RE 和Ti 对Al-Mg-Si 导体材料组织和性能的影响

赵红亮，孔亚萍，刘志鹏

(郑州大学 材料科学与工程学院，河南 郑州450001)

0 引言

Al-Mg-Si 合金由于其良好的导电性、热塑性、耐腐蚀性及良好的加工性能，且易氧化着色，被广泛应用于导电导热材料［1-2］． 但Al-Mg-Si 导体材料，存在晶粒粗大、杂质含量高的问题，其机械性能和导电性能仍有待提高． 研究表明，适量的Ti加入到铝合金中，形成金属间化合物TiAl3和TiB2，增加有效核心的数量，细化晶粒，提高合金强度和塑性［3］．在Al-Mg-Si 合金中添加适量的稀土元素能够净化熔体［4］，细化晶粒，从而改善合金机械、物理及工艺性能［5］． 并且，稀土可以与合金中的铁、过剩硅等反应生成化合物，使杂质元素由固溶态变为析出态，提高合金导电性［6］． 笔者在Al-Mg-Si 导体材料中添加稀土和钛，研究其对Al-Mg-Si 合金组织和性能的影响．

1 实验材料与方法

Φ60 mm×110 mm 的柱状模具中(铸铁型，预热温度为200 ℃)． 试样经人工研磨、抛光后用5%HF 腐蚀10 s，在OLYMPUS 金相显微镜和扫描电子显微镜上观察合金组织． 对铸锭570 ℃均匀化处理8 h 后，460 ℃挤压至Φ10 mm，然后对合金棒进行500 ℃固溶处理30 min，水淬冷却，之后进行180 ℃时效处理8 h． 采用SHIMADZU 电子万能拉伸机测试合金杆抗拉强度和伸长率，用FD101 涡流电导仪测试合金导电性能． 实验合金中RE 和Ti 添加量见表1．

基体合金为导体中最常用的Al-0．8Mg-0．6Si(w(Fe)＜0．3%，w(B)＜0．06%)． 将Al-0．8Mg-0． 6Si 放入坩埚电阻炉中，720 ℃保温至Al-0．8Mg-0．6Si 完全熔化，升温至750 ℃，加入预热好的Al-10RE 中间合金(RE 为混合稀土，其中80%的Ce，20%其它．)或/和Al-Ti 中间合金，保温50 min，期间每隔15 min 搅拌一次． 用高纯氩气进行除气处理． 降温至720 ℃，将合金液浇入

表1 实验合金中RE 和Ti 的质量分数Tab．1 The content of RE and Ti in the experiment alloy %

2 结果与分析

2．1 RE 和Ti 对Al-Mg-Si 合金组织的影响

图1 为RE 质量分数为0．3%时，不同Ti 质量分数(x)对合金显微组织的影响．由图1 可知，Ti 可以使Al-Mg-Si 晶粒细化，随着合金中Ti 质量分数的增加，晶粒细化程度先增加后降低．当合金中Ti 质量分数为0．15%时，晶粒尺寸最小，由原始尺寸180 μm 变为100 μm．继续增加合金中Ti的质量分数，晶粒尺寸反而有所增大，并且出现了粗大的块状第二相． 与含质量分数为0．2%Ti 的合金相比，含质量分数为0．25%Ti 的合金中块状第二相数量较多，且形状更加不规则．

图1 Al-0．8Mg-0．6Si-0．3RE-xTi 合金显微组织Fig．1 Microstructures of Al-0．8Mg-0．6Si-0．3RE-xTi

图2 为合金中Ti 质量分数为0．15%时，不同质量分数的RE 对合金显微组织的影响． 可以看出，RE 质量分数对晶粒尺寸有细化作用，细化效果随着稀土质量分数的增加先增加后降低． 当稀土质量分数为0．3%时，晶粒最小，由原始尺寸160 μm 变为100 μm;继续增加稀土质量分数，晶粒尺寸反而变大，并且出现了块状第二相．

图2 Al-0．8Mg-0．6Si-0．15Ti-xRE 合金显微组织Fig．2 Microstructures of Al-0．8Mg-0．6Si-0．15Ti-xRE

图3 为不规则块状相的扫描照片．可以发现，图3(a)中的块状相表面为灰色，图3(b)中的块状相表面除了灰色区域还有白色区域，且块状相表面不平整，存在沟槽，白色区域形状不规则．分别对图3(a)中灰色块状相(点A)和图3(b)中块状相的灰色区域(点B)与白色区域(点C)做能谱分析，如表2 所示． 可看出A，B，C 3 点成分相近，不规则块状相由Al，Ti，Ce 3 种元素组成，Al，Ti，Ce 的摩尔比接近20∶2∶1，由于合金中Ti 元素和Ce 元素太少，XRD 分析中未能检测出铝钛铈相． 但结合文献［7］，可推断出该相是Al20Ti2Ce 相．

在Al-Mg-Si 合金熔体中，Ce 和Ti 反应生成Al20Ti2Ce 相，该相呈块状，尺寸较大，形状不规则，割裂基体，阻碍电子传输，从而影响合金性能．而在熔体中RE 与Ti 发生反应是受质量分数限制的．当熔体中RE 与Ti 的质量分数分别低于0．3%和0．15%时，反应不能进行或者很难进行．当RE与Ti 的质量分数达到一定值后，反应得以进行，形成三元相Al20Ti2Ce．这种化合物的形成消耗了大量的Ti 和Ce，使熔体中Ti 和Ce 的有效质量分数降低，Ti 和Ce 的细化效果减弱，合金性能也受到不利影响．

2．2 Ce 和Ti 对Al-Mg-Si 合金性能的影响

图3 不规则块状相的扫描照片Fig．3 SEM micrographs of irregular block phase a-The gray block phase;b-gray and white block phase

不同RE 和Ti 质量分数的合金力学性能和导电性能如表3 所示．由表3 可知，当稀土质量分数为0．3%时，随着Ti 质量分数的增加，合金的强度、伸长率和电导率先增加后降低．合金强度和伸长率在钛含量为0．15%时达到峰值，分别为265 MPa 和10．3%，相对Ti 质量分数为0 时，分别提高了3．5%和22．6%． 电导率在Ti 质量分数为0．10%时达到峰值，为56．4%IACS． 当Ti 质量分数为0．15%时，随着RE 含量的增加，合金的强度、伸长率和导电率先增加后降低．当RE 质量分数为0．3%时，合金强度、伸长率和电导率达到峰值，分别为265 MPa、10．3%和56%，相对稀土质量分数为0 时，分别提高4．7%、5．1%和12%．当稀土和Ti 质量分数分别大于0．3%和0．15%时，合金性能降低，是因为合金中出现了块状Al20Ti2Ce相和粗大针状相．Al20Ti2Ce 相体积较大，形状不规则，割裂基体，阻碍电子传输，严重降低合金的力学性能和导电性能． 粗大针状相分布在晶界，割裂基体，影响电子传输，对合金力学性能和导电性能都有不利影响．

表2 A，B，C 点各元素的摩尔比Tab．2 The molar ratio of elements in point A，B，C

3 结论

表3 实验合金的力学性能和导电性能Tab．3 The mechanical properties and electric conductivity of the experiment alloy

(1)在Al-Mg-Si-0．3RE 合金中加入Ti 和Al-Mg-Si-0．15Ti 合金中加入RE，晶粒都得到不同程度的细化．当Ti 质量分数为0．15%，稀土质量分数为0．3%时，晶粒尺寸最小，为100 μm．

(2)当Ti 和RE 质量分数分别超过0．15%和0．3%时，生成Al20Ti2Ce 块状相．该相的形成一方面消耗了Ti 和RE，使熔体中Ti 和RE 的有效含量降低，削弱了Ti 和RE 的有利作用．此外，该相形状不规则，割裂基体，阻碍电子传输，对合金导电性能不利．

(3)在稀土和钛质量分数分别为0． 3% 和0．15%时，合金力学性能和导电性能最佳．其抗拉强度、伸长率和电导率分别为265 MPa，10．3%，

56%IACS．

［1］ 梁振宇．合金元素对Al-Mg-Si 合金导体材料组织和性能的影响研究［D］． 长沙:湖南大学材料科学与工程学院，2011．

［2］ 张珊珊．Al-Mg-Si 合金铸态组织及其铸锭均匀化处理的研究［D］． 沈阳:东北大学材料科学与工程学院，2011．

［3］ 成乐，李彩文，杨双强，等． 铝-钛-硼细化剂对6082铝合金组织和性能的影响［J］． 轻合金加工技术，2014，42(3):32 -35．

［4］ 赵红亮，张川，翁康荣，等． RE 对电锤用AM60B 镁合金曲轴箱件组织和性能的影响［J］． 郑州大学学报:工学版，2013，34(1):58 -60．

［5］ YUAN Wu-hua，LIANG Zhen-yu．Effects of La addition on the mechanical properties and thermal-resistant properties of Al-Mg-Si-Zr alloys based on AA 6201［J］．Materials and Design，2012，34:788 -792．

［6］ 饶克，钟建华，傅群强，等． 稀土对6063 铝合金导电、导热性能的影响［J］． 铝加工，2002，25(6):22-24．

［7］ 李苗．Al-Ti-C-RE 细化剂的低温绿色制备及其细化行为研究［D］． 郑州:郑州大学材料科学与工程学院，2011．