鋯、銅及均勻化處理對高導耐熱鋁合金電工圓桿性能的影響*

鞏向鵬，張曉燕，黃 鑫，張俊杰，林廷藝

(貴州大學 材料與冶金學院，貴陽 550025)

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鋯、銅及均勻化處理對高導耐熱鋁合金電工圓桿性能的影響*

鞏向鵬，張曉燕，黃 鑫，張俊杰，林廷藝

(貴州大學 材料與冶金學院，貴陽 550025)

通過掃描電鏡、X射線物相分析等方法，研究了Zr、Cu元素及均勻化工藝對高導耐熱鋁合金電工圓桿組織及性能的影響。結果表明，通過“添加Zr(0.10%)Cu(0.08%)+ 300 ℃×16 h均勻化+ 83%軋制”處理后，試樣綜合性能較優，試樣導電率為59.5%IACS，抗拉強度達到149 MPa，230 ℃保溫1 h，強度殘存率為94.3%。

鋯、銅；高導耐熱鋁合金電工圓桿；抗拉強度；導電率；強度殘存率

0 引 言

隨著電力、電器用電需求的急劇增長，輸電線路已日益向高強度、高耐熱、高載電量方向發展[1]，然而我國目前的輸電線路基本上仍是以應用最廣的普通架空鋁導線為主，由于這種導線導電率低、耐熱性差，使用受到限制[2-3]。高導耐熱鋁合金導線是一種具備較高導電率和高運行溫度的特種導線。鋁合金電工圓桿是最重要的電線、電纜原材料之一，其性能的好壞將直接影響電線、電纜的質量。添加微量Zr元素能改善鋁合金電工圓桿的耐熱性能，但鋁桿的導電率、強度仍不能滿足需求。基于此，本實驗是在添加0.10%Zr的基礎上，通過復合添加Cu、均勻化處理、軋制工藝提高鋁桿電學、力學性能及耐熱性能，為研制高性能高導耐熱鋁合金導線做初步探索。

1 材料及方法

1.1 實驗材料

本實驗的原材料為硼化后質量分數為99.7%的工業純鋁，Al-10wt%Cu、Al-10wt%Zr中間合金，Zr、Cu名義和實際成分如下表1。每種狀態澆鑄5根，為保證實驗準確性，測試性能時，數據取平均值。

1.2 實驗方法

1.2.1 添加Zr、Cu元素

用剛玉坩堝在井式電阻爐中進行熔煉，熔煉溫度控制在800，740 ℃左右加入中間合金，攪拌、除渣后，澆注到預熱至280 ℃左右的鋼模中，制成?17 mm×180 mm的鋁合金電工圓桿。

1.2.2 均勻化處理

將試樣分別在300，350，400，450和470 ℃下進行均勻化處理，均勻化處理時間分別為2，4，8和16 h。為了保持均勻化處理狀態的組織和性能，均勻化處理后水冷。

1.2.3 耐熱性能測量

將鋁合金電工圓桿在230 ℃退火1 h，冷卻到室溫后，測試其抗拉強度，以強度殘存率表示鋁電工圓桿的耐熱性能，室溫下電工圓桿強度殘存率不應低于90%。

表1 實驗原料合金化學成分(質量分數/%)

Table 1 The chemical composition of the experimental alloy (mass fraction/%)

成分編號 CuCu(實際收得率)ZrZr(實際收得率)其它Al1--0.1000.098≤0.3Bal20.0200.0190.1000.099≤0.3Bal30.0400.0380.1000.099≤0.3Bal40.0600.0590.1000.098≤0.3Bal50.0800.0780.1000.097≤0.3Bal60.1000.0930.1000.096≤0.3Bal70.1200.1180.1000.099≤0.3Bal

1.3 分析測試方法

采用ICAP-6300型全譜直讀型ICP光譜儀檢測添加微量元素的實際收得率；用CSS-4410電子萬能材料實驗機測試合金抗拉強度；利用UTM4304高溫蠕變實驗機測試合金的耐熱性能；用Sigma2008B/C數字渦流金屬電導率儀測試合金電學性能；采用Olympus—BH2光學顯微鏡、KYKY-2800B掃描電鏡、APOLLO-10X能譜儀觀察微觀組織形貌及元素分布；利用X’Pert PRO X射線多晶衍射儀分析合金中的物相組成。

2 實驗結果與分析

2.1 Zr、Cu元素對鑄態鋁合金電工圓桿組織和性能的影響

圖1添加Zr、Cu的鋁合金電工圓桿顯微組織圖。由圖1可知，原鋁電工圓桿晶粒相對粗大，且在部分晶界處存在有夾雜物或者是空隙(圖1(a))；添加少量Zr元素晶粒一定程度細化，且二次相粒子以細小顆粒狀形態均勻分布于晶界處(圖1(b))；在定量添加Zr元素基礎上復合添加Cu晶粒細化程度更為明顯，并有枝晶偏析，且在晶界處存在粗大平衡相(圖1(c))。對晶界及晶內成分(圖2中1、2、3、4點)進行EDS分析，結果見表2，大部分Zr、Cu元素偏聚于晶界及其附近區域，且在晶界位置(1、2點)：鋁元素與Cu、Zr元素的原子比大致與XRD物相分析(圖6(a))結果相符，該晶界處二次相粒子為CuAl2、ZrAl3等相，該相可釘扎晶界[4]。

圖1 添加Zr、Cu的鋁合金電工圓桿顯微組織圖

Fig 1 Microstructure of aluminum alloy electric rods with Zr and Cu

圖2 復合添加Zr、Cu元素的鋁合金電工圓桿微觀形貌(SEM)

Fig 2 Morphology (SEM) chart of round rod with Zr,Cu

表2 能譜分析結果(原子百分比/%)

Table 2 The EDS analysis results(atomic percent/%)

元素位置 AlFeCuVZrBY1點72.470.0527.400.000.130.030.012點69.990.0329.900.010.150.020.023點94.850.025.100.000.020.010.014點95.010.024.890.020.030.000.03

圖3為Zr、Cu元素含量與鋁桿性能的關系曲線；圖3(a)為Cu、Zr元素對力學及電學性能的影響；圖3(b)為Cu、Zr元素對耐熱性能的影響。分析可知，添加Zr(0.10%)，導電率有所降低，抗拉強度小幅升高，耐熱性能提升較為顯著；復合添加Cu元素，隨Cu含量增加，鋁桿導電率有所降低，抗拉強度提高，耐熱性能小幅提升。Zr元素可與Al元素形成亞穩A13Zr相粒子，分布于晶界處，A13Zr是一種高穩定性金屬間化合物，可有效釘扎晶界及位錯，阻礙晶內滑移和晶間滑移，防止再結晶的產生，因此合金抗拉強度及耐熱性能提高[5]；Zr是第5周期過渡族元素，未充滿性很強，Al合金中的自由電子容易轉移到Zr原子的電子殼層中，從而減少了定向運動的自由電子數量，導電率降幅較大。復合添加Cu元素，Cu與鋁基體發生置換固溶反應，起到固溶強化作用；另外， Cu與α-Al形成CuAl2相粒子分布于晶界區域，能夠釘扎晶界，對晶界滑移產生阻礙作用，合金的耐熱性能及強度提高；同時Cu元素能使晶粒細化(圖1(c))，晶界面積增加，自由電子穿過晶界的阻力增大，導電率降低。5號試樣鑄態性能相對較優，導電率為59.3%IACS，抗拉強度為77 MPa，強度殘存率為95.5%，鋁桿耐熱性能已達標，但電學及力學性能仍不能滿足需求，后續實驗主要研究鋁桿電學及力學性能。

圖3 Zr、Cu元素含量與鋁桿性能的關系曲線

Fig 3 The relationship curve of Cu, Zr element and aluminium rod performance

圖4為均勻化處理對鋁桿微觀組織的影響。

圖4 均勻化處理對鋁桿微觀組織的影響

Fig 4 The effect of homogenization treatment on microstructure of aluminum poles

2.2 均勻化處理對鋁合金電工圓桿組織及性能的影響

圖5為均勻化處理與合金抗拉強度及導電率的關系曲線。對5號試樣進行均勻化處理，其中時間為0點為未經均勻化處理的鑄態合金，澆注時冷卻速度較快，合金元素來不及從固溶體中析出而使合金基體處于異常過飽和狀態。經不同溫度均勻化處理后，合金性能表現為兩種趨勢：300及350 ℃低溫均勻化，抗拉強度降低(圖5(a))，導電率顯著提高(圖5(b))，且300 ℃×16 h均勻化處理，導電率最高61.4%IACS，抗拉強度為74 MPa。400及450 ℃高溫均勻化，合金性能變化剛好與低溫均勻化處理時相反，抗拉強度一定程度提高(圖5(a))，導電率明顯下降(圖5(b))，經450 ℃×4 h均勻化處理，抗拉強度為83 MPa，導電率為58.34%IACS。300 ℃均勻化處理后，非平衡的過飽和固溶體析出平衡相Al2Cu等，使固溶體晶格畸變作用減弱，從而使導電率得到提升；其中平衡相Al2Cu的析出序列為：α過飽和固溶體→GP區→θ″(亞穩相)→θ′(亞穩相)→θ(平衡相Al2Cu)，GP區及亞穩相θ″、θ′與基體成共格或半共格關系，共格邊界附近產生晶格畸變，阻礙位錯運動，合金強度升高；而θ′相完全脫溶形成的θ(平衡相Al2Cu)與基體成非共格關系，共格畸變將消失[6]，合金強度隨之降低，本實驗中析出溫度(300、350 ℃)相對較高，析出相大多為θ(平衡相Al2Cu)，這種平衡相對合金強度的提升作用并不明顯，相反，由于基體固溶度降低，晶格畸變減少，合金力學性能有所下降。400及450 ℃高溫度均勻化時，枝晶基本上消除(圖4(b))，Al2Cu等相回溶入基體中，與鋁基體形成置換固溶體，晶格畸變程度增大，合金抗拉強度升高。隨合金晶格畸變程度增大，對電子散射能力也增強，合金的導電率顯著降低[7]。470 ℃均勻化，晶粒粗化，出現過燒，力學性能惡化。

圖5 均勻化處理與合金性能的關系曲線

Fig 5 The relationship curve of homogenization treatment and alloy properties

高導耐熱鋁合金電工圓桿均勻化處理的目的有兩個，一是在強度降低較少的前提下，最大程度提高導電率；二是使鑄態合金的化學成分和組織均勻。因此，300 ℃×16 h是該高導耐熱鋁合金電工圓桿合適的均勻化處理工藝。

2.3 XRD物相分析

圖6為鑄態及經均勻化處理后XRD物相分析圖譜。由分析結果表明，鑄態合金的相組織結構為固溶體基體α(Al)及CuAl2、Al3Zr相。300 ℃低溫均勻化時，CuAl2、Al3Zr相含量增加。450 ℃高溫均勻化，合金中微量CuAl2、Al3Zr相回溶到固溶體基體中。

2.4 軋制處理對鋁合金電工圓桿組織和性能的影響

采用壓縮變形方式，對300 ℃×16 h均勻化處理后試樣進行10道次軋制，變形量為83%；軋制處理后，鋁合金電工圓桿導電率降低了1.9%IACS，抗拉強度大幅提高，軋制后強度為149 MPa，強度殘存率小幅降低(見表3)。軋制處理使得粗大晶粒及第二相明顯細化，晶粒延變形方向被拉長，晶粒尺寸更為細小，位錯密度增大(圖7)，故抗拉強度升高；晶粒的細化，使得晶界面積增加，自由電子穿過晶界的阻力增大，進而導電率有所降低[8]；軋制處理后，形變儲能增加，再結晶溫度降低，耐熱性能有所下降。

圖6 鑄態及經均勻化處理后XRD物相分析

圖7 83%軋制處理后電工圓桿微觀組織圖

Fig 7 After 83% of the rolling treatment on microstructure of aluminum electrical round rod

表3 軋制處理對鋁合金電工圓桿性能的影響

Table 3 The effect of different drawing process on performance

試樣導電率/%IACS抗拉強度/MPa強度殘存率/%300℃×16h61.47495.12%300℃×16h+83%軋制59.514994.3%

3 結 論

(1) 添加Zr(0.10%)元素，導電率明顯下降，抗拉強度小幅提高，耐熱性能提升較為顯著；復合添加Cu，抗拉強度大幅升高，導電率有所下降，耐熱性能小幅提升，添加量為0.08%時，綜合性能較好。

(2) 對較優性能鑄態試樣進行均勻化處理，低溫均勻化處理，合金導電率一定程度提高，抗拉強度有所下降；高溫均勻化處理，可一定程度提高抗拉強度，但導電率下降較為明顯，試樣經300 ℃×16 h均勻化，試樣性能良好。

(3) 對經300 ℃×16 h均勻化處理的試樣，進行83%變形量軋制處理，試樣晶粒更為細小，導電率小幅下降，但抗拉強度明顯提升，試樣綜合性能較優。導電率為59.5%IACS，抗拉強度為149 MPa，耐熱性能較優。

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Effects of zirconium, copper and homogenization treatment on properties of thermal-resistant aluminum alloy electrical rod with high conductivity

GONG Xiangpeng，ZHANG Xiaoyan，HUANG Xin，ZHANG Junjie，LIN Tingyi

(School of Materials and Metallurgy, Guizhou University, Guizhou 550025, China)

The effects of Zr,Cu and homogenization treatment on microstructures and properties of thermal-resistant aluminum alloy electrical rod with high conductivity were investigated by scanning electron microscope, X-ray diffraction analysis and other methods. The results show that: The specimen has good comprehensive properties after treatment of "adding Zr(0.10%)Cu(0.08%)+ 300 ℃×16 h homogenization treatment +83% rolling ", the conductivity of specimen is 59.5%IACS, tensile strength reachs 149 MPa and the tensile strength remnant ratio is 94.3% after 230 ℃×1 h heat preservation.

zirconium,copper; the thermal-resistant aluminum alloy electrical rod with high conductivity; tensile strength; conductivity; tensile strength remnant ratio

1001-9731(2016)11-11168-05

貴州省工業攻關資助項目(2012-3043)；國家級大學生創新實驗資助項目(貴大國創字2013016號)

2015-07-08

2015-09-16 通訊作者：張曉燕，E-mail: ivzhangxiaoyan@163.com

鞏向鵬 (1988-)，男，山東淄博人，在讀碩士，師承張曉燕教授，從事新型鋁導線研究。

TG146.21

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.11.033