化學成分對8030鋁合金桿性能的影響研究

王歡 侯經(jīng)韜 殷智 紀劍峰 李偉強

（新疆眾和股份有限公司 烏魯木齊 830013）

1 研究背景

二十世紀七十年代美國、加拿大等國家研制出了8系鋁合金，與純鋁電線電纜相比抗蠕變性能得到顯著改善，推動了導(dǎo)電用鋁合金在工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域越來越廣泛地運用，雖然目前國內(nèi)已經(jīng)有如鄭州中原百姓廣場、成都歡樂谷公園、西安大唐西市等約200個項目在使用8系鋁合金電纜，但我國還沒有完全解決8 系鋁合金電纜機械性能與電性能之間的矛盾，目前使用的高品質(zhì)鋁導(dǎo)體仍然需要依靠高價進口[1]。

當下國家電網(wǎng)致力全面推進“三型兩網(wǎng)”建設(shè)，加快打造具有全球競爭力的世界一流5G 網(wǎng)絡(luò)生態(tài)的戰(zhàn)略部署，在此背景下，光電線纜需求量將迎來爆發(fā)式的增長。但5G 基站對通訊電纜的要求進一步提高，要求保持良好導(dǎo)電性能的基礎(chǔ)上具有更高的強度。由于8030 鋁合金桿沒有加工硬化效應(yīng)，化學成分決定了合金桿最終的性能，因此，本文就化學成分對8030鋁合金桿機械性能和電性能的影響進行研究，推動導(dǎo)體用鋁合金生產(chǎn)技術(shù)的進步和突破。

2 實驗材料

Fe和Cu是8030鋁合金中最重要的合金元素，有文獻報道了稀土對電工用鋁合金的各項性能都有利，于是本文主要研究Fe、Cu 和Er 對8030 合金桿性能的影響，實驗所用8030 鋁合金桿化學成分如下表1所示。

表1 8030鋁合金桿實驗化學成分/%

3 實驗方法

用連鑄連軋機組采用相同的生產(chǎn)工藝生產(chǎn)出直徑9.5mm 的8030 合金桿，進行抗拉強度和電阻率測試。測試抗拉強度使用CMT4204 型20kN 微機控制電子萬能試驗機，按GB/T 4909.3 的規(guī)定進行拉力試驗測試抗拉強度，拉力試驗機夾頭移動速度為50mm/min。測量電阻率使用PC360C 型電阻率測試系統(tǒng)，系統(tǒng)總誤差為±0.15%；游標卡尺：1000±0.1mm，符合GB 1214 規(guī)定；并包括精密天平、精度0.1℃的溫度計，按GB/T 3048.2-2007 規(guī)定的試驗方法測量電阻率。

4 實驗結(jié)果與討論

4.1 化學成分對抗拉強度的影響

在相同的生產(chǎn)工藝下，不同化學成分8030 合金桿的抗拉強度變化如圖1所示。

實驗結(jié)果表明，當Fe 含量在＜0.9%范圍內(nèi)增加時8030 鋁合金桿的抗拉強度不斷增大，但繼續(xù)增加Fe 含量則抗拉強度急劇下降。文獻[2]報道當鋁中Fe含量較低時有利于形成面心立方的置換固溶體β（FeAl3），該置換固溶體的形成導(dǎo)致鋁基體品格發(fā)生畸變，增大了位錯運動的阻力，從而提高了鋁基體的抗拉強度，但過多的Fe 加入會形成粗大難溶的第二相，成為裂紋產(chǎn)生的根源，抗拉強度會顯著降低[3]，因此建議Fe含量不應(yīng)超過0.9%。

Cu 在鋁中的最大溶解度是5.65%，溫度下降到300℃時，溶解度為0.45%，凝固過程中形成的CuAl2網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)沿晶界分布，對位錯和滑移有阻礙作用，起到一定的固溶強化效果[4]。本文實驗結(jié)果與該文獻報道一致，8030鋁合金的抗拉強度隨Cu含量的增大而不斷增大，因此從提高抗拉強度的角度出發(fā)應(yīng)盡量提高8030鋁合金中的Cu含量。

稀土Er 含量對抗拉強度的影響規(guī)律與Fe 含量類似，含量的分界點為0.20%。稀土元素Er 加入鋁合金中，可與基體Al 保持共格關(guān)系，有效釘扎位錯，穩(wěn)定亞結(jié)構(gòu)，阻止晶界滑移，從而提高鋁合金強度，但過量的稀土元素含量會產(chǎn)生稀土夾雜，降低了鋁合金的強度[5]。因此Er含量應(yīng)控制在0.20%以下。

圖1 8030鋁合金桿抗拉強度與化學成分的關(guān)系

4.2 化學成分對電阻率的影響

圖2為不同成分的8030鋁合金桿電阻率的變化情況。

圖2 8030鋁合金桿電阻率（20℃）與化學成分的關(guān)系

可以看出，F(xiàn)e 在較低含量時對電性能的影響并不顯著；但當Fe含量增加到1.2%以上后電阻率隨Fe含量增加迅速增大，因此8030鋁合金桿Fe含量應(yīng)控制在1.2%以下。

實驗結(jié)果表明，電阻率隨Cu 含量增大而不斷增大，由于銅元素在基體中以固溶態(tài)形式存在，引起晶格畸變，使得電子在傳播過程中的散射源增多，從而導(dǎo)致鋁合金導(dǎo)線的電阻率增大。因此將Cu 含量控制在較低水平更有利于8030合金桿的電性能提高。

圖2可以看出，提高稀土元素含量可以不斷降低8030鋁合金的電阻率，因為稀土元素加入8030鋁合金后可使鋁中的部分Si、Fe從固溶態(tài)轉(zhuǎn)變成析出態(tài)，從而對其導(dǎo)電性有利[6]。因此從電性能角度考慮，應(yīng)適當?shù)奶岣呦⊥梁俊?/p>

4.3 8030鋁合金桿性能驗證

通過化學成分對8030鋁合金桿抗拉強度和電阻率的影響研究，最終確定Fe 含量0.7-0.9%，Cu 含量0.15-0.25%，稀土Er含量0.15-0.20%，按該成分生產(chǎn)的8030合金桿經(jīng)檢驗抗拉強度138-145MPa，伸長率18-22%，20℃電阻率≤28.70nΩ.m。

圖3 8030合金桿抗壓蠕變性

8030鋁合金需長期服役在高溫環(huán)境下不可避免地會發(fā)生蠕變，因而其高溫蠕變的研究顯得尤為重要。在100℃、100MPa 條件下持續(xù)檢驗蠕變率隨時間變化如圖3 所示，100 小時后樣品表面輕微變形，端部無明顯破損，未斷裂，該成分下的8030鋁合金抗壓蠕變性能較好。

5 結(jié)論

研究了Fe、Cu和Er含量對8030鋁合金桿抗拉強度和電阻率的影響，根據(jù)研究結(jié)果確定較優(yōu)的8030鋁合金桿Fe 含量0.7-0.9%，Cu 含量0.15-0.25%，Er含量0.15-0.20%，按該成分生產(chǎn)的8030 合金桿經(jīng)檢驗抗拉強度138-145MPa，伸長率18-22%，20℃電阻率≤28.70nΩ.m，抗壓蠕變性能較好。