时效制度与预拉伸对6101B铝合金性能的影响

王东辉，唐鸿洋，孙祥彬，窦志家

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

导电器件的原材料以铜和铝为主，其中铜的价格较高[1]，且储量一直处于下降状态。铝是地球上储量最丰富的金属元素，且价格较低，我国一直在进行铝导体替代铜导体的研究[2-3]。

导电器件的原材料既要有高导电性能又要有一定的强度。6101B铝合金可热处理强化，具有良好的导电性能，已被列为导电材料[4-6]。但是为了追求导电性能，在实际生产中经常出现强度不满足要求的情况。本文应客户要求开发一种高电导率6101B合金，对其时效工艺进行了探究。

1 试验材料及方法

6101B合金化学成分要求如表1所示，材料性能要求：屈服强度≥100 MPa，抗拉强度≥130 MPa，电导率≥56%IACS。本试验材料为采用36 MN单动正向挤压机生产的6101B铝合金型材，型材在生产过程中进行在线固溶处理，时效制度见表2，每种时效制度制备三组试样。

采用岛津100 KN万能材料试验机测试拉伸性能；采用蔡司扫描电子显微镜进行显微组织观察；利用Sigmatest2.069涡流电导率测试仪测试材料的电导率。试验测试结果均以平均值进行表征。

2 试验结果

不同时效制度下6101B合金的性能测试结果如表2所示。随着时效进程的增加(欠时效-峰值时效-过时效)，合金的力学性能呈先上升后下降的趋势；而合金的电导率则不断升高，在(260±3) ℃×6 h时效制度下，电导率达到了56.55 %IACS，满足客户要求。而此时合金的力学性能却未达到客户要求，故而设计预拉伸试验对材料性能进行优化，以期提高合金的力学性能。

表1 6101B合金化学成分(质量分数，%)

表2 不同时效制度下合金性能

3 优化试验

预拉伸后进行时效处理属于一种形变热处理方法，使合金在时效后获得更多的析出相，从而起到强化效果。选择(260±3) ℃×6 h作为预拉伸后的时效制度，预拉伸永久形变量分别为0、3%、4%和5%。永久形变量测定方法为：预拉伸前在料样上画出100 mm长的标距，拉伸后测量两标距间的长度，即永久变形量=(拉伸后两标距间距离-100 mm)/100 mm×100%，试验结果如表3所示。随着预拉伸永久形变量的增加，合金屈服强度不断升高，电导率则有着一定程度的上升。最佳工艺为：预拉伸量5%+时效制度(260±3) ℃×6 h，此时屈服强度为111.3 MPa，抗拉强度149.3 MPa，电导率56.91 %IACS，满足客户要求。

表3 不同预拉伸下合金性能

4 组织观察

经(175±3) ℃×8 h及(260±3) ℃×6 h两种时效制度处理后，试样的显微组织如图1所示。其中，经(175±3) ℃×8 h时效处理后试样的晶界处析出相细小且连续，经(260±3) ℃×6 h时效处理后试样的晶界处析出相粗大，且间距变大。

形变量0%和3%预拉伸处理后试样的显微组织如图2所示。可以看出，型材经过预拉伸处理后，韧窝尺寸以及深度都明显增大。由此可知，预拉伸形变量为0%的试样在经过时效后其第二相析出量要少于形变量为3%的试样[7]。

5 分析及讨论

铝合金电导率高低与其析出相的共格性、溶质原子浓度及晶界析出相的尺寸和分布有关。本文时效制度设置为低温短时到高温长时，演化了欠时效、峰值时效以及过时效的变化过程。随着时效温度以及时效时间的增加，析出相不断长大，使得其与基体逐步由共格、半共格向非共格转变。因此析出相引起的晶格畸变不断减小，对电子的散射作用减弱，电导率也随之逐渐上升。析出相长大的同时，需吸收大量的溶质原子，基体内溶质原子浓度降低，晶界出现贫溶质原子区，晶格畸变程度减小，电子散射源的数量减少，对传导电子的阻碍作用减小，合金的电导率升高[8]。

(a)(175±3) ℃×8 h；(b)(260±3) ℃×6 h图1 不同时效制度下合金的显微组织Fig.1 Microstructure of alloy under different aging system

(a)0%；(b)3%图2 不同预拉伸形变量下合金的显微组织Fig.2 Microstructure of alloy under different pre-stretching deformation

铝合金强度变化由析出相的尺寸、数量以及分布决定。随着时效进程的增加，合金的析出相数量逐渐增多，合金的强度亦不断升高，在峰值时效时，合金强度达到了极值。进入过时效阶段时，合金析出相的尺寸开始增大，晶界处以及晶内析出相开始发生聚集，合金强度则出现了下降趋势。预拉伸+人工时效属于铝合金形变热处理中的一种，其原理是将塑性形变的形变强化与热处理时的相变强化结合，从而使合金获得更高的强度。随着预拉伸形变量的增加，合金的变形储能增加，组织转变驱动力亦在增大，从而导致合金内部析出相数量增多，增加了合金的强度[9]。与此同时，析出相的增加使得溶质原子浓度降低，晶格畸变程度减小，电导率进一步提高。

6 结论

1)6101B铝合金最佳工艺为淬火后进行5%预拉伸，人工时效制度为(260±3) ℃×6 h，此时屈服强度为111.3 MPa，抗拉强度为149.3 MPa，电导率为56.90 %IACS，性能均满足客户要求；

2)随着“欠时效-峰值时效-过时效”进程的增加，合金的析出相数量增多并发生长大，电导率提升，强度先上升后下降；

3)经预拉伸后，合金细小析出相数量增加，电导率上升，强度提升。