楊 莉，陸冠華，康躍華，王順成，翟元輝，張志敏

1.廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510650；2. 廣東新亞光電纜實業(yè)有限公司，廣東 清遠 511500

隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，電力工業(yè)建設(shè)突飛猛進，輸電線路建設(shè)正朝著長距離、大跨越、大容量方向發(fā)展[1].我國現(xiàn)有長距離、大跨越架空輸電線路的電纜主要是由純鋁導線加工而成的鋼芯鋁絞線，這種鋼芯鋁絞線的電能損耗較大.為了降低輸電線路的電能損耗，迫切需要開發(fā)高強度的鋁合金導線來制造全鋁合金絞線，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼芯鋁絞線[2].全鋁合金絞線的全部線股均由同質(zhì)的鋁合金線絞成，具有輸送容量大，電能線路損耗少、耐腐蝕、弧垂特性好和施工便利等優(yōu)點[3-4].Al-Mg-Si系合金是可熱處理強化的鋁合金，是全鋁合金絞線的主要合金材料[5-6].為了優(yōu)化Al-Mg-Si系合金導線的熱處理工藝，本文采用連鑄連軋和拉拔工藝制備了Al-0.8Mg-0.7Si合金導線，研究了自然時效和人工時效工藝對Al-0.8Mg-0.7Si合金導線抗拉強度和導電率的影響.

1 試驗材料與方法

試驗材料為Al-0.8Mg-0.7Si合金，采用工業(yè)純鋁(質(zhì)量分數(shù)99.7%)、速溶硅(質(zhì)量分數(shù)99.5%)和純鎂(質(zhì)量分數(shù)99.8%)通過熔煉制成.實驗設(shè)備為15 t雙室熔煉爐、圓形傾動式保溫爐、LGZ-1600型輪帶式連鑄機和15機架Y型連軋機，連鑄機結(jié)晶輪直徑為1600 mm，連鑄坯橫斷面積為2400 mm2.

在雙室熔煉爐內(nèi)加熱熔化工業(yè)純鋁錠并升溫至760 ℃，然后加入速溶硅和純鎂錠，攪拌熔化成鋁合金液，經(jīng)精煉和扒渣后，將鋁合金液轉(zhuǎn)入圓形傾動式保溫爐內(nèi)進行調(diào)溫和保溫，最后連鑄連軋成直徑9.5 mm的Al-0.8Mg-0.7Si合金圓桿.鋁合金液澆鑄溫度為710 ℃，連鑄機結(jié)晶輪轉(zhuǎn)動線速度為0.2 m/s，冷卻水流量為60 m3/h，終軋速度為6.2 m/s.

將Al-0.8Mg-0.7Si合金圓桿拉拔成直徑4 mm的鋁合金導線，在520 ℃固溶處理1 h后進行水淬，然后分別進行自然時效和人工時效.時效處理后，用QJ-31型雙臂電橋儀測量Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的導電率，用DNS200型電子拉伸機檢測Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的抗拉強度(拉伸速度2 mm/min).

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 自然時效對抗拉強度的影響

圖1為Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的抗拉強度與自然時效時間之間的關(guān)系曲線.由圖1可知，隨著自然時效時間的延長，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的抗拉強度逐漸提高.當自然時效時間超過72 h后，抗拉強度的提高速度開始下降.當自然時效時間達到192 h時，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的抗拉強度達到最大值318 MPa.隨著自然時效時間繼續(xù)延長，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的抗拉強度出現(xiàn)小幅度下降.固溶處理后的Al-0.8Mg-0.7Si合金導線是過飽和固溶體，這種過飽和固溶體不穩(wěn)定，在室溫保存時就會發(fā)生自然時效作用.在G.P.區(qū)或原子團簇形成后，位錯切過相質(zhì)點所需的力隨著Mg2Si強化相尺寸的增大而急劇增加[7]，使Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的抗拉強度逐漸升高.但是由于室溫下的外界驅(qū)動力較小，自由能的變化驅(qū)動著G.P.區(qū)或原子團簇的形成，Mg2Si強化相尺寸不會一直增大，驅(qū)動力也不足以使其發(fā)生相轉(zhuǎn)變，導致后續(xù)自然時效引起Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的抗拉強度升高速率逐漸減小.在達到室溫下的Mg2Si強化相平衡后，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的抗拉強度不再繼續(xù)升高，在保持一個相對穩(wěn)定階段后，開始出現(xiàn)小幅度下降.

圖1 自然時效對鋁合金導線抗拉強度的影響Fig.1 Effect of natural aging on tensile strength of aluminum alloy wires

2.2 自然時效對導電率的影響

圖2為Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的導電率與自然時效時間之間的關(guān)系曲線.由圖2可知，隨自然時效時間延長，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的導電率逐漸下降.當自然時效時間為1 h時，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的導電率降至最低，導電率為52.5%IACS.當自然時效時間超過1 h后，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的導電率略有波動，但總體較穩(wěn)定.上述結(jié)果表明，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的自然時效作用比較明顯，自然時效時導電率趨于穩(wěn)定的時間約為1 h.鋁合金導電率的變化與其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化密切相關(guān)，根據(jù)量子力學中的經(jīng)典電子理論[8]，自然時效過程中，鋁合金強化相的數(shù)量增多，原子團簇質(zhì)點與鋁基體存在共格關(guān)系，共格界面具有較小的界面能.應(yīng)變能在不同的界面關(guān)系中會變大，原子團簇析出導致應(yīng)變能增大而強化鋁合金，彈性應(yīng)變的增大增加了自由電子的散射程度，使自由電子的平均自由程減小，最終導致Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的導電率下降.

圖2 自然時效對鋁合金導線導電率的影響Fig.2 Effect of natural aging on conductivity of aluminum alloy wires

2.3 人工時效對抗拉強度的影響

在不同溫度下進行人工時效，時效時間對Al-0.8Mg-0.7Si合金導線抗拉強度的影響如圖3所示.由圖3可知，在不同溫度下進行人工時效，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的抗拉強度均隨時效時間延長而不斷提高.人工時效的溫度越高，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線抗拉強度的提高速率越快，越早到達抗拉強度的峰值平臺.在175 ℃溫度下人工時效8 h時，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的抗拉強度達到最大值330 MPa，合金導線具有最佳的時效強化效果.在185 ℃人工時效6 h時，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的抗拉強度達到峰值平臺；在195 ℃人工時效4 h后，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的抗拉強度達到峰值平臺，但其抗拉強度都低于330 MPa.

圖3 人工時效對鋁合金導線抗拉強度的影響Fig.3 Effect of artificial aging on tensile strength of aluminum alloy wires

從Al-0.8Mg-0.7Si合金的脫溶序列可知，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線在175 ℃人工時效過程中，析出相主要為β″過渡相.隨著時效時間的延長，β″過渡相的密度增大，但是析出相平均尺寸在迅速長大后基本維持不變[9].當達到抗拉強度峰值后，由于析出相的種類沒有發(fā)生變化，其抗拉強度值變化較小.在185 ℃和195 ℃進行人工時效，析出相的類型為β″和β′過渡相的混合，而非單一的β″相.由于β′過渡相較易生長，在185 ℃和195 ℃時效時，鋁合金導線的相平均尺寸在時效初期就大于175 ℃時效，故人工時效初期，時效溫度高的抗拉強度也高.在185 ℃人工時效過程中，β″和β′過渡相的數(shù)量隨時效時間增加而變化較小，這也反映在鋁合金抗拉強度的變化上[10].但是在195 ℃人工時效過程中，析出的β′過渡相隨著時效時間的增加而增多，時效時間為4 h時析出相主要為β′相，這也導致Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的抗拉強度在時效4 h后沒有繼續(xù)提高.

在175 ℃人工時效過程中，強化相為單一的β″過渡相，隨著析出相體積分數(shù)增大，析出相的密度增大，位錯切過析出相的切應(yīng)力大幅增加，從而提高Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的抗拉強度.但是隨著析出相的粗化，位錯繞過析出相所需的切應(yīng)力小于其切過的應(yīng)力，此時位錯的奧羅萬機制啟動，使得析出相的強化作用降低[11].在185 ℃和195 ℃下，析出相的粗化一方面降低了析出相的密度，另一方面β′過渡相的出現(xiàn)降低了析出相與基體的連續(xù)性，而且β′相也極易長大，這都降低了對Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的強化作用.

2.4 人工時效對導電率的影響

在不同溫度下進行人工時效，時效時間對Al-0.8Mg-0.7Si合金導線導電率的影響如圖4所示.由圖4可知，隨著人工時效時間的延長，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的導電率呈上升趨勢.在時效前期，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的導電率變化速率隨著時效溫度升高而增大.在195 ℃人工時效4 h后，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的導電率曲線開始進入穩(wěn)定平臺.在185 ℃人工時效6 h后，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的導電率曲線開始進入穩(wěn)定平臺.在175 ℃進行人工時效時，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的導電率曲線進入穩(wěn)定平臺最晚，當時效時間為8 h時，導電率為55.6 %IACS.

圖4 人工時效對鋁合金導線導電率的影響Fig.4 Effect of artificial aging onconductivity of aluminum alloy wires

在Al-0.8Mg-0.7Si合金導線人工時效的初始階段，析出相的尺寸較小，同時存在大量的原子團簇，與自然時效時一樣，原子團簇加劇了對電子的散射作用，而脫溶析出又會消耗溶質(zhì)原子，使電子運動阻力減小，這兩個作用疊加之后使得Al-0.8Mg-0.7Si合金導線在時效初期的導電率相對較低.隨著時效時間的增加，原子團簇轉(zhuǎn)變?yōu)棣隆搴挺隆溥^渡相，使原子團簇對電子的散射作用迅速減弱，導電率迅速提高.β′相的尺寸比β″相大，故β′相對溶質(zhì)原子的消耗也比β″相多，這使得β′相的析出大大加快了導電率的增加.時效溫度升高會加劇析出相的形核長大，并且隨著時效溫度的升高，β′相開始形核，β′相比β″相更容易長大，β′相的長大與其周圍的位錯環(huán)密切相關(guān)，其相尺寸一般都比β″相大，會消耗更多的溶質(zhì)原子，使導電率上升更快[12].這使得在195 ℃和185 ℃進行時效時，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的導電率上升速率大于在175 ℃時效的.

3結(jié) 論

隨著自然時效時間延長，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的抗拉強度逐漸提高，導電率逐漸下降.當自然時效時間為192 h時，鋁合金導線的抗拉強度達到最大值318 MPa，導電率為52.5 %IACS.隨著人工時效時間延長，Al-0.8Mg-0.7Si合金導線的抗拉強度和導電率均逐漸提高.在175 ℃人工時效8 h時，鋁合金導線的抗拉強度達到最大值330 MPa，導電率為55.6 %IACS.

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