闕石生,黃瑞銀,李學(xué)云,鄭宏智,張希園
(中鋁瑞閩股份有限公司,福州 350015)
銅和鋁是兩種最主要的導(dǎo)電金屬材料。銅面臨著資源匱乏及價(jià)格高等不利因素,鋁作為地球上最豐富的有色金屬,具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、成形性好、成本低等優(yōu)點(diǎn),已逐漸在電力導(dǎo)線、儲(chǔ)能電站、新能源汽車等領(lǐng)域得以應(yīng)用,且大有以鋁代銅的趨勢(shì)[1]。
6101鋁合金是一種低合金化Al-Mg-Si系熱處理可強(qiáng)化合金,具有中等強(qiáng)度、良好的導(dǎo)電性及成形性,成為近些年來在導(dǎo)電材料的研究熱門對(duì)象[2-4]。特別是隨著新能源電動(dòng)汽車及快充技術(shù)的快速發(fā)展,6101鋁板越來越被特斯拉等電動(dòng)汽車企業(yè)廣泛地采用,不僅要求其具有較高的強(qiáng)度、優(yōu)異的導(dǎo)電率,還對(duì)合金的折彎加工等性能提出了較高要求[5]。鋁合金的強(qiáng)度與導(dǎo)電性能、折彎性能不易兼得,故而在確保電導(dǎo)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(diǎn)和重點(diǎn)[7]。一般要求材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)185~225 MPa,屈服強(qiáng)度150~210 MPa,電導(dǎo)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(jìn)行控制[2-6]:(1)低合金及微合金化:采用低Fe、Cu、Zn等雜質(zhì)高純鋁水,降低Cr、Mn、Ti、V等影響電導(dǎo)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(qiáng)化相;(2)時(shí)效工藝優(yōu)化:通過單級(jí)或雙極時(shí)效工藝開發(fā),促進(jìn)Mg2Si強(qiáng)化相的析出,減少晶格畸變及對(duì)導(dǎo)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(qiáng)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(chǔ)上,從熱處理工藝參數(shù)優(yōu)化角度入手,協(xié)同調(diào)控6101鋁合金的強(qiáng)度、導(dǎo)電率和加工性能。
試驗(yàn)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(yàn)合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)
將冷軋板用UNITEMp快速升溫爐進(jìn)行固溶,水淬處理后,采用日本島津100 kN萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行預(yù)拉伸,然后在箱式爐內(nèi)進(jìn)行人工時(shí)效試驗(yàn)得到試驗(yàn)樣品。經(jīng)萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試力學(xué)性能;利用Sigma-2008A渦流電導(dǎo)率儀檢測(cè)電導(dǎo)率;利用液壓折彎?rùn)C(jī)評(píng)估折彎性能;利用蔡司光學(xué)顯微鏡觀察晶粒組織分布。
本試驗(yàn)設(shè)計(jì)不同的熱處理工藝參數(shù)(固溶溫度、固溶時(shí)間、預(yù)拉伸量、時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)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(duì)晶粒及性能的影響。
(2)采用0.5%、3%、5%三種預(yù)拉伸量以探索預(yù)拉伸對(duì)性能與電導(dǎo)率的影響。
(3)采用單級(jí)時(shí)效160/180/200℃×(2~24)h和雙級(jí)時(shí)效85/165℃×4+200℃×(2~12)h,探索該時(shí)效處理制度對(duì)性能與電導(dǎo)率的影響。
6101合金主要是通過固溶和時(shí)效處理來控制其晶粒、組織尺寸及分布狀況,進(jìn)而影響成品的性能和電導(dǎo)率。大量的研究表明,6×××系的時(shí)效處理析出順序?yàn)椋害吝^飽和固溶體→GP區(qū)→β”→β’→β。時(shí)效過程中析出的G區(qū)和β”起到較好的強(qiáng)化效果,同時(shí)彌散分布的第二相相對(duì)固溶原子而言對(duì)導(dǎo)電電子的散射作用更小,更易獲得更大的電導(dǎo)率。
圖1為不同固溶工藝條件下的表面和縱向晶粒分布情況??梢钥闯觯涸谙嗤貢r(shí)間下,隨著固溶溫度的提高,表面和縱向晶粒呈粗化趨勢(shì),折彎橘皮更為明顯,見圖2;當(dāng)固溶溫度相同時(shí),隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),表面和縱向晶粒變化很小。
圖1 不同固溶工藝下的晶粒對(duì)比(放大100倍)
圖2 晶粒尺寸對(duì)90°折彎影響對(duì)比
表2顯示的是固溶制度對(duì)成品性能和電導(dǎo)率的影響。從表中可以看出,在相同的預(yù)拉伸、時(shí)效制度下,不同的固溶溫度和保溫時(shí)間對(duì)成品的性能和電導(dǎo)率影響很小。這表明6101為低合金化,經(jīng)溫度530℃以上短時(shí)間保溫即可完成充分固溶,為后續(xù)的時(shí)效析出奠定了良好基礎(chǔ),對(duì)成品的性能和電導(dǎo)率的影響很小。
表2 不同固溶制度下的性能和電導(dǎo)率
表3為不同預(yù)拉伸條件下的性能和電導(dǎo)率對(duì)比表??梢钥闯觯诠倘芗皶r(shí)效制度相同的前提下,隨著預(yù)拉伸量的增加,抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、電導(dǎo)率甚至延伸率均呈增加趨勢(shì)。這表明適當(dāng)增加預(yù)拉伸量將產(chǎn)生更多的滑移位錯(cuò),后續(xù)的時(shí)效析出驅(qū)動(dòng)力增強(qiáng),從而獲得更好的時(shí)效強(qiáng)度。與此同時(shí),析出相的增加將使固溶原子貧化,晶格畸變程度減輕,電導(dǎo)率得以進(jìn)一步提升[3]。
表3 不同預(yù)拉伸下的性能和電導(dǎo)率
在固溶、預(yù)拉伸相同的前提下,單級(jí)時(shí)效制度對(duì)成品性能和電導(dǎo)率的影響見圖2和圖3。時(shí)效分成欠時(shí)效→峰時(shí)效→過時(shí)效三個(gè)階段進(jìn)程。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度先增加后降低,電導(dǎo)率呈一直增加趨勢(shì);隨著時(shí)效溫度的提高,更快進(jìn)入峰值時(shí)效,但峰值強(qiáng)度比低溫時(shí)效時(shí)更小。綜合客戶要求,可選擇單級(jí)時(shí)效工藝180℃×(8~24)h或200℃×(5~24)h,以保證抗拉強(qiáng)度達(dá)到186~223 MPa,屈服強(qiáng)度159.5~204.5 MPa,電導(dǎo)率56.20~57.41%IACS。
圖2 單級(jí)時(shí)效的性能趨勢(shì)圖
圖3 單級(jí)時(shí)效的電導(dǎo)率趨勢(shì)圖
在固溶、預(yù)拉伸相同的前提下,選擇兩種工藝方案探索雙級(jí)時(shí)效制度對(duì)成品性能和電導(dǎo)率的影響,結(jié)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(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和電導(dǎo)率波動(dòng)小,更穩(wěn)定,且強(qiáng)度保持在較高水平;在不犧牲過多強(qiáng)度的條件下,電導(dǎo)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(jí)時(shí)效,雙級(jí)時(shí)效后的各項(xiàng)性能更佳、更穩(wěn)定,有利于實(shí)際生產(chǎn)控制。研究表明雙級(jí)時(shí)效比單級(jí)時(shí)效的β″和β′相尺寸更大,晶界無析出帶(PFZ)更寬,材料的電導(dǎo)率更高[8]。綜合各項(xiàng)指標(biāo)表明,165℃/4 h+200℃/(5~12)h制度更能保證抗拉強(qiáng)度223~227 MPa、屈服強(qiáng)度189~204MPa、電導(dǎo)率57~58.1%IACS。
圖4 雙級(jí)人工時(shí)效的性能趨勢(shì)圖
圖5 雙級(jí)人工時(shí)效的電導(dǎo)率趨勢(shì)圖
(1)固溶溫度及保溫時(shí)間對(duì)成品的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及電導(dǎo)率影響較小,但晶粒呈長(zhǎng)大趨勢(shì),折彎橘皮越發(fā)明顯。
(2)隨著預(yù)拉伸的增加,產(chǎn)生更多的滑移位錯(cuò),提供了更多的形核地點(diǎn),有助于合金時(shí)效強(qiáng)化能力的提高,抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、電導(dǎo)率均呈上升趨勢(shì)。
(3)隨著單級(jí)時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度先增加后降低,電導(dǎo)率呈持續(xù)增加趨勢(shì);隨著單級(jí)時(shí)效溫度的提高,更快進(jìn)入峰值時(shí)效,但峰值強(qiáng)度相比低溫時(shí)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(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、電導(dǎo)率波動(dòng)小、更穩(wěn)定,且強(qiáng)度保持在較高水平。雙級(jí)時(shí)效相對(duì)單級(jí)時(shí)效各項(xiàng)性能更佳更穩(wěn)定,有利于實(shí)際生產(chǎn)控制。
(5)結(jié)合熱處理各工藝參數(shù)對(duì)性能及電導(dǎo)率的影響規(guī)律,確定在固溶530℃×(15~60)s+預(yù)拉伸量0.5%+雙級(jí)時(shí)效165℃/4 h+200℃/(5~12)h制度下,材料可獲得優(yōu)良的綜合性能。