熔體復合硼化處理及第二相形貌演變對鋁合金導電率影響機制的研究.pdf

1、鋁及鋁合金具有密度小、比強度高、導電導熱性能好等優(yōu)點，廣泛應用于電線電纜、電器開關等領域。但是，鋁合金導體材料良好的導電性和優(yōu)異的力學性能往往不能兼顧，限制了其應用范圍。本文以微合金化鋁合金以及亞共晶Al-Si系鋁合金為主要研究對象，通過熔體復合硼化處理、擠壓變形、熱處理等，降低過渡族金屬元素及Ca的固溶量、改善第二相形貌及分布，同時提高其導電率與力學性能，以期實現(xiàn)鋁合金導體材料的結(jié)構(gòu)、功能一體化。
　　全文的主要研究工作如下:<

2、br>　　1)微合金化鋁合金熔體的硼化與細化復合處理工藝研究
　　對于微合金化鋁合金，熔體的硼化與細化復合處理工藝可以在提高合金導電率的同時保證其良好的力學性能。試驗結(jié)果表明，先硼化處理后晶粒細化更有利于導電率和力學性能的同步提高。
　　硼化處理過程中，Al-B中間合金添加形式、添加量、微量元素Ti等與硼化處理效率緊密相關，研究發(fā)現(xiàn)微量Ti可促進鋁熔體中的過渡族金屬元素以多元硼化物的形式析出，從而顯著提高硼化處理效率，并以此

3、建立了硼化反應機制的理論模型。對于AA1070Al，添加2％Al-3B中間合金進行常規(guī)硼化處理的效率為77.7％，合金導電率由60.8％IACS提高至64.6％IACS，提高了6.3％;添加微量Ti輔助硼化處理后，硼化處理效率提高至93.3％，合金導電率達到65.3％IACS;類似地，對于其它微合金化鋁合金，如Al-0.5Fe-0.2Si，添加4％Al-3B中間合金，保溫15min時，其導電率由53.0％IACS提高至58.3％IACS

4、，提高了10.0％。
　　硼化處理后結(jié)合晶粒細化可實現(xiàn)導電率與力學性能的良好匹配。結(jié)合以上試驗結(jié)果，先添加1200ppm的B后添加0.5％Al-5Ti-0.8B-0.2C復合處理后熱擠壓獲得Φ14±0.5mm的AA1070Al鋁桿，其導電率提高到65.0％IACS，室溫極限拉伸強度和延伸率分別由67MPa和53％提高至85MPa和58％，導電率和力學性能均明顯優(yōu)于GB/T3954-2014電工圓鋁桿中相應的國家標準值。利用硼化與細

5、化復合處理工藝同樣可以提高Al-0.5Mg-0.35Si、Al-0.5Fe-0.2Si及Al-0.8Fe-0.2Cu三種微合金化鋁合金的導電率與力學性能。
　　2)鋁熔體中Cr、Ca金屬硼化物形貌演變規(guī)律及其對合金導電率的影響
　　利用鋁熔體原位合成法制備了Al-Cr(Ca)-B合金，研究了CrB2及CaB6兩種硼化物的反應合成、形貌演變規(guī)律及其對合金導電率的影響。
　　熔體制備溫度影響Al-Cr-B合金中的物相組成、

6、過渡族金屬硼化物反應路徑以及晶體形貌。熔體溫度在650℃時加入Cr劑后緩慢升溫至850℃，優(yōu)先生成中間相AlCr2B2后逐漸轉(zhuǎn)變成六棱柱形貌的CrB2;熔體溫度直接升至850℃時加入Cr劑，溶解態(tài)的B與Cr反應生成六角板片狀的CrB2;熔體溫度高于1000℃時，六角板片狀的CrB2顆粒生成量大大減少而伴隨大量AlB12顆粒生成。通過研究近鄰元素Mn對CrB2晶體生長及形貌演變的影響，發(fā)現(xiàn)Mn易取代部分Cr引起CrB2發(fā)生成分演變、結(jié)構(gòu)演

7、變，分別形成摻雜型的(Cr1-x Mnx)B2和(Cr1-x Mnx)3B4顆粒。對于Al-CaB6合金，在反應合成過程中CaB6不同生長階段的形貌特征易被保留下來，大部分呈規(guī)則的立方體形貌，遵循擇優(yōu)循環(huán)生長機制。
　　鋁合金中添加CrB2、CaB6顆?？梢蕴岣咂淞W性能，但對合金導電率的影響較為復雜。對于純鋁導體，CrB2顆粒會降低其導電率;但對于Al-Si合金，添加一定量的CrB2可提高其導電率。CaB6顆粒在一定程度上提高A

8、A1070Al的導電率。因此，CrB2是一種適用于Al-Si系導電鋁合金的顆粒增強相，CaB6是一種適用于微合金化導電鋁合金的顆粒增強相。
　　3)亞共晶Al-Si合金中Si相形貌演變及其與導電率和力學性能的相關性研究
　　亞共晶Al-Si合金中共晶Si相形貌及分布與其導電率密切相關。鑄態(tài)的Al-4Si合金中共晶Si呈板片狀，導電率僅為41.8％IACS，通過熔體硼化與變質(zhì)復合處理、均勻化熱處理、熱擠壓變形，合金中的過渡族金

9、屬元素固溶量減小，且共晶Si的形貌與分布發(fā)生如下演變:針片狀（沿晶界分布）→珊瑚狀（沿晶界分布）→顆粒狀（沿晶界分布）→顆粒狀（彌散分布），相應合金的導電率由41.8％IACS分別提高至46.6％IACS、53.9％LACS、60.0％IACS。共晶Si形貌演變過程中，當共晶Si顆粒細小彌散分布且具有高密度孿晶時，其對電子流散射作用逐漸減小，電子傳輸通道增多，相應合金導電率最佳。
　　為進一步提高其力學性能，通過添加適量的Mg、F

10、e、Cu并結(jié)合上述熔體處理及加工工藝制備了一種Al-4Si-0.8Mg-0.2Fe-0.1 Cu合金并擠壓成Φ10.5mm合金桿，熱處理后使合金中共晶Si、Mg2Si以及AlFeSi等第二相細小、彌散地分布在鋁基體上，且共晶Si顆粒中具有高密度孿晶，合金表現(xiàn)出良好的導電率、熱導率和優(yōu)異的力學性能。該合金導電率為59.1％IACS，室溫熱導率為198.949W·m-1K-1，150℃時的熱導率為196.017W·m-1·K-1，26～10