热处理工艺参数对6101铝板带力学性能与电导率的影响

2021-07-15阙石生黄瑞银李学云郑宏智张希园

铝加工 2021年3期

阙石生，黄瑞银，李学云，郑宏智，张希园

（中铝瑞闽股份有限公司，福州 350015）

0 前言

铜和铝是两种最主要的导电金属材料。铜面临着资源匮乏及价格高等不利因素，铝作为地球上最丰富的有色金属，具有质量轻、耐腐蚀、成形性好、成本低等优点，已逐渐在电力导线、储能电站、新能源汽车等领域得以应用，且大有以铝代铜的趋势[1]。

6101铝合金是一种低合金化Al-Mg-Si系热处理可强化合金，具有中等强度、良好的导电性及成形性，成为近些年来在导电材料的研究热门对象[2-4]。特别是随着新能源电动汽车及快充技术的快速发展，6101铝板越来越被特斯拉等电动汽车企业广泛地采用，不仅要求其具有较高的强度、优异的导电率，还对合金的折弯加工等性能提出了较高要求[5]。铝合金的强度与导电性能、折弯性能不易兼得，故而在确保电导率的前提下不降低过多的材料性能已成为材料生产工艺控制的难点和重点[7]。一般要求材料的抗拉强度达185～225 MPa，屈服强度150～210 MPa，电导率≥56%IACS，90°折弯半径为厚度的1倍。目前主要从以下两方面进行控制[2-6]：（1）低合金及微合金化：采用低Fe、Cu、Zn等杂质高纯铝水，降低Cr、Mn、Ti、V等影响电导率有害元素的含量，适量增加B元素，促使与Cr、Ti、V等形成硼化物在晶界析出聚集，或添加稀土元素形成弥散的析出强化相；（2）时效工艺优化：通过单级或双极时效工艺开发，促进Mg2Si强化相的析出，减少晶格畸变及对导电电子的散射。但这些控制措施在一定程度上面临着增加成本、牺牲强度、忽略了后续折弯加工要求等问题。所以本研究的目的就是在不增加过多成本的基础上，从热处理工艺参数优化角度入手，协同调控6101铝合金的强度、导电率和加工性能。

1 试验方案

1.1 化学成分

试验材料为厚度3.0 mm的6101铝合金板带，合金成分如表1所示。

表1 6101试验合金成分（质量分数/%）

1.2 试验过程与方法

将冷轧板用UNITEMp快速升温炉进行固溶，水淬处理后，采用日本岛津100 kN万能试验机进行预拉伸，然后在箱式炉内进行人工时效试验得到试验样品。经万能试验机测试力学性能；利用Sigma-2008A涡流电导率仪检测电导率；利用液压折弯机评估折弯性能；利用蔡司光学显微镜观察晶粒组织分布。

本试验设计不同的热处理工艺参数（固溶温度、固溶时间、预拉伸量、时效温度、时效时间等），以获得良好的综合性能。具体如下：

（1）采用530℃、555℃保温15 s、45 s、60 s的固溶制度，探索该制度对晶粒及性能的影响。

（2）采用0.5%、3%、5%三种预拉伸量以探索预拉伸对性能与电导率的影响。

（3）采用单级时效160/180/200℃×（2～24）h和双级时效85/165℃×4+200℃×（2～12）h，探索该时效处理制度对性能与电导率的影响。

2 试验结果和分析

6101合金主要是通过固溶和时效处理来控制其晶粒、组织尺寸及分布状况，进而影响成品的性能和电导率。大量的研究表明，6×××系的时效处理析出顺序为：α过饱和固溶体→GP区→β”→β’→β。时效过程中析出的G区和β”起到较好的强化效果，同时弥散分布的第二相相对固溶原子而言对导电电子的散射作用更小，更易获得更大的电导率。

2.1 固溶温度及时间对晶粒及性能的影响

图1为不同固溶工艺条件下的表面和纵向晶粒分布情况。可以看出：在相同保温时间下，随着固溶温度的提高，表面和纵向晶粒呈粗化趋势，折弯橘皮更为明显，见图2；当固溶温度相同时，随着保温时间的延长，表面和纵向晶粒变化很小。

图1 不同固溶工艺下的晶粒对比（放大100倍）

图2 晶粒尺寸对90°折弯影响对比

表2显示的是固溶制度对成品性能和电导率的影响。从表中可以看出，在相同的预拉伸、时效制度下，不同的固溶温度和保温时间对成品的性能和电导率影响很小。这表明6101为低合金化，经温度530℃以上短时间保温即可完成充分固溶，为后续的时效析出奠定了良好基础，对成品的性能和电导率的影响很小。

表2 不同固溶制度下的性能和电导率

2.2 预拉伸对性能和电导率的影响

表3为不同预拉伸条件下的性能和电导率对比表。可以看出，在固溶及时效制度相同的前提下，随着预拉伸量的增加，抗拉强度、屈服强度、电导率甚至延伸率均呈增加趋势。这表明适当增加预拉伸量将产生更多的滑移位错，后续的时效析出驱动力增强，从而获得更好的时效强度。与此同时，析出相的增加将使固溶原子贫化，晶格畸变程度减轻，电导率得以进一步提升[3]。

表3 不同预拉伸下的性能和电导率

2.3 单级时效对性能和电导率的影响

在固溶、预拉伸相同的前提下，单级时效制度对成品性能和电导率的影响见图2和图3。时效分成欠时效→峰时效→过时效三个阶段进程。随着时效时间的延长，抗拉强度、屈服强度先增加后降低，电导率呈一直增加趋势；随着时效温度的提高，更快进入峰值时效，但峰值强度比低温时效时更小。综合客户要求，可选择单级时效工艺180℃×（8～24）h或200℃×(5～24)h，以保证抗拉强度达到186～223 MPa，屈服强度159.5～204.5 MPa，电导率56.20～57.41%IACS。

图2 单级时效的性能趋势图

图3 单级时效的电导率趋势图

2.4 双级时效对性能和电导率的影响

在固溶、预拉伸相同的前提下，选择两种工艺方案探索双级时效制度对成品性能和电导率的影响，结果见图4和图5。与85℃/4 h+200℃/（2～12）h相比，165℃/4 h+200℃/（2～12）h处理制度下的抗拉强度、屈服强度和电导率波动小，更稳定，且强度保持在较高水平；在不牺牲过多强度的条件下，电导率仍保持在56.4～58.1%IACS区间，便于工业化稳定生产。相比单级时效，双级时效后的各项性能更佳、更稳定，有利于实际生产控制。研究表明双级时效比单级时效的β″和β′相尺寸更大，晶界无析出带（PFZ）更宽，材料的电导率更高[8]。综合各项指标表明，165℃/4 h+200℃/（5～12）h制度更能保证抗拉强度223～227 MPa、屈服强度189～204MPa、电导率57～58.1%IACS。