不同軋制方式對(duì)鑄造鋁硅合金組織性能的影響

曾 萍

(貴州理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003)

0 引言

鋁合金由于具有較高的比強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于航空航天、輪船高鐵等方面，已經(jīng)成為繼傳統(tǒng)鋼鐵材料之后的第二大金屬材料[1]。其中鋁－硅合金生產(chǎn)成本較低，導(dǎo)電性能優(yōu)異，耐蝕性良好，目前廣泛應(yīng)用于制造輸變電開(kāi)關(guān)設(shè)備中導(dǎo)電件、傳動(dòng)件及金屬結(jié)構(gòu)件的主要材質(zhì)之一[2－3]，為人們的生產(chǎn)生活做出了重要的貢獻(xiàn)。雖然該類合金已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用，但是其電導(dǎo)率仍有待于進(jìn)一步的提高，這有助于降低電力傳輸過(guò)程中能量的消耗。目前的問(wèn)題主要在于，電導(dǎo)率提高的時(shí)候，容易造成其強(qiáng)度的降低，強(qiáng)度過(guò)低的時(shí)候，易造成應(yīng)用過(guò)程中的傳電設(shè)備的破壞和相關(guān)安全事故的發(fā)生[4]。研究影響鋁合金導(dǎo)電性能的因素，在保證鑄態(tài)鋁硅合金一定的力學(xué)性能前提下來(lái)提高其電導(dǎo)率[5－6]將有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

影響鋁硅合金強(qiáng)度和導(dǎo)電率的因素很多，比如鑄造工藝程序，成型溫度，化學(xué)元素組成，組織形態(tài)與分布、熱處理狀態(tài)[7]等。在此，主要通過(guò)軋制來(lái)改變和調(diào)節(jié)硅在鑄造合金中的形態(tài)分布，從而調(diào)節(jié)鋁硅合金的強(qiáng)度和導(dǎo)電率[8]。

鋁合金中的化學(xué)元素是影響其導(dǎo)電性能的主要因素之一，化學(xué)元素對(duì)鋁合金導(dǎo)電性能的影響取決于元素加入量和存在形式，與化學(xué)元素本身的電導(dǎo)率基本無(wú)相關(guān)性[9]。硅是鑄態(tài)鋁硅合金中的最主要的合金元素[10]，硅含量高能夠改善合金的流動(dòng)性 ，從而提高鑄件氣密性[11]。它的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～20%。但是另一方面，硅是一種半導(dǎo)體，其電阻率較鋁基體的電阻率高得多，硅析出量的提高直接減少了鋁基體的有效導(dǎo)電截面 ，使合金的電導(dǎo)率下降[12]。楊滌心、劉亞民等人[13]的研究發(fā)現(xiàn)，晶粒細(xì)化處理降低合金的導(dǎo)電性，固溶處理顯著降低合金的導(dǎo)電性，時(shí)效處理對(duì)導(dǎo)電性的影響不大。

軋制是一種借助轉(zhuǎn)動(dòng)的一對(duì)軋輥對(duì)處于他們之間的材料施加壓力，從而使得軋制是一種塑性變形過(guò)程，通過(guò)借助轉(zhuǎn)動(dòng)的軋輥對(duì)輥間軋件施加壓力的作用，使其形狀發(fā)生改變，即厚度、橫斷面積減小，而長(zhǎng)度增加。熱軋主要是將金屬在被加熱到再結(jié)晶溫度以上而進(jìn)行的軋制過(guò)程。金屬在熱軋過(guò)程中，由于溫度較高，金屬的塑性較好，變形抗力較低，因此對(duì)金屬施加較小的壓力便可得到較大的變形。而變形量的大小、變形速率、熱軋溫度、熱軋終了溫度及軋后材料的冷卻速度等都是影響產(chǎn)品組織性能的重要因素。

1 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)使用原料為電解鋁、Mn，Mg，Cu。 按照表1的成分配制出導(dǎo)線用鋁合金，熔煉溫度采用755°，先將鋁錠熔化，然后依次加入 Cu，Mn，Mg。為減少燒損，Si元素采用中間合金形式添加，Mg采用用鐘罩壓入熔體的方式添加。再在保持爐內(nèi)采用爐底噴粉的方式進(jìn)行精煉、除氣、除渣。對(duì)熔煉好后的鋁熔液進(jìn)行澆鑄成型，澆鑄速度為6.3噸/小時(shí)，采用連鑄連軋的方式制備線材，同時(shí)線材尺寸采用電磁感應(yīng)加熱爐對(duì)鑄坯進(jìn)行在線均質(zhì)處理，形成組織均勻的直徑為9 mm的導(dǎo)電線材成品。

為了進(jìn)一步提高成型后的線材的力學(xué)性能，從成品線材上切取9段長(zhǎng)度為200 mm長(zhǎng)的線材，分為A，B，C 3組，每組3根，然后進(jìn)行軋制，A組直接進(jìn)行單到次冷軋，得到最終尺寸為2 mm的板材；B組進(jìn)行3道次冷軋，第1次冷軋至6 mm厚度，放至室溫，然后冷軋至4 mm厚度，放至室溫，最后冷軋至2 mm厚度；C組試樣先加熱到200°，保溫12 min，再進(jìn)行單道次軋制。軋制之后的板材通過(guò)線切割進(jìn)行加工，加工后的最后的拉伸試樣的形狀如圖1所示。

表1 鋁硅合金成分%

軋制后得到的材料組織通過(guò)XRD進(jìn)行檢測(cè)，力學(xué)性能通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。材料的電導(dǎo)率采用雙電橋法進(jìn)行，再換算成電導(dǎo)率[14]

δ為電導(dǎo)率 ，%IACS；ρ純銅為純銅電阻率 ，取值1.724 μΨ·cm；ρ為鋁試樣電阻率，μΨ·cm。

2 組織和性能分析

2.1 軋制對(duì)鋁硅合金形變的影響

圖1是從同一根線材上切下來(lái)的長(zhǎng)度為200 mm的鋁線經(jīng)過(guò)不同軋制工藝軋制后得到的厚度為2 mm的板材，由圖1可知，雖然鋁線的原始直徑、原始長(zhǎng)度都相同，最終軋制出的板材厚度也相同，但是得到軋制材料的寬度卻不一樣，經(jīng)過(guò)單道次熱軋得到的板材寬度為22 mm，如圖1d所示。經(jīng)過(guò)多道次冷軋得到的板材寬度為16 mm，如圖1c所示。經(jīng)過(guò)單道冷熱軋得到板材的寬度為17 mm，如圖1b所示。在軋制成型的過(guò)程中，原材料金屬在擠壓力的作用下分別向縱向和橫向流動(dòng)，由于軋制具有特殊性，從軋制結(jié)果來(lái)看，經(jīng)過(guò)熱軋得到的板材的寬度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比冷軋的寬度大，高出20%左右。這主要是由于在軋制的過(guò)程中，由于橫向擴(kuò)展受阻比縱向受阻嚴(yán)重得多，軋制溫度較高時(shí)，鋁材的流動(dòng)性較好，雖然向縱向流動(dòng)也得到了提高，但橫向的流動(dòng)性提升幅度卻更大， 因此相同的原材料經(jīng)過(guò)熱軋以后將得到寬度更寬的板材。與經(jīng)過(guò)多道次冷軋相比，單道次冷軋能夠獲得橫向尺寸更大的鋁合金板材，這主要是由于單道次軋制的時(shí)候變形量較大，由變形產(chǎn)生的溫度更高，金屬的流動(dòng)性更好，而且大變形量軋制時(shí)，特別是對(duì)于邊緣是圓弧過(guò)渡的線材，在變形的過(guò)程中，中部突出，與軋機(jī)接觸面更小，橫向流動(dòng)受到的摩擦力更小，流動(dòng)性更好，因此通過(guò)單道次大變形量軋制，可獲得塑形較多道次變形量材料更好、橫向面積更大的軋制成型板材。

2.2 軋制對(duì)鋁硅合金抗拉強(qiáng)度的影響

圖2是經(jīng)過(guò)不同軋制工藝后獲得的鋁合金板材在縱向上的拉伸曲線，由圖2可知，經(jīng)過(guò)高溫單道次軋制得到的板材的抗拉強(qiáng)度為394 MPa，經(jīng)過(guò)單道次熱軋后得到板材的抗拉強(qiáng)度為390 MPa，這主要是由于鑄造的鋁硅合金處于固溶狀態(tài)，但是在后來(lái)的熱軋過(guò)程中起固溶強(qiáng)度的硅被析出，從而降低了鋁硅合金的強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)單道次冷軋后得到的板材的抗拉強(qiáng)度為405 MPa，與單道次熱軋相比得到了比較大的提高，與原材料相比卻變化不大，這主要是由于雖然在冷軋過(guò)程中，大量的硅的析出降低了固溶硅對(duì)材料強(qiáng)度的提高，但是冷軋過(guò)程中在晶粒內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的空位、位錯(cuò)等，同時(shí)還會(huì)在材料內(nèi)部殘留大量的形變和應(yīng)力，而冷軋形變過(guò)程中產(chǎn)生的這些缺陷會(huì)阻礙抗拉過(guò)程中裂紋的擴(kuò)展，從而對(duì)材料的抗拉強(qiáng)度又起到了一定強(qiáng)化作用。經(jīng)過(guò)多道次冷軋后得到的板材的抗拉強(qiáng)度為400 MPa，這與單道次冷軋相比，材料的抗拉強(qiáng)度下降，這主要是由于在多道次軋制過(guò)程中，硅不斷的析出，材料由于固溶強(qiáng)化引起的強(qiáng)度不斷下降，但是由于多道次冷軋起到了形變強(qiáng)化的作用，因此與原材料相比，材料的抗拉強(qiáng)度得到了略微的提高。

圖1 不同方式軋制后的鋁硅合金橫向尺寸

圖2 經(jīng)過(guò)不同方式軋制后得到的鋁硅合金的抗拉強(qiáng)度

3.3 軋制對(duì)鋁硅合金組織的影響

圖3是經(jīng)過(guò)不同方式軋制得到的鋁合金板材的XRD曲線。由圖3可知，經(jīng)過(guò)軋制以后的XRD衍射峰都得到了增強(qiáng)。經(jīng)過(guò)單道次熱軋以后，(200)晶面衍射峰和(311)晶面衍射峰峰強(qiáng)的提高量相當(dāng)，(111)晶面衍射峰和(220)晶面衍射峰峰強(qiáng)的提高量相當(dāng)。但是(200)晶面衍射峰和(311)晶面衍射峰峰強(qiáng)的提高量比(111)晶面和(220)晶面的提高量要大的多，這證明多道次冷軋過(guò)程中導(dǎo)致了晶粒向(200)晶面方向和(311)晶面方向轉(zhuǎn)動(dòng)；經(jīng)過(guò)多道次冷軋以后，(111)晶面衍射峰和(200)晶面衍射峰峰強(qiáng)的提高量相當(dāng)，(220)晶面衍射峰和(311)晶面衍射峰峰強(qiáng)的提高量相當(dāng)，但是(200)晶面衍射峰和(111)晶面衍射峰峰強(qiáng)的提高量比(311)晶面和(220)晶面的提高量要大的多，這證明多道次冷軋引起的織構(gòu)方向?yàn)?200)晶面方向和(111)晶面方向；經(jīng)過(guò)單道次冷軋以后，(111)晶面衍射峰和(311)晶面衍射峰峰強(qiáng)的提高量相當(dāng)，(220)晶面衍射峰和(200)晶面衍射峰峰強(qiáng)的提高量相當(dāng)，但是(311)晶面衍射峰和(111)晶面衍射峰峰強(qiáng)的提高量比(200)晶面和(220)晶面的提高量要大的多，這證明單道次冷軋引起的織構(gòu)方向?yàn)?311)晶面方向和(111)晶面方向。

圖3 經(jīng)過(guò)不同方式軋制后的鋁硅合金的XRD曲線

從XRD衍射圖中可以看出，原料中幾乎看不到硅的衍射峰，這證明，原料中的硅完全固溶進(jìn)了鋁基體中，經(jīng)過(guò)單道次熱軋后，部分的硅析出，而經(jīng)過(guò)單道次冷軋后得到的材料的硅的析出量更多，這主要是由于低溫下的形變?cè)斐射X基體晶格受壓，使得固溶在基體中硅析出。另一方面，熱軋過(guò)程中，大部分應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，而在冷軋過(guò)程中，應(yīng)力主要轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц窕儯虼烁嗟墓鑿木Я?nèi)部析出。多道次冷軋后得到的板材的XRD曲線中，硅的衍射峰最高，這證明通過(guò)該工藝，大量的硅從固溶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱宋龀鰬B(tài)。

各種軋制工藝得到的板材(111)晶面上XRD衍射曲線峰的半高寬，如表2所示。由謝樂(lè)公式

K為Scherrer常數(shù)，若B為衍射峰的半高寬，則K＝0.89；若B為衍射峰的積分高寬，則K＝1；D為晶粒垂直于晶面方向的平均厚度(nm)；B為實(shí)測(cè)樣品衍射峰半高寬度(必須進(jìn)行雙線校正和儀器因子校正)，在計(jì)算的過(guò)程中，需轉(zhuǎn)化為弧度(rad)；θ為衍射角，也換成弧度制(rad)；λ為X射線波長(zhǎng)，為0.154 056 nm

表格2 經(jīng)過(guò)不同方式軋制后的鋁硅合金的XRD曲線半高寬

表2是經(jīng)過(guò)不同方式處理后得到的材料的衍射角的半高寬的情況，結(jié)合謝樂(lè)公式可以知道:衍射峰半高寬越寬，晶粒越細(xì)；經(jīng)過(guò)單道次熱軋后的晶粒比原始晶粒細(xì)小，這主要是由于在熱軋過(guò)程，金屬晶粒被破碎所致。經(jīng)過(guò)單道次冷軋以后得到的晶粒則更為細(xì)小，這主要是由于在熱軋的過(guò)程中，一部分破碎的晶粒發(fā)生再結(jié)晶和未發(fā)生再結(jié)晶的晶粒在溫度的作用下發(fā)生了長(zhǎng)大現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)多道次冷軋后得到的板材的晶粒相對(duì)于單道次冷軋制發(fā)生了進(jìn)一步細(xì)化，這主要是由于經(jīng)過(guò)多道次變形小晶粒進(jìn)一步被破碎所致。

2.4 軋制對(duì)鋁硅合金電導(dǎo)率的影響

圖4是經(jīng)過(guò)不同工藝軋制后得到鋁硅合金板材的導(dǎo)電率情況，由圖4可以看出，經(jīng)過(guò)單道次熱軋后，鋁硅合金的電導(dǎo)率上升到44.86IACS，這主要是由于在熱軋的過(guò)程中，有部分的硅從鋁基體中析出，使得晶格畸變得到松弛，從而導(dǎo)致了電導(dǎo)率的上升。經(jīng)過(guò)單道次冷軋之后，材料的電導(dǎo)率為41.85IACS，電導(dǎo)率變化不大。雖然硅的少量析出有益于電導(dǎo)率的提高，但是由于單質(zhì)硅是一種半導(dǎo)體，其電阻率較鋁基體的電阻率高得多，硅析出量的提高直接減少了鋁基體的有效導(dǎo)電截面，又使合金的電導(dǎo)率下降。經(jīng)過(guò)多道次冷軋后得到鋁硅合金的導(dǎo)電率大幅度下降，為38.92IACS。這只要是由于一方面經(jīng)過(guò)多道次冷軋之后，大量的硅析出，大幅度地降低了鋁硅合金的電導(dǎo)率。另一方面，多道次的冷軋?zhí)幚碇率勾罅康木Я０l(fā)生細(xì)化，從而造成晶界增多，材料的均一性大幅度下降，同時(shí)存在大量應(yīng)力應(yīng)變以及位錯(cuò)等缺陷、空隙等缺陷，從而直接造成材料的電導(dǎo)率發(fā)生嚴(yán)重下降[15]。

圖4 經(jīng)過(guò)不同方式軋制后的鋁硅合金的電導(dǎo)率曲線

3 結(jié)語(yǔ)

研究了單道次冷軋、單道次熱軋以及多道次冷軋對(duì)鑄造態(tài)鋁硅合金力學(xué)性能、組織以及導(dǎo)電率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在單道次熱軋的過(guò)程中，鋁硅合金向橫向的方向流動(dòng)較為容易，其變形較為容易，抗拉由于固溶硅的析出而出現(xiàn)略微的下降，同時(shí)軋制過(guò)程中，大量有向晶粒向(200)晶面方向和(311)晶面方向轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，晶粒發(fā)生較小程度的細(xì)化，少量單質(zhì)硅顆粒析出，材料的導(dǎo)電率大幅度提高。在單道次冷軋和多道次冷軋的過(guò)程中，材料的流動(dòng)性較差，材料的形變主要沿著軋制的縱向方向進(jìn)行，橫向流動(dòng)相較于熱軋小得多，軋制后得到的材料晶粒發(fā)生細(xì)化，抗拉強(qiáng)度也得到了一定程度的提高。但是由于固溶硅的減少，提高了材料的電導(dǎo)率，析出硅的增加又降低材料的電導(dǎo)率，所以經(jīng)過(guò)單道次冷軋之后材料的電導(dǎo)率基本上沒(méi)有發(fā)生變化。經(jīng)過(guò)多道次冷軋之后由于晶粒的進(jìn)一步細(xì)化，應(yīng)力應(yīng)變和晶界的進(jìn)一步增多，材料的電導(dǎo)率大幅度下降。