微量銅對(duì)8030電工圓鋁桿組織性能的影響

劉 宇，曾華榮，曾 鵬，張 迅

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州貴陽(yáng)550002)

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微量銅對(duì)8030電工圓鋁桿組織性能的影響

劉 宇，曾華榮，曾 鵬，張 迅

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州貴陽(yáng)550002)

利用金相顯微鏡、掃描電鏡、導(dǎo)電儀等分析測(cè)試了添加不同含量的Cu元素對(duì)8030鋁合金的顯微組織及電學(xué)性能等的影響。結(jié)果表明，Cu元素的加入能使鋁合金的鑄態(tài)組織明顯細(xì)化，經(jīng)過熱擠壓后合金組織為細(xì)小的等軸晶，其上彌散分布著富Cu和Si的第二相。隨著Cu元素的增加，合金抗拉強(qiáng)度提高，電導(dǎo)率下降。

銅 8030鋁合金 組織性能

0 引言

近年來(lái)，為了滿足電力和電器工業(yè)不斷發(fā)展的需要，國(guó)家對(duì)電工鋁導(dǎo)體性能提出了更高的要求，特別是大跨度的輸變電工程，不僅要求電工圓鋁桿具有良好的伸長(zhǎng)率和導(dǎo)電性，而且要有較高的抗拉強(qiáng)度[1]。8030鋁合金因良好的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能等在電工行業(yè)具有良好的應(yīng)用潛力，在電力接觸線和引線框架等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2]。影響鋁合金導(dǎo)電性的因素很多，其中化學(xué)成分是影響鋁導(dǎo)體導(dǎo)電性的最基本的因素[3]。在生產(chǎn)過程中控制電工圓鋁桿的組織變化，對(duì)生產(chǎn)高質(zhì)量的電工圓鋁桿是至關(guān)重要的，尤其是導(dǎo)電性能優(yōu)越的電工圓鋁桿，可大大降低電力輸送、變配等過程中的損耗，提高能源使用效率[4]。以8030鋁合金的成分為基礎(chǔ)，在鋁合金熔煉過程中添加不同含量Cu，于480℃擠壓成φ8.5 mm的鋁合金圓桿，分析了Cu含量不同對(duì)8030鋁合金的鑄態(tài)組織、擠壓態(tài)組織、電導(dǎo)率等的影響規(guī)律，為開發(fā)研制新型高強(qiáng)度鋁合金電工圓桿做初步探索。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用原材料為8030鋁合金基材，其成分如表1所示。利用7.5 kW石墨坩堝電爐將8030鋁棒熔化，待熔體溫度加熱至750℃后，充分?jǐn)嚢璨⑻砑愉X-銅中間合金，充分熔化后進(jìn)行攪拌、除氣、精煉、扒渣等工序后，靜置30 min，澆注在φ220 mm的鑄鐵模中，鑄錠重量大約為10 kg。用金屬型材擠壓機(jī)XJ1800對(duì)鑄錠進(jìn)行擠壓變形加工處理，擠壓比為15∶1，擠壓后得到φ8.5 mm的棒材。金相試樣用水砂紙磨平，再拋光，最后用keller試劑進(jìn)行腐蝕。利用Olympus-GX51型光學(xué)顯微鏡和配有能譜儀的Supra40型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)實(shí)驗(yàn)合金進(jìn)行顯微組織觀察和微區(qū)成分分析。利用FD-101型數(shù)字渦流導(dǎo)電儀對(duì)擠壓后的鋁合金棒材進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試。

表1 合金的化學(xué)成分(wt/%)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鑄態(tài)組織

圖1(a)為8030鋁合金原始鑄態(tài)組織，可以看出合金原始鑄態(tài)組織晶粒粗大，其平均晶粒尺寸約為125 μm，試樣中的初生α(Al)呈現(xiàn)發(fā)達(dá)的樹枝晶形態(tài)，溶質(zhì)原子在枝晶間富集，易被腐蝕而呈黑色。圖1(b)為添加0.5%Cu的鑄態(tài)組織，可以看出，添加0.5%Cu后，合金的初生α(Al)仍然呈樹枝晶形態(tài)，但明顯細(xì)化，平均晶粒尺寸約為48 μm，晶內(nèi)還出現(xiàn)顆粒狀或短棒狀第二相，既可起到彌散強(qiáng)化，還可減少對(duì)基體的割裂作用，提高鋁合金的機(jī)械性能[5]。圖2為添加0.5%Cu的鑄態(tài)8030鋁合金的SEM形貌及元素的面分布結(jié)果。同時(shí)對(duì)圖2(a)中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行能譜測(cè)試，由圖2(b)～(e)及表2可知，晶界以及晶內(nèi)的顆粒狀的第二相均富含Cu、Si、Fe元素，基體α(Al)中還固溶有部分Cu。有文獻(xiàn)研究表明[6]，合金在凝固時(shí)，稀土元素在鋁合金中的溶解度很小，大部分富集在液相前沿，一方面與Fe 、Si等雜質(zhì)元素產(chǎn)生強(qiáng)烈的交互作用，減少其進(jìn)入固溶體的概率；另一方面能夠起到阻礙α(Al)長(zhǎng)大的作用，從而細(xì)化晶粒。而合金中加入適量Cu元素后，合金的鑄態(tài)組織能得到明顯的細(xì)化和強(qiáng)化，大量強(qiáng)化相的形成能夠促進(jìn)晶粒的細(xì)化[7]。

(a)合金原始鑄態(tài)組織(b)合金加0.5%Cu的鑄態(tài)組織圖1 8030鋁合金鑄態(tài)組織

表2 合金鑄態(tài)組織組成相的定點(diǎn)成分分析(wt/%)

AlSiCuFe晶內(nèi)點(diǎn)199.550.250.150.05晶界點(diǎn)299.180.420.180.22晶界點(diǎn)396.463.090.440.02

2.2 擠壓態(tài)組織

圖3為添加0.5%Cu的8030鋁合金于480℃擠壓成φ8.5 mm的鋁合金圓桿的金相組織及SEM形貌。與圖1及圖2的鑄態(tài)組織相比，擠壓后鋁合金圓桿的組織明顯均勻化，呈細(xì)小的等軸晶，圖中灰色區(qū)域?yàn)棣?Al)基體，其上均勻分布有平均尺寸約為4 μm的白色第二相顆粒。合金經(jīng)過擠壓變形后，與原始組織相比，擠壓后的晶粒尺寸明顯變小且晶粒分布不均勻，平均晶粒尺寸減小為55 μm。

圖2 含0.5%Cu的8030鋁合金鑄態(tài)組織的SEM形貌及面掃描結(jié)果

圖3 添加0.5%Cu的8030鋁合金圓桿的金相組織及SEM形貌

通常認(rèn)為，Al合金由于層錯(cuò)能高，位錯(cuò)易于攀移和交滑移，所以在變形過程中只發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)而不發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，但也有部分文獻(xiàn)表明鋁合金在擠壓變形過程中存在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶[8]。本實(shí)驗(yàn)所用的鑄態(tài)鋁合金經(jīng)過480℃的擠壓變形后，在冷至室溫的過程中將發(fā)生再結(jié)晶，最終獲得細(xì)小等軸狀晶粒。同時(shí)，在此過程中，鑄態(tài)組織中存在的第二相有部分會(huì)重新固溶于α(Al)基體，隨著應(yīng)變量逐漸增加，將產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，這將成為冷卻時(shí)脫溶析出第二相的形核部位，使得鋁合金圓桿中的第二相較于鑄態(tài)時(shí)的更加細(xì)小、彌散，有利于提高鋁合金圓桿的強(qiáng)度。對(duì)圖3(b)中相應(yīng)各點(diǎn)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表3，點(diǎn)4和5主要為細(xì)小的晶粒，其鐵和銅元素含量較低，點(diǎn)6和7主要為晶界上的晶粒，其中銅元素發(fā)生了明顯的偏聚，點(diǎn)7中銅含量甚至達(dá)到了50.41%，可能為CuAl2化合物。可以看出擠壓態(tài)組織主要為Al、Fe、Cu三種元素，稀土元素與鋁元素半徑相差較大，在α(Al)基體的固溶度很小。

表3 合金擠壓態(tài)組織組成相的定點(diǎn)成分分析(wt/%)

元素/點(diǎn)AlSiFeCu點(diǎn)490.330.610.428.64點(diǎn)595.970.420.483.13點(diǎn)664.751.370.4533.43點(diǎn)747.831.510.2550.41

2.3 力學(xué)性能

圖4 銅含量對(duì)合金抗拉強(qiáng)度的影響

從圖4可知，在8030鋁合金加入Cu元素會(huì)對(duì)合金抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生影響，即隨著Cu含量的增加合金的抗拉強(qiáng)度升高。當(dāng)Cu含量為0.5%時(shí)，抗拉強(qiáng)度為205 MPa。這是由于銅溶入到鋁合金中后，由于Cu與Al都是面心立方結(jié)構(gòu)，一部分Cu固溶于Al基體中，發(fā)生置換反應(yīng)，鋁基體點(diǎn)陣發(fā)生很大晶格畸變，起到固溶強(qiáng)化作用，抗拉強(qiáng)度有所提升。一部分形成CuAl2等難溶相，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，釘扎晶界，從而提高合金抗拉強(qiáng)度[9]。

圖5 銅含量對(duì)合金電導(dǎo)率的影響

2.4 電學(xué)性能

從圖5可以看出加入0.3%Cu時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度為61.57%IACS，隨著Cu的增加，合金電導(dǎo)率反而下降。這是因?yàn)镃u加入到Al基體形成置換固溶體，并且由于Al原子和Cu原子半徑之差，會(huì)使Al原子周圍發(fā)生晶格畸變，增加電子散射，使電導(dǎo)率降低。另外在鋁合金中加入Cu元素可使晶粒細(xì)化，增加晶界，導(dǎo)致電子通過的難度增大，電導(dǎo)率降低。

3 結(jié)論

1)添加Cu后，8030鋁合金的鑄態(tài)組織明顯細(xì)化，枝晶間和晶內(nèi)分布著富Cu和Si的第二相。

2)經(jīng)熱擠壓后，加0.5%Cu的8030鋁合金電工圓桿的組織為細(xì)小的等軸晶，其上彌散分布著富Cu和Si的第二相。

3)隨著Cu元素的增加，合金抗拉強(qiáng)度提高，電導(dǎo)率下降。

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Effect of trace copper on microstructure and properties of 8030 electrical round aluminum rod

LIU Yu, ZENG Huarong, ZENG Peng, ZHANG Xun

The influence of different content of Cu element on the microstructure and electrical properties of 8030 aluminum alloy were analyzed by metallurgical microscope, scanning electron microscope and electric conductivity meter. The results show that the as-cast microstructure of Al alloy is obviously refined by the addition of Cu element. After hot extrusion, the microstructure of the alloy is fine equal axial crystal, dispersing the second phase of the Cu and Si. With the increase of Cu element content, the tensile strength of the alloy increases and the conductivity decreases.

copper, 8030 aluminum alloy, microstructure and properties

TG146.21

A

1002-6886(2016)06-0089-03

劉宇(1989-)，男，貴州畢節(jié)人，助理工程師，從事高電壓技術(shù)方面的工作。

2016-07-14