熱處理工藝參數(shù)對6101鋁板帶力學(xué)性能與電導(dǎo)率的影響

闕石生，黃瑞銀，李學(xué)云，鄭宏智，張希園

（中鋁瑞閩股份有限公司，福州 350015）

0 前言

銅和鋁是兩種最主要的導(dǎo)電金屬材料。銅面臨著資源匱乏及價(jià)格高等不利因素，鋁作為地球上最豐富的有色金屬，具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、成形性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸在電力導(dǎo)線、儲能電站、新能源汽車等領(lǐng)域得以應(yīng)用，且大有以鋁代銅的趨勢[1]。

6101鋁合金是一種低合金化Al-Mg-Si系熱處理可強(qiáng)化合金，具有中等強(qiáng)度、良好的導(dǎo)電性及成形性，成為近些年來在導(dǎo)電材料的研究熱門對象[2-4]。特別是隨著新能源電動汽車及快充技術(shù)的快速發(fā)展，6101鋁板越來越被特斯拉等電動汽車企業(yè)廣泛地采用，不僅要求其具有較高的強(qiáng)度、優(yōu)異的導(dǎo)電率，還對合金的折彎加工等性能提出了較高要求[5]。鋁合金的強(qiáng)度與導(dǎo)電性能、折彎性能不易兼得，故而在確保電導(dǎo)率的前提下不降低過多的材料性能已成為材料生產(chǎn)工藝控制的難點(diǎn)和重點(diǎn)[7]。一般要求材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)185～225 MPa，屈服強(qiáng)度150～210 MPa，電導(dǎo)率≥56%IACS，90°折彎半徑為厚度的1倍。目前主要從以下兩方面進(jìn)行控制[2-6]：（1）低合金及微合金化：采用低Fe、Cu、Zn等雜質(zhì)高純鋁水，降低Cr、Mn、Ti、V等影響電導(dǎo)率有害元素的含量，適量增加B元素，促使與Cr、Ti、V等形成硼化物在晶界析出聚集，或添加稀土元素形成彌散的析出強(qiáng)化相；（2）時(shí)效工藝優(yōu)化：通過單級或雙極時(shí)效工藝開發(fā)，促進(jìn)Mg2Si強(qiáng)化相的析出，減少晶格畸變及對導(dǎo)電電子的散射。但這些控制措施在一定程度上面臨著增加成本、犧牲強(qiáng)度、忽略了后續(xù)折彎加工要求等問題。所以本研究的目的就是在不增加過多成本的基礎(chǔ)上，從熱處理工藝參數(shù)優(yōu)化角度入手，協(xié)同調(diào)控6101鋁合金的強(qiáng)度、導(dǎo)電率和加工性能。

1 試驗(yàn)方案

1.1 化學(xué)成分

試驗(yàn)材料為厚度3.0 mm的6101鋁合金板帶，合金成分如表1所示。

表1 6101試驗(yàn)合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 試驗(yàn)過程與方法

將冷軋板用UNITEMp快速升溫爐進(jìn)行固溶，水淬處理后，采用日本島津100 kN萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行預(yù)拉伸，然后在箱式爐內(nèi)進(jìn)行人工時(shí)效試驗(yàn)得到試驗(yàn)樣品。經(jīng)萬能試驗(yàn)機(jī)測試力學(xué)性能；利用Sigma-2008A渦流電導(dǎo)率儀檢測電導(dǎo)率；利用液壓折彎機(jī)評估折彎性能；利用蔡司光學(xué)顯微鏡觀察晶粒組織分布。

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)不同的熱處理工藝參數(shù)（固溶溫度、固溶時(shí)間、預(yù)拉伸量、時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)間等），以獲得良好的綜合性能。具體如下：

（1）采用530℃、555℃保溫15 s、45 s、60 s的固溶制度，探索該制度對晶粒及性能的影響。

（2）采用0.5%、3%、5%三種預(yù)拉伸量以探索預(yù)拉伸對性能與電導(dǎo)率的影響。

（3）采用單級時(shí)效160/180/200℃×（2～24）h和雙級時(shí)效85/165℃×4+200℃×（2～12）h，探索該時(shí)效處理制度對性能與電導(dǎo)率的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

6101合金主要是通過固溶和時(shí)效處理來控制其晶粒、組織尺寸及分布狀況，進(jìn)而影響成品的性能和電導(dǎo)率。大量的研究表明，6×××系的時(shí)效處理析出順序?yàn)椋害吝^飽和固溶體→GP區(qū)→β”→β’→β。時(shí)效過程中析出的G區(qū)和β”起到較好的強(qiáng)化效果，同時(shí)彌散分布的第二相相對固溶原子而言對導(dǎo)電電子的散射作用更小，更易獲得更大的電導(dǎo)率。

2.1 固溶溫度及時(shí)間對晶粒及性能的影響

圖1為不同固溶工藝條件下的表面和縱向晶粒分布情況。可以看出：在相同保溫時(shí)間下，隨著固溶溫度的提高，表面和縱向晶粒呈粗化趨勢，折彎橘皮更為明顯，見圖2；當(dāng)固溶溫度相同時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長，表面和縱向晶粒變化很小。

圖1 不同固溶工藝下的晶粒對比（放大100倍）

圖2 晶粒尺寸對90°折彎影響對比

表2顯示的是固溶制度對成品性能和電導(dǎo)率的影響。從表中可以看出，在相同的預(yù)拉伸、時(shí)效制度下，不同的固溶溫度和保溫時(shí)間對成品的性能和電導(dǎo)率影響很小。這表明6101為低合金化，經(jīng)溫度530℃以上短時(shí)間保溫即可完成充分固溶，為后續(xù)的時(shí)效析出奠定了良好基礎(chǔ)，對成品的性能和電導(dǎo)率的影響很小。

表2 不同固溶制度下的性能和電導(dǎo)率

2.2 預(yù)拉伸對性能和電導(dǎo)率的影響

表3為不同預(yù)拉伸條件下的性能和電導(dǎo)率對比表?？梢钥闯?，在固溶及時(shí)效制度相同的前提下，隨著預(yù)拉伸量的增加，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、電導(dǎo)率甚至延伸率均呈增加趨勢。這表明適當(dāng)增加預(yù)拉伸量將產(chǎn)生更多的滑移位錯(cuò)，后續(xù)的時(shí)效析出驅(qū)動力增強(qiáng)，從而獲得更好的時(shí)效強(qiáng)度。與此同時(shí)，析出相的增加將使固溶原子貧化，晶格畸變程度減輕，電導(dǎo)率得以進(jìn)一步提升[3]。

表3 不同預(yù)拉伸下的性能和電導(dǎo)率

2.3 單級時(shí)效對性能和電導(dǎo)率的影響

在固溶、預(yù)拉伸相同的前提下，單級時(shí)效制度對成品性能和電導(dǎo)率的影響見圖2和圖3。時(shí)效分成欠時(shí)效→峰時(shí)效→過時(shí)效三個(gè)階段進(jìn)程。隨著時(shí)效時(shí)間的延長，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度先增加后降低，電導(dǎo)率呈一直增加趨勢；隨著時(shí)效溫度的提高，更快進(jìn)入峰值時(shí)效，但峰值強(qiáng)度比低溫時(shí)效時(shí)更小。綜合客戶要求，可選擇單級時(shí)效工藝180℃×（8～24）h或200℃×(5～24)h，以保證抗拉強(qiáng)度達(dá)到186～223 MPa，屈服強(qiáng)度159.5～204.5 MPa，電導(dǎo)率56.20～57.41%IACS。

圖2 單級時(shí)效的性能趨勢圖

圖3 單級時(shí)效的電導(dǎo)率趨勢圖

2.4 雙級時(shí)效對性能和電導(dǎo)率的影響

在固溶、預(yù)拉伸相同的前提下，選擇兩種工藝方案探索雙級時(shí)效制度對成品性能和電導(dǎo)率的影響，結(jié)果見圖4和圖5。與85℃/4 h+200℃/（2～12）h相比，165℃/4 h+200℃/（2～12）h處理制度下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和電導(dǎo)率波動小，更穩(wěn)定，且強(qiáng)度保持在較高水平；在不犧牲過多強(qiáng)度的條件下，電導(dǎo)率仍保持在56.4～58.1%IACS區(qū)間，便于工業(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)。相比單級時(shí)效，雙級時(shí)效后的各項(xiàng)性能更佳、更穩(wěn)定，有利于實(shí)際生產(chǎn)控制。研究表明雙級時(shí)效比單級時(shí)效的β″和β′相尺寸更大，晶界無析出帶（PFZ）更寬，材料的電導(dǎo)率更高[8]。綜合各項(xiàng)指標(biāo)表明，165℃/4 h+200℃/（5～12）h制度更能保證抗拉強(qiáng)度223～227 MPa、屈服強(qiáng)度189～204MPa、電導(dǎo)率57～58.1%IACS。

圖4 雙級人工時(shí)效的性能趨勢圖

圖5 雙級人工時(shí)效的電導(dǎo)率趨勢圖

3 結(jié)論

（1）固溶溫度及保溫時(shí)間對成品的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及電導(dǎo)率影響較小，但晶粒呈長大趨勢，折彎橘皮越發(fā)明顯。

（2）隨著預(yù)拉伸的增加，產(chǎn)生更多的滑移位錯(cuò)，提供了更多的形核地點(diǎn)，有助于合金時(shí)效強(qiáng)化能力的提高，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、電導(dǎo)率均呈上升趨勢。

（3）隨著單級時(shí)效時(shí)間的延長，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度先增加后降低，電導(dǎo)率呈持續(xù)增加趨勢；隨著單級時(shí)效溫度的提高，更快進(jìn)入峰值時(shí)效，但峰值強(qiáng)度相比低溫時(shí)效更低。

（4）相比85℃/4h+200℃/（2～12）h，165℃/4h+200℃/（2～12）h處理制度下材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、電導(dǎo)率波動小、更穩(wěn)定，且強(qiáng)度保持在較高水平。雙級時(shí)效相對單級時(shí)效各項(xiàng)性能更佳更穩(wěn)定，有利于實(shí)際生產(chǎn)控制。

（5）結(jié)合熱處理各工藝參數(shù)對性能及電導(dǎo)率的影響規(guī)律，確定在固溶530℃×（15～60）s+預(yù)拉伸量0.5%+雙級時(shí)效165℃/4 h+200℃/（5～12）h制度下，材料可獲得優(yōu)良的綜合性能。