熱處理工藝參數(shù)對6101鋁板帶力學性能與電導率的影響

闕石生，黃瑞銀，李學云，鄭宏智，張希園

（中鋁瑞閩股份有限公司，福州 350015）

0 前言

銅和鋁是兩種最主要的導電金屬材料。銅面臨著資源匱乏及價格高等不利因素，鋁作為地球上最豐富的有色金屬，具有質量輕、耐腐蝕、成形性好、成本低等優(yōu)點，已逐漸在電力導線、儲能電站、新能源汽車等領域得以應用，且大有以鋁代銅的趨勢[1]。

6101鋁合金是一種低合金化Al-Mg-Si系熱處理可強化合金，具有中等強度、良好的導電性及成形性，成為近些年來在導電材料的研究熱門對象[2-4]。特別是隨著新能源電動汽車及快充技術的快速發(fā)展，6101鋁板越來越被特斯拉等電動汽車企業(yè)廣泛地采用，不僅要求其具有較高的強度、優(yōu)異的導電率，還對合金的折彎加工等性能提出了較高要求[5]。鋁合金的強度與導電性能、折彎性能不易兼得，故而在確保電導率的前提下不降低過多的材料性能已成為材料生產(chǎn)工藝控制的難點和重點[7]。一般要求材料的抗拉強度達185～225 MPa，屈服強度150～210 MPa，電導率≥56%IACS，90°折彎半徑為厚度的1倍。目前主要從以下兩方面進行控制[2-6]：（1）低合金及微合金化：采用低Fe、Cu、Zn等雜質高純鋁水，降低Cr、Mn、Ti、V等影響電導率有害元素的含量，適量增加B元素，促使與Cr、Ti、V等形成硼化物在晶界析出聚集，或添加稀土元素形成彌散的析出強化相；（2）時效工藝優(yōu)化：通過單級或雙極時效工藝開發(fā)，促進Mg2Si強化相的析出，減少晶格畸變及對導電電子的散射。但這些控制措施在一定程度上面臨著增加成本、犧牲強度、忽略了后續(xù)折彎加工要求等問題。所以本研究的目的就是在不增加過多成本的基礎上，從熱處理工藝參數(shù)優(yōu)化角度入手，協(xié)同調控6101鋁合金的強度、導電率和加工性能。

1 試驗方案

1.1 化學成分

試驗材料為厚度3.0 mm的6101鋁合金板帶，合金成分如表1所示。

表1 6101試驗合金成分（質量分數(shù)/%）

1.2 試驗過程與方法

將冷軋板用UNITEMp快速升溫爐進行固溶，水淬處理后，采用日本島津100 kN萬能試驗機進行預拉伸，然后在箱式爐內進行人工時效試驗得到試驗樣品。經(jīng)萬能試驗機測試力學性能；利用Sigma-2008A渦流電導率儀檢測電導率；利用液壓折彎機評估折彎性能；利用蔡司光學顯微鏡觀察晶粒組織分布。

本試驗設計不同的熱處理工藝參數(shù)（固溶溫度、固溶時間、預拉伸量、時效溫度、時效時間等），以獲得良好的綜合性能。具體如下：

（1）采用530℃、555℃保溫15 s、45 s、60 s的固溶制度，探索該制度對晶粒及性能的影響。

（2）采用0.5%、3%、5%三種預拉伸量以探索預拉伸對性能與電導率的影響。

（3）采用單級時效160/180/200℃×（2～24）h和雙級時效85/165℃×4+200℃×（2～12）h，探索該時效處理制度對性能與電導率的影響。

2 試驗結果和分析

6101合金主要是通過固溶和時效處理來控制其晶粒、組織尺寸及分布狀況，進而影響成品的性能和電導率。大量的研究表明，6×××系的時效處理析出順序為：α過飽和固溶體→GP區(qū)→β”→β’→β。時效過程中析出的G區(qū)和β”起到較好的強化效果，同時彌散分布的第二相相對固溶原子而言對導電電子的散射作用更小，更易獲得更大的電導率。

2.1 固溶溫度及時間對晶粒及性能的影響

圖1為不同固溶工藝條件下的表面和縱向晶粒分布情況。可以看出：在相同保溫時間下，隨著固溶溫度的提高，表面和縱向晶粒呈粗化趨勢，折彎橘皮更為明顯，見圖2；當固溶溫度相同時，隨著保溫時間的延長，表面和縱向晶粒變化很小。

圖1 不同固溶工藝下的晶粒對比（放大100倍）

圖2 晶粒尺寸對90°折彎影響對比

表2顯示的是固溶制度對成品性能和電導率的影響。從表中可以看出，在相同的預拉伸、時效制度下，不同的固溶溫度和保溫時間對成品的性能和電導率影響很小。這表明6101為低合金化，經(jīng)溫度530℃以上短時間保溫即可完成充分固溶，為后續(xù)的時效析出奠定了良好基礎，對成品的性能和電導率的影響很小。

表2 不同固溶制度下的性能和電導率

2.2 預拉伸對性能和電導率的影響

表3為不同預拉伸條件下的性能和電導率對比表。可以看出，在固溶及時效制度相同的前提下，隨著預拉伸量的增加，抗拉強度、屈服強度、電導率甚至延伸率均呈增加趨勢。這表明適當增加預拉伸量將產(chǎn)生更多的滑移位錯，后續(xù)的時效析出驅動力增強，從而獲得更好的時效強度。與此同時，析出相的增加將使固溶原子貧化，晶格畸變程度減輕，電導率得以進一步提升[3]。

表3 不同預拉伸下的性能和電導率

2.3 單級時效對性能和電導率的影響

在固溶、預拉伸相同的前提下，單級時效制度對成品性能和電導率的影響見圖2和圖3。時效分成欠時效→峰時效→過時效三個階段進程。隨著時效時間的延長，抗拉強度、屈服強度先增加后降低，電導率呈一直增加趨勢；隨著時效溫度的提高，更快進入峰值時效，但峰值強度比低溫時效時更小。綜合客戶要求，可選擇單級時效工藝180℃×（8～24）h或200℃×(5～24)h，以保證抗拉強度達到186～223 MPa，屈服強度159.5～204.5 MPa，電導率56.20～57.41%IACS。

圖2 單級時效的性能趨勢圖

圖3 單級時效的電導率趨勢圖

2.4 雙級時效對性能和電導率的影響

在固溶、預拉伸相同的前提下，選擇兩種工藝方案探索雙級時效制度對成品性能和電導率的影響，結果見圖4和圖5。與85℃/4 h+200℃/（2～12）h相比，165℃/4 h+200℃/（2～12）h處理制度下的抗拉強度、屈服強度和電導率波動小，更穩(wěn)定，且強度保持在較高水平；在不犧牲過多強度的條件下，電導率仍保持在56.4～58.1%IACS區(qū)間，便于工業(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)。相比單級時效，雙級時效后的各項性能更佳、更穩(wěn)定，有利于實際生產(chǎn)控制。研究表明雙級時效比單級時效的β″和β′相尺寸更大，晶界無析出帶（PFZ）更寬，材料的電導率更高[8]。綜合各項指標表明，165℃/4 h+200℃/（5～12）h制度更能保證抗拉強度223～227 MPa、屈服強度189～204MPa、電導率57～58.1%IACS。

圖4 雙級人工時效的性能趨勢圖

圖5 雙級人工時效的電導率趨勢圖

3 結論

（1）固溶溫度及保溫時間對成品的抗拉強度、屈服強度及電導率影響較小，但晶粒呈長大趨勢，折彎橘皮越發(fā)明顯。

（2）隨著預拉伸的增加，產(chǎn)生更多的滑移位錯，提供了更多的形核地點，有助于合金時效強化能力的提高，抗拉強度、屈服強度、電導率均呈上升趨勢。

（3）隨著單級時效時間的延長，抗拉強度、屈服強度先增加后降低，電導率呈持續(xù)增加趨勢；隨著單級時效溫度的提高，更快進入峰值時效，但峰值強度相比低溫時效更低。

（4）相比85℃/4h+200℃/（2～12）h，165℃/4h+200℃/（2～12）h處理制度下材料的抗拉強度、屈服強度、電導率波動小、更穩(wěn)定，且強度保持在較高水平。雙級時效相對單級時效各項性能更佳更穩(wěn)定，有利于實際生產(chǎn)控制。

（5）結合熱處理各工藝參數(shù)對性能及電導率的影響規(guī)律，確定在固溶530℃×（15～60）s+預拉伸量0.5%+雙級時效165℃/4 h+200℃/（5～12）h制度下，材料可獲得優(yōu)良的綜合性能。