均匀化热处理对8030铝合金力学和导电性能的影响

章 剑，郭未椿，方 航

(上海理工大学材料科学与工程学院，上海 200093)

近年来，8030 铝合金导线由于有着耐热、良好的导电性能和力学性能被广泛研究。电力科学研究院刘宇等人经过实验发现Cu元素添加能使8030铝合金组织细化，经过热处理后的组组织上弥散分布着Cu和Si的第二相[1]；随着Cu元素的增加，8030合金抗拉强度提高，而电导率下降，研究发现除了抗拉强度上升和导电率下降，还有延伸率也有一定的下降。除了研究关于这方面的研究文献越来越多，申请8030铝合金的成分专利也越来越多，许多公司也研究8030铝合金并将生产为铝杆出售到国外，但是对于铜含量增加，热处理后的微观分析还不是很多，导电性能和抗拉强度不能做到更好的平衡。本文以8030铝合金为基础，按照表1添加不同含量Cu，研究均匀化热处理铝合金力学性能和导电性能变化。

表1 8030铝合金杆成分及成分设计Table 1 Composition design and composition of 8030 aluminum alloy rod (wt%)

1 实 验

1.1 材料与仪器

实验选用8030铝合金杆(成分如表1所示)，Al-50Cu中间合金，商用精炼剂，商用覆盖剂，商用清渣剂。

DSC 8000型差示扫描热量仪，PerkinElmer公司；D8 ADVANCZ型X射线衍射仪，Bruker公司；Z100HT金属材料万能试验机；HD-103型数字涡流导电仪；配有能谱quanta 450 型热场发射扫描电镜，FEI公司；X射线衍射仪。

1.2 实验步骤

预设定电阻炉温度为750 ℃，先将预热干燥的8030铝合金杆加入坩埚中熔炼, 等待8030铝杆熔化 ,并将预热干燥的Al-50Cu中间合金放入电阻炉中随炉加热。等待Al-50Cu中间合金熔化,加入覆盖剂(50% NaCl+50% KCl),并将电阻炉温度降至720 ℃，保温20 min。下一步进行精炼,用钟罩将商业化精炼剂送入到合金液中,轻轻的将钟罩在坩埚四周进行搅动。待精炼完成加入清渣剂,保温15 min，取出坩埚进行扒渣,用扒渣勺进行快速扒渣，使熔体表面无杂质。利用差示扫描热量计对添加Cu的8030铝合金杆进行差热(DSC)分析，发现起始熔化温度为600 ℃左右，645 ℃左右出现极大的熔化峰。设置的均匀化退火温度为460 ℃、510 ℃和560 ℃保温24 h选择抗拉强度和延伸率最好,然后在此温度保温时间分别为12 h、24 h和48 h,选择出最佳热处理时间。用金属材料万能试验机测试8030铝合金的室温抗拉强度及伸长率，拉伸速率为 5 mm/min；用数字涡流导电仪测试不同热处理的铝合金的导电性能；用热场发射扫描电镜对拉伸断裂试样进行断口形貌拍摄；用X射线衍射仪测试不同温度均匀化热处理后的铝合金样品的XRD。

2 结果与讨论

2.1 力学性能

从图1中可以很明显可以看出来，在铜成分含量相同的时候，随着均匀化温度不断的提高抗拉强度先上升后下降，而延伸率先下降后上升；铝合金线锭在均匀化退火处理后，在晶界处及晶粒之间富集的合金元素慢慢的向铝基体中扩散,组织变的更加均匀使得力学性能变得更加优秀[2]。当Cu为0.3wt%,当均匀化温度升高到510 ℃，合金抗拉强度性和延伸率都达到最好，分别为168.7 MPa和13.6%，相对于均匀化温度460 ℃(抗拉强度162.5 MPa，延伸率12.7%)分别提高了3.8%和7%。当匀化退火温度继续升高后，铝合金晶粒出现了长大，导致铝合金抗拉强度(160 MPa)和延伸率(13.2%)都下降，相对于(Cu含量为0.3wt%样品,均匀化温度510 ℃)分别降低了5.4%和2.9%。并可以从规律中发现均匀化热处理温度为510 ℃，力学性能是最好的，抗拉强度为168.7 MPa,延伸率为13.6%。

图1 460 ℃、510 ℃、560 ℃不同均匀化温度热处理24 h下的抗拉强度和延伸率Fig.1 Tensile strength and elongation after heat treatmentat 460 ℃, 510 ℃ and 560 ℃ for 24 hours

在同一均匀化温度时，随着铜含量的提高，抗拉强度不断提高，而延伸率不断下降，在铜含量从0.15wt%到0.20wt%，抗拉强度较快，在均匀化温度510 ℃热处理24 h，抗拉强度提高了12.5%;而铜含量从0.20wt%到0.30wt%上升较缓慢，0.20wt%到0.25wt%抗拉强度提高了4.6%，0.25wt%到0.30wt%仅提高了3%；铜含量从0.15wt%到0.20wt%，0.20wt%到0.25wt%，0.25wt%到0.30wt%,延伸率依次降低了7.5%、7.8%、1.8%。从图1的折线图当中可以发现当铜含量从0.25wt%到0.30wt%的抗拉强度提高的极其缓慢，因为(CuA12) 相是硬脆相[3]，CuA12数量过多会对铝合金杆的抗拉强度起到的影响逐渐降低，所以使得时8030铝合金的抗拉强度在铜含量增加增不够明显。

图2 12 h、24 h、48 h不同均匀化退火时间的铝合金抗拉强度和延伸率Fig.2 Tensile strength and elongation of aluminum alloy withdifferent homogenization annealing time of 12 h, 24 h and 48 h

如图2所示，当Cu含量为0.3wt%，12 h、24 h不同均匀化退火时间的铝合金抗拉强度依次提高了3.3%、6.5%，然而当均匀化退火热处理时间达到48h时，铝合金的抗拉强度反而降低了3.0%，实验表明此时有一部分在晶界处和晶粒之间存在的第二相合金元素回溶进铝基体中，从而降低了第二相的强化作用，导致8030铝合金的机械性能降低[4]。从图2数据分析可知，铝合金杆在510 ℃均匀化退火热处理24 h后具有最好的抗拉强度。

图3(a)为铝合金在460 ℃、510 ℃、560 ℃均匀化处理24 h后的铝合金硬度散点数据图，根据数据显示，随着温度的不断提高，铝合金的硬度先上升后下降。在460 ℃升到510 ℃，铝合金的硬度上升特别明显，提高了将近17%，这是因为铝合金线锭在均匀化退火处理后，在晶界处及晶粒之间富集的合金元素慢慢的向铝基体中扩散[5]，Cu元素与基体形成Al2Cu,Al2Cu以固溶的形式存在使得铝合金力学性能得到提高；从510 ℃升到560 ℃，铝合金反而下降了将近10%，当均匀化退火温度继续升高后，铝合金的微观晶粒尺寸变大[7]，导致铝合金杆的力 学性能变差。

图3 460 ℃、510 ℃、560 ℃均匀化处理24 h后的铝合金硬度(a)和 510 ℃均匀化退火热处理0 h、12 h、24 h、48 h后(b)的硬度Fig.3 hardness of aluminum alloy after homogenization at 460 ℃, 510 ℃, 560 ℃ for 24 h (a), and hardness afterhomogenization annealing at 510 ℃ for 0 h, 12 h, 24 h and 48 h(b)

图3(b)是在510 ℃均匀化处理12 h、24 h、48 h后的铝合金硬度，根据图中数据表明，随着均匀化退火热处理的时间不断提高，铝合金的硬度先上升后下降，12 h上升到24 h,硬度提高了6.06%(Cu含量为0.3wt%)；24 h上升到48 h,硬度反而下降了将近4%，当均匀化退火时间继续升高后，铝合金的晶粒经历长大的阶段，导致铝合金杆的力学性能变差。

2.2 导电性能

随着热处理时间的延长，8030铝合金的导电率降低的幅度越来越小，添加0.3wt%Cu的铝合金经过510 ℃/48 h均匀化热处理后，其导电率上升到了最高到达61.3ICAS，这是由于处在基体当中的Cu元素固溶达到饱和，向经晶界处移动，并出现新相Al13Cu4Fe3，电子扩散阻力减少，使得导电率上升。510 ℃/24 h铝合金的导电率相对510 ℃/24 h铝合金导电率基本没有多少提升，特别是当Cu含量为0.3wt%时，说明Cu元素在12 h的均匀化热处理后基本都固溶进去了基体当中，当热处理时间进一步上升，Cu元素就慢慢的向晶界移动，达到24 h时，只是有少量迁移到晶界而已。

图4 510 ℃均匀化退火处理0 h、12 h、24 h、48 h后的导电性能Fig.4 Conductivity after homogenization annealing at510 ℃ for 0 h, 12 h, 24 h and 48 h

2.3 微观分析

图5是510 ℃/24 h均匀化热处理的断口形貌。铝合金断裂的实质是材料在应力下空洞的萌生、扩展至聚合的过程，而影响铝合金断裂韧性的因素无外乎内因(金属氧化物夹杂和合金熔炼时吸氢引起的针孔)和外因(合金成分、晶粒组织、第二相)[6]。铝合金的图5(a)断口形貌为韧窝状，韧窝深浅不一均匀的分布，韧窝呈45°方向延伸，大小约为10 μm，试样为韧性断裂，断裂机制为微孔聚集型。图5(b)断口中韧窝分布均匀，韧窝大而浅且在韧窝底部有第二相颗粒存在，当试样受到拉伸或剪切变形时，第二相粒子与基体界面首先成为裂纹源使得抗拉强度和硬度有一定的提升。随着应力的增加，应力集中程度加大，塑性变形量增加，韧窝逐渐撕开，韧窝周边形成较大塑性变形的撕裂棱，较大的撕裂棱使得延伸率有所下降[7]。图5(c) 韧窝整体呈45°方向延伸在大韧窝周围的某些撕裂棱附近分布着许多浅微孔，相对于Al-0.15Cu-0.55Fe(a)，Al-0.20Cu-0.55Fe(b)和Al-0.25Cu-0.55Fe(c)的韧窝有所增大，大小约为12 μm，韧窝周边形成较大塑性变形的撕裂棱，延伸率进一步下降。图5(d) 韧窝整体呈45°方向延伸在大韧窝周围的某些撕裂棱附近分布着许多浅微孔，相对于Al-0.15Cu-0.55Fe(a)和Al-0.20Cu-0.55Fe(b)，Al-0.25Cu-0.55Fe(c)的韧窝有所增大，大小约为12 μm，韧窝周边形成较大塑性变形的撕裂棱，延伸率进一步下降。

图5 Al-0.15Cu-0.55Fe(a)；Al-0.20Cu-0.55Fe(b)；Al-0.25Cu-0.55Fe(c)；Al-0.30Cu-0.55Fe(d)Fig.5 Al-0.15Cu-0.55Fe(a)；Al-0.20Cu-0.55Fe(b)；Al-0.25Cu-0.55Fe(c)；Al-0.30Cu-0.55Fe(d)

图6为添加铜含量为0.3wt%的8030铝合金试样不同温度均匀化退火热处理24 h XRD图谱。其中a为未均匀化热处理的试样，b、c和d分别为在460 ℃、510 ℃和560 ℃下均匀化退火24 h的XRD图谱。由图中可以看出从未热处理试样(a)到460 ℃均匀化退火处理试样(b)，在77°附近多出一个(CuAl2)相峰，说明在热处理中，在晶界和晶界边缘的Cu元素扩散到集体当中，以固溶的形式增强铝合金的力学性能。随着温度的升高，由460 ℃均匀化退火处理试样(b)到510 ℃均匀化退火处理试样(c)，在21°、28°、34°、58°附近出现了Al13Cu4Fe3相，随着温度升高到560 ℃，峰值略有增强，在固溶达到饱和时，在基体当中的合金元素又会向晶界处迁移形成共晶相，因此会发现第二相(CuAl2)相峰有明显的减少，导致固溶度降低，使得8030铝合金的电阻减少，导电率上升。

图6 未热处理(a)；460 ℃热处理(b)；510 ℃热处理(c)；560 ℃热处理(d)Fig.6 Without heat treatment(a)；heat treatment at 460 ℃(b)；heat treatment at 510 ℃(c)；heat treatment at 560 ℃(d)

3 结 论

(1)随着均匀化温度不断提高，抗拉强度和硬度先上升后下降，延伸率和导电率先下降后上身升，得到综合性能最好是在510 ℃均匀化处理;

(2)在510 ℃，随着热处理时间提高，抗拉强度和硬度先上升后下降，延伸率导电率先下降后上升，在Cu为0.3wt%,在510 ℃下均匀化退火24好得到最好的综合性能，抗拉强度168.7 MPa，延伸率 13.6%，硬度69.3HV,导电率60.6IACS。

(3)热处理温度由460 ℃升到510 ℃，Al2Cu固溶相减少，出现了Al13Cu4Fe3相，电阻率下降，导电率上升。