B 元素对8030 铝合金组织性能的影响

2022-09-05武宇波

有色金属材料与工程 2022年4期

武宇波，章剑

（1.上海斯麟特种设备工程有限公司，上海 200041；2.上海理工大学，材料与化学学院，上海 200093）

在电线电缆生产和使用过程中，不仅需要高的导电性，还需要高的强度和硬度，以及良好的塑性变形能力。常用的合金化和复合材料强化法可以提高铝合金的强度，但明显降低了铝合金的导电率和塑性。曾鹏等通过在铝合金中添加微量合金元素发现，Mn、Ti、V、Zr 等可以起到沉淀强化的作用，提高合金的力学性能，唐文杰等通过在Al-4.5Cu合金中加入0.05 wt.%（wt.% 为质量分数，下同）Sn 发现，人工时效后，合金的力学性能显著提高。然而，细晶强化可以在不降低合金导电性的同时，适当提高合金的强度和塑性，是铝合金综合性能提升的最佳方法之一。Xiao 等使用Al-5Ti-B 中间合金在铝合金中添加适量的B 元素，明显细化了铝合金组织，在保持强度的同时明显提高了导电率。

本文通过添加不同含量的B 元素，经过均匀化退火和冷变形，研究了B 元素含量对AlFeSiCuB 铝合金的组织、抗拉强度和导电率的影响。期望通过本研究，获得较佳的组织和力学性能匹配的较佳B 元素的添加量，找到AlFeSiCuB 铝合金的导电性能和力学性能的平衡点，获得较佳的成分组成，为工业生产提供技术支撑和数据积累。

1 试验过程

1.1 熔炼

铝合金在坩埚电阻炉中进行熔炼，原材料选用8030（AlFeSi）铝合金杆、Al-50Cu 和Al-3B 中间合金，同时采用商用精炼剂、覆盖剂和清渣剂进行精炼。熔炼开始前，对所用坩埚、工具和原材料进行烘干处理；熔炼时，按照8030（AlFeSi）铝合金杆、Al-50Cu 中间合金，Al-3B 中间合金的顺序添加原料，设定温度为750～760 ℃；完全熔化后，在加入覆盖剂（50 wt.%NaCl+50 wt.%KCl）覆盖，并将温度降低到720 ℃，同时进行缓慢搅拌，防止破坏熔体表层，减少金属液面与空气接触，防止吸气。保温20 min后加入精炼剂，精炼10 min后加入清渣剂，继续保温15 min，完成浇铸。浇铸过程中，要保持熔体平稳，不中断，防止液面翻动。待完全凝固、完全冷却后，取出铸锭，对样品进行成分分析和表面缺陷检查。

合金成分设计以8030（AlFeSi）铝合金为基础，添加0.30 wt.%Cu 元素，添加0.001～0.006 wt.%B 元素的AlFeSiCuB 铝合金成分设计如表1 所示。

表1 AlFeSiCuB 铝合金成分设计Tab.1 Composition design of the AlFeSiCuB Al alloys

1.2 冷加工与热处理

制备的AlFeSiCuB 铝合金在箱式炉中按照5 ℃/min 的升温速率升温至510 ℃，并保温24 h，然后空冷。按照30%、50%、70%、90%的变形量对均匀化处理后的样品进行冷轧变形，然后在管式炉中260 ℃保温1 h 进行时效处理。

1.3 测试与分析设备

用于均匀化处理和时效处理的管式炉的型号为OTF-1200X、最高加热温度为1 150 ℃；采用Z100HT 型金属材料万能试验机，按照5 mm/min 的拉伸速率测试抗拉强度；采用HD-103 型数字涡流导电仪分析导电率；采用Tecnai G2 F30（加速电压300 kV）型透射电子显微镜（transmission electron microscopy，TEM）和FEI Quanta 450（加速电压200 V～30 kV）型扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 B 元素对合金微观组织的影响

图1 为不同B 元素含量的AlFeSiCuB 铝合金铸态显微组织的金相图。从图1 中可以看出，随着B 元素含量的增加，AlFeSiCuB 铝合金的晶粒尺寸逐渐减小。如图1（a）所示，当不添加B 元素时，铝合金的组织比较粗大，晶界也比较粗大，晶界上存在大量的杂质元素，而添加B 元素后，铝合金的晶粒变小，晶界也变得更加细小、干净，如图1（b）～图1（d）所示。这是由于添加一定量的B 元素后，一方面净化了基体，降低了杂质含量，减少了杂质在晶界上的聚集，从而使晶界变得更加细小；另一方面，B 元素可以起到变质剂的作用，细化晶粒，使合金的晶粒变得更加细小。

图1 不同B 元素含量的AlFeSiCuB 铝合金铸态显微组织Fig.1 Microstructures of the as-cast AlFeSiCuB Al alloys with B different element contents

图2 是不同B 元素含量的AlFeSiCuB 铝合金经过510 ℃保温24 h 均匀化退火后的显微组织的金相图。从图2 中可以看出，AlFeSiCuB 铝合金的晶界明显变变得更为干净，但合金的晶粒大小没有明显的变化。这是由于合金元素和杂质元素在铝基体中固溶度不同，在凝固过程中，这些元素在晶界处析出，聚集在晶界处；经过均匀化处理后，聚集在晶界处的元素经过长时间的扩散，均匀地扩散到基体中，从而使晶界更加干净。而在均匀化处理时，由于合金没有发生晶粒畸变，提供的再结晶驱动力很小，合金未发生再结晶和晶粒长大，合金的晶粒未发生明显的尺寸变化。

图2 不同B 元素含量的AlFeSiCuB 铝合金均匀化显微组织Fig.2 Microstructures of the homogenized AlFeSiCuB Al alloys with B different element contents

图3 是90%冷轧变形的AlFeSiCuB 铝合金的TEM 图。从图3（a）中可以看出，未添加B 元素时，晶界处存在一定数量的杂质，这些杂质的存在，起到钉扎位错的作用，加上晶界比较粗大，阻碍了位错的运动，导致位错在晶界处塞积，形成位错包，如图3（a）所示。添加B 元素后，由于B 元素的净化作用，降低了晶界处的杂质含量，且晶界也变的更细，对位错的阻碍作用大大降低，位错数量减少，尤其是B 元素含量达到0.06 wt.%时，位错密度明显降低。

图3 不同B 元素含量的AlFeSiCuB 铝合金经90%冷轧变形的TEM 图Fig.3 TEM images of the AlFeSiCuB Al alloys with different B element contents after 90% cold rolling deformation

2.2 B 元素含量对合金力学性能的影响

表2 和图4 为添加B 元素后，不同冷轧变形量下的AlFeSiCuB 铝合金的抗拉强度和70%变形后的伸长率。从表2 和图4 可以看出，随着B 元素含量的增加，AlFeSiCuB 铝合金的抗拉强度逐渐升高。均匀化退火态的AlFeSiCuB 铝合金中B 元素含量从0 增加到0.04 wt.%，抗拉强度从79.7 MPa升高到94.1 MPa，升高了18.1%，而经过70%变形后，抗拉强度从135.7 MPa 升高到159.7 MPa，升高了17.7%。随着B 元素含量的进一步增加，AlFeSiCuB铝合金的抗拉强度明显降低，经过不同变形量变形后，也存在类似的变化规律。这是由于B 元素对合金的净化作用，随着B 元素含量的增加，净化效果也逐渐明显，提高了AlFeSiCuB 铝合金的抗拉强度，当B 元素含量达到饱和后，就会变成杂质，影响AlFeSiCuB 铝合金的抗拉强度。而从70%变形量的AlFeSiCuB 铝合金的伸长率来看，总体上，随着B 元素含量的增加而增加，一方面是由于B 元素净化了基体，另一方面细化了AlFeSiCuB 铝合金的组织，起到细晶强化的作用，同时提高了AlFeSiCuB铝合金的抗拉强度和伸长率，AlFeSiCuB 铝合金的伸长率随着B 元素含量的增加而增加，这也和图1 所示的结果一致。

表2 不同冷轧变形量的AlFeSiCuB 铝合金的抗拉强度（MPa）Tab.2 Tensile strength of the AlFeSiCuB Al alloys with different cold rolling deformations (MPa)

图4 不同B 元素含量的AlFeSiCuB 铝合金的抗拉强度和70%变形量的伸长率Fig.4 Tensile strength and elongation at 70% deformation of AlFeSiCuB Al alloys with different B element contents

随着冷轧变形量的增大，AlFeSiCuB 铝合金的抗拉强度逐渐升高。B 元素含量为0.04 wt.%的AlFeSiCuB 铝合金的变形量从0 增加到70%时，合金的抗拉强度从94.1 MPa 升高到159.1 MPa，升高了69%，提高非常明显。这是由于变形导致晶粒发生变形，产生大量的晶格畸变，起到加工硬化的作用，从而提高了AlFeSiCuB 铝合金的抗拉强度。

图5 为不同B 元素含量的AlFeSiCuB 铝合金在铸态和均匀化态的导电率。从图5 可以看出，随着B 元素含量的增加，铸态合金的导电率先升高后降低，这和合金的抗拉强度变化规律一致，证明了B 元素含量达到0.04 wt.%时，B 元素的净化基体和细晶强化作用达到峰值，是较佳的添加量。而经过均匀化退火后，合金的导电率总体上也逐渐增加，B 元素含量从0.04 wt.%增加到0.06 wt.%，合金的导电率增加了0.3 %IACS，这与铸态的规律不完全一致，这是由于均匀化退火后，富集在晶界上的多余的B 元素，扩散变的均匀，降低了对电子的散射，从而提高了合金的导电率。

图5 不同B 元素含量的AlFeSiCuB 铝合金的导电率Fig.5 Conductivity of the AlFeSiCuB Al alloys with different B element contents

图6 为不同B 元素含量的AlFeSiCuB 铝合金经过70%冷轧变形的拉伸断口形貌。从图6 中可以明显看出，合金的断口上存在大量的韧窝，为明显的韧性断裂，断裂机制为微孔聚集型。随着B 元素含量从0 增加到0.04 wt.%，断口上的韧窝从深浅不一、分布不均匀变得更加均匀，B 元素含量增加到0.06 wt.%时，断口上的韧窝分布不再均匀，出现了一定数量的空洞和夹杂等缺陷，这些缺陷的存在降低了合金的抗拉强度，这与合金的抗拉强度变化规律一致。

图6 不同B 元素含量的AlFeSiCuB 铝合金经70%冷轧变形的断口形貌Fig.6 Fracture morphologies of the AlFeSiCuB Al alloys with different B element contents after 70% cold rolling deformation