Cu含量及T6處理對電力金具用鋁合金組織性能的影響

鄭 革， 陳 杰， 牛堃寧， 林建國， 檀朝桂， 戴翌龍，

(1. 永固集團股份有限公司， 浙江 溫州 325600；2. 湘潭大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411105)

電力金具是連接和組合線路中電力系統(tǒng)的各種裝置，起著傳遞機械負荷、電氣負荷和保護的作用。它們通常單個體積小，種類繁多，用途廣泛。在目前的研究報道中，對電力金具材料的研究主要集中在鑄鐵改性[1-2]、新型材料的研發(fā)[3-6]、新型結(jié)構(gòu)節(jié)能金具設(shè)計[7]及新型制造工藝[8]等方面。長期以來，鋁合金作為主電路中的附件，其質(zhì)量輕、節(jié)能、效率高的優(yōu)點一直沒有得到足夠的重視。在輸配電線路中，電力配件多為鑄鐵材料，其中熱鍍鋅的可鍛鑄鐵在電力金具上應(yīng)用最為廣泛[9]。鑄鐵金具質(zhì)量較大，熱鍍鋅環(huán)境污染嚴重，在線路運行中逐漸暴露出弊端，特別是閉合磁回路帶來的電能損耗。而鋁合金作為新一代的電力金具材料具有密度小、鑄造性能好、易切削、耐腐蝕等優(yōu)點[10-11]。在電能損耗方面，通過鋁合金材質(zhì)和鑄鐵材質(zhì)懸垂線夾能耗的比較，可以發(fā)現(xiàn)鋁合金材質(zhì)的能耗比鑄鐵材質(zhì)的能耗小93.6%[12]。鋁合金已成為日常生活乃至航空、船舶等行業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料。徐乃管等[13]最早進行了開發(fā)應(yīng)用節(jié)能金具鋁合金線夾重要意義的論證，綜合對比了鑄鐵和鋁合金懸垂線夾的能耗數(shù)據(jù)，認為采用鋁合金金具可獲得巨大的經(jīng)濟和社會效益。在國內(nèi)，一些企業(yè)先后開發(fā)、推廣了鋁合金線夾等金具，主要有鋁合金懸垂線夾、耐張線夾等[14-15]。使用鋁合金節(jié)能線夾能帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。鋁合金中添加Cu、Mg、Si、Zn等元素，使其形成強化相Al2Cu和Mg2Si相，并細化晶粒，可使其力學(xué)性能顯著提高[16-17]。另外，為了保障電力金具用鋁合金有良好的導(dǎo)電性以及較低的電能損耗，并且兼顧材料的成本考慮，鋁合金的合金元素含量不宜太高，而Cu具有良好的導(dǎo)電性和強化效果。鑒于此，本文以Al-Cu合金為主，添加少量的Mg、Si，設(shè)計了Al-Cu-Mg-Si 系列合金，調(diào)整 Cu含量來探究其對鋁合金顯微組織、力學(xué)性能及耐蝕性能的影響，并優(yōu)化熱處理工藝，對鋁合金的各項性能進行改善，以期為電力金具用鋁合金的進一步推廣和應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

原料成分為工業(yè)純鋁、純銅、純鎂、單質(zhì)硅。首先將石墨坩堝預(yù)熱到700～800 ℃，然后將工業(yè)純鋁加入，約40 min使鋁完全融化，繼續(xù)升溫到800 ℃以上，用純鋁箔包裹純鋅、硅單質(zhì)、純銅，并用鐘罩將其壓入鋁液深處，靜止10 min。用攪拌棒攪拌5 min，再加入少量六氯乙烷除氣精煉5 min，除去表面熔渣。停止加熱，澆入模具中。等冷卻凝固完畢，將試樣從模具中取出，本文熔煉的3種鋁合金的名義化學(xué)成分如表1所示。對鋁合金進行T6時效處理，在530 ℃固溶處理2 h，水淬，然后在180 ℃分別人工時效4、8、12、16、20、24、28 h，隨爐冷卻。

表1 試驗鋁合金的化學(xué)成分 (質(zhì)量分數(shù)，%)

1.2 試驗方法

1.2.1 顯微組織表征

采用D/max 2500型X射線衍射儀(XRD)對樣品進行物相分析，測試速度為2°/min，測試步長為 0.02°。該設(shè)備的測試輻射源為Cu-Kα靶，測試角度2θ為10°～90°，均在室溫下進行測試，并采用MDI-Jade6.5軟件及相應(yīng)物相卡片對XRD物相結(jié)果進行標定。用線切割制備尺寸為 5 mm×5 mm×5 mm的試樣進行組織觀察，將試樣用XQ-2B型鑲嵌機熱塑鑲嵌，金相試樣用碳化硅砂紙逐級打磨，用粒度為0.5 μm的金剛石拋光液拋光至鏡面，采用Keller試劑(1% HF+1.5% HCl+2.5% HNO3+95% H2O(質(zhì)量分數(shù)))進行腐蝕，并采用德國萊卡DM4000M智能顯微鏡觀察試樣的顯微組織，利用掃描電鏡(SEM，Pro X FEI)對試樣的微觀結(jié)構(gòu)進行表征。

1.2.2 力學(xué)性能測試

使用DK7720型電火花數(shù)控線切割機床將試樣加工成如圖1所示的試樣，處理后的樣品表面用400、600、800號砂紙依次打磨，清洗后烘干。采用Instron 3369型電子萬能試驗機對鋁合金的室溫拉伸性能進行測試，拉伸速率為1 mm/min。

圖1 拉伸試樣尺寸示意圖

維氏硬度測試是在MicroMet 6000型維氏顯微硬度計上進行，載荷砝碼為2 kg，保載時間為10 s，測試5個點，舍去極值后求平均值。

1.2.3 腐蝕性能測試

使用ParStat 2273型三電極體系電化學(xué)工作站對合金試樣的電化學(xué)腐蝕行為進行測試，并選擇動電位極化試驗對合金耐腐蝕性能進行評價。電化學(xué)試驗的電解液為3.5%的NaCl溶液。用線切割切取10 mm×10 mm的合金試樣，并用冷鑲嵌料包埋，隨后打磨拋光。在電化學(xué)測試過程中，將暴露面積為0.5 cm2的合金試樣作為工作電極，鉑板電極為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，以0.5 mV/s的掃描速率進行極化試驗測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 Cu含量對Al-Cu-Mg-Si合金的影響

圖2為3種鑄態(tài)鋁合金的XRD圖譜，從圖譜中只看到了Al基體相，可能是因為添加的Cu、Mg、Si含量較少，XRD檢測未能檢出較低含量的其他相。

圖2 不同Cu含量鑄態(tài)鋁合金的X射線衍射圖譜

鑄態(tài)鋁合金的掃描電鏡照片如圖3所示。根據(jù)圖4 EDX分析結(jié)果可知，圖譜1為Al2Cu相，圖譜2為基體Al相。對照掃描電鏡照片可以看出深色的相是Al基體相，白色相是Al2Cu，隨Cu含量的增加，圖3中Al2Cu相也逐漸增加，形貌和尺寸也有了較大的改變。當Cu含量為0.5%時，Al2Cu的形貌主要呈點狀分布；隨Cu含量的增加，Al2Cu相尺寸也開始變大，數(shù)量變多，形貌也由點狀轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀及網(wǎng)狀。Cu含量為2.5%時，Al2Cu相尺寸達到最大，數(shù)量也最多。

圖3 不同Cu含量鑄態(tài)鋁合金的SEM照片

圖4 圖3中相應(yīng)位置的EDX分析結(jié)果

不同Cu含量鋁合金的維氏硬度如圖5所示，可以看出隨Cu含量增加，合金硬度逐漸增加，Al-2.5Cu-0.5Mg-0.7Si、Al-1.5Cu-0.5Mg-0.7Si、Al-0.5Cu-0.5Mg-0.7Si合金的硬度依次為76.5、55.5、52.5 HV2。含2.5%Cu 的合金比含1.5%Cu的合金硬度高21 HV2，而含1.5%Cu的合金比含0.5%Cu的合金硬度僅高3 HV2。硬度提升的原因可能是析出相Al2Cu的體積分數(shù)增加導(dǎo)致的[18]。

圖5 不同Cu含量鑄態(tài)鋁合金的維氏硬度

從圖6可以看出，隨Cu含量的增加，鋁合金的抗拉強度、屈服強度逐漸增大，2.5%Cu含量的鋁合金抗拉強度和屈服強度最高，分別為234.6 MPa、173.6 MPa。Cu的加入導(dǎo)致伸長率逐漸下降，其中0.5%Cu含量的鋁合金伸長率最大，為14%。Cu的加入使鋁合金強度提高，塑性降低。Cu的加入會與Al形成Al2Cu強化相，且隨 Cu含量的增加，Al2Cu相的體積分數(shù)明顯增加，從而導(dǎo)致加入2.5%Cu的合金強度達到最高，與鑄態(tài)鋁合金硬度值的變化趨勢一致。

圖6 不同Cu含量鑄態(tài)鋁合金的拉伸性能

不同Cu含量鑄態(tài)鋁合金的極化曲線見圖7，采用Tafel方法對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合結(jié)果見表2。從圖7及表2可知，不同Cu含量鋁合金的自腐蝕電位比較接近。可鍛鑄鐵的自腐蝕電流密度跟腐蝕速率比鋁合金高幾個數(shù)量級，且鋁合金的自腐蝕電位比鑄鐵的更正，表明鋁合金相對于可鍛鑄鐵具有更優(yōu)異的耐蝕性能[19]。但鋁合金的自腐蝕電流密度隨Cu含量的增加逐漸增大，從1.19×10-7A·cm-2增加到2.40×10-6A·cm-2。在評價材料腐蝕性能時，在自腐蝕電位比較接近的情況下，自腐蝕電流密度的大小是最重要的判斷依據(jù)，自腐蝕電流密度越小，材料的耐蝕性越好。隨Cu含量的增加，第二相Al2Cu的尺寸跟數(shù)量不斷增加，堆積在晶界處，且Al2Cu相的電位明顯高于基體鋁相，這導(dǎo)致晶界處電位差增大，第二相與鋁基體之間形成大量的微小原電池，從而降低了合金的電化學(xué)穩(wěn)定性，破壞了鋁合金表面氧化膜的連續(xù)性，合金耐蝕性下降[20-21]。所以Cu含量的增加使鑄態(tài)鋁合金的耐蝕性變差。

圖7 不同Cu含量鑄態(tài)鋁合金在3.5% NaCl溶液中的動電位極化曲線

表2 不同Cu含量鑄態(tài)鋁合金的耐腐蝕性能擬合結(jié)果

2.2 熱處理工藝對Al-Cu-Mg-Si合金的影響

圖8是不同Cu含量鋁合金經(jīng)熱處理后的維氏硬度曲線，從圖8可以看出530 ℃固溶+180 ℃時效后的維氏硬度明顯提高，0.5%Cu、1.5%Cu合金在8 h時達到峰值，2.5%Cu合金在12 h達到峰值，其中2.5%Cu 合金的硬度為134.54 HV2，1.5%Cu合金的硬度為118.56 HV2，0.5%Cu合金的硬度為112.42 HV2，比鑄態(tài)合金的硬度提高明顯，表明時效強化是鋁合金的主要強化機制。

圖8 經(jīng)530 ℃固溶+180 ℃時效不同時間后不同Cu含量鋁合金的維氏硬度曲線

不同Cu含量鋁合金經(jīng)熱處理后的XRD圖譜如圖9所示，從XRD圖譜可以看出，2.5%Cu的合金經(jīng)530 ℃固溶處理后，除基體Al相還有Al2Cu相；530 ℃固溶+180 ℃×8 h時效后的XRD圖譜中，2.5%Cu合金和1.5%Cu合金中均有Al2Cu相，說明Cu含量為2.5% 和1.5%時，固溶+時效后鋁合金中析出了Al2Cu相，1.5%Cu合金中Al2Cu相含量較少。而0.5%Cu 鋁合金中由于Cu含量太少，時效后析出的Al2Cu相很少，XRD圖譜中未顯示出來。

圖9 經(jīng)不同熱處理后不同Cu含量鋁合金的XRD圖譜

圖10是不同Cu含量鋁合金530 ℃固溶+180 ℃×8 h 時效后的SEM照片，圖11為對應(yīng)的EDX分析，根據(jù)點掃描的EDX分析和XRD圖譜可以確定黑色為基體相Al相，而白色是析出的Al2Cu相，對比圖10(a～c)可以明顯看出圖10(a)的白色相顏色深、數(shù)量多、尺寸大，形貌為粗條狀，圖10(b)中白色相顏色較淺、數(shù)量較多、尺寸小，形貌為細絲狀，圖10(c)的白色相顏色較淺，數(shù)量明顯少于圖10(a，b)，形貌為傘狀。

圖10 經(jīng)530 ℃固溶+180 ℃時效8 h后不同Cu含量鋁合金的SEM照片

圖11 圖10中相應(yīng)位置的EDX分析結(jié)果

530 ℃固溶+180 ℃×8 h時效后不同Cu含量鋁合金的力學(xué)性能如圖12所示，強度較熱處理前提升明顯，隨Cu含量增加其抗拉強度上升，伸長率依次降低。2.5%Cu含量的鋁合金抗拉強度與熱處理前相比提高了38.5%，從234.6 MPa增加到325.0 MPa，屈服強度提高更為明顯，提高了49%，從173.6 MPa提高到258.8 MPa，伸長率從11.0%降到4.5%。1.5%Cu含量的鋁合金抗拉強度提高39.5%，從226.5 MPa升到316.5 MPa，屈服強度提高73%，從138.1 MPa升到239.2 MPa，伸長率從13.00%降到4.75%。0.5%Cu含量的鋁合金抗拉強度提升74.8%，從177.3 MPa升到310.0 MPa，屈服強度提升128%，從114.6 MPa升到261.5 MPa，伸長率從14.0%降到6.7%。這是由于合金經(jīng)過固溶+時效后彌散析出強化相Al2Cu，且Al2Cu相為亞穩(wěn)相，Al2Cu與基體存在共格關(guān)系，引起晶格畸變，阻礙位錯運動，提高強度[22]。隨Cu含量的增加，Al2Cu相的尺寸、數(shù)量隨之增加，所以2.5%Cu含量的合金強度最高，固溶+時效處理能顯著提高鋁合金強度，達到與Q235鑄鐵相當?shù)膹姸取?/p>

圖12 經(jīng)530 ℃固溶+180 ℃時效8 h后不同Cu含量鋁合金的力學(xué)性能

3 結(jié)論

1) 在Al-(0.5%, 1.5%, 2.5%)Cu-0.5Mg-0.7Si系列的鑄態(tài)鋁合金中，隨Cu含量增加，鋁合金中Al2Cu相數(shù)量增加、尺寸不斷增大，形貌由點狀轉(zhuǎn)為粗網(wǎng)狀，力學(xué)性能表現(xiàn)為強度提高，塑性降低，2.5%Cu含量的鋁合金抗拉強度、屈服強度達到最高，分別為234.6 MPa、173.6 MPa。自腐蝕電流密度從1.19×10-7A/cm2增加到2.40×10-6A/cm2，腐蝕速率從1.74 μm/y 增加到35.14 μm/y，耐蝕性能下降。

2) 經(jīng)530 ℃×2 h固溶+180 ℃×8 h人工時效的最優(yōu)工藝熱處理后，Al-(0.5%, 1.5%, 2.5%)Cu-0.5Mg-0.7Si系列鋁合金的強度提升明顯，2.5%Cu含量的合金抗拉強度提高了38.5%，從234.6 MPa增加到325.0 MPa，屈服強度從173.6 MPa提高到258.8 MPa，提高了49%，但伸長率從11.0%降到4.5%。T6熱處理可以顯著提升鋁合金的強度。