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溶体复合硼化处理及第二相形貌演变对铝合金导电率影响机制的研究

崔晓丽  
【摘要】:铝及铝合金具有密度小、比强度高、导电导热性能好等优点,广泛应用于电线电缆、电器开关等领域。但是,铝合金导体材料良好的导电性和优异的力学性能往往不能兼顾,限制了其应用范围。本文以微合金化铝合金以及亚共晶Al-Si系铝合金为主要研究对象,通过熔体复合硼化处理、挤压变形、热处理等,降低过渡族金属元素及Ca的固溶量、改善第二相形貌及分布,同时提高其导电率与力学性能,以期实现铝合金导体材料的结构、功能一体化。全文的主要研究工作如下:1)微合金化铝合金熔体的硼化与细化复合处理工艺研究对于微合金化铝合金,熔体的硼化与细化复合处理工艺可以在提高合金导电率的同时保证其良好的力学性能。试验结果表明,先硼化处理后晶粒细化更有利于导电率和力学性能的同步提高。硼化处理过程中,Al-B中间合金添加形式、添加量、微量元素Ti等与硼化处理效率紧密相关,研究发现微量Ti可促进铝熔体中的过渡族金属元素以多元硼化物的形式析出,从而显著提高硼化处理效率,并以此建立了硼化反应机制的理论模型。对于AA1070A1,添加2%Al-3B中间合金进行常规硼化处理的效率为77.7%,合金导电率由60.8%IACS提高至64.6%IACS,提高了6.3%;添加微量Ti辅助硼化处理后,硼化处理效率提高至93.3%,合金导电率达到65.3%IACS;类似地,对于其它微合金化铝合金,如Al-0.5Fe-0.2Si,添加4%Al-3B中间合金,保温15min时,其导电率由53.0%IACS提高至58.3%IACS,提高了10.0%。硼化处理后结合晶粒细化可实现导电率与力学性能的良好匹配。结合以上试验结果,先添加1200ppm的B后添加0.5%Al-5Ti-0.8B-0.2C复合处理后热挤压获得Φ14±0.5mm的AA1070A1铝杆,其导电率提高到65.0%IACS,室温极限拉伸强度和延伸率分别由67MPa和53%提高至85MPa和58%,导电率和力学性能均明显优于GB/T3954-2014电工圆铝杆中相应的国家标准值。利用硼化与细化复合处理工艺同样可以提高Al-0.5Mg-0.35Si、Al-0.5Fe-0.2Si及Al-0.8Fe-0.2Cu三种微合金化铝合金的导电率与力学性能。2)铝熔体中Cr、Ca金属硼化物形貌演变规律及其对合金导电率的影响利用铝熔体原位合成法制备了Al-Cr(Ca)-B合金,研究了CrB2及CaB6两种硼化物的反应合成、形貌演变规律及其对合金导电率的影响。熔体制备温度影响Al-Cr-B合金中的物相组成、过渡族金属硼化物反应路径以及晶体形貌。熔体温度在650℃时加入Cr剂后缓慢升温至850℃,优先生成中间相AlCr2B2后逐渐转变成六棱柱形貌的CrB2;熔体温度直接升至850℃时加入Cr剂,溶解态的B与Cr反应生成六角板片状的CrB2;熔体温度高于1000℃时,六角板片状的CrB2颗粒生成量大大减少而伴随大量AlB12颗粒生成。通过研究近邻元素Mn对CrB2晶体生长及形貌演变的影响,发现Mn易取代部分Cr引起CrB2发生成分演变、结构演变,分别形成掺杂型的(Cr1-xMnx)B2和(Cr1-xMnx)3B4颗粒。对于Al-CaB6合金,在反应合成过程中CaB6不同生长阶段的形貌特征易被保留下来,大部分呈规则的立方体形貌,遵循择优循环生长机制。铝合金中添加CrB2、CaB6颗粒可以提高其力学性能,但对合金导电率的影响较为复杂。对于纯铝导体,CrB2颗粒会降低其导电率;但对于Al-Si合金,添加一定量的CrB2可提高其导电率。CaB6颗粒在一定程度上提高AA1070A1的导电率。因此,CrB2是一种适用于Al-Si系导电铝合金的颗粒增强相,CaB6是一种适用于微合金化导电铝合金的颗粒增强相。3)亚共晶Al-Si合金中Si相形貌演变及其与导电率和力学性能的相关性研究亚共晶Al-Si合金中共晶Si相形貌及分布与其导电率密切相关。铸态的Al-4Si合金中共晶Si呈板片状,导电率仅为41.8%IACS,通过熔体硼化与变质复合处理、均匀化热处理、热挤压变形,合金中的过渡族金属元素固溶量减小,且共晶Si的形貌与分布发生如下演变:针片状(沿晶界分布)→珊瑚状(沿晶界分布)→颗粒状(沿晶界分布)→颗粒状(弥散分布),相应合金的导电率由41.8%IACS分别提高至46.6%IACS、53.9%IACS、60.0%IACS、共晶Si形貌演变过程中,当共晶Si颗粒细小弥散分布且具有高密度孪晶时,其对电子流散射作用逐渐减小,电子传输通道增多,相应合金导电率最佳。为进一步提高其力学性能,通过添加适量的Mg、Fe、Cu并结合上述熔体处理及加工工艺制备了一种Al-4Si-0.8Mg-0.2Fe-0.1Cu合金并挤压成Φ10.5mm合金杆,热处理后使合金中共晶Si、Mg2Si以及AlFeSi等第二相细小、弥散地分布在铝基体上,且共晶Si颗粒中具有高密度孪晶,合金表现出良好的导电率、热导率和优异的力学性能。该合金导电率为59.1%IACS,室温热导率为198.949W·m-1K-1,150℃时的热导率为196.017 W·m-1·K-1,26~100℃的平均线性热膨胀系数为16.8×10-6K-1,100-300℃的平均线性热膨胀系数为23.4×10-6K-1,布氏硬度值为121HBW,室温极限拉伸强度为345MPa,延伸率为13%。本合金的导电率和热导率与工业纯铝的相近,而力学性能明显优于工业纯铝,是一种高强的铝合金导电材料。


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