微量铜对8030电工圆铝杆组织性能的影响

刘 宇，曾华荣，曾 鹏，张 迅

(贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州贵阳550002)



微量铜对8030电工圆铝杆组织性能的影响

刘 宇，曾华荣，曾 鹏，张 迅

(贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州贵阳550002)

利用金相显微镜、扫描电镜、导电仪等分析测试了添加不同含量的Cu元素对8030铝合金的显微组织及电学性能等的影响。结果表明，Cu元素的加入能使铝合金的铸态组织明显细化，经过热挤压后合金组织为细小的等轴晶，其上弥散分布着富Cu和Si的第二相。随着Cu元素的增加，合金抗拉强度提高，电导率下降。

铜 8030铝合金 组织性能

0 引言

近年来，为了满足电力和电器工业不断发展的需要，国家对电工铝导体性能提出了更高的要求，特别是大跨度的输变电工程，不仅要求电工圆铝杆具有良好的伸长率和导电性，而且要有较高的抗拉强度[1]。8030铝合金因良好的导电性能和力学性能等在电工行业具有良好的应用潜力，在电力接触线和引线框架等领域应用广泛[2]。影响铝合金导电性的因素很多，其中化学成分是影响铝导体导电性的最基本的因素[3]。在生产过程中控制电工圆铝杆的组织变化，对生产高质量的电工圆铝杆是至关重要的，尤其是导电性能优越的电工圆铝杆，可大大降低电力输送、变配等过程中的损耗，提高能源使用效率[4]。以8030铝合金的成分为基础，在铝合金熔炼过程中添加不同含量Cu，于480℃挤压成φ8.5 mm的铝合金圆杆，分析了Cu含量不同对8030铝合金的铸态组织、挤压态组织、电导率等的影响规律，为开发研制新型高强度铝合金电工圆杆做初步探索。

1 实验材料与方法

试验用原材料为8030铝合金基材，其成分如表1所示。利用7.5 kW石墨坩埚电炉将8030铝棒熔化，待熔体温度加热至750℃后，充分搅拌并添加铝-铜中间合金，充分熔化后进行搅拌、除气、精炼、扒渣等工序后，静置30 min，浇注在φ220 mm的铸铁模中，铸锭重量大约为10 kg。用金属型材挤压机XJ1800对铸锭进行挤压变形加工处理，挤压比为15∶1，挤压后得到φ8.5 mm的棒材。金相试样用水砂纸磨平，再抛光，最后用keller试剂进行腐蚀。利用Olympus-GX51型光学显微镜和配有能谱仪的Supra40型热场发射扫描电镜对实验合金进行显微组织观察和微区成分分析。利用FD-101型数字涡流导电仪对挤压后的铝合金棒材进行电学性能测试。

表1 合金的化学成分(wt/%)

2 实验结果与分析

2.1 铸态组织

图1(a)为8030铝合金原始铸态组织，可以看出合金原始铸态组织晶粒粗大，其平均晶粒尺寸约为125 μm，试样中的初生α(Al)呈现发达的树枝晶形态，溶质原子在枝晶间富集，易被腐蚀而呈黑色。图1(b)为添加0.5%Cu的铸态组织，可以看出，添加0.5%Cu后，合金的初生α(Al)仍然呈树枝晶形态，但明显细化，平均晶粒尺寸约为48 μm，晶内还出现颗粒状或短棒状第二相，既可起到弥散强化，还可减少对基体的割裂作用，提高铝合金的机械性能[5]。图2为添加0.5%Cu的铸态8030铝合金的SEM形貌及元素的面分布结果。同时对图2(a)中的对应点进行能谱测试，由图2(b)～(e)及表2可知，晶界以及晶内的颗粒状的第二相均富含Cu、Si、Fe元素，基体α(Al)中还固溶有部分Cu。有文献研究表明[6]，合金在凝固时，稀土元素在铝合金中的溶解度很小，大部分富集在液相前沿，一方面与Fe 、Si等杂质元素产生强烈的交互作用，减少其进入固溶体的概率；另一方面能够起到阻碍α(Al)长大的作用，从而细化晶粒。而合金中加入适量Cu元素后，合金的铸态组织能得到明显的细化和强化，大量强化相的形成能够促进晶粒的细化[7]。

(a)合金原始铸态组织(b)合金加0.5%Cu的铸态组织图1 8030铝合金铸态组织

表2 合金铸态组织组成相的定点成分分析(wt/%)

AlSiCuFe晶内点199.550.250.150.05晶界点299.180.420.180.22晶界点396.463.090.440.02

2.2 挤压态组织

图3为添加0.5%Cu的8030铝合金于480℃挤压成φ8.5 mm的铝合金圆杆的金相组织及SEM形貌。与图1及图2的铸态组织相比，挤压后铝合金圆杆的组织明显均匀化，呈细小的等轴晶，图中灰色区域为α(Al)基体，其上均匀分布有平均尺寸约为4 μm的白色第二相颗粒。合金经过挤压变形后，与原始组织相比，挤压后的晶粒尺寸明显变小且晶粒分布不均匀，平均晶粒尺寸减小为55 μm。

图2 含0.5%Cu的8030铝合金铸态组织的SEM形貌及面扫描结果

图3 添加0.5%Cu的8030铝合金圆杆的金相组织及SEM形貌

通常认为，Al合金由于层错能高，位错易于攀移和交滑移，所以在变形过程中只发生动态回复而不发生动态再结晶，但也有部分文献表明铝合金在挤压变形过程中存在动态再结晶[8]。本实验所用的铸态铝合金经过480℃的挤压变形后，在冷至室温的过程中将发生再结晶，最终获得细小等轴状晶粒。同时，在此过程中，铸态组织中存在的第二相有部分会重新固溶于α(Al)基体，随着应变量逐渐增加，将产生大量的位错，这将成为冷却时脱溶析出第二相的形核部位，使得铝合金圆杆中的第二相较于铸态时的更加细小、弥散，有利于提高铝合金圆杆的强度。对图3(b)中相应各点进行能谱分析，结果见表3，点4和5主要为细小的晶粒，其铁和铜元素含量较低，点6和7主要为晶界上的晶粒，其中铜元素发生了明显的偏聚，点7中铜含量甚至达到了50.41%，可能为CuAl2化合物。可以看出挤压态组织主要为Al、Fe、Cu三种元素，稀土元素与铝元素半径相差较大，在α(Al)基体的固溶度很小。

表3 合金挤压态组织组成相的定点成分分析(wt/%)

元素/点AlSiFeCu点490.330.610.428.64点595.970.420.483.13点664.751.370.4533.43点747.831.510.2550.41

2.3 力学性能

图4 铜含量对合金抗拉强度的影响

从图4可知，在8030铝合金加入Cu元素会对合金抗拉强度产生影响，即随着Cu含量的增加合金的抗拉强度升高。当Cu含量为0.5%时，抗拉强度为205 MPa。这是由于铜溶入到铝合金中后，由于Cu与Al都是面心立方结构，一部分Cu固溶于Al基体中，发生置换反应，铝基体点阵发生很大晶格畸变，起到固溶强化作用，抗拉强度有所提升。一部分形成CuAl2等难溶相，阻碍位错运动，钉扎晶界，从而提高合金抗拉强度[9]。

图5 铜含量对合金电导率的影响

2.4 电学性能

从图5可以看出加入0.3%Cu时，合金抗拉强度为61.57%IACS，随着Cu的增加，合金电导率反而下降。这是因为Cu加入到Al基体形成置换固溶体，并且由于Al原子和Cu原子半径之差，会使Al原子周围发生晶格畸变，增加电子散射，使电导率降低。另外在铝合金中加入Cu元素可使晶粒细化，增加晶界，导致电子通过的难度增大，电导率降低。

3 结论

1)添加Cu后，8030铝合金的铸态组织明显细化，枝晶间和晶内分布着富Cu和Si的第二相。

2)经热挤压后，加0.5%Cu的8030铝合金电工圆杆的组织为细小的等轴晶，其上弥散分布着富Cu和Si的第二相。

3)随着Cu元素的增加，合金抗拉强度提高，电导率下降。

[1] 巩向鹏, 张晓燕, 高红选, 等. B和Cu对铝电工圆杆组织与性能的影响 [J]. 特种铸造及有色合金, 2015, 35(7): 774-776.

[2] 李卫红. 电线电缆用Al-Fe-Cu合金组织与性能的研究 [D].长沙： 中南大学, 2012.

[3] 杨钢, 何正夫, 张红耀, 等. 含稀土、硼的高导电率电工圆铝杆试验研究 [J]. 轻合金加工技术, 2005, 33(7)：38-40.

[4] 王荣莉, 何正夫, 王如意. Si、Fe对电工圆铝杆导电性能的影响 [J]. 有色金属加工, 2009, 38(5): 10-12.

[5] 熊素建, 熊计, 王均, 等. 稀土对6063铝合金组织和挤压生产工艺的影响 [J]. 四川稀土, 2010(2): 16-19.

[6] 雷文魁, 王顺成, 郑开宏, 等. La,Ce混合稀土对6201电工铝合金组织性能的影响 [J]. 材料研究与应用, 2015, 9(1): 20-24.

[7] 王智祥, 刘峰, 何福萍, 等. Si、Cu对Al-Mg-Si合金组织及性能的影响 [J]. 轻金属, 2012(10): 40-43.

[8] 周坚, 潘清林, 张志野, 等. 7B50铝合金热变形组织演变 [J]. 热加工工艺, 2012, 41(2): 20-23.

[9] 高红选, 张晓燕, 黄鑫, 等. 锆、铜及稀土铈元素对铝电工圆杆组织和性能的影响 [J]. 功能材料, 2015, 43(3): 3073-3076.

Effect of trace copper on microstructure and properties of 8030 electrical round aluminum rod

LIU Yu, ZENG Huarong, ZENG Peng, ZHANG Xun

The influence of different content of Cu element on the microstructure and electrical properties of 8030 aluminum alloy were analyzed by metallurgical microscope, scanning electron microscope and electric conductivity meter. The results show that the as-cast microstructure of Al alloy is obviously refined by the addition of Cu element. After hot extrusion, the microstructure of the alloy is fine equal axial crystal, dispersing the second phase of the Cu and Si. With the increase of Cu element content, the tensile strength of the alloy increases and the conductivity decreases.

copper, 8030 aluminum alloy, microstructure and properties

TG146.21

A

1002-6886(2016)06-0089-03

刘宇(1989-)，男，贵州毕节人，助理工程师，从事高电压技术方面的工作。

2016-07-14