淺談影響6101B合金型材導電性能的因素

宋　冰

(深圳市華加日西林實業有限公司， 廣東 深圳　518122)

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淺談影響6101B合金型材導電性能的因素

宋冰

(深圳市華加日西林實業有限公司， 廣東 深圳518122)

摘要本文通過對6101B合金生產工藝過程中對導電性能影響因素的分析，從而制定出合理的生產工藝條件，從而生產出既滿足型材力學性能要求，又具有良好導電性能的6101B導電型材。

關鍵詞6101B合金； 導電性能； 合金元素； 過時效

16101B鋁合金導電型材應用簡介

城市軌道交通是世界公認的低能耗、少污染的“綠色交通”。城市軌道交通憑借快速、便捷、安全、運量大和運輸效率高等特性，成為城市公共交通的重要組成部分。6101B鋁合金導電型材是城市軌道交通中地鐵、輕軌交通、磁懸浮列車供電系統的重要組成部分。它對列車的高速、安全可靠運行等都起著十分重要的作用。21世紀以來，具有節能、環保、快捷和大運量特征的城市軌道交通建設愈趨受到國內眾多城市的關注，近年來國內各大、中城市都在大力發展軌道交通, 根據國家“十三五”發展規劃，還將在未來五年新增城市軌道交通里程3000公里，與此相應的導電軌型材的市場需求量也將大幅度增長。

26101B合金導電型材性能要求

6101B鋁合金屬于A1-Mg-Si系可熱處理強化合金,作為導電材料其主要功能是在軌道交通上傳輸動力電流,因電流負荷大，單位面積內通過的電流密度很大，因此要求具有良好的導電性能,同時材料的后續加工和使用性能要求該合金必須具有中等強度,6101B—T6合金導電型材性能要求見下表1：

表1　6101B—T6合金導電型材性能標準要求

鋁合金的力學性能和導電性能往往是互相矛盾的，在滿足材料力學性能的前提下，提升材料的導電性能，這將有助于提升材料的動力傳輸能力，但也對材料生產工藝控制帶來了較大的難度，下面結合具體生產實踐，通過分析生產過程中對6101B合金導電性能影響的因素，從而確定合理的生產工藝條件，最終生產出既滿足型材力學性能要求，又具有良好導電性能的6101B導電型材。

3影響6101B合金型材導電性能的因素

3.1鋁金屬的一般特性

鋁在地殼中具有豐富的蘊藏量(約占地殼質量的8.2%，為地殼中分布最廣的金屬元素)，鋁的冶煉較簡便，具有密度小、可強化、易加工、耐腐蝕、導電導熱性能好等一系列優良特性，純度為99.990%的鋁在20℃的導電性能：電阻率為2.6548×10-8Ω·m；等體積的電導率為64.94% IACS。電工鋁若按單位質量導電能力計算，其導電能力為銅的一倍[1]，正是具有豐富的儲量和這些優良的特性，鋁及其鋁合金得到了極為廣泛的應用。

3.26101B合金導電型材生產工藝流程

6101B合金導電型材一般要經過從合金配料、熔煉、擠壓等一系列工藝過程，其生產工藝流程如下圖1：

圖1

3.36101B合金導電型材各工序對導電性能的影響

3.3.1合金成分

影響鋁導電性的因素很多，如其化學成分、雜質含量及其結晶狀態、加工工藝等，在眾多影響因素中，化學成分是影響鋁合金導電性的最基本因素[2]。為保證6101B合金力學性能，在鋁中同時加入鎂和硅，形成可熱處理強化的鋁合金，強化相為Mg2Si，Mg2Si在鋁中的最大溶解度為1.85%，且隨溫度的降低溶解度減小，時效時形成GP區和細小沉淀相對合金起強化作用。因此，在設計成分時，應保證有一定量的Mg2Si強化相，以保證型材熱處理后力學性能滿足要求，但又不能過高，以免對型材的導電性能降低產生較大的影響；在Mg2Si相中， Mg/Si比為1.73，但實際添加Mg、Si時，一般會有一定量的Si過剩，因一定量的過剩Si會有利于合金強度的提高，但過剩Si會降低導電性，所以適量的Mg2Si以及適量的過剩Si有利于鋁合金的力學性能提高，并維持與導電性能的平衡，一般6101B合金成分設計時Mg2Si的質量分數一般控制在0.8%—1.0%，鎂與硅的質量比控制在1.5左右。因雜質元素會降低合金導電率，如圖2所示， Cr、V、Ti、Mn、Zr對鋁基體導電率降低的影響最為明顯，Si、Mg、Cu、Fe對鋁基體導電率的降低作用中等，Zn、Ni、Bi等的作用較弱。而合金元素降低鋁的導電率，在固熔狀態比脫熔狀態更為顯著[1]。為控制雜質元素含量，因此在備料選擇鋁錠原材料時，應選擇雜質元素含量較低的鋁錠，6101B合金實際生產中一般選擇鋁含量在99.85%以上的鋁錠。6101B合金一般實際控制范圍如下表2：

圖2　合金元素對純鋁導電性的影響

標準MgSiFeCuMnZnTiZr其他雜質元素單個總量國標(%)0.35—0.60.3—0.60.10—0.30.050.050.10——0.030.10內控(%)0.5—0.60.3—0.40.10—0.150.010.010.02——0.010.05

3.3.2熔煉、鋁液凈化

鋁合金在熔煉過程中，熔體中存在氣體、各種非金屬夾雜物及其他金屬雜質等，影響熔體的純凈度[1]，同時對合金的導電率會產生不利的影響，因此，熔煉時應適當控制鋁合金熔煉溫度，以減少熔煉過程中因熔體吸氣、造渣對導電率的影響，一般6101B合金熔煉溫度控制在730℃—750℃之間。同時在爐內采用Ar氣吹氣噴粉精煉，相關試驗證明，使用Ar氣噴粉精煉后，材料的導電率會提高0.2%IACS以上；同時在鑄造時采用箱體式轉子除氣系統進行Ar氣在線除氣，經處理后，鋁液中含氣量由處理前的0.3 ml/100 gAl降低到處理后的0.15 ml/100 gAl以下，進一步提高合金的導電率。鋁液經泡沫陶瓷過濾器過濾凈化，可以降低鋁的電阻率[3],生產中采用50 ppI陶瓷泡沫(CFF)過濾板進行在線過濾，可較好的過濾去除鋁液中的夾雜物含量，合金的導電率提高0.3% IACS以上。

3.3.3鑄造

鑄造過程中為細化晶粒組織，避免鑄造時鑄棒產生中心裂紋，一般會在線加入AL—Ti—B晶粒細化劑，但Ti元素加入到合金中后會顯著降低合金的導電率，因此，在保證鑄棒晶粒組織不大于二級晶粒度的前提下，應盡量減少，同時，為避免鑄造時鑄棒開裂，可通過適當降低鑄造速度，降低鑄造溫度，適當加大鑄造水量的方式來解決。鑄造工藝參數見下表3所示：

表3

3.3.4鑄棒均勻化處理

鑄棒在均勻化熱處理過程中，合金基體中硬脆的魚骨狀β—AlFeSi相將斷裂、球化，轉變成а—AlFeSi，改善合金的擠壓性能，均勻化退火還可消除鑄造應力，從而降低變形抗力，提高擠壓生產效率；同時，鑄態合金中的枝晶偏析消除，大部分非平衡第二相Mg2Si相粒子回溶到基體中充分固溶，提高合金擠壓時效后的力學性能，此外，合金中含有的Fe、Mn、Zr等合金元素，由于在鋁中的擴散速度比較慢，在快速冷卻的鑄造條件下來不及沉淀，以過飽和狀態保留在固溶體中，將在鋁合金均勻化退火過程中，固溶體將發生分解，析出這些元素的化合物，將有助于提高合金的電子傳到能力，提高合金的導電率。一般6101B合金的均質工藝采用580℃保溫6小時，采用空氣快速冷卻，均熱后AlFeSi相а轉化率將達到80%以上，鑄棒合金導電率達到53%IACS以上。

3.3.5擠壓、固溶淬火

6101B合金導電材料一般單重較大或壁厚較厚，斷面形狀較簡單，擠壓比較小，為使擠壓時Mg2Si相充分固溶，一般采用較高的擠壓溫度，以保證型材擠壓出口溫度控制在520℃以上，達到Mg2Si相充分固溶的溫度條件，同時，為使Mg2Si固溶相保持到常溫下，型材冷卻時需采用快速淬火冷卻，故一般采用高壓噴水冷卻或穿水冷卻，典型的6101B合金型材擠壓工藝條件如下表4：

表4

3.3.6時效

對于6101B合金來說，強化相為時效過程中析出的GP區和β”相，第二相粒子強化不僅能使合金強度大幅度提高，而且使合金導電率的損失較小。第二相粒子的析出雖然會使電子流發生散射，促使合金導電率小幅度下降，但相比基體中固溶原子對電子流的散射作用，第二相粒子對電子流的散射作用要小得多，溶質原子脫溶析出第二相后合金能獲得比固溶體高的導電率，所以通過調控合金化學成分和生產工藝，采用過時效脫溶析出適當含量的第二相，可以同時改善鋁合金的強度及導電率。下面是6101B—T6合金型材在195℃時效溫度條件下不同時效制度力學性能和導電率檢測分析，見圖3，從圖中可以看出，隨著時效時間的增加，導電率和材料伸長率存在持續增加的趨勢，而抗拉強度和屈服強度則是先升高，在達到一個頂點后出現過時效，型材力學性能先是緩慢下降，隨后呈現加速下降的趨勢，從檢測數據看，采用195℃時效，時效時間控制在4—8小時之間均能滿足6101B—T6合金型材對力學性能和導電率的綜合要求，綜合時效生產效率和力學性能、導電率的雙重保證能力，最終確定采用195℃X 6小時的時效工藝。

圖3

4結束語

4.1綜上所述，影響6101B合金導電率因素是多方面的，須在合金成分選擇、雜質元素控制、熔煉凈化處理、鑄造、鑄棒均勻化處理、擠壓、固溶處理及時效工藝等各個環節進行控制管理，這樣才能在保證型材力學性能基礎上，盡可能提高其導電性能。

4.2公司依據上述原則，在反復實驗的基礎上，制訂了一整套完善的生產工藝，并進行了批量生產，生產的6101B—T6合金導電型材成功應用于國內首條中低速磁懸浮列車軌道交通線等其他軌道交通工程，取得了良好的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]王祝堂，田榮璋.鋁合金及其加工手冊[M].長沙：中南工業大學出版，2000，172-402.

[2]王桂芹，劉順華，高洪吾,等. 幾種元素對工業純鋁導電性的影響[J].大連理工大學學報,2000年7月 第40卷第4期.

[3]高洪吾,劉順華,周永江,等. 過濾工藝對鋁電阻率的影響[J].特種鑄造及有色合金,2001年第1期.

作者簡介：宋冰(1969—) 男 工程師 學士 主要研究金屬材料及加工、安全質量管理

中圖分類號：TG379

文獻標識碼：A

文章編號：1671-3818(2016)02-0005-04

Discuss the factors which affect conductive properties of 6061B alloy profiles.

Song Bing

(Shenzhen huajiari resistant Industrial Co. Ltd. , Shenzhen518122，Guangdong)

AbstractIn this paper, through the analysis of the influence factors on the electrical conductivity of 6101B alloy during the production process, so as to make a reasonable production process condition, produce 6101B conductive profiles which can not only meet the requirements of mechanical properties, but also have good conductive properties.

Key words6061B alloy, conductive properties, alloy element, overaging