合金元素对Al-Mg-Si合金导体材料组织与性能的影响研究

论文摘要

本文以用于制备全铝合金架空导线的Al-Mg-Si铝合金为研究对象，从铸造--均匀化--轧制--热处理工艺--性能检测为研究线索，围绕热处理工艺参数以及合金元素成分的优化，以提高合金强度、导电性、耐热性为目的，采用微观组织观察、力学性能、导电性检测等方法进行了研究。研究内容主要包括合金元素Zr、稀土元素La、Ce以及形变热处理工艺对Al-Mg-Si铝合金组织、性能的影响，同时讨论了添加元素的存在形式与作用机理，最终为制定合理的各合金元素添加量提供理论依据，研究的主要结果如下：（1） Zr元素的加入可以细化Al-Mg-Si铝合金铸锭组织，使合金二次枝晶间距由66μm下降到49.5μm；固溶热处理中Al-Mg-Si-Zr铝合金再结晶过程明显被阻碍，组织整体上仍沿轧制方向延伸成纤维状；190°C时效条件下Al-Mg-Si-Zr铝合金屈服强度相对于Al-Mg-Si铝合金由165MPa提高到230MPa，抗拉强度由220MPa提高到265MPa，同时延伸率由14.7%提高到20%，这归结于Zr对再结晶过程阻碍而引入的细晶强化，导电率下降1.5%IACS；采用Arrhenius模型对合金耐热寿命进行预测，普通Al-Mg-Si铝合金在130°C的使用寿命仅为11年，而Al-Mg-Si-Zr铝合金则可以达到40年，其使用温度T与服役时间t之间的关系推导为：lg t=20.5+10486.2/T（2） La的加入可以进一步细化Al-Mg-Si-Zr铝合金的铸态组织；La的添加在合金中引入了一定数量尺寸在110μm之间板条状的新相，其具体组成元素为Al、Si以及La，当La含量为0.22%时，合金抗拉强度下降15MPa，导电率提高1.6%IACS，当La含量达到0.32%，材料的抗拉强度下降40MPa，仅为原强度的86%，导电率提高2%IACS，这主要是因为La结合了合金中的部分Si元素降低了Si对电导率不利的影响，但也减少了用于形成强化相的Si含量；超过0.1%含量La的加入可提高合金的耐热性，适当过量（0.220.32%）的稀土元素La加入对于提高Al-Mg-Si-Zr铝合金材料的综合性能有着明显的意义。（3） Ce元素对于合金铸态组织没有明显的改善作用，经过固溶热处理（530°C）合金发生了再结晶，Ce的加入没有显著阻碍合金的再结晶过程，变形组织基本消除；Ce在铝合金中主要以AlCe化合物的形式存在，另外部分化合物中可能存在少量的Si元素，含Ce相多表现出不规则的多面体形状；经过形变时效处理的合金则保留了变形的组织，晶粒沿垂直于轧制的方向延长，呈现典型的带状组织，形变热处理提高了合金峰值硬度（约30HB）与导电率（1.53%IACS）。（4）铝合金导体材料（70%冷变形量）性能为抗拉强度225MPa，导电率56.7%IACS，延伸率9.9%，230°C保温2h抗拉强度残留率不低于90%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 铝合金导线与 Al-Mg-Si 导体材料概述
• 1.3 Al-Mg-Si 全铝合金架空导线的发展与应用
• 1.4 耐热铝合金导线概述
• 1.5 铝合金材料的强化机制及影响耐热性能的因素
• 1.5.1 铝合金材料的强化机制
• 1.5.2 影响铝合金材料耐热性能的因素
• 1.6 主要合金元素对铝合金导体材料性能的影响
• 1.6.1 合金元素 Zr 在铝及铝合金中的存在形式及作用机理
• 1.6.2 稀土元素在铝及铝合金中的作用
• 1.7 Al-Mg-Si 全铝合金导线的生产工艺
• 1.8 本文研究的目的及意义
• 1.9 本文研究内容
• 第2章 合金制备、热处理变形工艺及性能检测
• 2.1 合金成分设计及熔炼
• 2.1.1 合金成分设计
• 2.1.2 试验用材料及设备
• 2.1.3 合金熔炼及浇铸
• 2.2 合金的热处理、变形工艺研究
• 2.2.1 均匀化制度的研究
• 2.2.2 板材的轧制
• 2.2.3 固溶时效热处理制度
• 2.2.4 变形工艺的研究
• 2.3 性能检测
• 2.3.1 电导率测量
• 2.3.2 拉伸性能的检测
• 2.3.3 耐热性能检测
• 2.4 组织观察
• 2.4.1 金相组织观察
• 2.4.2 扫描电镜观察
• 2.4.3 透射电镜观察
• 2.5 工艺路线
• 第3章 元素 Zr 对 Al-Mg-Si 铝合金组织性能的影响
• 引言
• 3.1 铝合金制备及 Zr 对铸态组织的影响研究
• 3.1.1 合金成分选取
• 3.1.2 Zr 元素对铸锭组织的影响
• 3.2 合金的均匀化热处理、轧制、固溶及时效
• 3.3 Zr 元素对合金的组织、力学性能与导电性能影响研究
• 3.3.1 Zr 元素对合金组织的影响
• 3.3.2 Zr 元素对合金性能的影响分析
• 3.4 Zr 元素对材料耐热性能的影响
• 3.4.1 耐热实验中合金布氏硬度软化规律分析
• 3.4.2 耐热实验中合金中强化相衍变规律
• 3.5 基于 Arrhenius 模型的合金耐热寿命分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 稀土元素 La 对铝合金组织性能的影响
• 引言
• 4.1 铝合金制备及 La 对铸态组织的影响
• 4.1.1 合金成分选取
• 4.1.2 La 元素对铸锭组织的影响及作用机理
• 4.2 合金的均匀化热处理、轧制、固溶及时效
• 4.3 合金的微观组织分析
• 4.4 La 对合金的耐热性影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 元素 Ce 及形变热处理对铝合金组织性能的影响
• 引言
• 5.1 铝合金制备及 Ce 对铸态组织的影响
• 5.1.1 合金成分选取
• 5.1.2 Ce 元素对铸锭组织的影响
• 5.2 稀土元素 Ce 以及形变热处理对合金组织与时效过程影响
• 5.2.1 稀土元素 Ce 对合金显微组织的影响
• 5.2.2 稀土元素 Ce 及形变热处理对合金时效过程的影响
• 5.3 稀土元素 Ce 在合金中的存在形式
• 5.4 稀土元素 Ce 及形变热处理对合金力学性能的影响
• 5.5 稀土元素 Ce 及形变热处理对合金耐热性能的影响
• 5.6 本章小结
• 第6章 高强高导耐热铝合金的制备及变形工艺研究
• 引言
• 6.1 铝合金制备及铸态组织的观察
• 6.1.1 合金成分选取
• 6.1.2 合金铸态显微组织观察
• 6.2 铝合金变形工艺及形变热处理
• 6.3 铝合金变形工艺对材料性能影响
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A（攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录）