化学成分对8030铝合金杆性能的影响研究

王欢 侯经韬 殷智 纪剑峰 李伟强

（新疆众和股份有限公司 乌鲁木齐 830013）

1 研究背景

二十世纪七十年代美国、加拿大等国家研制出了8系铝合金，与纯铝电线电缆相比抗蠕变性能得到显著改善，推动了导电用铝合金在工业与民用建筑领域越来越广泛地运用，虽然目前国内已经有如郑州中原百姓广场、成都欢乐谷公园、西安大唐西市等约200个项目在使用8系铝合金电缆，但我国还没有完全解决8 系铝合金电缆机械性能与电性能之间的矛盾，目前使用的高品质铝导体仍然需要依靠高价进口[1]。

当下国家电网致力全面推进“三型两网”建设，加快打造具有全球竞争力的世界一流5G 网络生态的战略部署，在此背景下，光电线缆需求量将迎来爆发式的增长。但5G 基站对通讯电缆的要求进一步提高，要求保持良好导电性能的基础上具有更高的强度。由于8030 铝合金杆没有加工硬化效应，化学成分决定了合金杆最终的性能，因此，本文就化学成分对8030铝合金杆机械性能和电性能的影响进行研究，推动导体用铝合金生产技术的进步和突破。

2 实验材料

Fe和Cu是8030铝合金中最重要的合金元素，有文献报道了稀土对电工用铝合金的各项性能都有利，于是本文主要研究Fe、Cu 和Er 对8030 合金杆性能的影响，实验所用8030 铝合金杆化学成分如下表1所示。

表1 8030铝合金杆实验化学成分/%

3 实验方法

用连铸连轧机组采用相同的生产工艺生产出直径9.5mm 的8030 合金杆，进行抗拉强度和电阻率测试。测试抗拉强度使用CMT4204 型20kN 微机控制电子万能试验机，按GB/T 4909.3 的规定进行拉力试验测试抗拉强度，拉力试验机夹头移动速度为50mm/min。测量电阻率使用PC360C 型电阻率测试系统，系统总误差为±0.15%；游标卡尺：1000±0.1mm，符合GB 1214 规定；并包括精密天平、精度0.1℃的温度计，按GB/T 3048.2-2007 规定的试验方法测量电阻率。

4 实验结果与讨论

4.1 化学成分对抗拉强度的影响

在相同的生产工艺下，不同化学成分8030 合金杆的抗拉强度变化如图1所示。

实验结果表明，当Fe 含量在＜0.9%范围内增加时8030 铝合金杆的抗拉强度不断增大，但继续增加Fe 含量则抗拉强度急剧下降。文献[2]报道当铝中Fe含量较低时有利于形成面心立方的置换固溶体β（FeAl3），该置换固溶体的形成导致铝基体品格发生畸变，增大了位错运动的阻力，从而提高了铝基体的抗拉强度，但过多的Fe 加入会形成粗大难溶的第二相，成为裂纹产生的根源，抗拉强度会显著降低[3]，因此建议Fe含量不应超过0.9%。

Cu 在铝中的最大溶解度是5.65%，温度下降到300℃时，溶解度为0.45%，凝固过程中形成的CuAl2网状结构沿晶界分布，对位错和滑移有阻碍作用，起到一定的固溶强化效果[4]。本文实验结果与该文献报道一致，8030铝合金的抗拉强度随Cu含量的增大而不断增大，因此从提高抗拉强度的角度出发应尽量提高8030铝合金中的Cu含量。

稀土Er 含量对抗拉强度的影响规律与Fe 含量类似，含量的分界点为0.20%。稀土元素Er 加入铝合金中，可与基体Al 保持共格关系，有效钉扎位错，稳定亚结构，阻止晶界滑移，从而提高铝合金强度，但过量的稀土元素含量会产生稀土夹杂，降低了铝合金的强度[5]。因此Er含量应控制在0.20%以下。

图1 8030铝合金杆抗拉强度与化学成分的关系

4.2 化学成分对电阻率的影响

图2为不同成分的8030铝合金杆电阻率的变化情况。

图2 8030铝合金杆电阻率（20℃）与化学成分的关系

可以看出，Fe 在较低含量时对电性能的影响并不显著；但当Fe含量增加到1.2%以上后电阻率随Fe含量增加迅速增大，因此8030铝合金杆Fe含量应控制在1.2%以下。

实验结果表明，电阻率随Cu 含量增大而不断增大，由于铜元素在基体中以固溶态形式存在，引起晶格畸变，使得电子在传播过程中的散射源增多，从而导致铝合金导线的电阻率增大。因此将Cu 含量控制在较低水平更有利于8030合金杆的电性能提高。

图2可以看出，提高稀土元素含量可以不断降低8030铝合金的电阻率，因为稀土元素加入8030铝合金后可使铝中的部分Si、Fe从固溶态转变成析出态，从而对其导电性有利[6]。因此从电性能角度考虑，应适当的提高稀土含量。

4.3 8030铝合金杆性能验证

通过化学成分对8030铝合金杆抗拉强度和电阻率的影响研究，最终确定Fe 含量0.7-0.9%，Cu 含量0.15-0.25%，稀土Er含量0.15-0.20%，按该成分生产的8030合金杆经检验抗拉强度138-145MPa，伸长率18-22%，20℃电阻率≤28.70nΩ.m。

图3 8030合金杆抗压蠕变性

8030铝合金需长期服役在高温环境下不可避免地会发生蠕变，因而其高温蠕变的研究显得尤为重要。在100℃、100MPa 条件下持续检验蠕变率随时间变化如图3 所示，100 小时后样品表面轻微变形，端部无明显破损，未断裂，该成分下的8030铝合金抗压蠕变性能较好。

5 结论

研究了Fe、Cu和Er含量对8030铝合金杆抗拉强度和电阻率的影响，根据研究结果确定较优的8030铝合金杆Fe 含量0.7-0.9%，Cu 含量0.15-0.25%，Er含量0.15-0.20%，按该成分生产的8030 合金杆经检验抗拉强度138-145MPa，伸长率18-22%，20℃电阻率≤28.70nΩ.m，抗压蠕变性能较好。