時效制度與預拉伸對6101B鋁合金性能的影響

王東輝，唐鴻洋，孫祥彬，竇志家

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

導電器件的原材料以銅和鋁為主，其中銅的價格較高[1]，且儲量一直處于下降狀態。鋁是地球上儲量最豐富的金屬元素，且價格較低，我國一直在進行鋁導體替代銅導體的研究[2-3]。

導電器件的原材料既要有高導電性能又要有一定的強度。6101B鋁合金可熱處理強化，具有良好的導電性能，已被列為導電材料[4-6]。但是為了追求導電性能，在實際生產中經常出現強度不滿足要求的情況。本文應客戶要求開發一種高電導率6101B合金，對其時效工藝進行了探究。

1 試驗材料及方法

6101B合金化學成分要求如表1所示，材料性能要求：屈服強度≥100 MPa，抗拉強度≥130 MPa，電導率≥56%IACS。本試驗材料為采用36 MN單動正向擠壓機生產的6101B鋁合金型材，型材在生產過程中進行在線固溶處理，時效制度見表2，每種時效制度制備三組試樣。

采用島津100 KN萬能材料試驗機測試拉伸性能；采用蔡司掃描電子顯微鏡進行顯微組織觀察；利用Sigmatest2.069渦流電導率測試儀測試材料的電導率。試驗測試結果均以平均值進行表征。

2 試驗結果

不同時效制度下6101B合金的性能測試結果如表2所示。隨著時效進程的增加(欠時效-峰值時效-過時效)，合金的力學性能呈先上升后下降的趨勢；而合金的電導率則不斷升高，在(260±3) ℃×6 h時效制度下，電導率達到了56.55 %IACS，滿足客戶要求。而此時合金的力學性能卻未達到客戶要求，故而設計預拉伸試驗對材料性能進行優化，以期提高合金的力學性能。

表1 6101B合金化學成分(質量分數，%)

表2 不同時效制度下合金性能

3 優化試驗

預拉伸后進行時效處理屬于一種形變熱處理方法，使合金在時效后獲得更多的析出相，從而起到強化效果。選擇(260±3) ℃×6 h作為預拉伸后的時效制度，預拉伸永久形變量分別為0、3%、4%和5%。永久形變量測定方法為：預拉伸前在料樣上畫出100 mm長的標距，拉伸后測量兩標距間的長度，即永久變形量=(拉伸后兩標距間距離-100 mm)/100 mm×100%，試驗結果如表3所示。隨著預拉伸永久形變量的增加，合金屈服強度不斷升高，電導率則有著一定程度的上升。最佳工藝為：預拉伸量5%+時效制度(260±3) ℃×6 h，此時屈服強度為111.3 MPa，抗拉強度149.3 MPa，電導率56.91 %IACS，滿足客戶要求。

表3 不同預拉伸下合金性能

4 組織觀察

經(175±3) ℃×8 h及(260±3) ℃×6 h兩種時效制度處理后，試樣的顯微組織如圖1所示。其中，經(175±3) ℃×8 h時效處理后試樣的晶界處析出相細小且連續，經(260±3) ℃×6 h時效處理后試樣的晶界處析出相粗大，且間距變大。

形變量0%和3%預拉伸處理后試樣的顯微組織如圖2所示。可以看出，型材經過預拉伸處理后，韌窩尺寸以及深度都明顯增大。由此可知，預拉伸形變量為0%的試樣在經過時效后其第二相析出量要少于形變量為3%的試樣[7]。

5 分析及討論

鋁合金電導率高低與其析出相的共格性、溶質原子濃度及晶界析出相的尺寸和分布有關。本文時效制度設置為低溫短時到高溫長時，演化了欠時效、峰值時效以及過時效的變化過程。隨著時效溫度以及時效時間的增加，析出相不斷長大，使得其與基體逐步由共格、半共格向非共格轉變。因此析出相引起的晶格畸變不斷減小，對電子的散射作用減弱，電導率也隨之逐漸上升。析出相長大的同時，需吸收大量的溶質原子，基體內溶質原子濃度降低，晶界出現貧溶質原子區，晶格畸變程度減小，電子散射源的數量減少，對傳導電子的阻礙作用減小，合金的電導率升高[8]。

(a)(175±3) ℃×8 h；(b)(260±3) ℃×6 h圖1 不同時效制度下合金的顯微組織Fig.1 Microstructure of alloy under different aging system

(a)0%；(b)3%圖2 不同預拉伸形變量下合金的顯微組織Fig.2 Microstructure of alloy under different pre-stretching deformation

鋁合金強度變化由析出相的尺寸、數量以及分布決定。隨著時效進程的增加，合金的析出相數量逐漸增多，合金的強度亦不斷升高，在峰值時效時，合金強度達到了極值。進入過時效階段時，合金析出相的尺寸開始增大，晶界處以及晶內析出相開始發生聚集，合金強度則出現了下降趨勢。預拉伸+人工時效屬于鋁合金形變熱處理中的一種，其原理是將塑性形變的形變強化與熱處理時的相變強化結合，從而使合金獲得更高的強度。隨著預拉伸形變量的增加，合金的變形儲能增加，組織轉變驅動力亦在增大，從而導致合金內部析出相數量增多，增加了合金的強度[9]。與此同時，析出相的增加使得溶質原子濃度降低，晶格畸變程度減小，電導率進一步提高。

6 結論

1)6101B鋁合金最佳工藝為淬火后進行5%預拉伸，人工時效制度為(260±3) ℃×6 h，此時屈服強度為111.3 MPa，抗拉強度為149.3 MPa，電導率為56.90 %IACS，性能均滿足客戶要求；

2)隨著“欠時效-峰值時效-過時效”進程的增加，合金的析出相數量增多并發生長大，電導率提升，強度先上升后下降；

3)經預拉伸后，合金細小析出相數量增加，電導率上升，強度提升。