浅谈影响6101B合金型材导电性能的因素

宋　冰

(深圳市华加日西林实业有限公司， 广东 深圳　518122)



浅谈影响6101B合金型材导电性能的因素

宋冰

(深圳市华加日西林实业有限公司， 广东 深圳518122)

摘要本文通过对6101B合金生产工艺过程中对导电性能影响因素的分析，从而制定出合理的生产工艺条件，从而生产出既满足型材力学性能要求，又具有良好导电性能的6101B导电型材。

关键词6101B合金； 导电性能； 合金元素； 过时效

16101B铝合金导电型材应用简介

城市轨道交通是世界公认的低能耗、少污染的“绿色交通”。城市轨道交通凭借快速、便捷、安全、运量大和运输效率高等特性，成为城市公共交通的重要组成部分。6101B铝合金导电型材是城市轨道交通中地铁、轻轨交通、磁悬浮列车供电系统的重要组成部分。它对列车的高速、安全可靠运行等都起着十分重要的作用。21世纪以来，具有节能、环保、快捷和大运量特征的城市轨道交通建设愈趋受到国内众多城市的关注，近年来国内各大、中城市都在大力发展轨道交通, 根据国家“十三五”发展规划，还将在未来五年新增城市轨道交通里程3000公里，与此相应的导电轨型材的市场需求量也将大幅度增长。

26101B合金导电型材性能要求

6101B铝合金属于A1-Mg-Si系可热处理强化合金,作为导电材料其主要功能是在轨道交通上传输动力电流,因电流负荷大，单位面积内通过的电流密度很大，因此要求具有良好的导电性能,同时材料的后续加工和使用性能要求该合金必须具有中等强度,6101B—T6合金导电型材性能要求见下表1：

表1　6101B—T6合金导电型材性能标准要求

铝合金的力学性能和导电性能往往是互相矛盾的，在满足材料力学性能的前提下，提升材料的导电性能，这将有助于提升材料的动力传输能力，但也对材料生产工艺控制带来了较大的难度，下面结合具体生产实践，通过分析生产过程中对6101B合金导电性能影响的因素，从而确定合理的生产工艺条件，最终生产出既满足型材力学性能要求，又具有良好导电性能的6101B导电型材。

3影响6101B合金型材导电性能的因素

3.1铝金属的一般特性

铝在地壳中具有丰富的蕴藏量(约占地壳质量的8.2%，为地壳中分布最广的金属元素)，铝的冶炼较简便，具有密度小、可强化、易加工、耐腐蚀、导电导热性能好等一系列优良特性，纯度为99.990%的铝在20℃的导电性能：电阻率为2.6548×10-8Ω·m；等体积的电导率为64.94% IACS。电工铝若按单位质量导电能力计算，其导电能力为铜的一倍[1]，正是具有丰富的储量和这些优良的特性，铝及其铝合金得到了极为广泛的应用。

3.26101B合金导电型材生产工艺流程

6101B合金导电型材一般要经过从合金配料、熔炼、挤压等一系列工艺过程，其生产工艺流程如下图1：

图1

3.36101B合金导电型材各工序对导电性能的影响

3.3.1合金成分

影响铝导电性的因素很多，如其化学成分、杂质含量及其结晶状态、加工工艺等，在众多影响因素中，化学成分是影响铝合金导电性的最基本因素[2]。为保证6101B合金力学性能，在铝中同时加入镁和硅，形成可热处理强化的铝合金，强化相为Mg2Si，Mg2Si在铝中的最大溶解度为1.85%，且随温度的降低溶解度减小，时效时形成GP区和细小沉淀相对合金起强化作用。因此，在设计成分时，应保证有一定量的Mg2Si强化相，以保证型材热处理后力学性能满足要求，但又不能过高，以免对型材的导电性能降低产生较大的影响；在Mg2Si相中， Mg/Si比为1.73，但实际添加Mg、Si时，一般会有一定量的Si过剩，因一定量的过剩Si会有利于合金强度的提高，但过剩Si会降低导电性，所以适量的Mg2Si以及适量的过剩Si有利于铝合金的力学性能提高，并维持与导电性能的平衡，一般6101B合金成分设计时Mg2Si的质量分数一般控制在0.8%—1.0%，镁与硅的质量比控制在1.5左右。因杂质元素会降低合金导电率，如图2所示， Cr、V、Ti、Mn、Zr对铝基体导电率降低的影响最为明显，Si、Mg、Cu、Fe对铝基体导电率的降低作用中等，Zn、Ni、Bi等的作用较弱。而合金元素降低铝的导电率，在固熔状态比脱熔状态更为显著[1]。为控制杂质元素含量，因此在备料选择铝锭原材料时，应选择杂质元素含量较低的铝锭，6101B合金实际生产中一般选择铝含量在99.85%以上的铝锭。6101B合金一般实际控制范围如下表2：

图2　合金元素对纯铝导电性的影响

标准MgSiFeCuMnZnTiZr其他杂质元素单个总量国标(%)0.35—0.60.3—0.60.10—0.30.050.050.10——0.030.10内控(%)0.5—0.60.3—0.40.10—0.150.010.010.02——0.010.05

3.3.2熔炼、铝液净化

铝合金在熔炼过程中，熔体中存在气体、各种非金属夹杂物及其他金属杂质等，影响熔体的纯净度[1]，同时对合金的导电率会产生不利的影响，因此，熔炼时应适当控制铝合金熔炼温度，以减少熔炼过程中因熔体吸气、造渣对导电率的影响，一般6101B合金熔炼温度控制在730℃—750℃之间。同时在炉内采用Ar气吹气喷粉精炼，相关试验证明，使用Ar气喷粉精炼后，材料的导电率会提高0.2%IACS以上；同时在铸造时采用箱体式转子除气系统进行Ar气在线除气，经处理后，铝液中含气量由处理前的0.3 ml/100 gAl降低到处理后的0.15 ml/100 gAl以下，进一步提高合金的导电率。铝液经泡沫陶瓷过滤器过滤净化，可以降低铝的电阻率[3],生产中采用50 ppI陶瓷泡沫(CFF)过滤板进行在线过滤，可较好的过滤去除铝液中的夹杂物含量，合金的导电率提高0.3% IACS以上。

3.3.3铸造

铸造过程中为细化晶粒组织，避免铸造时铸棒产生中心裂纹，一般会在线加入AL—Ti—B晶粒细化剂，但Ti元素加入到合金中后会显著降低合金的导电率，因此，在保证铸棒晶粒组织不大于二级晶粒度的前提下，应尽量减少，同时，为避免铸造时铸棒开裂，可通过适当降低铸造速度，降低铸造温度，适当加大铸造水量的方式来解决。铸造工艺参数见下表3所示：

表3

3.3.4铸棒均匀化处理

铸棒在均匀化热处理过程中，合金基体中硬脆的鱼骨状β—AlFeSi相将断裂、球化，转变成а—AlFeSi，改善合金的挤压性能，均匀化退火还可消除铸造应力，从而降低变形抗力，提高挤压生产效率；同时，铸态合金中的枝晶偏析消除，大部分非平衡第二相Mg2Si相粒子回溶到基体中充分固溶，提高合金挤压时效后的力学性能，此外，合金中含有的Fe、Mn、Zr等合金元素，由于在铝中的扩散速度比较慢，在快速冷却的铸造条件下来不及沉淀，以过饱和状态保留在固溶体中，将在铝合金均匀化退火过程中，固溶体将发生分解，析出这些元素的化合物，将有助于提高合金的电子传到能力，提高合金的导电率。一般6101B合金的均质工艺采用580℃保温6小时，采用空气快速冷却，均热后AlFeSi相а转化率将达到80%以上，铸棒合金导电率达到53%IACS以上。

3.3.5挤压、固溶淬火

6101B合金导电材料一般单重较大或壁厚较厚，断面形状较简单，挤压比较小，为使挤压时Mg2Si相充分固溶，一般采用较高的挤压温度，以保证型材挤压出口温度控制在520℃以上，达到Mg2Si相充分固溶的温度条件，同时，为使Mg2Si固溶相保持到常温下，型材冷却时需采用快速淬火冷却，故一般采用高压喷水冷却或穿水冷却，典型的6101B合金型材挤压工艺条件如下表4：

表4

3.3.6时效

对于6101B合金来说，强化相为时效过程中析出的GP区和β”相，第二相粒子强化不仅能使合金强度大幅度提高，而且使合金导电率的损失较小。第二相粒子的析出虽然会使电子流发生散射，促使合金导电率小幅度下降，但相比基体中固溶原子对电子流的散射作用，第二相粒子对电子流的散射作用要小得多，溶质原子脱溶析出第二相后合金能获得比固溶体高的导电率，所以通过调控合金化学成分和生产工艺，采用过时效脱溶析出适当含量的第二相，可以同时改善铝合金的强度及导电率。下面是6101B—T6合金型材在195℃时效温度条件下不同时效制度力学性能和导电率检测分析，见图3，从图中可以看出，随着时效时间的增加，导电率和材料伸长率存在持续增加的趋势，而抗拉强度和屈服强度则是先升高，在达到一个顶点后出现过时效，型材力学性能先是缓慢下降，随后呈现加速下降的趋势，从检测数据看，采用195℃时效，时效时间控制在4—8小时之间均能满足6101B—T6合金型材对力学性能和导电率的综合要求，综合时效生产效率和力学性能、导电率的双重保证能力，最终确定采用195℃X 6小时的时效工艺。

图3

4结束语

4.1综上所述，影响6101B合金导电率因素是多方面的，须在合金成分选择、杂质元素控制、熔炼净化处理、铸造、铸棒均匀化处理、挤压、固溶处理及时效工艺等各个环节进行控制管理，这样才能在保证型材力学性能基础上，尽可能提高其导电性能。

4.2公司依据上述原则，在反复实验的基础上，制订了一整套完善的生产工艺，并进行了批量生产，生产的6101B—T6合金导电型材成功应用于国内首条中低速磁悬浮列车轨道交通线等其他轨道交通工程，取得了良好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]王祝堂，田荣璋.铝合金及其加工手册[M].长沙：中南工业大学出版，2000，172-402.

[2]王桂芹，刘顺华，高洪吾,等. 几种元素对工业纯铝导电性的影响[J].大连理工大学学报,2000年7月 第40卷第4期.

[3]高洪吾,刘顺华,周永江,等. 过滤工艺对铝电阻率的影响[J].特种铸造及有色合金,2001年第1期.

作者简介：宋冰(1969—) 男 工程师 学士 主要研究金属材料及加工、安全质量管理

中图分类号：TG379

文献标识码：A

文章编号：1671-3818(2016)02-0005-04

Discuss the factors which affect conductive properties of 6061B alloy profiles.

Song Bing

(Shenzhen huajiari resistant Industrial Co. Ltd. , Shenzhen518122，Guangdong)

AbstractIn this paper, through the analysis of the influence factors on the electrical conductivity of 6101B alloy during the production process, so as to make a reasonable production process condition, produce 6101B conductive profiles which can not only meet the requirements of mechanical properties, but also have good conductive properties.

Key words6061B alloy, conductive properties, alloy element, overaging