热处理工艺对铝合金电工圆杆性能的影响.pdf

2 0 1 4 年第1 2 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 3 7 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i 蟠n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 4 ．1 2 ．0 11 热处理工艺对铝合金电工圆杆性能的影响 巩向鹏，张晓燕，高红选，樊磊，钱虎 贵州大学材料与冶金学院，贵阳5 5 0 0 2 5 摘要研究了固溶时效处理工艺对铝合金电工圆杆的微观组织、导电率及力学性能的影响。结果表明， 最佳固溶时效工艺为5 3 5 ℃5h 、室温水冷、1 9 0 ℃1 0h ，抗拉强度最高可达1 4 9M P a ，导电率为 5 4 ．7 9 ％I A C S 。 关键词铝合金电工圆杆；固溶时效；导电率；力学性能 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 4 1 2 一0 0 3 4 一0 4 E f f e c to fH e a tT r e a t m e n to nP r o p e r t yo fE l e c t r i c a lA l u m i n u mA l l o yR o d G O N GX i a n g p e n g ，Z H A N GX i a o y a n ，G A OH o n g x u a n ，F A NL e i ，Q I A NH u S c h o o lo fM a t er i a l sa n dM e t a l l u r g y ，G u i z h o uU n i v e r s i t y ，G u i y a n g5 5 0 0 2 5 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c t so fs o l i ds 0 1 u t i o na n da g i n gt r e a t m e n to nm i c r o s t r u c t u r e ， e l e c t r i cc o n d u c t i V i t ya n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fe l e c t r i c a la l u m i n u ma l l o yr o dw e r es t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt e n s i l es t r e n g t h i s1 4 9M P aa n dc o n d u c t i v ep r o p e r t yi s5 4 ．7 9 ％I A C Su n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n si n c l u d i n g5 2 5 ℃5h ， w a t e rq u e n c h i n ga tr o o mt e m p e r a t u r e ，a n d1 9 0 ℃1 0h ． K e yw o r d s e l e c t r i c a la l u m i n u ma U o yr o d ； s 0 1 i ds o l u t i o na n da g i n gt r e a t m e n t ； e l e c t r i cc o n d u c t i V i t y ； m e c h a n i c a lp r o p e r t y 在输电领域，铝合金导线以其质轻、价廉的双重 优势，以及导电性较好、比强度高、耐磨损性好等优 点而受到人们的广泛关注[ 1 。2 ] 。铝合金电工圆杆作 为铝合金导线的初级材料，其性能优良与否直接决 定铝合金导线质量的优劣[ 3 ‘5 ] 。现今，在高跨度的输 变电工程中对铝合金导线的强度和导电率提出了更 高的要求。因此，如何提高导电率和抗拉强度是一 个急需解决的问题。本文着重研究固溶时效处 理[ 6 蜘对铝合金电工圆杆的微观组织、电导率及力学 性能的影响。 1 试验材料及方法 1 ．1 试验材料 试验原料主要有硼化后的工业纯铝 A l 9 9 ．2 9 ％、Bo ．0 0 4 ％ 、A l 一5 ％C u 中间合金和A l 一 1 5 ％C e 中间合金。 1 ．2 试验方法 将铸态试样在箱式电阻炉进行固溶时效处理试 验 温度精度2 ℃ ，固溶时效处理工艺试样先在 5 3 5 ℃保温5h ，保温结束后将试样从电阻炉中取出 立即水冷，然后在1 3 0 ～2 2 0 ℃保温不同时间进行时 效处理。 1 ．3 性能测试 利用O L Y M P U S B H 2 金相显微镜观察试样的 显微组织，采用K Y K Y 一2 8 0 0 B 扫描电镜观察试样微 观组织形貌，在I n s t r o n 一8 5 0 1 材料拉伸试验机上测 定试样的抗拉强度，采用叫5 7 双臂电桥测量导电 率，采用H B 一3 0 0 0 布氏硬度计检测试样的硬度。 收稿日期2 0 1 4 一0 7 1 4 基金项目贵州省工业攻关计划项目 2 0 1 2 3 0 4 3 ；贵州大学研究生创新基金项目 研理工2 0 1 3 0 6 4 作者简介巩向鹏 1 9 8 8 一 ，男，山东淄博人，硕士研究生；通信作者张晓燕 1 9 6 0 一 ，女，贵州贵阳人，教授 万方数据 3 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 4 年第1 2 期 2 结果与分析 2 ．1 固溶时效处理对组织的影响 图1 为铸态铝合金固溶处理 5 3 5 ℃5h 及 1 9 0 ℃时效不同时间后的显微组织。 从图1 可见，铸态合金中存在大量粗大枝晶组 织，且有大量未溶解相 图1 a ；铝合金在1 9 0 ℃时 效1h 后，晶粒尺寸非常不均匀，粗大晶粒较多，晶 界细小，基体上析出少量黑色颗粒状的析出相 图 1 b ；时效4h 时，晶粒尺寸趋于均匀，晶界清晰，析 出的物相颗粒增多 图1 c ；当时效时间达7h 时，大 量细小析出相均匀弥散分布于组织中 图1 d ；时效 1 0h 时，析出相弥散程度减小，有聚集长大的趋势 图1 e 。对析出相进行E D S 分析，由各元素原子分 数比可推断该化合物可能是C u A l 。相。随着时效 时间继续延长，析出相开始聚集，当时效时间为1 3 h 时，合金出现过时效现象 图1 f ，此时合金的力学 性能开始恶化。 图2 为铸态及固溶时效 5 2 5 ℃5h ，1 9 0 ℃ 1 0h 处理后样品的微观形貌。 a 铸态； b 1h ； c 4h ； d 7h ； e 1 0h ； f 1 3h 图1固溶处理 5 3 5 ℃5h 及1 9 0 ℃时效不同时间后的显微组织 F i g ．1 M i c r o s t r u c t u r eo fs o l u t i o nt r e a t e da t5 3 5 ℃f o r5ha n da g e da t1 9 0 ℃f o rd i f f e r e n tt i m e 图2 铸态【a 及固溶时效 b 后的微观形貌 F i g ．2 M i c r o s t r u c t u r eo fa sc a s t a a n ds o I i ds o l u t i o na n da g i n g b 能谱分析结果表明，合金铸态 图2 a 时，晶界B 处铜原子含量很高，为2 9 ．5 5 ％，说明铸态时铜、铈 更多地偏聚于晶界及其附近区域。固溶时效处理 图2 b 后，晶粒内部A 点的铜含量为1 ．6 9 ％，而析 出相B 点的铜含量为3 1 ．6 5 ％。表明铜原子大量析 出；其次，稀土铈与铝、铁组成复杂化合物，使有害杂 质铁由固溶态转变为析出态，这必将使铝的导电率 升高。 2 ．2 固溶时效处理对导电率的影响 图3 为经固溶处理 5 3 5 ℃5h 后，不同时效 万方数据 2 0 1 4 年第1 2 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 3 9 温度和时间对试样导电率的影响。 图3时效温度和时间对导电率的影响 F i g ．3 E f f e c to fa g i n gt e m p e 嗡t u r e 舳d t i m eo ne l e c t r i cc o n d u c t i V i t y 由图3 可知，在o ～1h 阶段，合金导电率出现 不同程度的下降，原因可能是，铜原子在铝基体晶面 上聚集，形成铜原子富集区[ 9 3 G P 区 ，铜原子与铝 原子半径的差异使G P 区周围基体的晶格产生畸 变；在1 ～1 0h 阶段，导电率不断升高，沉淀相随时 效时间的延长不断地从基体中析出和长大，与基体 的共格关系不断减弱，降低了晶格的畸变程度，增加 了导电电子的自由程，从而增加了合金的导电率[ 1 ] 。 时效工艺为1 9 0 ℃1 0h 时，合金导电率达到 5 4 ．7 9 ％I A C S 。 2 ．3 固溶时效处理对抗拉强度的影响 图4 为不同时效温度和时间时试样的抗拉强度 测定结果。 时问／h 图4时效温度和时间对抗拉强度的影响 F i g ．4 E f f e c to fa g i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m e o nt 吼s i l es t r e n g t h 如图4 所示，在1 3 0 ℃时效时，温度较低，空位 和溶质原子扩散速度较慢，合金强度增加速率较小。 采用1 6 0 ℃时效时，1 0h 后强度曲线趋于平缓，1 3h 时抗拉强度达到峰值，并且达到峰值时间较长。在 1 9 0 ℃时效7h 后强度达到1 5 1M P a ，此时析出大量 的弥散强化相[ 1 0 ] 图1 d ，增加了位错运动的阻力， 因而提高了抗拉强度。另外，析出相随时效时间的延 长开始粗化 图1 f ，合金强度下降。而采用2 2 0 ℃时 效工艺时，温度较高，空位和溶质原子扩散速度较 快，强度达到峰值时间短 图4 ，1 ～4h ，达到峰值 后抗拉强度下降较快 图4 ，4 ～1 6h 。 2 ．4固溶时效处理对硬度的影响 表1 为不同时效温度和时间试样的布氏硬度。 在1 3 0 ℃时效时，温度较低，空位和溶质原子扩散速 度较慢，合金硬度增加速率较小，试样的硬度随着时 间的延长持续升高；1 9 0 ℃时效时，在o ～7h 阶段， 试样硬度迅速升高，在7h 时达到峰值9 1 ．6 8H B ， 推测此时试样内部可能已有强化相析出 图1 d ；时 效时间继续延长，硬度开始下降，出现过时效现象。 表1 不同时效温度和时间下试样的布氏硬度 T a b l e1B r i n e nH a I d n a s s H B u n d e rd i f f e r e n t a g i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m e 时效温度／℃ lh 4h7h1 0h1 3h 1 3 06 9 ．5 37 8 ．4 58 2 ．5 58 4 ．7 28 6 ．6 1 1 9 06 9 ．5 38 1 ．7 49 1 ．6 88 9 ．8 57 8 ．3 3 2 2 06 9 ．5 38 9 ．4 38 7 ．2 88 3 ．5 67 3 ．4 9 3结论 1 适宜的热处理工艺能够改善铸态铝合金电工 圆杆的显微组织；铝合金电工圆杆经时效处理后析 出相弥散分布，且在1 9 0 ℃时效7h 的析出相较多， 分布均匀且弥散度较高。 2 随着时效时间的延长，铝合金电工圆杆的导 电率先减小后增加最后趋于平衡，抗拉强度先增大 后减小。最佳时效工艺为1 9 0 ℃保温1 0h ，强度为 1 4 9M P a ，导电率为5 4 ．7 9 ％I A C S 。 参考文献 [ 1 ] 王祝堂，田荣璋．铝合金及其加工手册[ M ] ．长沙中南 工业大学出版社，1 9 8 9 2 4 6 2 5 0 ． [ 2 ] 高红选，卫广智，吴健，等．锆和钪对A l M g 铸造合金组 织和力学性能的影响[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 5 6 4 6 7 ． [ 3 ] 樊磊，张晓燕，高红选，等．铈和镧对A l B 电工圆杆性能 的影响口] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 4 5 8 6 1 ． [ 4 ] 侯世香，顾威，刘东雨．电工圆铝杆净化方法的现状与展 万方数据 4 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l _ b g r i m m ．c n 2 0 1 4 年第1 2 期 望[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 7 2 7 3 0 ． [ 5 ] 杨钢，何正夫，陈德斌，等．高导电率A l R B B 电工圆铝 杆工艺研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 0 6 z 3 8 4 0 ． [ 6 ] 王孟君．6 0 6 3 铝合金时效工艺的研究[ J ] ．金属热处理， 1 9 9 8 8 2 4 ，4 1 ． [ 7 ] 颜建辉，陈辉煌．热处理工艺对6 0 6 3 铝合金强度和导电 率的影响[ J ] ．热加工工艺，2 0 0 4 2 4 9 5 0 ． [ 8 ] L Is o n g ，C H E NK a n g - h u a ，L I UH o n g ～w e i ，e ta 1 ．E f f e c t o fh i g h t e m p e r a t u r e p r e p r e c i p i t a t i o n o nm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n ds t r e s sc o r r o s i o nc r a c k i n go fA l Z n M ga l l o y s [ J ] ． T r a n s a c t i o n so fN o n f e r r o u sM e t a l sS o c i e t yo f C h i n a ，2 0 0 3 ，1 3 3 5 8 6 5 8 8 ． [ 9 ] 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