高導電鋁合金的力學性能和導電率分析

黃應敏，鄒科敏，許翠珊，邵源鵬，郝志峰

(1.廣州番禺電纜集團有限公司，廣東 廣州 511442；2.廣東工業大學 輕工化工學院，廣東 廣州 510006)

0 引 言

6061鋁合金作為6系鋁合金中的典型合金之一，具有導電性良好、抗腐蝕能力強、力學性能堅固、成本低等優點，被廣泛用于現代建筑、電網輸送和電子產品等領域[1].由于工業制造運用的鋁合金含有較多Fe元素，在熱處理和冷塑性變形過程中容易形成較為粗大的晶體狀，對屈服強度、塑性、導電性產生了影響，限制了其工業應用.鋁合金的力學性能和導電率受多個因素共同影響，一般情況下，鋁合金的合金程度越高，其強度也越高[2].在合金的制作工程中，又受到制作工藝的影響，加熱工藝和熱處理制度，結晶程度、固溶強化，主要影響因素還是鋁合金中的合金成分[3].隨著我國民用工業和建筑行業的迅速發展，鋁合金的應用場景越來越廣泛，對鋁合金的需求量也逐漸上升.因鋁合金的高導電性和力學性能成為一種新型的導電材料，在電力傳輸方面和交通軌道的材料上有著越來越重要的作用[1].電網線路壓力持續增大和軌道交通不斷提速，對鋁合金的性能有了更高的要求，因此，對高導電鋁合金的力學性能和導電率進行研究是非常必要的[4].

鋁合金的力學性能和導電率與合金的金屬成分和制作工藝有關，文獻[5]中僅對Fe元素對鋁合金的導電率的影響進行了分析，控制Fe元素在鋁合金中含量，測量了導電能力，研究不夠全面，控制變量單一.文獻[6]針對不同時效溫度對鋁合金屈服強度的影響進行分析，通過觀察鋁合金內部的晶體結構，實現鋁合金分析.這種方法未能夠說明不同時效溫度下鋁合金導電性的強弱，對力學性能和導電率之間的聯系分析不明確.

針對上述研究中存在的不足，為了更科學、更全面地對鋁合金進行分析，本文針對鋁合金的力學性能和導電率制定了分析流程，研究了合金成分和不同的時效溫度、時效時間對鋁合金性能的影響.

1 鋁合金力學性能和導電率影響因素分析

1.1 鋁合金分析流程

本文針對鋁合金的力學性能和導電率制定了分析流程，針對6061鋁合金進行測試，系統分析鋁合金中合金成分、熱處理過程中，時效時間和時效溫度對鋁合金綜合性能的影響.鋁合金分析流程如圖 1 所示.

圖 1 鋁合金分析流程圖

在制作工藝過程中，通過控制不同的制作環境，得出不同的鋁合金進行力學性能和導電率分析[7].在制備過程中，經過不同時效溫度的處理，對鋁合金樣本加入不同的金屬元素，將等通道轉角擠壓工藝與固溶處理相結合，經過冷塑性形變[8]，得出結果，分析經過不同環境下各種因素對鋁合金綜合性能的影響.

1.2 合金成分對鋁合金導電率的影響

鋁合金的合金程度越高，力學強度就越高，導電率也隨之變化.影響鋁合金性能的金屬元素有很多，如Si，Fe，Ti，Mn，Cr等.各種金屬元素通過制作工藝形成合金后，作為雜質元素會造成合金中基本元素鋁基體結構的形變，增大了結構強度，降低了電子流動性，使電阻率增大[9].合金之間互相作用也會引起電子的減少，使導電性能變弱.

溶質元素溶入溶劑數量增多，使溶劑晶體產生形變，電子傳導能力變弱，電阻率增大[10].固溶體的電阻率

ρs=ρs1+ρs2，

(1)

式中：ρs1為溶劑的電阻率；ρs2為溶劑引起的電阻率.合金中金屬元素能夠與自由電子互相產生作用，所以合金的電導率

ρ(T,c1,…,cn)=ρp(T)+ρres(c1…,cn)，

(2)

式中：ρp(T)是固溶體機體本身的電阻率；ci為合金元素的濃度.鋁合金本身的電阻率會隨著溫度的升高而升高，呈線性關系[11].因為要考慮到沉淀相元素，所以，公式為

(3)

金屬元素在鋁合金中占不同重量時對合金電導率有不同的影響[12]，變化曲線如圖 2 所示.

圖 2 合金成分對導電率的影響

1.3 時效處理對鋁合金力學性能的影響

本文針對時效溫度和時效時間對鋁合金力學性能和導電率的影響進行了研究.

在合金的制作工藝過程中，把鋁合金加熱后，經過固溶處理快速冷卻得到飽和固溶體[13].若時效溫度過低，會造成鋁合金中晶體擴散困難，GP區不容易形成，使鋁合金的硬化程度減弱，力學性能不佳[14].當時效溫度過高時，晶體擴散較快，會導致過飽和固溶體中析出的結晶尺度增大，產生過時效現象[15].

時效過程中，基體中的過飽和溶質元素逐漸析出，此時出相的性質、形貌、尺寸及數量等特征參數決定了樣本的強度[16].動態時效總的強化機制可表示為

(4)

式中：σ0.2為屈服強度；σgs表示結晶強化程度；σss為固溶強化；σρ為錯位強化；σprec為析出強化；M為泰勒因子.σgs取決于平均晶粒尺寸，表示為

σgs=α1Gb(1/δ)，

(5)

式中：α1為常量，一般數值為2；G為切變模量；b為伯氏常量；δ為位錯平均尺寸.σρ取決于時效溫度下變形晶體的位錯密度，計算公式為

σρ=α2Gbρ1/2.

(6)

以上強化機制表明，在時效處理過程中，樣本的力學強度是析出強化、位錯強化和結晶強化的共同作用[17].

因此進行試驗選擇合理的時效溫度，僅分析時效溫度和時效時間對鋁合金綜合性能的影響時，選用合金成分簡單，合金元素較少的鋁合金樣本，控制單一變量，防止合金中其他元素產生影響.試驗鋁合金樣本成分如表1所示，樣本材料的尺寸為30 mm*40 mm*10 mm.

表 1 樣本鋁合金化學成分

驗證時效溫度對鋁合金性能的影響，時效溫度設置為150℃～190℃，時間固定在4 h，測試不同時效溫度下鋁合金的屈服強度和導電率.

屈服強度結果如圖 3 所示.

圖 3 屈服強度隨時效溫度的變化

通過圖 3 可知，鋁合金的強度隨著時效溫度的升高明顯下降.經過4 h 150℃時效溫度處理后，鋁合金的屈服強度為272 MPa；經過4 h 170℃ 時效溫度處理后，屈服強度下降至240 MPa左右；當溫度升高到190℃時，屈服強度下降到200 MPa，相對150℃時的屈服強度下降了24.8%左右.

時效溫度升高時，在鋁合金的壓縮拔拉過程中在組織結構內部產生了大量空位、錯位的情況，造成鋁合金的屈服強度下降[18].

導電率結果如圖 4 所示.

通過觀察圖 4 可得出結論，鋁合金的導電率隨著時效溫度的升高而升高.在150℃時導電率僅是56%，時效溫度升高到190℃時，導電率升高到64%.在時效溫度較低時，鋁合金空位向結晶外部擴散，錯位因為晶體與空位的運動而不斷消失.時效溫度升高，鋁合金內電子的散射效應降低，從而提高了導電率.

圖 4 導電率與時效溫度的關系

以時效時間對鋁合金的力學性能和導電率進行驗證.仍選用表1所示的鋁合金樣本，時效時間設置為1 h～9 h，分別驗證160℃時和190℃時的屈服強度和導電率.

160℃時和190℃時屈服強度隨時效時間的變化實驗結果如圖5所示.

圖 5 屈服強度隨時效時間的變化

通過對比分析圖5可知，160℃時效時間曲線表明，在開始的0h～4 h中，屈服強度增大的速率最快，然后隨著時效時間的增長，增加幅度逐漸變弱.而190℃時效時，前3 h屈服強度增加幅度較大，3 h～5 h趨于穩定，隨著時效時間變長鋁合金的屈服強度逐漸下降[19].

160℃時和190℃時屈服強度隨時效時間的變化實驗結果如圖 6 所示.

通過分析圖 6 可知，在兩種時效溫度下，鋁合金的導電率持續增加.在160℃時效溫度下，0h～4 h 導電率增長幅度較大，隨后增長速率減慢但還持續增加[20].190℃時效溫度下，0h～6 h導電率增長迅速，時效時間到達9 h導電率達到了55%，與原來相比增長了6%.隨著時效時間的增加，鋁合金中各種金屬元素重新排列，Mg, Si元素進一步擴散，原來的晶體結構與化學成分脫離母相成為獨立相，電子的流通性變強，所以鋁合金的導電率增高.

圖 6 導電率隨時效時間的變化

2 應用測試

根據前文研究中各種因素對鋁合金綜合性能的影響，本次實驗對鋁合金的合金成分和制作工藝中時效處理的溫度和時間進行了改進，與文獻[5] 中對Fe成分改進的鋁合金和文獻[6]中對時效溫度改進的鋁合金進行對比試驗，對比分析3種合金的屈服強度和導電率[21].

對鋁合金的屈服強度進行分析時，拉伸試驗采用的最大載荷為5 kN，采用加載速度 0.0005mm/min～1 000 mm/min的 Instron8871試驗機進行屈服強度性能測試.頻率為30hz，應力比為0.1，選取初始應力幅與拉伸強度比為 0.64∶1，每次改變應力幅10 MPa進行屈服強度測試.

圖 7 伏安法測鋁合金導電率示意圖

實驗使用伏安法測試鋁合金的導電率，將鋁合金實驗樣本看成具有一定阻值的電阻，通過測試導線兩端電壓和電流從而測量出伏安特性曲線，擬合曲線得出鋁合金的電阻率，最后換算成導電率.圖 7 所示為伏安法測鋁合金導電率的示意圖.

2.1 樣本成分及時效處理情況

本文試驗樣本對成分中Si，Fe，Cu，Cr，Mn元素進行了優化，采用時效溫度160℃處理.

文獻[5]僅對鋁合金成分中Fe元素進行了改進，采用時效溫度150℃處理.

文獻[6]僅對熱處理工藝中時效溫度進行了改進，鋁合金的成分不變.采用時效溫度180℃處理，增加了鋁合金中的合金元素并控制各金屬元素的成本，更能表現出合金元素對鋁合金屈服強度和導電率的影響.3種樣本的合金成分如表 2 所示.

表 2 本實驗樣本鋁合金成分

2.2 實驗結果分析

對3種樣本合金的力學性能和導電率進行測試，時效時間設置為0h～9 h，對比分析3種合金的力學性能和導電率.屈服強度實驗結果如圖 8 所示.

圖 8 實驗樣本的屈服強度

通過對比分析本文實驗樣本的屈服強度與文獻[5]和文獻[6]實驗樣本的屈服強度可知，在時效時間0h～4 h，本文實驗樣本屈服強度上升幅度最快，隨著時效時間的增加，屈服強度的增加速率減小，到9 h時，力學強度增加到280 MPa左右.文獻[5]的合金樣本在0h～2 h增加幅度最快，隨后減慢，到8 h時屈服強度不再增加，最大達到 240 MPa 左右.文獻[6]的合金樣本在 0h～6 h屈服強度持續上升，6 h時達到最大值 240 MPa 左右，6 h～9 h屈服強度減小.本文試驗樣本的力學強度一直高于文獻[5]和文獻[6]，說明本文研究對鋁合金的屈服性能分析比較全面，對合金優化后對屈服強度影響較大.

導電率試驗結果如圖 9 所示.

圖 9 實驗樣本的導電率

通過觀察3個實驗樣本的導電率可知，本文合金樣本導電率隨時效時間持續升高；文獻[5]合金樣本的導電率在0h～8 h增大，隨后開始下降；文獻[6]合金樣本的導電率在0h～6 h持續增加，然后時效時間增加導電率不再變化.本文合金樣本的導電率高于文獻[5]和文獻[6]，說明本文研究分析的鋁合金的合金成分對導電率影響較大，隨著時效時間的增加，金屬元素容易擴散，電子流通性變強，使導電率提高.文獻[5]和文獻[6]研究因素過于單一，研究方向片面.

3 結 論

本文對高導電鋁合金的力學性能和導電率進行研究，主要內容如下:

1) 制定了對鋁合金的分析流程，通過制作過程中不同工藝的處理，分析各種因素對鋁合金力學性能和導電率的影響.

2) 分析了鋁合金中金屬成分對鋁合金的基體組織，晶體結構和固溶程度的影響，及其進而對鋁合金的力學強度和導電能力的影響.

3) 分析了熱處理工藝對時效處理的影響，不同的時效溫度和時效時間對晶體的晶核數量、大小和聚變程度都有不同的影響，進一步對力學強度和導電性產生不同作用[22].

4) 通過實驗對比研究，證明了本文實驗樣本的力學性能和導電率更好.

本文分析了鋁合金的力學性能和導電率，未能在實際應用中加以驗證，在應用場景中的實現有待進一步確認.