基于正交試驗的高強高導AA8000系鋁合金的優化設計

劉航+劉新寬+劉平+陳小紅+李偉+何代華

摘要：

采用正交試驗進行合金成分優化設計，運用二元搭配表得到最優的合金成分，研究了Fe、Si含量對AA8000系鋁合金性能的影響.采用掃描電子顯微鏡（SEM），X射線衍射儀（XRD），金相顯微鏡（OM）和透射電子顯微鏡（TEM），研究了Fe、Si及其交互作用對鋁合金微觀組織的影響.探究了不同的組織相貌對鋁合金電學性能及力學性能的影響，并從理論上分析了Fe、Si的交互作用機理.研究結果表明：由正交試驗得到最優的合金元素組成，當Fe的質量分數為0.4%，Si的質量分數為0.2%時，合金具有較高的導電率和較高的強度；Fe、Si存在交互作用，Fe與Si可以形成Al8Fe2Si三元中間相，減少了Si對鋁合金導電性能的不利影響.

關鍵詞：

AA8000系鋁合金； 正交試驗； 顯微組織； 導電率

中圖分類號： TG292-文獻標志碼： A

Optimal Design of AA8000 Alloys with High Strength and

Conductivity Based on Orthogonal Experiment

LIU Hang1， LIU Xinkuan2， LIU Ping1， CHEN Xiaohong2， LI Wei2， HE Daihua2

（1.School of Mechanical Engineering， University of Shanghai for Science and Technology，

Shanghai 200093， China； 2.School of Materials Science and Engineering， University of

Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：

The orthogonal experiment was used to design the composition of alloy，and the optimal alloy composition was obtained by using the binary match table.We investigated the influence of Fe，Si contents in AA8000 alloys performance via SEM，XRD，optical microscopic，and TEM，as well as their interaction.On the other hand，the impact of different micro -morphology on the electrical and mechanical performance of AA8000 alloys has been studied，and the Fe and Si interaction mechanism was theoretically analyzed.It has found that Al alloys have better electrical conductivity and higher mechanical strength when Fe=0.4wt%，Si=0.2wt% by orthogonal test.We also demonstrated that there is strong interaction between Fe and Si by forming mesophase in compound Al8Fe2Si，which reduces the influence of Si on AA8000 alloys conductivity.

Keywords：

AA8000 aluminum alloy； orthogonal experiment； microstructure； conductivity

AA8000系鋁合金是以Al-Fe合金為基礎，加入第三元素Si形成的具有高強度、高導電性的新型鋁合金[1].與傳統的電工材料相比，AA8000系鋁合金因其具有良好的電學性能、比強度及抗蠕變性能[2]，在電纜行業中有很好的應用潛力.

鋁合金在強度與導電率之間存在矛盾，強度的提升往往導致鋁合金導電率的下降.作為在電工電纜行業有著重要應用的AA8000系鋁合金，希望其在具有高導電性的同時，也具有較高強度.因此，獲得高強度高導電率的鋁合金引起了人們廣泛的研究興趣[3].

本文采用正交試驗進行合金最優成分設計，著重研究Fe、Si元素間的交互作用，及AA8000系鋁合金高強高導的機理.

1 試驗材料與方法

1.1 Al-Fe合金熔煉

在功率為8 kW的電阻爐中，用不銹鋼坩堝熔煉所需的AA8000系鋁合金.將純鋁及坩堝放入電阻爐中，緩慢升溫至830 ℃，使純鋁熔化；將烘干的純鐵粉、純硅粉，加入坩堝中，不斷攪拌.熔化過程中加覆蓋劑，除去表面熔渣，攪拌均勻后保溫10 min，用砂型模澆鑄成30 mm×80 mm的圓柱形鑄錠.其化學成分質量分數如表1所示.

1.2 正交試驗設計

為了探究不同Fe、Si元素含量對AA8000系鋁合金組織與性能的影響，同時考慮Fe、Si兩種元素之間可能存在聯合搭配作用，會對試驗結果產生重要影響，因此，采用有交互作用的正交試驗[4].

試驗考察了Fe元素質量分數（A），Si元素質量分數（B）以及Fe、Si元素間的交互作用（A×B），共計兩個因素，一個交互作用.因此選用正交表L9（34）安排試驗.因素水平表如表2所示.正交試驗方案及結果如表3所示.