不同元素含量對(duì)高導(dǎo)電鋁合金性能的影響研究

黃應(yīng)敏 鄒科敏 許翠珊 邵源鵬 郝志峰

摘 要：高導(dǎo)電鋁合金具有密度小、塑性強(qiáng)、導(dǎo)電性能好等優(yōu)勢(shì)，能夠在諸多領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。隨著人類對(duì)高導(dǎo)電鋁合金性能要求的不斷提高，有必要繼續(xù)提高鋁合金的綜合性能。文章通過實(shí)驗(yàn)分析的方式，在高導(dǎo)電鋁合金中加入不同元素含量，分析不同元素含量對(duì)鋁合金性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高導(dǎo)電鋁合金中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的鎂元素，能夠提高其力學(xué)性能和導(dǎo)電率;在高導(dǎo)電鋁合金中加入2%的銅元素，有利于合金的綜合性能;在高導(dǎo)電鋁合金中加入0.3%的稀土鑭元素，合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值。

關(guān)鍵詞：鎂;銅;鑭;含量;高導(dǎo)電鋁合金;性能

中圖分類號(hào)：TG146.21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）08-0062-05

Study on the Effect of Different Element Contents on the Properties of High Conductive Aluminum Alloy

Huang Yingmin， Zou Kemin， Xu Cuishan， Shao Yuanpeng， Hao Zhifeng

（R & D center of Guangzhou Panyu Cable Group Co.， Ltd.， Guangzhou 511400， China）

Abstract：High-conductivity aluminum alloy has the advantages of low density， strong plasticity， and good electrical conductivity， and can play an important role in many fields. As humans continue to improve the performance requirements of highly conductive aluminum alloys， it is necessary to continue to improve the comprehensive properties of aluminum alloys. In this paper， through experimental analysis， different element contents are added to high-conductivity aluminum alloy， and the influence of different element contents on the properties of aluminum alloy is analyzed. The experimental results show that adding 0.2% of magnesium to the high-conductivity aluminum alloy can improve its mechanical properties and conductivity; adding 2% of copper to the high-conductivity aluminum alloy is beneficial to the overall performance of the alloy; 0.3% rare earth lanthanum is added to the highly conductive aluminum alloy， and the tensile strength of the alloy reaches the maximum.

Key words：magnesium; copper; lanthanum; content; highly conductive aluminum alloy; performance

鋁合金屬于一種可持續(xù)發(fā)展、綠色環(huán)保的有色金屬材料，該材料的優(yōu)勢(shì)眾多，比如塑性好、導(dǎo)電性能強(qiáng)、抗腐蝕性能好、密度小、導(dǎo)熱性能優(yōu)異等，因其優(yōu)勢(shì)較多，能夠在輸電設(shè)備、航空航天、汽車機(jī)械等領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用[1-3]。高導(dǎo)電鋁合金因其優(yōu)異的導(dǎo)電性能，主要應(yīng)用于高壓輸電設(shè)備中[4]。隨著我國(guó)對(duì)材料的應(yīng)用效果和要求不斷提高，高導(dǎo)電鋁合金的強(qiáng)度不夠高，并且具有比較差的機(jī)械加工性能，在一定程度就會(huì)導(dǎo)致高導(dǎo)電鋁合金的使用頻率降低。于是國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高導(dǎo)電鋁合金進(jìn)行不斷深入研究，試圖提高鋁合金強(qiáng)度和機(jī)械加工性能，使得高導(dǎo)電鋁合金具有更加優(yōu)異的綜合性能，從而能夠在實(shí)際生產(chǎn)加工中發(fā)揮更好的應(yīng)用效果[5-6]。在研究高導(dǎo)電鋁合金性能的文章中，主要的研究方向有兩種，首先是對(duì)高導(dǎo)電鋁合金的組成成分進(jìn)行分析，或者是從高導(dǎo)電鋁合金的加工工藝上進(jìn)行分析，目的都在于增強(qiáng)高導(dǎo)電鋁合金的性能[7-8]。由于高導(dǎo)電鋁合金的組成成分不同直接影響其性能，并且在高導(dǎo)電鋁合金中加入不同含量的元素，同樣會(huì)直接影響到鋁合金性能[9-10]。在高導(dǎo)電鋁合金中加入不同含量的鎂元素、銅元素和稀土元素鑭會(huì)影響到鋁合金的性能。文章為了提高高導(dǎo)電鋁合金的性能，對(duì)這幾種元素含量進(jìn)行分析，從而得出含量最佳的元素含量。另外，文章選擇的壓鑄成形的方式制作高導(dǎo)電鋁合金。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

實(shí)驗(yàn)過程中需要使用的主要材料有高導(dǎo)電鋁合金、鎂、銅和鑭;實(shí)驗(yàn)中使用的主要儀器有壓鑄機(jī)，其模具圖和試棒尺寸如圖1所示，還需要電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、數(shù)字電導(dǎo)率儀、金相顯微鏡等。

1.2 壓鑄實(shí)驗(yàn)

首先將高導(dǎo)電鋁合金放到壓鑄機(jī)的熔煉爐中，將其進(jìn)行熔煉。其中會(huì)產(chǎn)生一些雜質(zhì)，于是將溫度升高到660℃之后，在其中加入除渣劑，然后靜置0.5h，再在其中分別加入不同含量的元素，3種元素的含量如表1所示。最后再對(duì)壓鑄工藝參數(shù)進(jìn)調(diào)整，每一次壓鑄實(shí)驗(yàn)中的工藝參數(shù)都相同。

1.3 性能測(cè)試

使用金相顯微鏡對(duì)每組試樣進(jìn)行顯微組織觀察，發(fā)現(xiàn)加入不同元素含量對(duì)試樣組織的影響;然后使用電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣的拉伸性能進(jìn)行分析，其中拉伸速度設(shè)置為0.5mm/min，為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度，會(huì)進(jìn)行3次拉伸實(shí)驗(yàn)，然后取平均值作為抗拉強(qiáng)度;使用數(shù)字電導(dǎo)率儀對(duì)試樣進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)試，從而分析元素含量對(duì)高導(dǎo)電鋁合金導(dǎo)電性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 鎂元素含量對(duì)鋁合金性能的影響

2.1.1 高導(dǎo)電鋁合金組織的影響

通過使用顯微鏡對(duì)鎂元素不同含量下的鋁合金進(jìn)行顯微觀察，得到的結(jié)果如圖2和圖3所示。從圖中可以看出，與不加入任何元素的鋁合金相比（稱為普通鑄造），加入不同含量的鎂元素之后，初生α-Al和共晶Si出現(xiàn)明顯的細(xì)化變化，普通鑄造的α-Al晶粒尺寸在100～400?m，共晶Si尺寸在10～40?m，而經(jīng)過加入鎂元素之后，α-Al晶粒尺寸降低到10～35?m，共晶Si尺寸降低到5?m左右，這兩種晶粒尺寸出現(xiàn)了明顯的降低趨勢(shì)。

另外，從圖2和圖3中還可以看出，初生α-Al相和共晶Si相隨著鎂元素的添加，其形貌發(fā)生了比較大的變化。當(dāng)沒有加入鎂元素之前，初生α-Al相的形貌是具有很強(qiáng)取向性的樹枝晶狀，當(dāng)加入鎂元素之后，不管其加入多少的鎂元素，初生α-Al相的形貌就會(huì)改變，被打斷形成了花瓣?duì)詈蛨A快狀形貌，而共晶Si相也變?yōu)槿湎x狀。共晶Si相和初生α-Al相形貌發(fā)生變化的主要原因在于高導(dǎo)電鋁合金在鑄造過程中，在高壓作用下處于液體狀態(tài)的金屬會(huì)與模具進(jìn)行接觸，從而導(dǎo)致液體突然冷卻，在金屬固體和液體的界面會(huì)存在非常大的冷卻速度和溫度梯度，于是就會(huì)使得金屬鑄造過程中金屬表面組織發(fā)生變化，主要以枝晶和軸晶為主。

2.1.2 高導(dǎo)電鋁合金力學(xué)性能和導(dǎo)電率的影響

在高導(dǎo)電鋁合金中加入不同含量鎂元素之后，其抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率的變化趨勢(shì)如圖4所示。

從圖中可以看出，當(dāng)鎂含量不斷增加時(shí)，高導(dǎo)電鋁合金的抗拉強(qiáng)度發(fā)生了明顯變化，其變化趨勢(shì)為不斷增加，當(dāng)加入鎂元素含量為0.4%時(shí)，相比于沒有加入鎂元素的鋁合金，其抗拉強(qiáng)度大致增加了0.5倍。但是當(dāng)鎂元素含量不斷增加之后，鋁合金的導(dǎo)電率出現(xiàn)了明顯降低趨勢(shì)，與沒有加入鎂元素的鋁合金相比，導(dǎo)電率大致下降了0.18。所以為了使得高導(dǎo)電鋁合金具有更好的綜合性能，將其鎂元素含量設(shè)置為0.2%左右更為合適。

2.2 銅元素含量對(duì)鋁合金性能的影響

2.2.1 對(duì)高導(dǎo)電鋁合金組織的影響

在高導(dǎo)電鋁合金中加入不同含量的銅元素之后，使用顯微鏡進(jìn)行顯微觀察，其結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，與圖2進(jìn)行比較加入不同含量的銅元素之后，共晶硅的大小明顯變細(xì)，而且共晶硅的分布變得更加均勻，從圖5的最后兩幅圖中還可以看出晶粒的二次枝晶間距也出現(xiàn)明顯的變小情況。另外，當(dāng)銅元素含量不斷增加之后，共晶硅的大小變得越來越小，其晶相形貌也發(fā)生了變化。

加入銅元素之后，鋁合金會(huì)出現(xiàn)這種變化趨勢(shì)的原因在于：添加銅元素之后，會(huì)與鋁合金中的鋁元素形成二元共晶體（α-Al2 Cu），該晶體能夠起到強(qiáng)化作用。由于加入了銅元素，會(huì)使得鋁合金中發(fā)達(dá)的樹枝晶體出現(xiàn)破碎，樹枝晶端就會(huì)發(fā)生鈍化，然后形成細(xì)小的花朵狀晶粒，于是晶粒的形貌就會(huì)出現(xiàn)變化;加入銅元素之后，晶粒變細(xì)、分布變得更加均勻的原因在于合金在凝固之前（α-Al2 Cu）彌散析出，該晶體的形成會(huì)降低晶粒的長(zhǎng)大速度，然后合金又在高壓之下冷卻速度快，樹枝晶狀就會(huì)變小、分布更加均勻，因此就會(huì)增加鋁合金的致密性。

2.2.2 對(duì)高導(dǎo)電鋁合金力學(xué)性能和導(dǎo)電率的影響

加入不同銅元素之后，鋁合金的力學(xué)性能和電導(dǎo)率變化趨勢(shì)如圖6所示。從圖中可以看出，當(dāng)銅元素的含量不斷增加時(shí)，鋁合金的抗拉強(qiáng)度處于不斷上升狀態(tài)，但是其上升趨勢(shì)沒有鎂元素的明顯。然后當(dāng)銅元素的含量不斷增加時(shí)，鋁合金的導(dǎo)電率處于不斷降低趨勢(shì)。從圖中可以看出，當(dāng)加入的銅元素含量為2%，此時(shí)狀態(tài)的鋁合金力學(xué)性能和電導(dǎo)率都比較強(qiáng)。所以為了增加高導(dǎo)電鋁合金的綜合性能，加入銅元素的含量大致為2%更為合適。

2.3 稀土元素鑭含量對(duì)鋁合金性能的影響

2.3.1 對(duì)高導(dǎo)電鋁合金組織的影響

不同含量的鑭元素加入到合金中之后，其顯微組織如圖7所示。從圖7（a）和圖7（b）中可以看出，當(dāng)稀土元素鑭的含量不斷增加時(shí)，顯微組織的晶粒變得更加均勻和細(xì)小，并且還可以看出二次枝晶間距出現(xiàn)了明顯變小情況，該變化趨勢(shì)與前文所分析的銅元素和鎂元素變化情況一樣。當(dāng)鑭元素的含量繼續(xù)增加時(shí)，即如圖7（c）中所示，其中共晶硅的細(xì)化程度變低，而且還呈現(xiàn)出比重偏析現(xiàn)象。

之所以加入不同含量的鑭元素之后，合金的組織會(huì)出現(xiàn)不同的現(xiàn)象原因在于：在高導(dǎo)電鋁合金中鑭元素的固溶度非常小，于是在固液界面就使得前液相的濃度梯度增加，就會(huì)形成成分過冷現(xiàn)象，過冷度會(huì)比較大，于是就會(huì)導(dǎo)致合金液形核率增加，于是就會(huì)導(dǎo)致二次枝晶的間距變小;加入鑭元素之后，晶粒細(xì)化的原因在于鑭元素半徑小于硅和鋁，共晶硅在在生長(zhǎng)過程中需要進(jìn)行不斷調(diào)整，通過改變硅的生長(zhǎng)方式和形貌才能性能，在這個(gè)過程中就會(huì)使得晶粒變得更小;當(dāng)鑭元素的含量過多時(shí)，由于鑭元素過量就會(huì)生產(chǎn)出大量稀土夾雜物，從而發(fā)生比重偏析現(xiàn)象，于是就會(huì)增加晶粒的大小，于是其細(xì)化效果就會(huì)變小[11]。

2.3.2 對(duì)高導(dǎo)電鋁合金力學(xué)性能的影響

加入不同含量的鑭元素之后，高導(dǎo)電鋁合金的力學(xué)性能發(fā)生變化，其抗拉強(qiáng)度的變化趨勢(shì)如圖8所示。從圖中可以看出，當(dāng)鑭元素的含量不斷增加時(shí)，試樣抗拉強(qiáng)度的變化趨勢(shì)是先增加后降低，為了增強(qiáng)高導(dǎo)電鋁合金的力學(xué)性能，將其鑭元素含量設(shè)置為0.3%最為合適。

3 結(jié)語(yǔ)

為了增加高導(dǎo)電鋁合金的性能，使其能夠在應(yīng)用過程中表現(xiàn)出更好的效果，上文通過分析在其中加入不同含量的鎂元素、銅元素和鑭元素，最后鋁合金的性能發(fā)生了不同程度的變化。從研究結(jié)果可以看出，當(dāng)鎂元素含量為0.2%、銅元素含量為2%、鑭元素含量為0.3%時(shí)，更有利于高導(dǎo)電鋁合金的綜合性能。

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