B元素对8030铝合金组织性能的影响

来源:用户上传      作者:武宇波　章剑

　　摘要：通过添加不同含量的 B 元素，制备了一系列 8030（AlFeSiCuB）铝合金。采用扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscope，SEM）、透射电子显微镜（transmissionelectronmicroscopy，TEM）、拉伸测试和导电率测试等手段对其进行了表征。结果表明，添加 B 元素后明显细化了合金的晶粒，晶界也更加干净，经过均匀化退火后，晶界上的微合金化元素和杂质元素均匀地扩散到合金内部，进一步净化了晶界，合金的抗拉强度和导电率都得到明显的提高。当 B 元素的含量为 0.04wt.%（wt.% 为质量分数）时，合金的综合性能最优，均匀化退火后，合金的导电率达到60.8%IACS。经过 90% 的冷变形，合金的抗拉强度从 94.1MPa 升高到 167.2MPa。
　　关键词：AlFeSiCuB 铝合金;均匀化退火;抗拉强度;导电率
　　中图分类号：TG166.3 文献标志码：A
　　Effect of B element on microstructure and
　　properties of 8030 Al alloy
　　WU yubo ZHANG jian
　　Abstract： AseriesofAlFeSiCuBAlalloyswerepreparedbyaddingdifferentcontentofBelements.They were characterized by scanning electron microscope， transmission electron microscopy， tensiletests， electrical conductivity measurement and other methods. The results show that after adding Belement，thegrainsizeofthealloyisobviouslyrefinedandthegrainboundarybecomescleaner.Afterhomogenizingannealing，themicroalloyingelementsandimpurityelementsonthegrainboundaryareuniformly diffused into the alloy， and the grain boundary of the alloy is further purified， the tensilestrengthandelectricalconductivityofthealloyareobviouslyimproved.WhenthecontentofBelementis 0.04 wt.%， the alloy has the best comprehensive properties， and the electrical conductivity afterhomogenizationannealingreaches60.8%IACS.After90%colddeformation，thetensilestrengthofthealloyincreasesfrom94.1MPato167.2MPa.
　　Keywords： AlFeSiCuBAlalloy; homogenizingannealing; tensilestrength; electricalconductivity
　　在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[1-3]。曾鹏等[4-5] 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[6] 通过在 Al-4.5Cu合金中加入 0.05wt.%（ 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[7] 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。

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　　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（50wt.%NaCl+50wt.%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 20min后加入精炼剂，精炼 10min后加入清渣剂，继续保温 15min，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 0.30wt.%Cu 元素，添加 0.001～0.006wt.%B 元 素的 AlFeSiCuB 铝合金成分设计如表 1 所示。
　　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 24h，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 1h 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 1150℃ ; 采 用Z100HT 型金属材料万能试验机，按照 5mm/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 TecnaiG2F30（加速电压300 kV）型透射电子显微镜 （ transmission electronmicroscopy， TEM） 和 FEI Quanta 450（ 加 速 电 压200V～30kV）型扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscope，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 2 是不同 B 元素含量的 AlFeSiCuB 铝合金经过 510℃ 保温 24h 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 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 0.06wt.% 时 ，位错密度明显降低。
　　2.2 B 元素含量对合金力学性能的影响
　　表 2 和D 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 0.04wt.%，抗拉强度从 79.7MPa升高到 94.1MPa，升高了 18.1%，而经过 70% 变形后，抗拉强度从 135.7MPa 升高到 159.7MPa，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。

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　　S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 0.04wt.% 的AlFeSiCuB 铝合金的变形量从 0 增加到 70% 时，合金的抗拉强度从 94.1MPa 升高到 159.1MPa，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 0.04wt.% 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 0.04wt.% 增加到 0.06wt.%，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 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[8]。随着 B 元素含量从 0 增加到 0.04wt.%，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 0.06wt.% 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。
　　3 结 论
　　本文研究了 B 元素含量对 AlFeSiCuB 铝合金的组织和性能的影响，结果如下：
　　（1）B 元素起到明显细化晶粒和净化晶界的作用，晶界变的更加细小、干净，经过均匀化退火处理后，晶界上富集的元素扩散到晶内，晶界也变的更为干净。
　　（2）随着 B 元素含量的增加，经均匀化退火后，合金的抗拉强度先升高后降低，当 B 元素含量为0.04wt.% 时，抗拉强度达到最大值，为 94.1MPa;而由于均匀化退火使晶界处的合金元素降低，合金的导电率也逐渐增大。
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