熔体复合处理和第二相调控对Al-4Si合金导电及力学性能的影响

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长期以来,铝及铝合金凭借其价格低廉、密度小、导电性好、综合力学性能优异等优势不断被应用于电气电工领域,以实现“以铝节铜”,但导电性与力学性能之间的相悖性长期制约其应用和发展。本文以工业纯铝和Al-4Si合金为研究对象,借助熔体复合处理、Mg、Fe合金化、热挤压和热处理等优化合金成分、改善微观组织,以实现合金导电性和力学性能的同步提高,为高性能导电铝合金的研究与发展提供理论支撑。本文主要研究内容及总结如下:(1)熔体复合处理对工业纯铝和Al-4Si合金导电性和力学性能的影响对工业纯铝进行常规/复合硼化处理,对比发现V、Zr、Ti辅助可显著提高硼化处理效率,使铝熔体中更多固溶态杂质元素转变为析出态硼化物沉淀于熔体底部,并且能有效降低杂质B元素残留量。其中,Ti、B复合硼化处理效率最高(84.4%),可使工业纯铝导电性由60.1%IACS提高至66.9%IACS(International Annealed Copper Standard,国际标准退火铜)。对于Al-4Si合金,复合硼化处理仅能提高其导电性,为了同步提高导电性和力学性能,对合金进行晶粒细化处理和变质处理。研究发现,晶粒细化剂种类和添加量会对合金导电性和力学性能产生不同程度的影响,Al-4Si合金的Al晶粒尺寸在600-700μm时拥有良好的导电性和力学性能,并且0.5 wt.%Al-4Ti-C最有利于Al-4Si合金导电性和力学性能的提高。对Al-4Si合金进行变质处理(Sr、Sb、Y)可改善共晶Si形貌和尺寸。其中,1.1 wt.%Y变质处理效果最佳,可将粗大板片状共晶Si变为珊瑚状,并与Si和Al反应形成Al2Si Y相,促进合金导电性和维氏硬度分别提高至45.2%IACS和58.7 HV。(2)Mg、Fe合金化对Al-4Si合金导电性及力学性能的影响以Al-4Si合金为研究对象,研究合金化元素Mg、Fe对其导电性和力学性能的影响。研究发现,Mg合金化处理时,Mg最佳添加量为1.1 wt.%,主要以Mg2Si存在,部分固溶在铝基体中,一定程度上提高了合金硬度和强度,但降低了合金导电性和塑性;Fe合金化处理时,Fe最佳添加量为0.4 wt.%,Fe与Si反应形成Al9Fe Si3和Al0.3Fe3Si0.7相,显著优化了共晶Si组织。在不显著牺牲其导电性和塑性的情况下,提高了合金强度和硬度。单一Mg、Fe处理对Al-4Si合金导电性和力学性能的促进作用各有优势,故对Al-4Si合金进行Mg、Fe复合处理,Mg、Fe质量配比分别为0.8:0.6和1.1:0.6时合金具有较好的导电性和力学性能,但其经过热处理作用后,Mg、Fe质量配比为0.8:0.6的合金具有更优异的导电性和力学性能,从而制备出导电率、维氏硬度、极限抗拉强度、延伸率分别为46.5%IACS、76.3 HV、208.6 MPa、6.3%的Al-4Si-0.8Mg-0.6Fe合金。(3)热挤压和热处理对Al-4Si-0.8Mg-0.6Fe合金导电性及力学性能的影响在最佳复合硼化处理和Mg、Fe复合处理的基础上,研究了热挤压和热处理对Al-4Si-0.8Mg-0.6Fe合金微观组织及性能的影响。研究发现,铸态Al-4Si-0.8Mg-0.6Fe合金经热挤压处理和热处理后,固溶合金元素以第二相的形式充分析出,富Fe相由针条状变为短棒状,第二相粒子显著细化、均匀分布,使铸态Al-4Si-0.8Mg-0.6Fe合金导电性和力学性能显著提高,断裂机理由解理断裂变为韧性断裂。铸态Al-4Si-0.8Mg-0.6Fe合金导电率、极限抗拉强度、延伸率分别由39.3%IACS、143.7 MPa、3.4%提高至52.1%IACS、226.7 MPa和18.9%,可为高强、高导、高塑性Al-Si导电铝合金的研究与发展提供理论基础。
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