热处理工艺对导电铝合金力学性能的影响

647 编辑：中冶有色技术网来源：刘玉玲, 张修庆

2024-04-25 15:56:56

热处理工艺对导电铝合金力学性能的影响总结：

摘要: 导电铝合金以其质量轻，导电性能好，成本低等优点，成为了目前导电材料领域的研究热点之一。本文制备了新型Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金，讨论了热处理工艺参数对其力学性能的影响规律。研究表明：随固溶温度、固溶时间、时效温度、时效时间的增加，合金的强度都随之增加，并达到一个最大值。随后，随这些工艺参数的增加，材料性能反而降低。由此，得到了合金的最佳热处理工艺为在440℃固溶12小时，水淬后在205℃时效16小时。本文的研究为导电铝合金的应用提供了数据支持。

纲要：

根据目前的研究，Zr、RE、B等元素在铝合金中可以形成细小弥散析出相，不仅可以对基体进行强化，还可以在一定程度上保证合金的导电性 [12] 。2. 实验材料与方法实验所用Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金是用纯度均大于99.0%的Al、Zr、RE和B，按质量分数配比后，进行感应熔炼，合金熔炼后浇注成试块和标准试样，然后在电阻加热炉中进行固溶–时效处理。选择HB-3000布氏硬度仪测定合金的硬度，载荷50 kg，加载时间30 s。利用WRX-12-11型卧式电阻加热炉对试块和标准试样进行固溶–时效处理。合金力学性能测试在Zwick T1-FRO20电子万能材料试验机上进行，应变速率为0.5 mm/min。Figure 1. Dimension of samples for tensile test (mm)图1. 拉伸试样尺寸(单位为mm)3. 实验结果与讨论3.1. 固溶温度对Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金力学性能的影响图2为固溶温度对Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金力学性能的影响。合金的力学性能拉伸测试状态为在不同固溶温度下固溶12 h后水冷，不进行时效处理。Figure 2. Effect of solution temperature on mechanical properties of Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B alloy图2. 固溶温度对Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金力学性能的影响在固溶过程中，Al3Zr相主要经历溶解和扩散两个阶段。从图中可以看出，随着时效时间的增加，Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金的延伸率持续降低，但是合金的拉伸强度增加，当时效时间达到12 h时，铝基合金的拉伸强度达到最大。Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金中，Al3Zr时效沉淀相析出，提高了材料的硬度和强度。

内容：

1. 引言

导电铝合金是电力行业应用最广泛的导电材料，在世界范围内有很大的市场量

目前较为成熟的铝合金电工杆主要有6201、6101、3003等合金，其具有导电性能好、质量轻、弧垂特性好等优点 [1] [2] [3]

但是，技术发展要求导电铝合金具有更高的强度和导电率

因此，对高强高导铝合金的研究成为目前的研究热点之一

根据导电理论，合金元素在基体中形成细小弥散的析出相时，对合金的导电性能影响最小

Zr合金元素在铝合金中可使退火态合金中的析出相更加细小、弥散，显著提高退火态合金的力学性能 [4] [5] [6]

在导电铝合金中，通过适当的硼化处理，可以使铝中的Ti、V等元素含量大幅度降低，从而提高材料的导电性能和力学性能 [7]

稀土元素也可以细化铝合金的铸态组织，并和Fe、Si等元素结合生成了二元或三元稀土化合物相，去除有害杂质元素，净化合金 [8] [9] [10] [11]

根据目前的研究，Zr、RE、B等元素在铝合金中可以形成细小弥散析出相，不仅可以对基体进行强化，还可以在一定程度上保证合金的导电性 [12]

在这类铝合金中，析出相的形态和分布对合金性能影响较大

所以对合金进行合适的热处理，控制其析出相的尺寸、形态和分布，可以有效控制材料的力学性能 [13] [14] [15]

Huang等人研究表明，在Al-Er-Zr合金时效过程中，Zr可以延缓析出相的长大速度，使析出相细化，从而提高材料性能 [16]

因此，本文制备了Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金，讨论了固溶温度、固溶时间、时效温度、时效时间等热处理工艺条件对其力学性能的影响，以获得最佳的热处理工艺参数

2. 实验材料与方法实验所用Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金是用纯度均大于99.0%的Al、Zr、RE和B，按质量分数配比后，进行感应熔炼，合金熔炼后浇注成试块和标准试样，然后在电阻加热炉中进行固溶–时效处理

采用DLZ-35中频感应加热设备，振荡功率35 KW，冷却水压0.2 MPa

选择HB-3000布氏硬度仪测定合金的硬度，载荷50 kg，加载时间30 s

试块大小为Ф20 × 15 mm的圆柱体

每个样品的测试点不少于5个，实验数据最终取该5点的平均值作为测定结果

利用WRX-12-11型卧式电阻加热炉对试块和标准试样进行固溶–时效处理

该过程在氮气保护，真空度为66.7 MPa下进行

固溶温度为420℃~460℃，固溶时间为2~60 h，时效温度为160℃~220℃，时效时间为0~60 h，固溶后水淬冷却

合金力学性能测试在Zwick T1-FRO20电子万能材料试验机上进行，应变速率为0.5 mm/min

拉伸试验测试内容包括：抗拉强度、屈服强度和延伸率

标准试样如

图1所示

Figure 1. Dimension of samples for tensile test (mm)

图1. 拉伸试样尺寸(单位为mm)3. 实验结果与讨论3.1. 固溶温度对Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金力学性能的影响

图2为固溶温度对Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金力学性能的影响

合金的力学性能拉伸测试状态为在不同固溶温度下固溶12 h后水冷，不进行时效处理

从

图中可以看出，随着固溶温度的升高，Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金材料的拉伸强度增加，延伸率增加

当固溶温度为440℃时，合金的拉伸强度和延伸率达到最大，随着固溶温度继续升高，合金的拉伸强度和延伸率反而下降

Figure 2. Effect of solution temperature on mechanical properties of Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B alloy

图2. 固溶温度对Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金力学性能的影响在固溶过程中，Al3Zr相主要经历溶解和扩散两个阶段

在溶解过程中，Al3Zr相在细小处断裂，分割成短的片段，溶解阶段一般在较短的时间内完成；固溶过程中的扩散过程主要是Zr在Al基体中的扩散和原子置换

由于析出相的生成，在Al合金中引入了位错和界面，促进了Zr在基体中的扩散，使得Zr元素的扩散能力得到了很大的提高，从而降低了Al3Zr相固溶的阻力 [17]

合金元素在基体中的扩散能力主要由扩散系数和扩散激活能来体现，而扩散系数取决于扩散激活能和温度

扩散激活能与扩散系数之间有如下关系 [18] ：D=D0exp(?QRT)(1)式中，Q为扩散激活能，D0为扩散常数，R为气体常数，T为温度

铝合金中的位错和界面降低了扩散激活能，从而提高了扩散系数，促进了Zr在Al基体中的扩散，促进固溶

随着固溶温度的升高，Zr在Al基体中固溶度增加，Zr可以充分固溶到Al基体中，在随后的冷却过程中，形成过饱和固溶体，提高材料的强度

当固溶温度低时，Zr在Al基体中固溶不完全，有部分凝固形成的粗大Al3Zr相存在，降低了材料强度

当固溶温度过高时，会引起铝基体晶粒长大，造成晶粒粗化，从而降低材料强度

对于Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金，固溶温度设为440℃

3.2. 固溶时间对Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金力学性能的影响

图3是固溶温度为440℃时，固溶时间对Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金力学性能的影响

铝合金的测试状态为在440℃时固溶不同时间后进行水冷，不进行时效处理

从图3中可以看出，对于Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金，随着固溶时间的增加，合金的强度增加，延伸率增加

但当固溶时间达到12 h后，延长固溶时间，合金的延伸率和强度反而降低

Figure 3. Effect of solution time on mechanical properties of Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B alloy

图3. 固溶时间对Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金力学性能的影响在铝合金中，随着固溶时间的延长，Zr在Al基体中固溶度增加，充分固溶到Al基体中，在随后的冷却过程中，形成过饱和固溶体，提高材料的强度

当固溶时间过短时，Zr在Al基体中固溶不完全，有部分凝固形成的粗大Al3Zr相存在，降低了材料强度

但长时间处于固溶温度下，会导致铝基体晶粒长大，造成晶粒粗化，降低合金强度

对于Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金，固溶时间选择为12 h

3.3. 时效时间对Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金力学性能的影响

图4是时效时间对纯铝和Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金材料硬度的影响

处理状态为在440℃固溶12 h后水冷，然后在200℃时效

随着时效时间的延长，纯铝和Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金的硬度都大幅度增加，但是当时效达到一定程度后，时效时间继续延长，材料的硬度反而会下降

Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金在12 h时达到时效硬化峰值，而纯铝在16 h达到时效硬化峰值

Figure 4. Effect of aging time on hardness of material at 200℃

图4. 在200℃下时效时间对材料硬度的影响

图5为440℃固溶12 h，时效温度为200℃后，时效时间对Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金力学性能的影响

从图中可以看出，随着时效时间的增加，Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金的延伸率持续降低，但是合金的拉伸强度增加，当时效时间达到12 h时，铝基合金的拉伸强度达到最大

继续进行时效处理，合金的拉伸强度降低

Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金中，Al3Zr时效沉淀相析出，提高了材料的硬度和强度

所以随时效的进行，纯铝和Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金的硬度增加

当出现时效硬化峰后，继续进行时效处理，会导致晶粒的粗化和析出相的聚集长大，从而降低材料的硬度

合金的力学性能与合金的显微组织有着密切的联系

时效处理时，时效阶段的析出相(主要是Al3Zr相)强化了合金基体组织，从而合金抗拉强度得到大幅的提高

随着时效时间的延长，Al3Zr析出相数量增加，对合金的强化效果加强

时效处理16 h后，Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金的抗拉强度却有所下降

综合分析，对于Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金而言，时效时间选择为12 h

3.4. 时效温度对Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金力学性能的影响

图6为440℃固溶12 h，时效12 h状态下，时效温度对Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金力学性能的影响

从图中可以看出，对于Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金，时效温度影响合金的强度和延伸率

随着时效温度的升高，合金的强度增加，延伸率增加，而且延伸率增加明显

在时效温度为205℃时，合金的强度达到最大

当时效温度超过205℃后，随着时效温度的升高，合金的延伸率和强度都有所降低

文献认为，由金属间化合物和合成和析出相的析出，使得合金内部的能量或者晶体缺陷数量增加，主要认为是由于位错密度的增加和界面数量的增多 [19]

一方面铝合金存在的各种缺陷中产生了大量的非均匀形核部位，Al3Zr时效沉淀相的析出，同时降低了Al3Zr时效沉淀相形成时所需的激活能；另一方面，原子可通过缺陷进行短程扩散，扩散速度加快，因而促进了析出相的形核和长大

具体表现为，微观上

Figure 5. Effect of aging time on mechanical properties of Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B alloy

图5. 时效时间对Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金力学性能的影响

Figure 6. Effect of aging temperature on mechanical properties of Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B alloy

图6. 时效温度对Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金力学性能的影响Al3Zr时效沉淀相的析出加快，宏观上Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金硬化速度提高

随着时效温度的升高，合金中析出相所占比例增大，合金的强度增加

但是当时效温度达到205℃时，继续升高时效温度会导致Al3Zr析出相快速长大粗化，从而降低材料强度 [20]

对于Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B合金，时效温度选择为205℃

3. 结论

本文制备了新型的Al-0.5Zr-0.2RE-0.2B导电合金，研究了固溶–时效处理工艺参数对合金力学性能的影响规律

研究表明：1) 随固溶温度的升高和固溶时间的延长，合金元素在铝基体中固溶充分，合金的强度提高，塑性提高

在固溶温度为440℃时，固溶时间为12 h时合金的强度和塑性达到最高

此后固溶温度继续升高，固溶时间继续延长，合金中析出相逐渐变得粗大，合金的强度和塑性反而降低

2) 随时效时间的延长，时效温度的升高，合金中析出相数量增加，合金的强度、硬度都大幅度增加

在时效时间为12 h，时效温度为205℃时，合金的强度达到最大

此后，时效时间继续延长，时效温度的升高，材料的强度、硬度反而会下降

3) 在本实验范围内，合金的最佳热处理工艺为在440℃固溶12 h，水淬后在205℃时效12 h

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