不同元素含量对高导电铝合金性能的影响研究

黄应敏 邹科敏 许翠珊 邵源鹏 郝志峰

摘 要：高导电铝合金具有密度小、塑性强、导电性能好等优势，能够在诸多领域中发挥重要作用。随着人类对高导电铝合金性能要求的不断提高，有必要继续提高铝合金的综合性能。文章通过实验分析的方式，在高导电铝合金中加入不同元素含量，分析不同元素含量对铝合金性能的影响。实验结果表明，在高导电铝合金中加入质量分数为0.2%的镁元素，能够提高其力学性能和导电率;在高导电铝合金中加入2%的铜元素，有利于合金的综合性能;在高导电铝合金中加入0.3%的稀土镧元素，合金的抗拉强度达到最大值。

关键词：镁;铜;镧;含量;高导电铝合金;性能

中图分类号：TG146.21 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）08-0062-05

Study on the Effect of Different Element Contents on the Properties of High Conductive Aluminum Alloy

Huang Yingmin， Zou Kemin， Xu Cuishan， Shao Yuanpeng， Hao Zhifeng

（R & D center of Guangzhou Panyu Cable Group Co.， Ltd.， Guangzhou 511400， China）

Abstract：High-conductivity aluminum alloy has the advantages of low density， strong plasticity， and good electrical conductivity， and can play an important role in many fields. As humans continue to improve the performance requirements of highly conductive aluminum alloys， it is necessary to continue to improve the comprehensive properties of aluminum alloys. In this paper， through experimental analysis， different element contents are added to high-conductivity aluminum alloy， and the influence of different element contents on the properties of aluminum alloy is analyzed. The experimental results show that adding 0.2% of magnesium to the high-conductivity aluminum alloy can improve its mechanical properties and conductivity; adding 2% of copper to the high-conductivity aluminum alloy is beneficial to the overall performance of the alloy; 0.3% rare earth lanthanum is added to the highly conductive aluminum alloy， and the tensile strength of the alloy reaches the maximum.

Key words：magnesium; copper; lanthanum; content; highly conductive aluminum alloy; performance

鋁合金属于一种可持续发展、绿色环保的有色金属材料，该材料的优势众多，比如塑性好、导电性能强、抗腐蚀性能好、密度小、导热性能优异等，因其优势较多，能够在输电设备、航空航天、汽车机械等领域中发挥重要作用[1-3]。高导电铝合金因其优异的导电性能，主要应用于高压输电设备中[4]。随着我国对材料的应用效果和要求不断提高，高导电铝合金的强度不够高，并且具有比较差的机械加工性能，在一定程度就会导致高导电铝合金的使用频率降低。于是国内外学者对高导电铝合金进行不断深入研究，试图提高铝合金强度和机械加工性能，使得高导电铝合金具有更加优异的综合性能，从而能够在实际生产加工中发挥更好的应用效果[5-6]。在研究高导电铝合金性能的文章中，主要的研究方向有两种，首先是对高导电铝合金的组成成分进行分析，或者是从高导电铝合金的加工工艺上进行分析，目的都在于增强高导电铝合金的性能[7-8]。由于高导电铝合金的组成成分不同直接影响其性能，并且在高导电铝合金中加入不同含量的元素，同样会直接影响到铝合金性能[9-10]。在高导电铝合金中加入不同含量的镁元素、铜元素和稀土元素镧会影响到铝合金的性能。文章为了提高高导电铝合金的性能，对这几种元素含量进行分析，从而得出含量最佳的元素含量。另外，文章选择的压铸成形的方式制作高导电铝合金。

1 实验过程

1.1 实验材料和仪器

实验过程中需要使用的主要材料有高导电铝合金、镁、铜和镧;实验中使用的主要仪器有压铸机，其模具图和试棒尺寸如图1所示，还需要电子万能试验机、数字电导率仪、金相显微镜等。

1.2 压铸实验

首先将高导电铝合金放到压铸机的熔炼炉中，将其进行熔炼。其中会产生一些杂质，于是将温度升高到660℃之后，在其中加入除渣剂，然后静置0.5h，再在其中分别加入不同含量的元素，3种元素的含量如表1所示。最后再对压铸工艺参数进调整，每一次压铸实验中的工艺参数都相同。

1.3 性能测试

使用金相显微镜对每组试样进行显微组织观察，发现加入不同元素含量对试样组织的影响;然后使用电子万能实验机对试样的拉伸性能进行分析，其中拉伸速度设置为0.5mm/min，为了保证测试结果的准确度，会进行3次拉伸实验，然后取平均值作为抗拉强度;使用数字电导率仪对试样进行电导率测试，从而分析元素含量对高导电铝合金导电性能的影响。

2 实验结果和讨论

2.1 镁元素含量对铝合金性能的影响

2.1.1 高导电铝合金组织的影响

通过使用显微镜对镁元素不同含量下的铝合金进行显微观察，得到的结果如图2和图3所示。从图中可以看出，与不加入任何元素的铝合金相比（称为普通铸造），加入不同含量的镁元素之后，初生α-Al和共晶Si出现明显的细化变化，普通铸造的α-Al晶粒尺寸在100～400?m，共晶Si尺寸在10～40?m，而经过加入镁元素之后，α-Al晶粒尺寸降低到10～35?m，共晶Si尺寸降低到5?m左右，这两种晶粒尺寸出现了明显的降低趋势。

另外，从图2和图3中还可以看出，初生α-Al相和共晶Si相随着镁元素的添加，其形貌发生了比较大的变化。当没有加入镁元素之前，初生α-Al相的形貌是具有很强取向性的树枝晶状，当加入镁元素之后，不管其加入多少的镁元素，初生α-Al相的形貌就会改变，被打断形成了花瓣状和圆快状形貌，而共晶Si相也变为蠕虫状。共晶Si相和初生α-Al相形貌发生变化的主要原因在于高导电铝合金在铸造过程中，在高压作用下处于液体状态的金属会与模具进行接触，从而导致液体突然冷却，在金属固体和液体的界面会存在非常大的冷却速度和温度梯度，于是就会使得金属铸造过程中金属表面组织发生变化，主要以枝晶和轴晶为主。

2.1.2 高导电铝合金力学性能和导电率的影响

在高导电铝合金中加入不同含量镁元素之后，其抗拉强度和导电率的变化趋势如图4所示。

从图中可以看出，当镁含量不断增加时，高导电铝合金的抗拉强度发生了明显变化，其变化趋势为不断增加，当加入镁元素含量为0.4%时，相比于没有加入镁元素的铝合金，其抗拉强度大致增加了0.5倍。但是当镁元素含量不断增加之后，铝合金的导电率出现了明显降低趋势，与没有加入镁元素的铝合金相比，导电率大致下降了0.18。所以为了使得高导电铝合金具有更好的综合性能，将其镁元素含量设置为0.2%左右更为合适。

2.2 铜元素含量对铝合金性能的影响

2.2.1 对高导电铝合金组织的影响

在高导电铝合金中加入不同含量的铜元素之后，使用显微镜进行显微观察，其结果如图5所示。从图中可以看出，与图2进行比较加入不同含量的铜元素之后，共晶硅的大小明显变细，而且共晶硅的分布变得更加均匀，从图5的最后两幅图中还可以看出晶粒的二次枝晶间距也出现明显的变小情况。另外，当铜元素含量不断增加之后，共晶硅的大小变得越来越小，其晶相形貌也发生了变化。

加入铜元素之后，铝合金会出现这种变化趋势的原因在于：添加铜元素之后，会与铝合金中的铝元素形成二元共晶体（α-Al2 Cu），该晶体能够起到强化作用。由于加入了铜元素，会使得铝合金中发达的树枝晶体出现破碎，树枝晶端就会发生钝化，然后形成细小的花朵状晶粒，于是晶粒的形貌就会出现变化;加入铜元素之后，晶粒变细、分布变得更加均匀的原因在于合金在凝固之前（α-Al2 Cu）弥散析出，该晶体的形成会降低晶粒的长大速度，然后合金又在高压之下冷却速度快，树枝晶状就会变小、分布更加均匀，因此就会增加铝合金的致密性。

2.2.2 对高导电铝合金力学性能和导电率的影响

加入不同铜元素之后，铝合金的力学性能和电导率变化趋势如图6所示。从图中可以看出，当铜元素的含量不断增加时，铝合金的抗拉强度处于不断上升状态，但是其上升趋势没有镁元素的明显。然后当铜元素的含量不断增加时，铝合金的导电率处于不断降低趋势。从图中可以看出，当加入的铜元素含量为2%，此时状态的铝合金力学性能和电导率都比较强。所以为了增加高导电铝合金的综合性能，加入铜元素的含量大致为2%更為合适。

2.3 稀土元素镧含量对铝合金性能的影响

2.3.1 对高导电铝合金组织的影响

不同含量的镧元素加入到合金中之后，其显微组织如图7所示。从图7（a）和图7（b）中可以看出，当稀土元素镧的含量不断增加时，显微组织的晶粒变得更加均匀和细小，并且还可以看出二次枝晶间距出现了明显变小情况，该变化趋势与前文所分析的铜元素和镁元素变化情况一样。当镧元素的含量继续增加时，即如图7（c）中所示，其中共晶硅的细化程度变低，而且还呈现出比重偏析现象。

之所以加入不同含量的镧元素之后，合金的组织会出现不同的现象原因在于：在高导电铝合金中镧元素的固溶度非常小，于是在固液界面就使得前液相的浓度梯度增加，就会形成成分过冷现象，过冷度会比较大，于是就会导致合金液形核率增加，于是就会导致二次枝晶的间距变小;加入镧元素之后，晶粒细化的原因在于镧元素半径小于硅和铝，共晶硅在在生长过程中需要进行不断调整，通过改变硅的生长方式和形貌才能性能，在这个过程中就会使得晶粒变得更小;当镧元素的含量过多时，由于镧元素过量就会生产出大量稀土夹杂物，从而发生比重偏析现象，于是就会增加晶粒的大小，于是其细化效果就会变小[11]。

2.3.2 对高导电铝合金力学性能的影响

加入不同含量的镧元素之后，高导电铝合金的力学性能发生变化，其抗拉强度的变化趋势如图8所示。从图中可以看出，当镧元素的含量不断增加时，试样抗拉强度的变化趋势是先增加后降低，为了增强高导电铝合金的力学性能，将其镧元素含量设置为0.3%最为合适。

3 结语

为了增加高导电铝合金的性能，使其能够在应用过程中表现出更好的效果，上文通过分析在其中加入不同含量的镁元素、铜元素和镧元素，最后铝合金的性能发生了不同程度的变化。从研究结果可以看出，当镁元素含量为0.2%、铜元素含量为2%、镧元素含量为0.3%时，更有利于高导电铝合金的综合性能。

参考文献

[1]邓小燕. SiCp/Cf增强铝基复合材料的制备和性能研究[D].兰州：兰州大学，2010.

[2]张新明，邓运来，张勇.高强铝合金的发展及其材料的制备加工技术[J].金属学报，2015，51（3）：257-271.

[3]张新明，刘胜胆.航空铝合金及其材料加工[J].中国材料进展，2013，32（1）：39-55.

[4]秦君，杜欣慧.新型节能导线在500kV输电线路设计中的选型方法[J].现代工业经济和信息化，2014（16）：66-68.

[5]孙德勤.提高铝合金铸锭质量的关键技术[J].铸造技术，2010，31（005）：660-663.

[6]孙玥，田伟，胡梦楠.稀土对铝合金力学性能影响的研究进展[J].有色金属材料与工程，2019，40（003）：55-60.

[7]张军军，戴悦星，徐世光.铁含量对压铸铝合金力学性能的影响[C].//中国有色金属学会%广东省有色金属学会.第五届广东铝加工技术国际研讨会论文集，2014：138-142.

[8]陈聪，高明，顾云泽，等.光纤激光切割铝合金薄板工艺特性研究[J].中国激光，2014（6）：73-79.

[9]张国玲.合金元素含量与加工工艺对8030铝合金导线性能的影响[D].郑州：郑州大学，2012.

[10]王韬.Mg及稀土Nd元素对A380.0铝合金组织及性能的影响[D].兰州：兰州理工大学，2010.

[11]汤安民，刘泽明.铝合金材料断裂形式变化规律的试验分析[J].西安理工大学学报，2003（03）：28-31.