锆、铬元素对铝硅合金电导率及力学性能的影响

论文摘要

随着电力行业的飞速发展,铸造铝合金在高压输变电设备用材料中所占的比重越来越大。目前国内导电铝合金材料没有特定的牌号,只有常用的ZL101A合金或其它铝硅类合金作为代用品,但此类合金存在电导率偏低、电能易损耗等缺陷,达不到电力行业使用要求。本文的主要目的就是要开发一种新型导电铝合金材料,使其在满足力学性能的前提下提高电导率。首先采用正交试验,分析合金元素Si、Zr及Cr对电导率及力学性能的影响趋势,优选出最佳含量,并对此进行了验证。参照热处理规范并结合本次试验,采用单项试验确定热处理工艺。然后根据Zr及Cr对合金性能与组织的影响,采用序列试验进一步确定最佳含量。最后根据前期研究及变质原理,研究Sb对合金的变质行为。通过电导率测试、力学性能测试、显微组织观察、扫描电镜观察、能谱分析及XRD测试等手段,研究了合金元素、热处理及变质处理对合金电导率、力学性能和显微组织的影响,并分析其作用机理。试验结果表明：合金铸态时Cr对电导率和强度的影响最为显著；Zr对延伸率的影响最为显著；Si对硬度的影响最为显著；T6态时Si对电导率和强度的影响最为显著,Zr对延伸率和硬度的影响最为显著。正交试验得出最优化学成分为铸态取A13Si1Cu0.5Mg0.15Zr0.15Cr合金；T6态取A15Si1Cu0.5Mg0.35Zr0.35Cr合金。采用的T6热处理工艺为：525±5℃＞6h→180℃×10h,热处理后合金的电导率及力学性能都得到了很大提高,均超越同样处理状态下的ZL101A合金。A14.OSi1.OCu0.5Mg0.35Zr0.25Cr合金铸态时电导率σ为18MS/m、抗拉强度σb为183MPa、布氏硬度HBS为66.47；T6处理后,电导率σ为25.8MS/m、抗拉强度σ（?）为335MPa、布氏硬度HBS为116,比铸态分别提高了43%、83%、7%。序列试验得出,Zr的含量为0.3%-0.35%或Cr的含量为0.15%时合金的电导率和力学性能最好。合金电导率的提高是由于合金固溶体变得均匀有序,减少了晶格畸变和电子波的散射；合金力学性能的提高是由于强化相的弥散析出,阻碍了位错运动。通过加Sb0.2%变质处理后,合金在T6态时的电导率持平或略有降低,抗拉强度最高提高了21.8%,延伸率最高提高了52%,硬度降低。该状态合金的电导率及力学性能已可以满足实际生产需要。分析表明：添加Zr及Cr元素,合金中形成大量的含Zr及含Cr相,含Zr相对合金起到弥散强化和形变强化作用,且对电导率的影响甚微；含Cr相对合金起到固溶强化和时效强化作用。添加Sb元素变质,Sb吸附在Si的表面,阻碍共晶Si的生长,使共晶Si片厚度的增加受到抑制,AlSb质点作为α-Al和共晶Si的异质形核核心,使它们协同生长。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 铸造铝合金的特点
• 1.2.1 铸造铝合金的分类
• 1.2.2 铸造铝硅合金的特点
• 1.3 铸造铝合金的强化
• 1.3.1 合金化
• 1.3.2 Zr元素强化
• 1.3.3 变质处理
• 1.3.4 热处理
• 1.4 铸造铝合金的电导率
• 1.4.1 电导率
• 1.4.2 影响铸造铝合金电导率的因素
• 1.5 铸造铝硅合金在电力系统中的应用
• 1.6 合金电导率的测量方法
• 1.7 本论文的研究内容
• 1.7.1 研究的目的与意义
• 1.7.2 研究内容及技术路线
• 第二章 试验材料及方法
• 2.1 合金成分正交试验设计
• 2.2 合金的熔炼
• 2.2.1 原材料及设备
• 2.2.2 熔炼过程
• 2.3 热处理工艺
• 2.4 试样的力学性能测试
• 2.4.1 拉伸试验
• 2.4.2 硬度试验
• 2.5 试样的电导率测试
• 2.6 试样的微观结构分析
• 2.6.1 金相组织观察
• 2.6.2 扫描电镜观察和能谱分析
• 2.6.3 XRD测试
• 第三章 合金元素及热处理对合金性能和组织的影响
• 3.1 正交试验结果及分析
• 3.2 合金的电导率分析
• 3.2.1 合金元素对电导率的影响
• 3.2.2 热处理对电导率的影响
• 3.3 合金的力学性能和显微组织分析
• 3.3.1 合金时效时间的选择
• 3.3.2 合金元素及热处理对力学性能的影响
• 3.3.3 合金的显微组织分析
• 3.4 正交试验结果的验证
• 3.5 本章小结
• 第四章 Zr、Cr含量对合金性能和组织的影响
• 4.1 Zr含量对合金电导率和力学性能的影响
• 4.2 Cr含量对合金电导率和力学性能的影响
• 4.3 序列试验合金的显微组织分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 变质处理对合金性能和组织的影响
• 5.1 Sb变质对合金电导率和力学性能的影响
• 5.2 Sb变质合金的显微组织分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结果分析讨论
• 6.1 合金的电导率分析
• 6.1.1 金属导电机理
• 6.1.2 合金的导电性
• 6.2 合金的力学性能分析
• 6.3 Sb变质机理分析
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 作者在硕士论文期间发表的论文