基于正交试验的高强高导AA8000系铝合金的优化设计

刘航+刘新宽+刘平+陈小红+李伟+何代华

摘要：

采用正交试验进行合金成分优化设计，运用二元搭配表得到最优的合金成分，研究了Fe、Si含量对AA8000系铝合金性能的影响.采用扫描电子显微镜（SEM），X射线衍射仪（XRD），金相显微镜（OM）和透射电子显微镜（TEM），研究了Fe、Si及其交互作用对铝合金微观组织的影响.探究了不同的组织相貌对铝合金电学性能及力学性能的影响，并从理论上分析了Fe、Si的交互作用机理.研究结果表明：由正交试验得到最优的合金元素组成，当Fe的质量分数为0.4%，Si的质量分数为0.2%时，合金具有较高的导电率和较高的强度；Fe、Si存在交互作用，Fe与Si可以形成Al8Fe2Si三元中间相，减少了Si对铝合金导电性能的不利影响.

关键词：

AA8000系铝合金； 正交试验； 显微组织； 导电率

中图分类号： TG292-文献标志码： A

Optimal Design of AA8000 Alloys with High Strength and

Conductivity Based on Orthogonal Experiment

LIU Hang1， LIU Xinkuan2， LIU Ping1， CHEN Xiaohong2， LI Wei2， HE Daihua2

（1.School of Mechanical Engineering， University of Shanghai for Science and Technology，

Shanghai 200093， China； 2.School of Materials Science and Engineering， University of

Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：

The orthogonal experiment was used to design the composition of alloy，and the optimal alloy composition was obtained by using the binary match table.We investigated the influence of Fe，Si contents in AA8000 alloys performance via SEM，XRD，optical microscopic，and TEM，as well as their interaction.On the other hand，the impact of different micro -morphology on the electrical and mechanical performance of AA8000 alloys has been studied，and the Fe and Si interaction mechanism was theoretically analyzed.It has found that Al alloys have better electrical conductivity and higher mechanical strength when Fe=0.4wt%，Si=0.2wt% by orthogonal test.We also demonstrated that there is strong interaction between Fe and Si by forming mesophase in compound Al8Fe2Si，which reduces the influence of Si on AA8000 alloys conductivity.

Keywords：

AA8000 aluminum alloy； orthogonal experiment； microstructure； conductivity

AA8000系鋁合金是以Al-Fe合金为基础，加入第三元素Si形成的具有高强度、高导电性的新型铝合金[1].与传统的电工材料相比，AA8000系铝合金因其具有良好的电学性能、比强度及抗蠕变性能[2]，在电缆行业中有很好的应用潜力.

铝合金在强度与导电率之间存在矛盾，强度的提升往往导致铝合金导电率的下降.作为在电工电缆行业有着重要应用的AA8000系铝合金，希望其在具有高导电性的同时，也具有较高强度.因此，获得高强度高导电率的铝合金引起了人们广泛的研究兴趣[3].

本文采用正交试验进行合金最优成分设计，着重研究Fe、Si元素间的交互作用，及AA8000系铝合金高强高导的机理.

1 试验材料与方法

1.1 Al-Fe合金熔炼

在功率为8 kW的电阻炉中，用不锈钢坩埚熔炼所需的AA8000系铝合金.将纯铝及坩埚放入电阻炉中，缓慢升温至830 ℃，使纯铝熔化；将烘干的纯铁粉、纯硅粉，加入坩埚中，不断搅拌.熔化过程中加覆盖剂，除去表面熔渣，搅拌均匀后保温10 min，用砂型模浇铸成30 mm×80 mm的圆柱形铸锭.其化学成分质量分数如表1所示.

1.2 正交试验设计

为了探究不同Fe、Si元素含量对AA8000系铝合金组织与性能的影响，同时考虑Fe、Si两种元素之间可能存在联合搭配作用，会对试验结果产生重要影响，因此，采用有交互作用的正交试验[4].

试验考察了Fe元素质量分数（A），Si元素质量分数（B）以及Fe、Si元素间的交互作用（A×B），共计两个因素，一个交互作用.因此选用正交表L9（34）安排试验.因素水平表如表2所示.正交试验方案及结果如表3所示.