Fe和Cu元素對(duì)電氣用8030鋁合金性能的影響

吳振江

摘要：Fe和Cu是8030鋁合金中最主要的兩種合金化元素。為了探究8030鋁合金中Fe和Cu的合理含量及其強(qiáng)化機(jī)制，試驗(yàn)采用連鑄連軋、拉制和退火工藝制備了不同F(xiàn)e和Cu含量的8030鋁合金，分析了Fe和Cu對(duì)8030鋁合金鑄態(tài)組織、形變組織、力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的影響，并對(duì)不同成分的8030鋁合金的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和電阻率進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：合理的Fe和Cu含量可以獲得細(xì)小的合金鑄態(tài)組織，并在后續(xù)加工過(guò)程中形成織構(gòu)組織和彌散分布的第二相，提高合金強(qiáng)度的同時(shí)，保證塑性和導(dǎo)電性能;

當(dāng)Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%、Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.22%時(shí)，8030鋁合金有較好的綜合性能。

關(guān)鍵詞：8030鋁合金;Fe元素;Cu元素;性能

中圖分類號(hào)：TG 146.2⁺1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

電氣用導(dǎo)體應(yīng)具備優(yōu)良的導(dǎo)電率、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，實(shí)際應(yīng)用中還要求導(dǎo)體材料具有優(yōu)良的抗蠕變性、柔韌性和耐腐蝕性能。早期受制于國(guó)際經(jīng)濟(jì)環(huán)境影響等因素，電工鋁導(dǎo)體作為電氣用導(dǎo)體在我國(guó)具有普遍的應(yīng)用，但是由于冶金工藝技術(shù)與制造裝備落后，其在服役過(guò)程中暴露出許多不足。

20世紀(jì)80年代，8030鋁合金開(kāi)始作為電纜的電氣導(dǎo)體應(yīng)用于美國(guó)的建筑電氣線路中，近年來(lái)逐漸在國(guó)內(nèi)的建筑、工礦企業(yè)中得到應(yīng)用。8030鋁合金是一種經(jīng)過(guò)微合金化處理的電氣用鋁合金，根據(jù)美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM B 800-05規(guī)定：Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%-0.80%，Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%-0.30%。Fe和Cu是8030鋁合金中最主要的兩種合金化元素，其含量、形態(tài)及分布形式對(duì)8030鋁合金線材的性能具有重要影響。本文對(duì)8030鋁合金中的Fe和Cu元素的合理含量、強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行探究，為優(yōu)化合金元素的配比和制定生產(chǎn)電氣用鋁合金導(dǎo)體工藝參數(shù)提供依據(jù)。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)方案

根據(jù)美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM B 800-05的規(guī)定，按照Fe和Cu含量不同進(jìn)行成分設(shè)計(jì)分組，并對(duì)各組材料進(jìn)行熔煉、鑄軋、拉制成形和熱處理。

8030鋁合金的成分見(jiàn)表1。其中，鋁錠按照GB/T1196-2017《重熔用鋁錠》選用;合金元素以鋁中間合金的形式添加，鋁中間合金按照GB/T27677-2011《鋁中間合金》選用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

5t燃?xì)馊垆X爐，5t電熱精煉保溫爐，交流變頻電磁攪拌機(jī)，14機(jī)架φ255鋁合金連鑄連軋機(jī)組，11模單獨(dú)電機(jī)傳動(dòng)鼓輪非滑動(dòng)式拉絲機(jī)，5t電加熱箱式退火爐。

PG-1A金相拋光機(jī)，CMT-5105萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，QJl9型單雙臂兩用電橋儀，MH-3L型金相顯微鏡，JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡。

1.3 試樣制造工藝

熔煉工藝：鋁錠熔化溫度700℃，微合金化溫度750℃，期間進(jìn)行電磁攪拌和精煉除渣。

連鑄連軋工藝：初軋溫度480℃，終軋溫度320℃，將鋁合金熔體制成φ9.5mm的鋁合金桿。.

拉制工藝：鋁合金桿制成后，在室溫中放置24h，然后進(jìn)行拉制。拉絲鼓輪間增速比為1.25，潤(rùn)滑為噴淋式，潤(rùn)滑液溫度控制在45-55℃，成品直徑為φ2.5mm。

退火工藝：升溫速度100℃/h，380℃保溫5h，隨爐冷卻至150℃，出爐空冷至室溫。

2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1成分設(shè)計(jì)進(jìn)行樣品制備，制得的各組φ2.5mm的鋁合金線的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、電阻率數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1Fe和Cu對(duì)8030鋁合金鑄態(tài)組織的影響

圖1為不同成分的8030鋁合金桿的鑄態(tài)組織圖。圖1（a）是Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.60%，Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.40%的鋁合金桿試樣的金相組織圖，其晶粒尺寸約為60gin。圖1（b）是Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.40%，Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.18%的鋁合金桿試樣的金相組織圖，其晶粒尺寸約為55gm。圖1（c）是Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%，Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.22%的鋁合金桿試樣的組織圖，其晶粒尺寸約為35μm。可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e和Cu含量過(guò)高或過(guò)低都不利于獲得細(xì)小的晶粒組織，當(dāng)Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.45%，Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.22%時(shí)，合金材料具有最細(xì)小的組織，細(xì)小的鑄態(tài)組織有利于材料在后續(xù)加工處理中獲得更優(yōu)的性能。

3.2 Fe和Cu元素對(duì)8030鋁合金形變組織的影響

圖2為經(jīng)過(guò)拉制退火后，不同成分的φ2.5mm8030鋁合金線的掃描組織圖。鋁合金桿經(jīng)過(guò)拉制和退火處理后，合金組織得到細(xì)化。由于第二相的存在，在拉制過(guò)程中，晶粒主轉(zhuǎn)動(dòng)方向趨于集中，形成織構(gòu)。在退火處理后，部分固溶體析出形成第二相，且第二相的分布更加均勻、彌散，合金的伸長(zhǎng)率提高，電阻率下降，電導(dǎo)率升高。試樣l與試樣5的晶粒呈定向排列，特別是試樣5組織細(xì)化和晶粒定向排列明顯。

3.3 Fe和Cu對(duì)8030鋁合金力學(xué)性能的影響

由圖3和圖4可以看出，當(dāng)Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.18%，0.22%和0.40%時(shí)，隨著Fe含量的增加，8030鋁合金試樣的抗拉強(qiáng)度增加，伸長(zhǎng)率降低。當(dāng)Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.40%和0.60%時(shí)，隨著Cu含量的增加，8030鋁合金試樣的抗拉強(qiáng)度升高，伸長(zhǎng)率降低。當(dāng)Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%時(shí)，隨著Cu含量的增加，8030鋁合金試樣的抗拉強(qiáng)度升高，伸長(zhǎng)率先升高后降低。

Fe原子的半徑為1.72×10^-16m，Al原子的半徑為1.82x10^-16m，兩者原子半徑相差5%，666℃以下，Al中Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.04%時(shí)，有利于形成面心立方的置換固溶體β（FeAl₃），β相是呈針狀的脆性相，有較高的強(qiáng)度。置換固溶體的形成導(dǎo)致鋁基體品格發(fā)生畸變，品格畸變?cè)龃罅宋诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而提高了鋁基體的抗拉強(qiáng)度。

Cu的原子半徑為1.57x10^-16m，與Al的原子半徑相差14%，在302℃以下時(shí)在Al中的固溶度為0.45%，當(dāng)Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%-0.30%時(shí)，在300℃到室溫，Cu與Al形成α（Al）和少量θ（Al₂Cu）相，θ相為體心立方，具有較高的硬度，作為強(qiáng)化相，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，具有釘扎位錯(cuò)的作用，提高強(qiáng)度。

Fe與Cu固溶在Al基體中，可以提高合金的強(qiáng)度，但是對(duì)合金的塑性造成不同程度的不利影響。因此，合理設(shè)計(jì)Fe和Cu的含量，使Fe和Cu在稀土的吸附作用下，以第二相的形式存在，可以在提高鋁合金強(qiáng)度的同時(shí)，保證合金的塑性。

3.4 Fe和Cu元素對(duì)8030鋁合金導(dǎo)電性能的影響

圖5為不同F(xiàn)e和Cu含量8030鋁合金的電阻率曲線。從圖5中可以看出，當(dāng)Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.18%，0.22%和0.40%時(shí)，隨著Fe含量的增加，8030鋁合金的電阻率增加。當(dāng)Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.40%和0.60%時(shí)，隨著Cu含量的增加，8030鋁合金的電阻率增加。當(dāng)Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%時(shí)，隨著Cu含量的增加，8030鋁合金的電阻率先降低后增加，當(dāng)Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.22%時(shí)，電阻率達(dá)到最小值27.7Ω·nm。

Fe形成固溶體的量對(duì)于鋁合金電氣性能具有重要影響，當(dāng)Fe含量較低時(shí)，形成的固溶體較少，雖然合金的強(qiáng)度提高有限，但其電性能較好;當(dāng)Fe含量較高時(shí)，固溶體含量較高，材料強(qiáng)度明顯提高，但對(duì)其導(dǎo)電性能具有不利影響。

采用JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡，利用電子背散射衍射技術(shù)測(cè)得相關(guān)極圖。為避免降低測(cè)試樣品的透明度帶來(lái)的誤差，須保證樣品表面無(wú)氧化和腐蝕存在。

圖6為不同F(xiàn)e和Cu含量的8030鋁合金絲的織構(gòu)極圖。由圖6可見(jiàn)，三個(gè)試樣的晶體取向大多集中在{111}晶面的法向，呈現(xiàn)纖維狀組織及織構(gòu)。試樣5的極密度及晶面法向取向的集中程度大于試樣9和試樣1。試樣9、試樣l和試樣5在<111>方向的極密度分別為1.87，2.37和2.65。試樣5的織構(gòu)組織更明顯。

織構(gòu)使晶體取向與材料形變的軸向平行，提高軸向強(qiáng)度;由于織構(gòu)中晶體取向的一致性，電子傳輸更流暢，從而降低電阻率，提高材料的導(dǎo)電性能。

4結(jié)論

（1）8030鋁合金中，合理的Fe和Cu含量可以獲得細(xì)小的鑄態(tài)組織，并在后續(xù)加工過(guò)程中形成織構(gòu)組織和彌散分布的第二相，提高合金強(qiáng)度的同時(shí)，保證塑性和導(dǎo)電性能。

（2）當(dāng)Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%、Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.22%時(shí)，8030鋁合金絲可以獲得較好的綜合性能。