锆、铬元素对铝硅合金电导率及力学性能的影响

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Al3Si1Cu0.5Mg0.15Zr0.15Cr合金；T6态取Al5Si1Cu0.5Mg0.35Zr0.35Cr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。Al4.0Si1.0Cu0.5Mg0.35Zr0.25Cr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σb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，减少了品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。