高导电铝合金的力学性能和导电率分析

黄应敏，邹科敏，许翠珊，邵源鹏，郝志峰

(1.广州番禺电缆集团有限公司，广东 广州 511442；2.广东工业大学 轻工化工学院，广东 广州 510006)

0 引 言

6061铝合金作为6系铝合金中的典型合金之一，具有导电性良好、抗腐蚀能力强、力学性能坚固、成本低等优点，被广泛用于现代建筑、电网输送和电子产品等领域[1].由于工业制造运用的铝合金含有较多Fe元素，在热处理和冷塑性变形过程中容易形成较为粗大的晶体状，对屈服强度、塑性、导电性产生了影响，限制了其工业应用.铝合金的力学性能和导电率受多个因素共同影响，一般情况下，铝合金的合金程度越高，其强度也越高[2].在合金的制作工程中，又受到制作工艺的影响，加热工艺和热处理制度，结晶程度、固溶强化，主要影响因素还是铝合金中的合金成分[3].随着我国民用工业和建筑行业的迅速发展，铝合金的应用场景越来越广泛，对铝合金的需求量也逐渐上升.因铝合金的高导电性和力学性能成为一种新型的导电材料，在电力传输方面和交通轨道的材料上有着越来越重要的作用[1].电网线路压力持续增大和轨道交通不断提速，对铝合金的性能有了更高的要求，因此，对高导电铝合金的力学性能和导电率进行研究是非常必要的[4].

铝合金的力学性能和导电率与合金的金属成分和制作工艺有关，文献[5]中仅对Fe元素对铝合金的导电率的影响进行了分析，控制Fe元素在铝合金中含量，测量了导电能力，研究不够全面，控制变量单一.文献[6]针对不同时效温度对铝合金屈服强度的影响进行分析，通过观察铝合金内部的晶体结构，实现铝合金分析.这种方法未能够说明不同时效温度下铝合金导电性的强弱，对力学性能和导电率之间的联系分析不明确.

针对上述研究中存在的不足，为了更科学、更全面地对铝合金进行分析，本文针对铝合金的力学性能和导电率制定了分析流程，研究了合金成分和不同的时效温度、时效时间对铝合金性能的影响.

1 铝合金力学性能和导电率影响因素分析

1.1 铝合金分析流程

本文针对铝合金的力学性能和导电率制定了分析流程，针对6061铝合金进行测试，系统分析铝合金中合金成分、热处理过程中，时效时间和时效温度对铝合金综合性能的影响.铝合金分析流程如图 1 所示.

图 1 铝合金分析流程图

在制作工艺过程中，通过控制不同的制作环境，得出不同的铝合金进行力学性能和导电率分析[7].在制备过程中，经过不同时效温度的处理，对铝合金样本加入不同的金属元素，将等通道转角挤压工艺与固溶处理相结合，经过冷塑性形变[8]，得出结果，分析经过不同环境下各种因素对铝合金综合性能的影响.

1.2 合金成分对铝合金导电率的影响

铝合金的合金程度越高，力学强度就越高，导电率也随之变化.影响铝合金性能的金属元素有很多，如Si，Fe，Ti，Mn，Cr等.各种金属元素通过制作工艺形成合金后，作为杂质元素会造成合金中基本元素铝基体结构的形变，增大了结构强度，降低了电子流动性，使电阻率增大[9].合金之间互相作用也会引起电子的减少，使导电性能变弱.

溶质元素溶入溶剂数量增多，使溶剂晶体产生形变，电子传导能力变弱，电阻率增大[10].固溶体的电阻率

ρs=ρs1+ρs2，

(1)

式中：ρs1为溶剂的电阻率；ρs2为溶剂引起的电阻率.合金中金属元素能够与自由电子互相产生作用，所以合金的电导率

ρ(T,c1,…,cn)=ρp(T)+ρres(c1…,cn)，

(2)

式中：ρp(T)是固溶体机体本身的电阻率；ci为合金元素的浓度.铝合金本身的电阻率会随着温度的升高而升高，呈线性关系[11].因为要考虑到沉淀相元素，所以，公式为

(3)

金属元素在铝合金中占不同重量时对合金电导率有不同的影响[12]，变化曲线如图 2 所示.

图 2 合金成分对导电率的影响

1.3 时效处理对铝合金力学性能的影响

本文针对时效温度和时效时间对铝合金力学性能和导电率的影响进行了研究.

在合金的制作工艺过程中，把铝合金加热后，经过固溶处理快速冷却得到饱和固溶体[13].若时效温度过低，会造成铝合金中晶体扩散困难，GP区不容易形成，使铝合金的硬化程度减弱，力学性能不佳[14].当时效温度过高时，晶体扩散较快，会导致过饱和固溶体中析出的结晶尺度增大，产生过时效现象[15].

时效过程中，基体中的过饱和溶质元素逐渐析出，此时出相的性质、形貌、尺寸及数量等特征参数决定了样本的强度[16].动态时效总的强化机制可表示为

(4)

式中：σ0.2为屈服强度；σgs表示结晶强化程度；σss为固溶强化；σρ为错位强化；σprec为析出强化；M为泰勒因子.σgs取决于平均晶粒尺寸，表示为

σgs=α1Gb(1/δ)，

(5)

式中：α1为常量，一般数值为2；G为切变模量；b为伯氏常量；δ为位错平均尺寸.σρ取决于时效温度下变形晶体的位错密度，计算公式为

σρ=α2Gbρ1/2.

(6)

以上强化机制表明，在时效处理过程中，样本的力学强度是析出强化、位错强化和结晶强化的共同作用[17].

因此进行试验选择合理的时效温度，仅分析时效温度和时效时间对铝合金综合性能的影响时，选用合金成分简单，合金元素较少的铝合金样本，控制单一变量，防止合金中其他元素产生影响.试验铝合金样本成分如表1所示，样本材料的尺寸为30 mm*40 mm*10 mm.

表 1 样本铝合金化学成分

验证时效温度对铝合金性能的影响，时效温度设置为150℃～190℃，时间固定在4 h，测试不同时效温度下铝合金的屈服强度和导电率.

屈服强度结果如图 3 所示.

图 3 屈服强度随时效温度的变化

通过图 3 可知，铝合金的强度随着时效温度的升高明显下降.经过4 h 150℃时效温度处理后，铝合金的屈服强度为272 MPa；经过4 h 170℃ 时效温度处理后，屈服强度下降至240 MPa左右；当温度升高到190℃时，屈服强度下降到200 MPa，相对150℃时的屈服强度下降了24.8%左右.

时效温度升高时，在铝合金的压缩拔拉过程中在组织结构内部产生了大量空位、错位的情况，造成铝合金的屈服强度下降[18].

导电率结果如图 4 所示.

通过观察图 4 可得出结论，铝合金的导电率随着时效温度的升高而升高.在150℃时导电率仅是56%，时效温度升高到190℃时，导电率升高到64%.在时效温度较低时，铝合金空位向结晶外部扩散，错位因为晶体与空位的运动而不断消失.时效温度升高，铝合金内电子的散射效应降低，从而提高了导电率.

图 4 导电率与时效温度的关系

以时效时间对铝合金的力学性能和导电率进行验证.仍选用表1所示的铝合金样本，时效时间设置为1 h～9 h，分别验证160℃时和190℃时的屈服强度和导电率.

160℃时和190℃时屈服强度随时效时间的变化实验结果如图5所示.

图 5 屈服强度随时效时间的变化

通过对比分析图5可知，160℃时效时间曲线表明，在开始的0h～4 h中，屈服强度增大的速率最快，然后随着时效时间的增长，增加幅度逐渐变弱.而190℃时效时，前3 h屈服强度增加幅度较大，3 h～5 h趋于稳定，随着时效时间变长铝合金的屈服强度逐渐下降[19].

160℃时和190℃时屈服强度随时效时间的变化实验结果如图 6 所示.

通过分析图 6 可知，在两种时效温度下，铝合金的导电率持续增加.在160℃时效温度下，0h～4 h 导电率增长幅度较大，随后增长速率减慢但还持续增加[20].190℃时效温度下，0h～6 h导电率增长迅速，时效时间到达9 h导电率达到了55%，与原来相比增长了6%.随着时效时间的增加，铝合金中各种金属元素重新排列，Mg, Si元素进一步扩散，原来的晶体结构与化学成分脱离母相成为独立相，电子的流通性变强，所以铝合金的导电率增高.

图 6 导电率随时效时间的变化

2 应用测试

根据前文研究中各种因素对铝合金综合性能的影响，本次实验对铝合金的合金成分和制作工艺中时效处理的温度和时间进行了改进，与文献[5] 中对Fe成分改进的铝合金和文献[6]中对时效温度改进的铝合金进行对比试验，对比分析3种合金的屈服强度和导电率[21].

对铝合金的屈服强度进行分析时，拉伸试验采用的最大载荷为5 kN，采用加载速度 0.0005mm/min～1 000 mm/min的 Instron8871试验机进行屈服强度性能测试.频率为30hz，应力比为0.1，选取初始应力幅与拉伸强度比为 0.64∶1，每次改变应力幅10 MPa进行屈服强度测试.

图 7 伏安法测铝合金导电率示意图

实验使用伏安法测试铝合金的导电率，将铝合金实验样本看成具有一定阻值的电阻，通过测试导线两端电压和电流从而测量出伏安特性曲线，拟合曲线得出铝合金的电阻率，最后换算成导电率.图 7 所示为伏安法测铝合金导电率的示意图.

2.1 样本成分及时效处理情况

本文试验样本对成分中Si，Fe，Cu，Cr，Mn元素进行了优化，采用时效温度160℃处理.

文献[5]仅对铝合金成分中Fe元素进行了改进，采用时效温度150℃处理.

文献[6]仅对热处理工艺中时效温度进行了改进，铝合金的成分不变.采用时效温度180℃处理，增加了铝合金中的合金元素并控制各金属元素的成本，更能表现出合金元素对铝合金屈服强度和导电率的影响.3种样本的合金成分如表 2 所示.

表 2 本实验样本铝合金成分

2.2 实验结果分析

对3种样本合金的力学性能和导电率进行测试，时效时间设置为0h～9 h，对比分析3种合金的力学性能和导电率.屈服强度实验结果如图 8 所示.

图 8 实验样本的屈服强度

通过对比分析本文实验样本的屈服强度与文献[5]和文献[6]实验样本的屈服强度可知，在时效时间0h～4 h，本文实验样本屈服强度上升幅度最快，随着时效时间的增加，屈服强度的增加速率减小，到9 h时，力学强度增加到280 MPa左右.文献[5]的合金样本在0h～2 h增加幅度最快，随后减慢，到8 h时屈服强度不再增加，最大达到 240 MPa 左右.文献[6]的合金样本在 0h～6 h屈服强度持续上升，6 h时达到最大值 240 MPa 左右，6 h～9 h屈服强度减小.本文试验样本的力学强度一直高于文献[5]和文献[6]，说明本文研究对铝合金的屈服性能分析比较全面，对合金优化后对屈服强度影响较大.

导电率试验结果如图 9 所示.

图 9 实验样本的导电率

通过观察3个实验样本的导电率可知，本文合金样本导电率随时效时间持续升高；文献[5]合金样本的导电率在0h～8 h增大，随后开始下降；文献[6]合金样本的导电率在0h～6 h持续增加，然后时效时间增加导电率不再变化.本文合金样本的导电率高于文献[5]和文献[6]，说明本文研究分析的铝合金的合金成分对导电率影响较大，随着时效时间的增加，金属元素容易扩散，电子流通性变强，使导电率提高.文献[5]和文献[6]研究因素过于单一，研究方向片面.

3 结 论

本文对高导电铝合金的力学性能和导电率进行研究，主要内容如下:

1) 制定了对铝合金的分析流程，通过制作过程中不同工艺的处理，分析各种因素对铝合金力学性能和导电率的影响.

2) 分析了铝合金中金属成分对铝合金的基体组织，晶体结构和固溶程度的影响，及其进而对铝合金的力学强度和导电能力的影响.

3) 分析了热处理工艺对时效处理的影响，不同的时效温度和时效时间对晶体的晶核数量、大小和聚变程度都有不同的影响，进一步对力学强度和导电性产生不同作用[22].

4) 通过实验对比研究，证明了本文实验样本的力学性能和导电率更好.

本文分析了铝合金的力学性能和导电率，未能在实际应用中加以验证，在应用场景中的实现有待进一步确认.