锆、铜及均匀化处理对高导耐热铝合金电工圆杆性能的影响*

巩向鹏，张晓燕，黄 鑫，张俊杰，林廷艺

(贵州大学 材料与冶金学院，贵阳 550025)



锆、铜及均匀化处理对高导耐热铝合金电工圆杆性能的影响*

巩向鹏，张晓燕，黄 鑫，张俊杰，林廷艺

(贵州大学 材料与冶金学院，贵阳 550025)

通过扫描电镜、X射线物相分析等方法，研究了Zr、Cu元素及均匀化工艺对高导耐热铝合金电工圆杆组织及性能的影响。结果表明，通过“添加Zr(0.10%)Cu(0.08%)+ 300 ℃×16 h均匀化+ 83%轧制”处理后，试样综合性能较优，试样导电率为59.5%IACS，抗拉强度达到149 MPa，230 ℃保温1 h，强度残存率为94.3%。

锆、铜；高导耐热铝合金电工圆杆；抗拉强度；导电率；强度残存率

0 引 言

随着电力、电器用电需求的急剧增长，输电线路已日益向高强度、高耐热、高载电量方向发展[1]，然而我国目前的输电线路基本上仍是以应用最广的普通架空铝导线为主，由于这种导线导电率低、耐热性差，使用受到限制[2-3]。高导耐热铝合金导线是一种具备较高导电率和高运行温度的特种导线。铝合金电工圆杆是最重要的电线、电缆原材料之一，其性能的好坏将直接影响电线、电缆的质量。添加微量Zr元素能改善铝合金电工圆杆的耐热性能，但铝杆的导电率、强度仍不能满足需求。基于此，本实验是在添加0.10%Zr的基础上，通过复合添加Cu、均匀化处理、轧制工艺提高铝杆电学、力学性能及耐热性能，为研制高性能高导耐热铝合金导线做初步探索。

1 材料及方法

1.1 实验材料

本实验的原材料为硼化后质量分数为99.7%的工业纯铝，Al-10wt%Cu、Al-10wt%Zr中间合金，Zr、Cu名义和实际成分如下表1。每种状态浇铸5根，为保证实验准确性，测试性能时，数据取平均值。

1.2 实验方法

1.2.1 添加Zr、Cu元素

用刚玉坩埚在井式电阻炉中进行熔炼，熔炼温度控制在800，740 ℃左右加入中间合金，搅拌、除渣后，浇注到预热至280 ℃左右的钢模中，制成Ø17 mm×180 mm的铝合金电工圆杆。

1.2.2 均匀化处理

将试样分别在300，350，400，450和470 ℃下进行均匀化处理，均匀化处理时间分别为2，4，8和16 h。为了保持均匀化处理状态的组织和性能，均匀化处理后水冷。

1.2.3 耐热性能测量

将铝合金电工圆杆在230 ℃退火1 h，冷却到室温后，测试其抗拉强度，以强度残存率表示铝电工圆杆的耐热性能，室温下电工圆杆强度残存率不应低于90%。

表1 实验原料合金化学成分(质量分数/%)

Table 1 The chemical composition of the experimental alloy (mass fraction/%)

成分编号 CuCu(实际收得率)ZrZr(实际收得率)其它Al1--0.1000.098≤0.3Bal20.0200.0190.1000.099≤0.3Bal30.0400.0380.1000.099≤0.3Bal40.0600.0590.1000.098≤0.3Bal50.0800.0780.1000.097≤0.3Bal60.1000.0930.1000.096≤0.3Bal70.1200.1180.1000.099≤0.3Bal

1.3 分析测试方法

采用ICAP-6300型全谱直读型ICP光谱仪检测添加微量元素的实际收得率；用CSS-4410电子万能材料实验机测试合金抗拉强度；利用UTM4304高温蠕变实验机测试合金的耐热性能；用Sigma2008B/C数字涡流金属电导率仪测试合金电学性能；采用Olympus—BH2光学显微镜、KYKY-2800B扫描电镜、APOLLO-10X能谱仪观察微观组织形貌及元素分布；利用X’Pert PRO X射线多晶衍射仪分析合金中的物相组成。

2 实验结果与分析

2.1 Zr、Cu元素对铸态铝合金电工圆杆组织和性能的影响

图1添加Zr、Cu的铝合金电工圆杆显微组织图。由图1可知，原铝电工圆杆晶粒相对粗大，且在部分晶界处存在有夹杂物或者是空隙(图1(a))；添加少量Zr元素晶粒一定程度细化，且二次相粒子以细小颗粒状形态均匀分布于晶界处(图1(b))；在定量添加Zr元素基础上复合添加Cu晶粒细化程度更为明显，并有枝晶偏析，且在晶界处存在粗大平衡相(图1(c))。对晶界及晶内成分(图2中1、2、3、4点)进行EDS分析，结果见表2，大部分Zr、Cu元素偏聚于晶界及其附近区域，且在晶界位置(1、2点)：铝元素与Cu、Zr元素的原子比大致与XRD物相分析(图6(a))结果相符，该晶界处二次相粒子为CuAl2、ZrAl3等相，该相可钉扎晶界[4]。

图1 添加Zr、Cu的铝合金电工圆杆显微组织图

Fig 1 Microstructure of aluminum alloy electric rods with Zr and Cu

图2 复合添加Zr、Cu元素的铝合金电工圆杆微观形貌(SEM)

Fig 2 Morphology (SEM) chart of round rod with Zr,Cu

表2 能谱分析结果(原子百分比/%)

Table 2 The EDS analysis results(atomic percent/%)

元素位置 AlFeCuVZrBY1点72.470.0527.400.000.130.030.012点69.990.0329.900.010.150.020.023点94.850.025.100.000.020.010.014点95.010.024.890.020.030.000.03

图3为Zr、Cu元素含量与铝杆性能的关系曲线；图3(a)为Cu、Zr元素对力学及电学性能的影响；图3(b)为Cu、Zr元素对耐热性能的影响。分析可知，添加Zr(0.10%)，导电率有所降低，抗拉强度小幅升高，耐热性能提升较为显著；复合添加Cu元素，随Cu含量增加，铝杆导电率有所降低，抗拉强度提高，耐热性能小幅提升。Zr元素可与Al元素形成亚稳A13Zr相粒子，分布于晶界处，A13Zr是一种高稳定性金属间化合物，可有效钉扎晶界及位错，阻碍晶内滑移和晶间滑移，防止再结晶的产生，因此合金抗拉强度及耐热性能提高[5]；Zr是第5周期过渡族元素，未充满性很强，Al合金中的自由电子容易转移到Zr原子的电子壳层中，从而减少了定向运动的自由电子数量，导电率降幅较大。复合添加Cu元素，Cu与铝基体发生置换固溶反应，起到固溶强化作用；另外， Cu与α-Al形成CuAl2相粒子分布于晶界区域，能够钉扎晶界，对晶界滑移产生阻碍作用，合金的耐热性能及强度提高；同时Cu元素能使晶粒细化(图1(c))，晶界面积增加，自由电子穿过晶界的阻力增大，导电率降低。5号试样铸态性能相对较优，导电率为59.3%IACS，抗拉强度为77 MPa，强度残存率为95.5%，铝杆耐热性能已达标，但电学及力学性能仍不能满足需求，后续实验主要研究铝杆电学及力学性能。

图3 Zr、Cu元素含量与铝杆性能的关系曲线

Fig 3 The relationship curve of Cu, Zr element and aluminium rod performance

图4为均匀化处理对铝杆微观组织的影响。

图4 均匀化处理对铝杆微观组织的影响

Fig 4 The effect of homogenization treatment on microstructure of aluminum poles

2.2 均匀化处理对铝合金电工圆杆组织及性能的影响

图5为均匀化处理与合金抗拉强度及导电率的关系曲线。对5号试样进行均匀化处理，其中时间为0点为未经均匀化处理的铸态合金，浇注时冷却速度较快，合金元素来不及从固溶体中析出而使合金基体处于异常过饱和状态。经不同温度均匀化处理后，合金性能表现为两种趋势：300及350 ℃低温均匀化，抗拉强度降低(图5(a))，导电率显著提高(图5(b))，且300 ℃×16 h均匀化处理，导电率最高61.4%IACS，抗拉强度为74 MPa。400及450 ℃高温均匀化，合金性能变化刚好与低温均匀化处理时相反，抗拉强度一定程度提高(图5(a))，导电率明显下降(图5(b))，经450 ℃×4 h均匀化处理，抗拉强度为83 MPa，导电率为58.34%IACS。300 ℃均匀化处理后，非平衡的过饱和固溶体析出平衡相Al2Cu等，使固溶体晶格畸变作用减弱，从而使导电率得到提升；其中平衡相Al2Cu的析出序列为：α过饱和固溶体→GP区→θ″(亚稳相)→θ′(亚稳相)→θ(平衡相Al2Cu)，GP区及亚稳相θ″、θ′与基体成共格或半共格关系，共格边界附近产生晶格畸变，阻碍位错运动，合金强度升高；而θ′相完全脱溶形成的θ(平衡相Al2Cu)与基体成非共格关系，共格畸变将消失[6]，合金强度随之降低，本实验中析出温度(300、350 ℃)相对较高，析出相大多为θ(平衡相Al2Cu)，这种平衡相对合金强度的提升作用并不明显，相反，由于基体固溶度降低，晶格畸变减少，合金力学性能有所下降。400及450 ℃高温度均匀化时，枝晶基本上消除(图4(b))，Al2Cu等相回溶入基体中，与铝基体形成置换固溶体，晶格畸变程度增大，合金抗拉强度升高。随合金晶格畸变程度增大，对电子散射能力也增强，合金的导电率显著降低[7]。470 ℃均匀化，晶粒粗化，出现过烧，力学性能恶化。

图5 均匀化处理与合金性能的关系曲线

Fig 5 The relationship curve of homogenization treatment and alloy properties

高导耐热铝合金电工圆杆均匀化处理的目的有两个，一是在强度降低较少的前提下，最大程度提高导电率；二是使铸态合金的化学成分和组织均匀。因此，300 ℃×16 h是该高导耐热铝合金电工圆杆合适的均匀化处理工艺。

2.3 XRD物相分析

图6为铸态及经均匀化处理后XRD物相分析图谱。由分析结果表明，铸态合金的相组织结构为固溶体基体α(Al)及CuAl2、Al3Zr相。300 ℃低温均匀化时，CuAl2、Al3Zr相含量增加。450 ℃高温均匀化，合金中微量CuAl2、Al3Zr相回溶到固溶体基体中。

2.4 轧制处理对铝合金电工圆杆组织和性能的影响

采用压缩变形方式，对300 ℃×16 h均匀化处理后试样进行10道次轧制，变形量为83%；轧制处理后，铝合金电工圆杆导电率降低了1.9%IACS，抗拉强度大幅提高，轧制后强度为149 MPa，强度残存率小幅降低(见表3)。轧制处理使得粗大晶粒及第二相明显细化，晶粒延变形方向被拉长，晶粒尺寸更为细小，位错密度增大(图7)，故抗拉强度升高；晶粒的细化，使得晶界面积增加，自由电子穿过晶界的阻力增大，进而导电率有所降低[8]；轧制处理后，形变储能增加，再结晶温度降低，耐热性能有所下降。

图6 铸态及经均匀化处理后XRD物相分析

图7 83%轧制处理后电工圆杆微观组织图

Fig 7 After 83% of the rolling treatment on microstructure of aluminum electrical round rod

表3 轧制处理对铝合金电工圆杆性能的影响

Table 3 The effect of different drawing process on performance

试样导电率/%IACS抗拉强度/MPa强度残存率/%300℃×16h61.47495.12%300℃×16h+83%轧制59.514994.3%

3 结 论

(1) 添加Zr(0.10%)元素，导电率明显下降，抗拉强度小幅提高，耐热性能提升较为显著；复合添加Cu，抗拉强度大幅升高，导电率有所下降，耐热性能小幅提升，添加量为0.08%时，综合性能较好。

(2) 对较优性能铸态试样进行均匀化处理，低温均匀化处理，合金导电率一定程度提高，抗拉强度有所下降；高温均匀化处理，可一定程度提高抗拉强度，但导电率下降较为明显，试样经300 ℃×16 h均匀化，试样性能良好。

(3) 对经300 ℃×16 h均匀化处理的试样，进行83%变形量轧制处理，试样晶粒更为细小，导电率小幅下降，但抗拉强度明显提升，试样综合性能较优。导电率为59.5%IACS，抗拉强度为149 MPa，耐热性能较优。

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Effects of zirconium, copper and homogenization treatment on properties of thermal-resistant aluminum alloy electrical rod with high conductivity

GONG Xiangpeng，ZHANG Xiaoyan，HUANG Xin，ZHANG Junjie，LIN Tingyi

(School of Materials and Metallurgy, Guizhou University, Guizhou 550025, China)

The effects of Zr,Cu and homogenization treatment on microstructures and properties of thermal-resistant aluminum alloy electrical rod with high conductivity were investigated by scanning electron microscope, X-ray diffraction analysis and other methods. The results show that: The specimen has good comprehensive properties after treatment of "adding Zr(0.10%)Cu(0.08%)+ 300 ℃×16 h homogenization treatment +83% rolling ", the conductivity of specimen is 59.5%IACS, tensile strength reachs 149 MPa and the tensile strength remnant ratio is 94.3% after 230 ℃×1 h heat preservation.

zirconium,copper; the thermal-resistant aluminum alloy electrical rod with high conductivity; tensile strength; conductivity; tensile strength remnant ratio

1001-9731(2016)11-11168-05

贵州省工业攻关资助项目(2012-3043)；国家级大学生创新实验资助项目(贵大国创字2013016号)

2015-07-08

2015-09-16 通讯作者：张晓燕，E-mail: ivzhangxiaoyan@163.com

巩向鹏 (1988-)，男，山东淄博人，在读硕士，师承张晓燕教授，从事新型铝导线研究。

TG146.21

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.11.033