硼元素對1070鋁合金力學性能及導電率的影響

代自瑩,謝方亮,張 宇,李秋梅,張 偉,劉兆偉

(遼寧忠旺集團有限公司,遼寧 遼陽 111003)

我國電力工業正在迅速發展,對電工用鋁導體的用量及性能提出了更高要求,所以,實現電工用鋁合金導電性能和強度協同提升對該領域具有重要的推動作用[1,2]。目前工業中將硼化處理作為提高導電率的主要方法之一。鋁合金中含有Cr、Ti、V等過渡族雜質元素,這些雜質元素即使含量極微,但會增加鋁金屬基體的電子散射,對電工鋁的導電率帶來很大的負面影響。硼能在鋁液中與Cr、Ti、V、Mn等雜質元素形成難溶物,由于這些難溶物的比重相對鋁液較大,因此可以沉淀在爐底,從而實現對鋁液的凈化,達到提高導電率的目的[3]。張邦冉等研究者在1070鋁合金中添加Al-B-N和Al-B-C等中間合金后,合金的導電率和抗拉強度雖有提高,但損失了塑性[4,5]。Xu等人發現,Al-Ti-B中間合金中的Ti元素會降低硼元素對合金導電能力的提升效果[6,7]?，F有研究雖提升了電工用鋁合金的導電性能,但損失了塑性。

為實現不降低力學性能的前提下提升1070鋁合金的導電率,本文選擇Al-3%B中間合金向1070合金中添加硼元素,研究硼元素對1070鋁合金力學性能和導電率的影響。

1 試驗材料與方法

本試驗以1070鋁合金為研究對象。選用99.70%純度的鋁錠和Al-3%B中間合金為試驗材料,采用澆鑄方式,制備5組不同硼元素含量合金鑄錠(0B、0.05B、0.1B、0.15B、0.2B),其硼元素含量依次為0 wt.%、0.05 wt.%、0.1 wt.%、0.15 wt.%、0.2 wt.%。在所得4個鑄錠上取樣,采用直讀光譜對各合金進行化學成分檢測;采用金相顯微鏡對各合金微觀組織及晶粒度進行觀察;采用電子萬能試驗機進行常溫力學性能拉伸試驗;采用渦流電導儀,在21 ℃溫度下進行導電率檢測。

2 試驗結果與分析

2.1 化學成分

0B合金的實測化學成分(質量分數,%)為,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無。圖1是各試驗合金中硼元素添加量與雜質元素(Ti+V+Mn+Cr+Zr)總含量的關系。由圖1可知,0B合金中未添加硼元素,雜質元素含量最高,為0.024 wt.%。當添加0.05%的硼元素時,試驗合金中的雜質元素總含量明顯降低,當硼元素添加量達到0.1%時,合金中雜質元素總含量降低到0.011 wt.%,較0B合金降低54.2%,后繼續增加硼元素添加量,試驗合金中的雜質元素總含量不再繼續降低,基本穩定在0.011 wt.%。這是由于硼元素與雜質元素發生硼化反應生成硼化物沉淀,可通過扒渣去除。

圖1 硼元素添加量與雜質元素含量的關系

根據吉布斯自由能△G函數,△G=△H-T△ΦT,分析試驗合金中的硼化反應;式中,△H是焓的變化值;T是溫度;△ΦT是熵變。

在恒溫恒壓下,當△G<0時,兩種物質可自發進行化學反應。對試驗合金中的硼化物進行熱力學計算,硼化反應標準吉布斯自由能為,AlB2為-130.73 kJ/mol,CrB為-510.73 kJ/mol,CrB2為-151.78 kJ/mol,TiB為-216.45 kJ/mol,TiB2為-382.08 kJ/mol,VB為-190.05 kJ/mol,VB2為-264.92 kJ/mol,V2B2為-457.80 kJ/mol。由此可知,Ti、V、Cr等元素與硼元素形成的硼化物的吉布斯自由能均為負數,且其數值與AlB2的差值較大,其反應優先于AlB2發生。

2.2 晶粒度組織

圖2是各合金的晶粒度組織。由圖可知,未添加硼元素的1070鋁合金組織中,晶界不平直,晶粒粗大,平均晶粒尺寸達到743.7 μm。添加硼元素后,試驗合金的晶界均變平滑,且隨著硼元素含量的增加,合金的平均晶粒尺寸逐漸減小。其中,0.2B合金的平均晶粒尺寸最小,為399.4 μm。說明硼元素添至1070鋁合金后,阻礙了晶粒長大,起到細化晶粒的效果。

(a)0B;(b) 0.05B;(c) 0.1B;(d) 0.15B;(e) 0.2B圖2 各合金的晶粒度組織

2.3 金相組織

圖3是各合金的金相組織。由圖可知,1070鋁合金組織中,晶界上存在骨骼狀結晶相。0B合金晶界連續,添加硼元素后,合金中的骨骼狀結晶相變斷續分布(圖3(b)(c)(d))。硼元素加至1070鋁合金中,改善了組織中相的分布狀態,晶內變潔凈。隨硼元素含量的增加,0.2B合金中硼元素添加過多,組織中存在較多規則塊狀相,可能為聚集的AlB2相。

(a) 0B;(b) 0.05B;(c) 0.1B;(d) 0.15B;(e) 0.2B圖3 各合金的金相組織

2.4 導電率

由圖4可知,1070鋁合金的導電率為60.6 %IACS,添加硼元素后,合金的導電率整體得到提升,且隨著硼元素添加量的增加,呈先升高后降低趨勢。其中,0.1B合金的導電率最大,達到62.9 %IACS,較0B合金提升了2.3 %IACS。

圖4 各合金的導電率

導電率受合金的化學成分、結晶態、加工工藝等因素綜合影響,本實驗中,化學成分是其主要影響因素。試驗合金導電率的變化也可以用馬西森定律(Matthiessen Rule)表達式來表達:ρtotal=ρt+ρi+ρd;式中,ρtotal表示金屬電阻率增加的總和;ρt,ρi,ρd分別表示由于原子熱振動、雜質元素和位錯、晶界引起的電阻率的增加;其中,雜質元素引起的電阻率ρi占比最高。1070鋁合金中的Ti、V、Mn、Cr等雜質元素在固溶時,易吸收自由電子來填充其不完整的電子層,這種傳導電子數目的減少導致了電阻率的增加。1070鋁合金中微量雜質元素聚集在晶界處,阻礙電子運動,電阻率ρi較高。1070鋁合金中加入Al-3%B中間合金后,硼元素與這些雜質元素反應生成硼化物,沉淀于坩堝底部,凈化鋁熔體,降低了雜質元素對鋁導電性的有害作用(降低ρi)。這種硼化反應作用是有限的,當Al-3%B中間合金添加過多,冗余的AlB2粒子聚集在晶界處,增加合金電阻率,導電率降低(0.2B)。所以,硼元素添加不宜過多,添加0.1%的硼元素時,1070鋁合金導電率的提升效果最佳。

2.5 力學性能

由圖5可知,添加硼元素后,1070鋁合金的強度和塑性均提升。0.2B合金的屈服強度最突出,達到29.78 MPa,較0B合金提升了31.4 %;0.05B合金的抗拉強度和斷后伸長率最大,分別為66.4 MPa和45.7 %,較0B合金分別提升了24.9 %和10.3 %。0.1B合金的力學性能與0.05B、0.2B合金接近,屈服和抗拉強度分別達到28.4 MPa和63.4 MPa,斷后伸長率為44.3 %,分別較0B合金提升25.3 %、19.3 %和8.9 %。

圖5 各合金的力學性能

3 結論

(1)添加Al-3%B中間合金后,硼元素與合金中雜質元素發生硼化反應,雜質元素含量降低,當B元素含量為0.1%時,雜質元素總含量降低54.2%。

(2)Al-3%B中間合金對1070鋁合金有細化晶粒作用,添加硼元素后,可將1070鋁合金的平均晶粒尺寸由743.7 μm減小至399.4 μm。

(3)硼元素含量為0.1%時,1070鋁合金的力學性能和導電率實現協同提升,其中屈服和抗拉強度分別達到28.4 MPa和63.4 MPa,斷后伸長率為44.3 %,分別較未加硼元素的合金提升25.3%、19.3%和8.9%;導電率由60.6 %IACS提升至62.9 %IACS。