微合金化2297铝合金板材组织与性能的研究

2019-04-30张明玉王谦闵光辉

新疆有色金属 2019年1期

张明玉王谦闵光辉，②

（①昌吉学院昌吉 831100 ②山东大学材料学院济南 250014）

铝及其铝合金具有很多优点，例如储量丰富而且分布及其广泛，其密度小而且质量轻，具有很好的延展性和导电性，而且其导热性十分的优良同时还具有可循环利用，回收方便等[1-2]。

微合金化对合金的析出相的数量、类别以及析出的顺序都有不同的影响，目前为止，宾杰等人研究Zr、Er微量元素对铝合金组织性能的影响得出Zr、Er在基体中形成β'相，能够有效地细化晶粒，钉扎晶界[3]。目前国内的电线电缆都是纯铝为主，铝合金材料的偏少，而2297铝合金由于本身的特点，在电线电缆上的应用也有很大的发展前景，并且微量元素的添加对提高2297铝合金的导电性和力学强度具有很大的意义和参考价值。

1 实验材料及其方法

实验采用2297铝合金为原料（Cu 2.5-3.1%，Li 1.1-1.7%，Mg 0.25%，Mn 0.1-0.5%，Zr 0.08-0.15%，Ti 0.12%，Zn 0.05%质量分数）分别加入Al-Ca75%、Al-La95%和Al-Sc10%的中间合金，得到含微量元素的2297铝合金（表1）。实验采用电阻炉进行熔炼，浇注模具采用的是石墨干锅；将得到的铸锭进行去皮处理，得到的圆柱铸锭尺寸为Φ125 mm×150 mm。采用挤压机型号为XJ-800SM的挤压机进行挤压，挤压温度为400℃。挤压比为8∶1，挤压成厚度为16mm的板材。对挤压后的板材在箱式电阻炉里进行退火处理，退火温度分别是380℃、400℃和420℃，退火时间为0.5h～3h。

金相试样在挤压板材相同位置的轧制面取得，得到的试样经过砂纸的粗磨，细磨后在抛光机上经过金刚石研磨膏精抛，腐蚀剂采用Keller’s试剂（190 mL H2O+2mL HF+3mL HCl+5mL HNO3），金相观察采用Nikon DS-U3 Nikon光学电子显微镜(OM)，采用型号为D8 ADVANCE的X射线衍射分析仪测试XRD，硬度测试采用HV-1000型显微硬度计测试其硬度。抗拉强度、屈服强度以及延伸率的测试采用钢研纳克GNT100电子万能拉伸压缩试验机测得，加工的拉伸件根据GB228－2002的要求加工成拉伸件，拉伸速率设定为2mm/min，3个拉伸件为一组，测量数据取平均值。电阻率采用型号为ULVAC/ZEM-3的塞贝克系数/电导率测试系统测得。

表1 实验合金的实际化学成分（%）

2 结果分析与讨论

2.1 挤压态组织与性能

对去皮以后的铸锭进行均匀化热处理后进行挤压实验，得出挤压以后的金相图（图1），可以得出在挤压的过程中，原始的粗大晶粒破碎，晶粒的组织在巨大的外力作用下被拉伸变长，树枝晶消失形成拉伸的纤维状组织，纤维组织的晶界上第二相变的细小而且均匀，这时在部分的晶界有动态再结晶的出现。对挤压板材进行硬度测试，发现2297铝合金的硬度最大为74.8 HV，加入微量元素Sc的2297铝合金硬度为73.6 HV，加入微量元素La和Ca的2297铝合金相对比较小。可以得出添加微量元素进行热挤压后合金的硬度有不同程度的下降。对挤压板材进行导电率测试，发现含有微量元素La的2297铝合金的导电率最高为39.8%IACS。因为添加的La元素会使得合金中晶界强度加强，杂质元素同时会相应减少，提升合金韧性同时对导电率也有提高[4-5]。

2.2 退火工艺下组织与性能

对含有微量元素的2297铝合金进行退火处理，2297铝合金在400℃的退火条件下，经过2h和2.5h可以形成完全的再结晶组织，当达到3h后晶粒开始变得粗大，形成了岛状的再结晶组织。同时在对含有三种不同微量元素的2297铝合金进行退火处理后，在2h和2.5h均发现再结晶现象，同时发现还有纤维状的组织，说明微量元素的添加在一定程度上对再结晶有抑制的作用（图2）。

由金属的导电理论可知，杂质元素在合金中以固溶态存在时对导体电阻率的增大作用大于析出态的，因为在金属A中融入不同类原子B时，溶剂的点阵会产生畸变，从而增加了电子散射，致使电阻升高[6]。对含有微量元素2297铝合金的挤压板材进行不同温度和时间的退火后测试其导电率，可以得出合金在随着退火的时间的增加导电率也相应的有所变化，当合金发生再结晶的时候，相应的合金的导电率达到最大。因为对2297铝合金进行不同的退火处理，退火时间的长短同样会影响导电率，因为退火时间的不同，对GP区的产生影响不同，GP区会对电子产生不同的散射效果，从而影响导电率。本实验得出400℃退火条件下2297-La在退火2h的导电率到达43.5%IACS（图3）。微量元素的添加能够有效地使得晶粒得到细化，共面滑移现象会得到改善，韧性也会有显著的提高[7]。图4为420℃退火条件下的力学性能图，可以得出合金的拉伸强度和屈服强度在合金再结晶的时候达到最大值，合金的延伸率随着退火时间的延长逐渐下降。在420℃退火条件下，2297-Sc在退火2.5h后的拉伸强度最大为309MPa（图4），延伸率为11.6%。微量元素的添加对合金的强度和延伸率有一定程度的提高，这是由于合金晶粒的细化效果与第二相的数量相对的提高而导致的第二相强化作用引起的；同时力学性能的改善和第二相的形态也有一定关系，因为连续以及不连续的网状第二相改变成细小的颗粒状，这些因素对合金的抗拉强度和延伸率都有关。