(dāng)Cu含量為0.3wt%時(shí)，說明Cu元素在12 h的均勻化熱處理后基本都固溶進(jìn)去了基體當(dāng)中，當(dāng)熱處理時(shí)間進(jìn)一步上升，Cu元素就慢慢的向晶界移動(dòng)，達(dá)到24 h時(shí)，只是有少量遷移到晶界而已。

圖4 510 ℃均勻化退火處理0 h、12 h、24 h、48 h后的導(dǎo)電性能Fig.4 Conductivity after homogenization annealing at510 ℃ for 0 h, 12 h, 24 h and 48 h

2.3 微觀分析

圖5是510 ℃/24 h均勻化熱處理的斷口形貌。鋁合金斷裂的實(shí)質(zhì)是材料在應(yīng)力下空洞的萌生、擴(kuò)展至聚合的過程，而影響鋁合金斷裂韌性的因素?zé)o外乎內(nèi)因(金屬氧化物夾雜和合金熔煉時(shí)吸氫引起的針孔)和外因(合金成分、晶粒組織、第二相)[6]。鋁合金的圖5(a)斷口形貌為韌窩狀，韌窩深淺不一均勻的分布，韌窩呈45°方向延伸，大小約為10 μm，試樣為韌性斷裂，斷裂機(jī)制為微孔聚集型。圖5(b)斷口中韌窩分布均勻，韌窩大而淺且在韌窩底部有第二相顆粒存在，當(dāng)試樣受到拉伸或剪切變形時(shí)，第二相粒子與基體界面首先成為裂紋源使得抗拉強(qiáng)度和硬度有一定的提升。隨著應(yīng)力的增加，應(yīng)力集中程度加大，塑性變形量增加，韌窩逐漸撕開，韌窩周邊形成較大塑性變形的撕裂棱，較大的撕裂棱使得延伸率有所下降[7]。圖5(c) 韌窩整體呈45°方向延伸在大韌窩周圍的某些撕裂棱附近分布著許多淺微孔，相對(duì)于Al-0.15Cu-0.55Fe(a)，Al-0.20Cu-0.55Fe(b)和Al-0.25Cu-0.55Fe(c)的韌窩有所增大，大小約為12 μm，韌窩周邊形成較大塑性變形的撕裂棱，延伸率進(jìn)一步下降。圖5(d) 韌窩整體呈45°方向延伸在大韌窩周圍的某些撕裂棱附近分布著許多淺微孔，相對(duì)于Al-0.15Cu-0.55Fe(a)和Al-0.20Cu-0.55Fe(b)，Al-0.25Cu-0.55Fe(c)的韌窩有所增大，大小約為12 μm，韌窩周邊形成較大塑性變形的撕裂棱，延伸率進(jìn)一步下降。

圖5 Al-0.15Cu-0.55Fe(a)；Al-0.20Cu-0.55Fe(b)；Al-0.25Cu-0.55Fe(c)；Al-0.30Cu-0.55Fe(d)Fig.5 Al-0.15Cu-0.55Fe(a)；Al-0.20Cu-0.55Fe(b)；Al-0.25Cu-0.55Fe(c)；Al-0.30Cu-0.55Fe(d)

圖6為添加銅含量為0.3wt%的8030鋁合金試樣不同溫度均勻化退火熱處理24 h XRD圖譜。其中a為未均勻化熱處理的試樣，b、c和d分別為在460 ℃、510 ℃和560 ℃下均勻化退火24 h的XRD圖譜。由圖中可以看出從未熱處理試樣(a)到460 ℃均勻化退火處理試樣(b)，在77°附近多出一個(gè)(CuAl2)相峰，說明在熱處理中，在晶界和晶界邊緣的Cu元素?cái)U(kuò)散到集體當(dāng)中，以固溶的形式增強(qiáng)鋁合金的力學(xué)性能。隨著溫度的升高，由460 ℃均勻化退火處理試樣(b)到510 ℃均勻化退火處理試樣(c)，在21°、28°、34°、58°附近出現(xiàn)了Al13Cu4Fe3相，隨著溫度升高到560 ℃，峰值略有增強(qiáng)，在固溶達(dá)到飽和時(shí)，在基體當(dāng)中的合金元素又會(huì)向晶界處遷移形成共晶相，因此會(huì)發(fā)現(xiàn)第二相(CuAl2)相峰有明顯的減少，導(dǎo)致固溶度降低，使得8030鋁合金的電阻減少，導(dǎo)電率上升。

圖6 未熱處理(a)；460 ℃熱處理(b)；510 ℃熱處理(c)；560 ℃熱處理(d)Fig.6 Without heat treatment(a)；heat treatment at 460 ℃(b)；heat treatment at 510 ℃(c)；heat treatment at 560 ℃(d)

3 結(jié) 論

(1)隨著均勻化溫度不斷提高，抗拉強(qiáng)度和硬度先上升后下降，延伸率和導(dǎo)電率先下降后上身升，得到綜合性能最好是在510 ℃均勻化處理;

(2)在510 ℃，隨著熱處理時(shí)間提高，抗拉強(qiáng)度和硬度先上升后下降，延伸率導(dǎo)電率先下降后上升，在Cu為0.3wt%,在510 ℃下均勻化退火24好得到最好的綜合性能，抗拉強(qiáng)度168.7 MPa，延伸率 13.6%，硬度69.3HV,導(dǎo)電率60.6IACS。

(3)熱處理溫度由460 ℃升到510 ℃，Al2Cu固溶相減少，出現(xiàn)了Al13Cu4Fe3相，電阻率下降，導(dǎo)電率上升。