论文部分内容阅读
铝合金除了具有较好的力学性能外,还具有较高的电导率,因此也常被用作电工材料。与常用的铜导体材料相比,铝合金导线材料具有密度小、重量轻、价格便宜等特点而得到越来越多的使用,例如架空输电线路所使用的导线、汽车电瓶线及线束原线、高压隔离开关等。但是纯铝的强度很低,难以得到实际应用,而铝的强化方式,如固溶强化、加工硬化、细晶强化、析出强化等,均是增加了缺陷(包括点缺陷、线缺陷和面缺陷)的密度,在阻碍位错运动的同时也对电子的运动产生了强烈的散射作用,导致电导率降低。这种强度与电导之间的互斥关系使得高强度和高电导难以兼得,因此成为了制约新型铝导线材料高性能发展的瓶颈。本文分别研究了 Al-Zr和Al-Mg-Si-Sc两种体系的铝合金导线材料,通过系统地表征材料的微观组织,并与力学性能和电导性能分别建立关联,充分理解性能与微观组织之间的关系,从而优化加工/热处理工艺,以实现微观组织的设计,进一步改善力学/电学性能。在Al-Zr系的研究中,分别研究了不同Zr含量(0.05,0.15,和0.25 wt%)下加工变形和时效处理对合金组织及性能的影响,在此基础上进行了导线的工艺优化。研究结果表明:(i)随着Zr含量增加,铸态下合金的硬度增加,电导率下降;(ii)随着变形量增加,合金的硬度增加,而电导率略有下降;(iii)时效处理的影响与其处在的工序时段有关。直接在铸态下时效时,时效需要在较高温度下进行,相同时效温度下,Zr含量越高,时效后合金的硬度越高,电导率越低。在轧制后进行时效,合金中位错等缺陷密度增加,Zr扩散系数增加,时效温度可以在较低的温度下进行。但经过轧制拉拔后制成的导线,位错等缺陷优先发生回复而使得缺陷密度下降,在导线状态下时效得到的合金性能差。该导线优化后的制备工艺为:铸态轧制后进行时效,然后再冷拔成导线,这样可以获得超细晶晶粒+纳米共格沉淀相颗粒晶内弥散分布的最佳微观组织,从而同步提高了强度和电导率。对于Zr含量较低的Al-0.05wt%Zr和Al-0.1 5wt%Zr合金导线,轧制后时效温度为265℃时,得到的导线综合性能较好。而对于Zr含量较高的Al-0.25wt%Zr合金导线,轧制后时效温度为350℃时,得到的导线综合性能较好。在Al-Mg-Si-Sc导线材料的研究中,制备了不同Mg/Si比的两种合金,分析了 Mg/Si比、晶粒尺寸(粗晶粒vs超细晶粒)对合金的影响,研究结果表明:(ⅰ)粗晶Al-Mg-Si-Sc合金晶粒内部的β"析出相和析出强化强烈依赖于Mg/Si比值,而电导率受Mg/Si比值的影响较小。Si过量(Mg/Si比值<1.73)时会促进β"相的析出,析出相数量明显大于Mg过量(Mg/Si比值>1.73);(ⅱ)在超细晶Al-Mg-Si-Sc合金中,Si过量合金表现出比Mg过量合金更高的电导率。Si过量的超细晶合金在时效过程中存在时效软化现象,而Mg过量的超细晶合金在时效过程中硬度基本保持不变;(ⅲ)经过优化后的制备工艺为铸轧+时效(Ⅲ时效200℃)+拉丝,在该工艺下制备的导线材料抗拉强度和电导率均较高,综合性能最好,其中Mg过量和Si过量合金分别在抗拉强度和电导率上表现出最大值。本文的研究结果有利于深入理解铝合金导线材料的成分-工艺-组织-性能之间的关联,可为高性能铝合金导线的研制提供借鉴和参考。