硼元素对1070铝合金力学性能及导电率的影响

代自莹,谢方亮,张 宇,李秋梅,张 伟,刘兆伟

(辽宁忠旺集团有限公司,辽宁 辽阳 111003)

我国电力工业正在迅速发展,对电工用铝导体的用量及性能提出了更高要求,所以,实现电工用铝合金导电性能和强度协同提升对该领域具有重要的推动作用[1,2]。目前工业中将硼化处理作为提高导电率的主要方法之一。铝合金中含有Cr、Ti、V等过渡族杂质元素,这些杂质元素即使含量极微,但会增加铝金属基体的电子散射,对电工铝的导电率带来很大的负面影响。硼能在铝液中与Cr、Ti、V、Mn等杂质元素形成难溶物,由于这些难溶物的比重相对铝液较大,因此可以沉淀在炉底,从而实现对铝液的净化,达到提高导电率的目的[3]。张邦冉等研究者在1070铝合金中添加Al-B-N和Al-B-C等中间合金后,合金的导电率和抗拉强度虽有提高,但损失了塑性[4,5]。Xu等人发现,Al-Ti-B中间合金中的Ti元素会降低硼元素对合金导电能力的提升效果[6,7]。现有研究虽提升了电工用铝合金的导电性能,但损失了塑性。

为实现不降低力学性能的前提下提升1070铝合金的导电率,本文选择Al-3%B中间合金向1070合金中添加硼元素,研究硼元素对1070铝合金力学性能和导电率的影响。

1 试验材料与方法

本试验以1070铝合金为研究对象。选用99.70%纯度的铝锭和Al-3%B中间合金为试验材料,采用浇铸方式,制备5组不同硼元素含量合金铸锭(0B、0.05B、0.1B、0.15B、0.2B),其硼元素含量依次为0 wt.%、0.05 wt.%、0.1 wt.%、0.15 wt.%、0.2 wt.%。在所得4个铸锭上取样,采用直读光谱对各合金进行化学成分检测;采用金相显微镜对各合金微观组织及晶粒度进行观察;采用电子万能试验机进行常温力学性能拉伸试验;采用涡流电导仪,在21 ℃温度下进行导电率检测。

2 试验结果与分析

2.1 化学成分

0B合金的实测化学成分(质量分数,%)为,Si 0.04,Fe 0.09,Cu 0.01,Mg 0.01,Zn 0.01,(Ti+V+Mn+Cr+Zr)0.02435,Al 99.80,B无。图1是各试验合金中硼元素添加量与杂质元素(Ti+V+Mn+Cr+Zr)总含量的关系。由图1可知,0B合金中未添加硼元素,杂质元素含量最高,为0.024 wt.%。当添加0.05%的硼元素时,试验合金中的杂质元素总含量明显降低,当硼元素添加量达到0.1%时,合金中杂质元素总含量降低到0.011 wt.%,较0B合金降低54.2%,后继续增加硼元素添加量,试验合金中的杂质元素总含量不再继续降低,基本稳定在0.011 wt.%。这是由于硼元素与杂质元素发生硼化反应生成硼化物沉淀,可通过扒渣去除。

图1 硼元素添加量与杂质元素含量的关系

根据吉布斯自由能△G函数,△G=△H-T△ΦT,分析试验合金中的硼化反应;式中,△H是焓的变化值;T是温度;△ΦT是熵变。

在恒温恒压下,当△G<0时,两种物质可自发进行化学反应。对试验合金中的硼化物进行热力学计算,硼化反应标准吉布斯自由能为,AlB2为-130.73 kJ/mol,CrB为-510.73 kJ/mol,CrB2为-151.78 kJ/mol,TiB为-216.45 kJ/mol,TiB2为-382.08 kJ/mol,VB为-190.05 kJ/mol,VB2为-264.92 kJ/mol,V2B2为-457.80 kJ/mol。由此可知,Ti、V、Cr等元素与硼元素形成的硼化物的吉布斯自由能均为负数,且其数值与AlB2的差值较大,其反应优先于AlB2发生。

2.2 晶粒度组织

图2是各合金的晶粒度组织。由图可知,未添加硼元素的1070铝合金组织中,晶界不平直,晶粒粗大,平均晶粒尺寸达到743.7 μm。添加硼元素后,试验合金的晶界均变平滑,且随着硼元素含量的增加,合金的平均晶粒尺寸逐渐减小。其中,0.2B合金的平均晶粒尺寸最小,为399.4 μm。说明硼元素添至1070铝合金后,阻碍了晶粒长大,起到细化晶粒的效果。

(a)0B;(b) 0.05B;(c) 0.1B;(d) 0.15B;(e) 0.2B图2 各合金的晶粒度组织

2.3 金相组织

图3是各合金的金相组织。由图可知,1070铝合金组织中,晶界上存在骨骼状结晶相。0B合金晶界连续,添加硼元素后,合金中的骨骼状结晶相变断续分布(图3(b)(c)(d))。硼元素加至1070铝合金中,改善了组织中相的分布状态,晶内变洁净。随硼元素含量的增加,0.2B合金中硼元素添加过多,组织中存在较多规则块状相,可能为聚集的AlB2相。

(a) 0B;(b) 0.05B;(c) 0.1B;(d) 0.15B;(e) 0.2B图3 各合金的金相组织

2.4 导电率

由图4可知,1070铝合金的导电率为60.6 %IACS,添加硼元素后,合金的导电率整体得到提升,且随着硼元素添加量的增加,呈先升高后降低趋势。其中,0.1B合金的导电率最大,达到62.9 %IACS,较0B合金提升了2.3 %IACS。

图4 各合金的导电率

导电率受合金的化学成分、结晶态、加工工艺等因素综合影响,本实验中,化学成分是其主要影响因素。试验合金导电率的变化也可以用马西森定律(Matthiessen Rule)表达式来表达:ρtotal=ρt+ρi+ρd;式中,ρtotal表示金属电阻率增加的总和;ρt,ρi,ρd分别表示由于原子热振动、杂质元素和位错、晶界引起的电阻率的增加;其中,杂质元素引起的电阻率ρi占比最高。1070铝合金中的Ti、V、Mn、Cr等杂质元素在固溶时,易吸收自由电子来填充其不完整的电子层,这种传导电子数目的减少导致了电阻率的增加。1070铝合金中微量杂质元素聚集在晶界处,阻碍电子运动,电阻率ρi较高。1070铝合金中加入Al-3%B中间合金后,硼元素与这些杂质元素反应生成硼化物,沉淀于坩埚底部,净化铝熔体,降低了杂质元素对铝导电性的有害作用(降低ρi)。这种硼化反应作用是有限的,当Al-3%B中间合金添加过多,冗余的AlB2粒子聚集在晶界处,增加合金电阻率,导电率降低(0.2B)。所以,硼元素添加不宜过多,添加0.1%的硼元素时,1070铝合金导电率的提升效果最佳。

2.5 力学性能

由图5可知,添加硼元素后,1070铝合金的强度和塑性均提升。0.2B合金的屈服强度最突出,达到29.78 MPa,较0B合金提升了31.4 %;0.05B合金的抗拉强度和断后伸长率最大,分别为66.4 MPa和45.7 %,较0B合金分别提升了24.9 %和10.3 %。0.1B合金的力学性能与0.05B、0.2B合金接近,屈服和抗拉强度分别达到28.4 MPa和63.4 MPa,断后伸长率为44.3 %,分别较0B合金提升25.3 %、19.3 %和8.9 %。

图5 各合金的力学性能

3 结论

(1)添加Al-3%B中间合金后,硼元素与合金中杂质元素发生硼化反应,杂质元素含量降低,当B元素含量为0.1%时,杂质元素总含量降低54.2%。

(2)Al-3%B中间合金对1070铝合金有细化晶粒作用,添加硼元素后,可将1070铝合金的平均晶粒尺寸由743.7 μm减小至399.4 μm。

(3)硼元素含量为0.1%时,1070铝合金的力学性能和导电率实现协同提升,其中屈服和抗拉强度分别达到28.4 MPa和63.4 MPa,断后伸长率为44.3 %,分别较未加硼元素的合金提升25.3%、19.3%和8.9%;导电率由60.6 %IACS提升至62.9 %IACS。