不同元素含量對高導電鋁合金性能的影響研究

黃應敏 鄒科敏 許翠珊 邵源鵬 郝志峰

摘 要：高導電鋁合金具有密度小、塑性強、導電性能好等優勢，能夠在諸多領域中發揮重要作用。隨著人類對高導電鋁合金性能要求的不斷提高，有必要繼續提高鋁合金的綜合性能。文章通過實驗分析的方式，在高導電鋁合金中加入不同元素含量，分析不同元素含量對鋁合金性能的影響。實驗結果表明，在高導電鋁合金中加入質量分數為0.2%的鎂元素，能夠提高其力學性能和導電率;在高導電鋁合金中加入2%的銅元素，有利于合金的綜合性能;在高導電鋁合金中加入0.3%的稀土鑭元素，合金的抗拉強度達到最大值。

關鍵詞：鎂;銅;鑭;含量;高導電鋁合金;性能

中圖分類號：TG146.21 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）08-0062-05

Study on the Effect of Different Element Contents on the Properties of High Conductive Aluminum Alloy

Huang Yingmin， Zou Kemin， Xu Cuishan， Shao Yuanpeng， Hao Zhifeng

（R & D center of Guangzhou Panyu Cable Group Co.， Ltd.， Guangzhou 511400， China）

Abstract：High-conductivity aluminum alloy has the advantages of low density， strong plasticity， and good electrical conductivity， and can play an important role in many fields. As humans continue to improve the performance requirements of highly conductive aluminum alloys， it is necessary to continue to improve the comprehensive properties of aluminum alloys. In this paper， through experimental analysis， different element contents are added to high-conductivity aluminum alloy， and the influence of different element contents on the properties of aluminum alloy is analyzed. The experimental results show that adding 0.2% of magnesium to the high-conductivity aluminum alloy can improve its mechanical properties and conductivity; adding 2% of copper to the high-conductivity aluminum alloy is beneficial to the overall performance of the alloy; 0.3% rare earth lanthanum is added to the highly conductive aluminum alloy， and the tensile strength of the alloy reaches the maximum.

Key words：magnesium; copper; lanthanum; content; highly conductive aluminum alloy; performance

鋁合金屬于一種可持續發展、綠色環保的有色金屬材料，該材料的優勢眾多，比如塑性好、導電性能強、抗腐蝕性能好、密度小、導熱性能優異等，因其優勢較多，能夠在輸電設備、航空航天、汽車機械等領域中發揮重要作用[1-3]。高導電鋁合金因其優異的導電性能，主要應用于高壓輸電設備中[4]。隨著我國對材料的應用效果和要求不斷提高，高導電鋁合金的強度不夠高，并且具有比較差的機械加工性能，在一定程度就會導致高導電鋁合金的使用頻率降低。于是國內外學者對高導電鋁合金進行不斷深入研究，試圖提高鋁合金強度和機械加工性能，使得高導電鋁合金具有更加優異的綜合性能，從而能夠在實際生產加工中發揮更好的應用效果[5-6]。在研究高導電鋁合金性能的文章中，主要的研究方向有兩種，首先是對高導電鋁合金的組成成分進行分析，或者是從高導電鋁合金的加工工藝上進行分析，目的都在于增強高導電鋁合金的性能[7-8]。由于高導電鋁合金的組成成分不同直接影響其性能，并且在高導電鋁合金中加入不同含量的元素，同樣會直接影響到鋁合金性能[9-10]。在高導電鋁合金中加入不同含量的鎂元素、銅元素和稀土元素鑭會影響到鋁合金的性能。文章為了提高高導電鋁合金的性能，對這幾種元素含量進行分析，從而得出含量最佳的元素含量。另外，文章選擇的壓鑄成形的方式制作高導電鋁合金。

1 實驗過程

1.1 實驗材料和儀器

實驗過程中需要使用的主要材料有高導電鋁合金、鎂、銅和鑭;實驗中使用的主要儀器有壓鑄機，其模具圖和試棒尺寸如圖1所示，還需要電子萬能試驗機、數字電導率儀、金相顯微鏡等。

1.2 壓鑄實驗

首先將高導電鋁合金放到壓鑄機的熔煉爐中，將其進行熔煉。其中會產生一些雜質，于是將溫度升高到660℃之后，在其中加入除渣劑，然后靜置0.5h，再在其中分別加入不同含量的元素，3種元素的含量如表1所示。最后再對壓鑄工藝參數進調整，每一次壓鑄實驗中的工藝參數都相同。

1.3 性能測試

使用金相顯微鏡對每組試樣進行顯微組織觀察，發現加入不同元素含量對試樣組織的影響;然后使用電子萬能實驗機對試樣的拉伸性能進行分析，其中拉伸速度設置為0.5mm/min，為了保證測試結果的準確度，會進行3次拉伸實驗，然后取平均值作為抗拉強度;使用數字電導率儀對試樣進行電導率測試，從而分析元素含量對高導電鋁合金導電性能的影響。

2 實驗結果和討論

2.1 鎂元素含量對鋁合金性能的影響

2.1.1 高導電鋁合金組織的影響

通過使用顯微鏡對鎂元素不同含量下的鋁合金進行顯微觀察，得到的結果如圖2和圖3所示。從圖中可以看出，與不加入任何元素的鋁合金相比（稱為普通鑄造），加入不同含量的鎂元素之后，初生α-Al和共晶Si出現明顯的細化變化，普通鑄造的α-Al晶粒尺寸在100～400?m，共晶Si尺寸在10～40?m，而經過加入鎂元素之后，α-Al晶粒尺寸降低到10～35?m，共晶Si尺寸降低到5?m左右，這兩種晶粒尺寸出現了明顯的降低趨勢。

另外，從圖2和圖3中還可以看出，初生α-Al相和共晶Si相隨著鎂元素的添加，其形貌發生了比較大的變化。當沒有加入鎂元素之前，初生α-Al相的形貌是具有很強取向性的樹枝晶狀，當加入鎂元素之后，不管其加入多少的鎂元素，初生α-Al相的形貌就會改變，被打斷形成了花瓣狀和圓快狀形貌，而共晶Si相也變為蠕蟲狀。共晶Si相和初生α-Al相形貌發生變化的主要原因在于高導電鋁合金在鑄造過程中，在高壓作用下處于液體狀態的金屬會與模具進行接觸，從而導致液體突然冷卻，在金屬固體和液體的界面會存在非常大的冷卻速度和溫度梯度，于是就會使得金屬鑄造過程中金屬表面組織發生變化，主要以枝晶和軸晶為主。

2.1.2 高導電鋁合金力學性能和導電率的影響

在高導電鋁合金中加入不同含量鎂元素之后，其抗拉強度和導電率的變化趨勢如圖4所示。

從圖中可以看出，當鎂含量不斷增加時，高導電鋁合金的抗拉強度發生了明顯變化，其變化趨勢為不斷增加，當加入鎂元素含量為0.4%時，相比于沒有加入鎂元素的鋁合金，其抗拉強度大致增加了0.5倍。但是當鎂元素含量不斷增加之后，鋁合金的導電率出現了明顯降低趨勢，與沒有加入鎂元素的鋁合金相比，導電率大致下降了0.18。所以為了使得高導電鋁合金具有更好的綜合性能，將其鎂元素含量設置為0.2%左右更為合適。

2.2 銅元素含量對鋁合金性能的影響

2.2.1 對高導電鋁合金組織的影響

在高導電鋁合金中加入不同含量的銅元素之后，使用顯微鏡進行顯微觀察，其結果如圖5所示。從圖中可以看出，與圖2進行比較加入不同含量的銅元素之后，共晶硅的大小明顯變細，而且共晶硅的分布變得更加均勻，從圖5的最后兩幅圖中還可以看出晶粒的二次枝晶間距也出現明顯的變小情況。另外，當銅元素含量不斷增加之后，共晶硅的大小變得越來越小，其晶相形貌也發生了變化。

加入銅元素之后，鋁合金會出現這種變化趨勢的原因在于：添加銅元素之后，會與鋁合金中的鋁元素形成二元共晶體（α-Al2 Cu），該晶體能夠起到強化作用。由于加入了銅元素，會使得鋁合金中發達的樹枝晶體出現破碎，樹枝晶端就會發生鈍化，然后形成細小的花朵狀晶粒，于是晶粒的形貌就會出現變化;加入銅元素之后，晶粒變細、分布變得更加均勻的原因在于合金在凝固之前（α-Al2 Cu）彌散析出，該晶體的形成會降低晶粒的長大速度，然后合金又在高壓之下冷卻速度快，樹枝晶狀就會變小、分布更加均勻，因此就會增加鋁合金的致密性。

2.2.2 對高導電鋁合金力學性能和導電率的影響

加入不同銅元素之后，鋁合金的力學性能和電導率變化趨勢如圖6所示。從圖中可以看出，當銅元素的含量不斷增加時，鋁合金的抗拉強度處于不斷上升狀態，但是其上升趨勢沒有鎂元素的明顯。然后當銅元素的含量不斷增加時，鋁合金的導電率處于不斷降低趨勢。從圖中可以看出，當加入的銅元素含量為2%，此時狀態的鋁合金力學性能和電導率都比較強。所以為了增加高導電鋁合金的綜合性能，加入銅元素的含量大致為2%更為合適。

2.3 稀土元素鑭含量對鋁合金性能的影響

2.3.1 對高導電鋁合金組織的影響

不同含量的鑭元素加入到合金中之后，其顯微組織如圖7所示。從圖7（a）和圖7（b）中可以看出，當稀土元素鑭的含量不斷增加時，顯微組織的晶粒變得更加均勻和細小，并且還可以看出二次枝晶間距出現了明顯變小情況，該變化趨勢與前文所分析的銅元素和鎂元素變化情況一樣。當鑭元素的含量繼續增加時，即如圖7（c）中所示，其中共晶硅的細化程度變低，而且還呈現出比重偏析現象。

之所以加入不同含量的鑭元素之后，合金的組織會出現不同的現象原因在于：在高導電鋁合金中鑭元素的固溶度非常小，于是在固液界面就使得前液相的濃度梯度增加，就會形成成分過冷現象，過冷度會比較大，于是就會導致合金液形核率增加，于是就會導致二次枝晶的間距變小;加入鑭元素之后，晶粒細化的原因在于鑭元素半徑小于硅和鋁，共晶硅在在生長過程中需要進行不斷調整，通過改變硅的生長方式和形貌才能性能，在這個過程中就會使得晶粒變得更小;當鑭元素的含量過多時，由于鑭元素過量就會生產出大量稀土夾雜物，從而發生比重偏析現象，于是就會增加晶粒的大小，于是其細化效果就會變小[11]。

2.3.2 對高導電鋁合金力學性能的影響

加入不同含量的鑭元素之后，高導電鋁合金的力學性能發生變化，其抗拉強度的變化趨勢如圖8所示。從圖中可以看出，當鑭元素的含量不斷增加時，試樣抗拉強度的變化趨勢是先增加后降低，為了增強高導電鋁合金的力學性能，將其鑭元素含量設置為0.3%最為合適。

3 結語

為了增加高導電鋁合金的性能，使其能夠在應用過程中表現出更好的效果，上文通過分析在其中加入不同含量的鎂元素、銅元素和鑭元素，最后鋁合金的性能發生了不同程度的變化。從研究結果可以看出，當鎂元素含量為0.2%、銅元素含量為2%、鑭元素含量為0.3%時，更有利于高導電鋁合金的綜合性能。

參考文獻

[1]鄧小燕. SiCp/Cf增強鋁基復合材料的制備和性能研究[D].蘭州：蘭州大學，2010.

[2]張新明，鄧運來，張勇.高強鋁合金的發展及其材料的制備加工技術[J].金屬學報，2015，51（3）：257-271.

[3]張新明，劉勝膽.航空鋁合金及其材料加工[J].中國材料進展，2013，32（1）：39-55.

[4]秦君，杜欣慧.新型節能導線在500kV輸電線路設計中的選型方法[J].現代工業經濟和信息化，2014（16）：66-68.

[5]孫德勤.提高鋁合金鑄錠質量的關鍵技術[J].鑄造技術，2010，31（005）：660-663.

[6]孫玥，田偉，胡夢楠.稀土對鋁合金力學性能影響的研究進展[J].有色金屬材料與工程，2019，40（003）：55-60.

[7]張軍軍，戴悅星，徐世光.鐵含量對壓鑄鋁合金力學性能的影響[C].//中國有色金屬學會%廣東省有色金屬學會.第五屆廣東鋁加工技術國際研討會論文集，2014：138-142.

[8]陳聰，高明，顧云澤，等.光纖激光切割鋁合金薄板工藝特性研究[J].中國激光，2014（6）：73-79.

[9]張國玲.合金元素含量與加工工藝對8030鋁合金導線性能的影響[D].鄭州：鄭州大學，2012.

[10]王韜.Mg及稀土Nd元素對A380.0鋁合金組織及性能的影響[D].蘭州：蘭州理工大學，2010.

[11]湯安民，劉澤明.鋁合金材料斷裂形式變化規律的試驗分析[J].西安理工大學學報，2003（03）：28-31.