微量合金元素對工業純鋁性能的影響

1、引 言

隨著科學技術的進步，電腦CPU的主頻在不斷提高，主頻的提高在提升了電腦運算功能、加快了電腦運行速度的同時，也大大增加了發熱量，因此，對電腦散熱片材料的傳導性能也提出了越來越高的要求。目前絕大多數電腦散熱片的材質是鋁合金，純鋁的導電、導熱性僅次于銀、銅，但因其強度不夠、切削性不好、粘刀等原因而難以加工成型，不能直接用來生產電腦散熱片。本研究試圖向工業純鋁中添加某些合金元素，提高其強度、改善其切削加工性能，同時不會對其導電導熱性能影響很大。分析探討這些合金元素對工業純鋁性能影響機理。不同元素對工業純鋁性能影響是不同的，本文研究了稀土、Al-Ti-B、zr元素以及它們互配對工業純鋁性能的影響。

2、實驗材料及實驗方法

2.1 實驗材料

實驗中用工業純鋁的元素組成見表1。

由于稀土元素非常活潑，容易燒損;zr元素與工業純鋁熔點相差很大，只能以中間合金的形式加入。實驗用A1-Re中間合金為實驗室自行配制，Al-Ti-B、A1-Zr等中間合金為外購。

2.2 實驗方法

由于稀土元素直接加入容易燒損，造成浪費，增加成本，所以必須配制中間合金。在配制時采取了一定的措施，在混料時加了與鋁料等量的玻璃態物質，開始加入2/3，到熔解后再加1/3的玻璃態物質，同時迅速用石墨鐘罩壓把稀土元素壓入熔體并攪拌，一定時間后澆鑄成塊備用。

具體的試樣加工工藝為:把一定比例的鋁錠放入坩堝加熱升溫熔化后，其他中間合金按照熔點高的先放入，低熔點后加入的順序加入，其中易燃燒的合金用鋁薄包裹加入，加入后攪拌均勻，保溫后進行造渣處理，接著使熔體回升到熔煉溫度，保溫幾分鐘后去除表面浮雜物，最后澆鑄成中80擠壓鑄錠。把中80的鑄錠在箱式電阻爐中均勻化退火8個小時，用300噸立式擠壓機擠壓成40×10mm的鋁排，然后將材料進行退火熱處理，最后進行性能測試。

在電子拉伸機上測試合金的抗拉強度;用7501渦流導電儀測定合金的電導率

3、實驗結果與分析

3.1 稀土對合金性能的影響

圖1為加入RE元素時合金強度與加入量的關系曲線。從曲線可知，材料強度隨RE的加入提高，但當加入量達到一定值后，強度下降，RE加入量在0.20-0.40%時抗拉強度最高達到110MPa以上。這是因為稀土具有改善組織，與基體鋁作用生成熔點高且不易分解的化合物ReAlx，高溫下具有良好的穩定性，精煉和凈化熔體;降低微量雜質元素的有害影響，特別是Re與Fe、si等元素作用。

圖2所示為RE加入對合金導電率的影響曲線。由圖2可以看出，隨著稀土元素的加入，導電率呈下降的趨勢，但導電率下降較緩慢。上述結果是與金屬導電理論相符的，即加入合金元素后產生的化合物引起的點陣靜畸變和熱振動點陣動畸變對電子造成散射，從而產生電阻，導致導電性能下降。工業純鋁加人RE后，導電率下降較緩慢與RE凈化溶液，除氣等作用分不開的。但稀土對鋁合金導電性能的影響還取決于稀土的加入量。一方面，適量的稀土可降低雜質在基體中的固溶度，提高導電率;另一方面，過量則在晶界形成稀土元素的偏聚，此時它又成了新的雜質。圖1、圖2證明:當RE含量為0.15-0.35%時，可獲得良好的綜合性能。

3.2 Al-Ti-B對工業純鋁性能影響

從圖3可以看到，在純鋁中加入合金元素Al-Ti-B后，抗拉強度有所提高，抗拉強度可以達到120Mpa。晶核激活理論認為得到好的細化效果，條件非常重要:一是熔體中必須有足夠的結晶核心存在;二是大部分潛在的晶核被激活。AI-Ti-B加入熔體后，最有效的結晶核心是TiAl3，TiB2顆粒則是潛在的晶核。由于熔體結晶是非平衡狀態下進行的，且TiAl3和TiB2顆粒的適配度很接近，從而TiB2顆粒極有可能成為結晶核心。從而更好的提高合金的力學性能。

圈4為工業純鋁中Al-Ti-B加入量與電導率的關系曲線。從圖4可看到，Al-Ti-B加入后對合金的導電率有下降的趨勢。AI-Ti-B加入到純鋁中會引起鋁的電阻率升高，這是符合金屬導電基本理論的，即任何一種雜質加入到金屬當中都會增加其電子散射，從而引起純金屬電阻率的升高，即導電導熱性下降。只是不同的雜質元素由于其原子半徑、電子結構等物理特性不同，引起純金屬電阻增加的幅度不同，一般認為由于AI-Ti-B中B的原子半徑與鋁的相差不大，B引起鋁的晶格畸變較小，因而引起鋁電阻率增加較小。由圖3、4可以看出Al-Ti-B加入量在0.4-0.6%時合金綜合性能較好。

3.3 Zr對工業純鋁性能影響

圖5 zr加入量與抗拉強度的關系曲線可以看到，Zr元素的加入對合金的抗拉強度叉很大的提高，加入0.30%Zr后合金的抗拉強度達到一個極大值，而隨著含量的增大，抗拉強度降低。這是因為在合金冷卻凝固時，Zr元素對合金晶粒有一定的細化作用，在zr含量較高的合金中有AL3Zr的存在。

由圖6 Zr加入量與導電率的關系曲線可以看出，加入合金元素后，導電率下降很明顯，這基本符合純金屬的導電理論，即對純金屬來說，合金元素以雜質的形式存在基體中，導電率自然就下降。加入Al-Zr后合金的導電率隨著含量不同而不穩定，在工業純鋁中加入0.20-0.40%的Zr效果最佳。

3.4 優化實驗

通過以上實驗結果及分析，我們可以看出，Re、Al-Ti-B、A1-Zr等幾種合金元素對工業純鋁性能影響各不相同，對試樣導電率影響很大。為此，設計了一組優化實驗，以考察它們互配加入對純鋁性能的影響。決定選用L4(23)，即選兩個不同的含量水平，以Re、AI-Ti-B、Al-Zr為因子，建立正交表2。Re、Al-Ti-B、AI-Zr互配加人對純鋁導電率的影響，結果見表3。

對正交實驗結果進行方差分析，結果見表3，可看出較優的工藝因子為:A2 Bl C2。所以合金較元素添加量為:Zr:0.30%。RE:0.20%。Al-Ti-B:0.40%時鋁合金綜合性能較好。

4、結 論

(1)稀土可以降低基體中雜質對導電率的有害影響，特別是與Fe、si元素的作用，減少Fe、si的固溶量，增大化合物形成的趨勢和能力，稀土的加入使工業純鋁的抗拉強度有明顯的提高。但含量要控制，當Re含量為0.15-0.35%時，可獲得良好的綜合性能。

(2)Al-Ti-B中間合金的加入對工業純鋁的抗拉強度有明顯的提高，其含量一般控制在0.40-0.60%為宜。

(3)zr加入到工業純鋁中，使得抗拉強度得到很大的提高，但不利于導電性。同時添加一定量的Re、Al-Ti-B到合金中，對導電性有益。AI-Ti-B的加入量在0.4%，Re0.2%Zr:0.3%時合金綜合性能較好。