劉 宇，曾華榮，曾 鵬，張 迅

(貴州電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，貴州貴陽550002)

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微量銅對8030電工圓鋁桿組織性能的影響

劉 宇，曾華榮，曾 鵬，張 迅

(貴州電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，貴州貴陽550002)

利用金相顯微鏡、掃描電鏡、導電儀等分析測試了添加不同含量的Cu元素對8030鋁合金的顯微組織及電學性能等的影響。結果表明，Cu元素的加入能使鋁合金的鑄態(tài)組織明顯細化，經(jīng)過熱擠壓后合金組織為細小的等軸晶，其上彌散分布著富Cu和Si的第二相。隨著Cu元素的增加，合金抗拉強度提高，電導率下降。

銅 8030鋁合金 組織性能

0 引言

近年來，為了滿足電力和電器工業(yè)不斷發(fā)展的需要，國家對電工鋁導體性能提出了更高的要求，特別是大跨度的輸變電工程，不僅要求電工圓鋁桿具有良好的伸長率和導電性，而且要有較高的抗拉強度[1]。8030鋁合金因良好的導電性能和力學性能等在電工行業(yè)具有良好的應用潛力，在電力接觸線和引線框架等領域應用廣泛[2]。影響鋁合金導電性的因素很多，其中化學成分是影響鋁導體導電性的最基本的因素[3]。在生產(chǎn)過程中控制電工圓鋁桿的組織變化，對生產(chǎn)高質量的電工圓鋁桿是至關重要的，尤其是導電性能優(yōu)越的電工圓鋁桿，可大大降低電力輸送、變配等過程中的損耗，提高能源使用效率[4]。以8030鋁合金的成分為基礎，在鋁合金熔煉過程中添加不同含量Cu，于480℃擠壓成φ8.5 mm的鋁合金圓桿，分析了Cu含量不同對8030鋁合金的鑄態(tài)組織、擠壓態(tài)組織、電導率等的影響規(guī)律，為開發(fā)研制新型高強度鋁合金電工圓桿做初步探索。

1 實驗材料與方法

試驗用原材料為8030鋁合金基材，其成分如表1所示。利用7.5 kW石墨坩堝電爐將8030鋁棒熔化，待熔體溫度加熱至750℃后，充分攪拌并添加鋁-銅中間合金，充分熔化后進行攪拌、除氣、精煉、扒渣等工序后，靜置30 min，澆注在φ220 mm的鑄鐵模中，鑄錠重量大約為10 kg。用金屬型材擠壓機XJ1800對鑄錠進行擠壓變形加工處理，擠壓比為15∶1，擠壓后得到φ8.5 mm的棒材。金相試樣用水砂紙磨平，再拋光，最后用keller試劑進行腐蝕。利用Olympus-GX51型光學顯微鏡和配有能譜儀的Supra40型熱場發(fā)射掃描電鏡對實驗合金進行顯微組織觀察和微區(qū)成分分析。利用FD-101型數(shù)字渦流導電儀對擠壓后的鋁合金棒材進行電學性能測試。

表1 合金的化學成分(wt/%)

2 實驗結果與分析

2.1 鑄態(tài)組織

圖1(a)為8030鋁合金原始鑄態(tài)組織，可以看出合金原始鑄態(tài)組織晶粒粗大，其平均晶粒尺寸約為125 μm，試樣中的初生α(Al)呈現(xiàn)發(fā)達的樹枝晶形態(tài)，溶質原子在枝晶間富集，易被腐蝕而呈黑色。圖1(b)為添加0.5%Cu的鑄態(tài)組織，可以看出，添加0.5%Cu后，合金的初生α(Al)仍然呈樹枝晶形態(tài)，但明顯細化，平均晶粒尺寸約為48 μm，晶內還出現(xiàn)顆粒狀或短棒狀第二相，既可起到彌散強化，還可減少對基體的割裂作用，提高鋁合金的機械性能[5]。圖2為添加0.5%Cu的鑄態(tài)8030鋁合金的SEM形貌及元素的面分布結果。同時對圖2(a)中的對應點進行能譜測試，由圖2(b)～(e)及表2可知，晶界以及晶內的顆粒狀的第二相均富含Cu、Si、Fe元素，基體α(Al)中還固溶有部分Cu。有文獻研究表明[6]，合金在凝固時，稀土元素在鋁合金中的溶解度很小，大部分富集在液相前沿，一方面與Fe 、Si等雜質元素產(chǎn)生強烈的交互作用，減少其進入固溶體的概率；另一方面能夠起到阻礙α(Al)長大的作用，從而細化晶粒。而合金中加入適量Cu元素后，合金的鑄態(tài)組織能得到明顯的細化和強化，大量強化相的形成能夠促進晶粒的細化[7]。

(a)合金原始鑄態(tài)組織(b)合金加0.5%Cu的鑄態(tài)組織圖1 8030鋁合金鑄態(tài)組織

表2 合金鑄態(tài)組織組成相的定點成分分析(wt/%)

AlSiCuFe晶內點199.550.250.150.05晶界點299.180.420.180.22晶界點396.463.090.440.02

2.2 擠壓態(tài)組織

圖3為添加0.5%Cu的8030鋁合金于480℃擠壓成φ8.5 mm的鋁合金圓桿的金相組織及SEM形貌。與圖1及圖2的鑄態(tài)組織相比，擠壓后鋁合金圓桿的組織明顯均勻化，呈細小的等軸晶，圖中灰色區(qū)域為α(Al)基體，其上均勻分布有平均尺寸約為4 μm的白色第二相顆粒。合金經(jīng)過擠壓變形后，與原始組織相比，擠壓后的晶粒尺寸明顯變小且晶粒分布不均勻，平均晶粒尺寸減小為55 μm。

圖2 含0.5%Cu的8030鋁合金鑄態(tài)組織的SEM形貌及面掃描結果

圖3 添加0.5%Cu的8030鋁合金圓桿的金相組織及SEM形貌

通常認為，Al合金由于層錯能高，位錯易于攀移和交滑移，所以在變形過程中只發(fā)生動態(tài)回復而不發(fā)生動態(tài)再結晶，但也有部分文獻表明鋁合金在擠壓變形過程中存在動態(tài)再結晶[8]。本實驗所用的鑄態(tài)鋁合金經(jīng)過480℃的擠壓變形后，在冷至室溫的過程中將發(fā)生再結晶，最終獲得細小等軸狀晶粒。同時，在此過程中，鑄態(tài)組織中存在的第二相有部分會重新固溶于α(Al)基體，隨著應變量逐漸增加，將產(chǎn)生大量的位錯，這將成為冷卻時脫溶析出第二相的形核部位，使得鋁合金圓桿中的第二相較于鑄態(tài)時的更加細小、彌散，有利于提高鋁合金圓桿的強度。對圖3(b)中相應各點進行能譜分析，結果見表3，點4和5主要為細小的晶粒，其鐵和銅元素含量較低，點6和7主要為晶界上的晶粒，其中銅元素發(fā)生了明顯的偏聚，點7中銅含量甚至達到了50.41%，可能為CuAl2化合物?？梢钥闯鰯D壓態(tài)組織主要為Al、Fe、Cu三種元素，稀土元素與鋁元素半徑相差較大，在α(Al)基體的固溶度很小。

表3 合金擠壓態(tài)組織組成相的定點成分分析(wt/%)

元素/點AlSiFeCu點490.330.610.428.64點595.970.420.483.13點664.751.370.4533.43點747.831.510.2550.41

2.3 力學性能

圖4 銅含量對合金抗拉強度的影響

從圖4可知，在8030鋁合金加入Cu元素會對合金抗拉強度產(chǎn)生影響，即隨著Cu含量的增加合金的抗拉強度升高。當Cu含量為0.5%時，抗拉強度為205 MPa。這是由于銅溶入到鋁合金中后，由于Cu與Al都是面心立方結構，一部分Cu固溶于Al基體中，發(fā)生置換反應，鋁基體點陣發(fā)生很大晶格畸變，起到固溶強化作用，抗拉強度有所提升。一部分形成CuAl2等難溶相，阻礙位錯運動，釘扎晶界，從而提高合金抗拉強度[9]。

圖5 銅含量對合金電導率的影響

2.4 電學性能

從圖5可以看出加入0.3%Cu時，合金抗拉強度為61.57%IACS，隨著Cu的增加，合金電導率反而下降。這是因為Cu加入到Al基體形成置換固溶體，并且由于Al原子和Cu原子半徑之差，會使Al原子周圍發(fā)生晶格畸變，增加電子散射，使電導率降低。另外在鋁合金中加入Cu元素可使晶粒細化，增加晶界，導致電子通過的難度增大，電導率降低。

3 結論

1)添加Cu后，8030鋁合金的鑄態(tài)組織明顯細化，枝晶間和晶內分布著富Cu和Si的第二相。

2)經(jīng)熱擠壓后，加0.5%Cu的8030鋁合金電工圓桿的組織為細小的等軸晶，其上彌散分布著富Cu和Si的第二相。

3)隨著Cu元素的增加，合金抗拉強度提高，電導率下降。

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Effect of trace copper on microstructure and properties of 8030 electrical round aluminum rod

LIU Yu, ZENG Huarong, ZENG Peng, ZHANG Xun

The influence of different content of Cu element on the microstructure and electrical properties of 8030 aluminum alloy were analyzed by metallurgical microscope, scanning electron microscope and electric conductivity meter. The results show that the as-cast microstructure of Al alloy is obviously refined by the addition of Cu element. After hot extrusion, the microstructure of the alloy is fine equal axial crystal, dispersing the second phase of the Cu and Si. With the increase of Cu element content, the tensile strength of the alloy increases and the conductivity decreases.

copper, 8030 aluminum alloy, microstructure and properties

TG146.21

A

1002-6886(2016)06-0089-03

劉宇(1989-)，男，貴州畢節(jié)人，助理工程師，從事高電壓技術方面的工作。

2016-07-14