宋　冰

(深圳市華加日西林實(shí)業(yè)有限公司， 廣東 深圳　518122)

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淺談?dòng)绊?101B合金型材導(dǎo)電性能的因素

宋冰

(深圳市華加日西林實(shí)業(yè)有限公司， 廣東 深圳518122)

摘要本文通過(guò)對(duì)6101B合金生產(chǎn)工藝過(guò)程中對(duì)導(dǎo)電性能影響因素的分析，從而制定出合理的生產(chǎn)工藝條件，從而生產(chǎn)出既滿足型材力學(xué)性能要求，又具有良好導(dǎo)電性能的6101B導(dǎo)電型材。

關(guān)鍵詞6101B合金； 導(dǎo)電性能； 合金元素； 過(guò)時(shí)效

16101B鋁合金導(dǎo)電型材應(yīng)用簡(jiǎn)介

城市軌道交通是世界公認(rèn)的低能耗、少污染的“綠色交通”。城市軌道交通憑借快速、便捷、安全、運(yùn)量大和運(yùn)輸效率高等特性，成為城市公共交通的重要組成部分。6101B鋁合金導(dǎo)電型材是城市軌道交通中地鐵、輕軌交通、磁懸浮列車供電系統(tǒng)的重要組成部分。它對(duì)列車的高速、安全可靠運(yùn)行等都起著十分重要的作用。21世紀(jì)以來(lái)，具有節(jié)能、環(huán)保、快捷和大運(yùn)量特征的城市軌道交通建設(shè)愈趨受到國(guó)內(nèi)眾多城市的關(guān)注，近年來(lái)國(guó)內(nèi)各大、中城市都在大力發(fā)展軌道交通, 根據(jù)國(guó)家“十三五”發(fā)展規(guī)劃，還將在未來(lái)五年新增城市軌道交通里程3000公里，與此相應(yīng)的導(dǎo)電軌型材的市場(chǎng)需求量也將大幅度增長(zhǎng)。

26101B合金導(dǎo)電型材性能要求

6101B鋁合金屬于A1-Mg-Si系可熱處理強(qiáng)化合金,作為導(dǎo)電材料其主要功能是在軌道交通上傳輸動(dòng)力電流,因電流負(fù)荷大，單位面積內(nèi)通過(guò)的電流密度很大，因此要求具有良好的導(dǎo)電性能,同時(shí)材料的后續(xù)加工和使用性能要求該合金必須具有中等強(qiáng)度,6101B—T6合金導(dǎo)電型材性能要求見(jiàn)下表1：

表1　6101B—T6合金導(dǎo)電型材性能標(biāo)準(zhǔn)要求

鋁合金的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能往往是互相矛盾的，在滿足材料力學(xué)性能的前提下，提升材料的導(dǎo)電性能，這將有助于提升材料的動(dòng)力傳輸能力，但也對(duì)材料生產(chǎn)工藝控制帶來(lái)了較大的難度，下面結(jié)合具體生產(chǎn)實(shí)踐，通過(guò)分析生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)6101B合金導(dǎo)電性能影響的因素，從而確定合理的生產(chǎn)工藝條件，最終生產(chǎn)出既滿足型材力學(xué)性能要求，又具有良好導(dǎo)電性能的6101B導(dǎo)電型材。

3影響6101B合金型材導(dǎo)電性能的因素

3.1鋁金屬的一般特性

鋁在地殼中具有豐富的蘊(yùn)藏量(約占地殼質(zhì)量的8.2%，為地殼中分布最廣的金屬元素)，鋁的冶煉較簡(jiǎn)便，具有密度小、可強(qiáng)化、易加工、耐腐蝕、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好等一系列優(yōu)良特性，純度為99.990%的鋁在20℃的導(dǎo)電性能：電阻率為2.6548×10-8Ω·m；等體積的電導(dǎo)率為64.94% IACS。電工鋁若按單位質(zhì)量導(dǎo)電能力計(jì)算，其導(dǎo)電能力為銅的一倍[1]，正是具有豐富的儲(chǔ)量和這些優(yōu)良的特性，鋁及其鋁合金得到了極為廣泛的應(yīng)用。

3.26101B合金導(dǎo)電型材生產(chǎn)工藝流程

6101B合金導(dǎo)電型材一般要經(jīng)過(guò)從合金配料、熔煉、擠壓等一系列工藝過(guò)程，其生產(chǎn)工藝流程如下圖1：

圖1

3.36101B合金導(dǎo)電型材各工序?qū)?dǎo)電性能的影響

3.3.1合金成分

影響鋁導(dǎo)電性的因素很多，如其化學(xué)成分、雜質(zhì)含量及其結(jié)晶狀態(tài)、加工工藝等，在眾多影響因素中，化學(xué)成分是影響鋁合金導(dǎo)電性的最基本因素[2]。為保證6101B合金力學(xué)性能，在鋁中同時(shí)加入鎂和硅，形成可熱處理強(qiáng)化的鋁合金，強(qiáng)化相為Mg2Si，Mg2Si在鋁中的最大溶解度為1.85%，且隨溫度的降低溶解度減小，時(shí)效時(shí)形成GP區(qū)和細(xì)小沉淀相對(duì)合金起強(qiáng)化作用。因此，在設(shè)計(jì)成分時(shí)，應(yīng)保證有一定量的Mg2Si強(qiáng)化相，以保證型材熱處理后力學(xué)性能滿足要求，但又不能過(guò)高，以免對(duì)型材的導(dǎo)電性能降低產(chǎn)生較大的影響；在Mg2Si相中， Mg/Si比為1.73，但實(shí)際添加Mg、Si時(shí)，一般會(huì)有一定量的Si過(guò)剩，因一定量的過(guò)剩Si會(huì)有利于合金強(qiáng)度的提高，但過(guò)剩Si會(huì)降低導(dǎo)電性，所以適量的Mg2Si以及適量的過(guò)剩Si有利于鋁合金的力學(xué)性能提高，并維持與導(dǎo)電性能的平衡，一般6101B合金成分設(shè)計(jì)時(shí)Mg2Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在0.8%—1.0%，鎂與硅的質(zhì)量比控制在1.5左右。因雜質(zhì)元素會(huì)降低合金導(dǎo)電率，如圖2所示， Cr、V、Ti、Mn、Zr對(duì)鋁基體導(dǎo)電率降低的影響最為明顯，Si、Mg、Cu、Fe對(duì)鋁基體導(dǎo)電率的降低作用中等，Zn、Ni、Bi等的作用較弱。而合金元素降低鋁的導(dǎo)電率，在固熔狀態(tài)比脫熔狀態(tài)更為顯著[1]。為控制雜質(zhì)元素含量，因此在備料選擇鋁錠原材料時(shí)，應(yīng)選擇雜質(zhì)元素含量較低的鋁錠，6101B合金實(shí)際生產(chǎn)中一般選擇鋁含量在99.85%以上的鋁錠。6101B合金一般實(shí)際控制范圍如下表2：

圖2　合金元素對(duì)純鋁導(dǎo)電性的影響

標(biāo)準(zhǔn)MgSiFeCuMnZnTiZr其他雜質(zhì)元素單個(gè)總量國(guó)標(biāo)(%)0.35—0.60.3—0.60.10—0.30.050.050.10——0.030.10內(nèi)控(%)0.5—0.60.3—0.40.10—0.150.010.010.02——0.010.05

3.3.2熔煉、鋁液凈化

鋁合金在熔煉過(guò)程中，熔體中存在氣體、各種非金屬夾雜物及其他金屬雜質(zhì)等，影響熔體的純凈度[1]，同時(shí)對(duì)合金的導(dǎo)電率會(huì)產(chǎn)生不利的影響，因此，熔煉時(shí)應(yīng)適當(dāng)控制鋁合金熔煉溫度，以減少熔煉過(guò)程中因熔體吸氣、造渣對(duì)導(dǎo)電率的影響，一般6101B合金熔煉溫度控制在730℃—750℃之間。同時(shí)在爐內(nèi)采用Ar氣吹氣噴粉精煉，相關(guān)試驗(yàn)證明，使用Ar氣噴粉精煉后，材料的導(dǎo)電率會(huì)提高0.2%IACS以上；同時(shí)在鑄造時(shí)采用箱體式轉(zhuǎn)子除氣系統(tǒng)進(jìn)行Ar氣在線除氣，經(jīng)處理后，鋁液中含氣量由處理前的0.3 ml/100 gAl降低到處理后的0.15 ml/100 gAl以下，進(jìn)一步提高合金的導(dǎo)電率。鋁液經(jīng)泡沫陶瓷過(guò)濾器過(guò)濾凈化，可以降低鋁的電阻率[3],生產(chǎn)中采用50 ppI陶瓷泡沫(CFF)過(guò)濾板進(jìn)行在線過(guò)濾，可較好的過(guò)濾去除鋁液中的夾雜物含量，合金的導(dǎo)電率提高0.3% IACS以上。

3.3.3鑄造

鑄造過(guò)程中為細(xì)化晶粒組織，避免鑄造時(shí)鑄棒產(chǎn)生中心裂紋，一般會(huì)在線加入AL—Ti—B晶粒細(xì)化劑，但Ti元素加入到合金中后會(huì)顯著降低合金的導(dǎo)電率，因此，在保證鑄棒晶粒組織不大于二級(jí)晶粒度的前提下，應(yīng)盡量減少，同時(shí)，為避免鑄造時(shí)鑄棒開(kāi)裂，可通過(guò)適當(dāng)降低鑄造速度，降低鑄造溫度，適當(dāng)加大鑄造水量的方式來(lái)解決。鑄造工藝參數(shù)見(jiàn)下表3所示：

表3

3.3.4鑄棒均勻化處理

鑄棒在均勻化熱處理過(guò)程中，合金基體中硬脆的魚(yú)骨狀β—AlFeSi相將斷裂、球化，轉(zhuǎn)變成а—AlFeSi，改善合金的擠壓性能，均勻化退火還可消除鑄造應(yīng)力，從而降低變形抗力，提高擠壓生產(chǎn)效率；同時(shí)，鑄態(tài)合金中的枝晶偏析消除，大部分非平衡第二相Mg2Si相粒子回溶到基體中充分固溶，提高合金擠壓時(shí)效后的力學(xué)性能，此外，合金中含有的Fe、Mn、Zr等合金元素，由于在鋁中的擴(kuò)散速度比較慢，在快速冷卻的鑄造條件下來(lái)不及沉淀，以過(guò)飽和狀態(tài)保留在固溶體中，將在鋁合金均勻化退火過(guò)程中，固溶體將發(fā)生分解，析出這些元素的化合物，將有助于提高合金的電子傳到能力，提高合金的導(dǎo)電率。一般6101B合金的均質(zhì)工藝采用580℃保溫6小時(shí)，采用空氣快速冷卻，均熱后AlFeSi相а轉(zhuǎn)化率將達(dá)到80%以上，鑄棒合金導(dǎo)電率達(dá)到53%IACS以上。

3.3.5擠壓、固溶淬火

6101B合金導(dǎo)電材料一般單重較大或壁厚較厚，斷面形狀較簡(jiǎn)單，擠壓比較小，為使擠壓時(shí)Mg2Si相充分固溶，一般采用較高的擠壓溫度，以保證型材擠壓出口溫度控制在520℃以上，達(dá)到Mg2Si相充分固溶的溫度條件，同時(shí)，為使Mg2Si固溶相保持到常溫下，型材冷卻時(shí)需采用快速淬火冷卻，故一般采用高壓噴水冷卻或穿水冷卻，典型的6101B合金型材擠壓工藝條件如下表4：

表4

3.3.6時(shí)效

對(duì)于6101B合金來(lái)說(shuō)，強(qiáng)化相為時(shí)效過(guò)程中析出的GP區(qū)和β”相，第二相粒子強(qiáng)化不僅能使合金強(qiáng)度大幅度提高，而且使合金導(dǎo)電率的損失較小。第二相粒子的析出雖然會(huì)使電子流發(fā)生散射，促使合金導(dǎo)電率小幅度下降，但相比基體中固溶原子對(duì)電子流的散射作用，第二相粒子對(duì)電子流的散射作用要小得多，溶質(zhì)原子脫溶析出第二相后合金能獲得比固溶體高的導(dǎo)電率，所以通過(guò)調(diào)控合金化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝，采用過(guò)時(shí)效脫溶析出適當(dāng)含量的第二相，可以同時(shí)改善鋁合金的強(qiáng)度及導(dǎo)電率。下面是6101B—T6合金型材在195℃時(shí)效溫度條件下不同時(shí)效制度力學(xué)性能和導(dǎo)電率檢測(cè)分析，見(jiàn)圖3，從圖中可以看出，隨著時(shí)效時(shí)間的增加，導(dǎo)電率和材料伸長(zhǎng)率存在持續(xù)增加的趨勢(shì)，而抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度則是先升高，在達(dá)到一個(gè)頂點(diǎn)后出現(xiàn)過(guò)時(shí)效，型材力學(xué)性能先是緩慢下降，隨后呈現(xiàn)加速下降的趨勢(shì)，從檢測(cè)數(shù)據(jù)看，采用195℃時(shí)效，時(shí)效時(shí)間控制在4—8小時(shí)之間均能滿足6101B—T6合金型材對(duì)力學(xué)性能和導(dǎo)電率的綜合要求，綜合時(shí)效生產(chǎn)效率和力學(xué)性能、導(dǎo)電率的雙重保證能力，最終確定采用195℃X 6小時(shí)的時(shí)效工藝。

圖3

4結(jié)束語(yǔ)

4.1綜上所述，影響6101B合金導(dǎo)電率因素是多方面的，須在合金成分選擇、雜質(zhì)元素控制、熔煉凈化處理、鑄造、鑄棒均勻化處理、擠壓、固溶處理及時(shí)效工藝等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制管理，這樣才能在保證型材力學(xué)性能基礎(chǔ)上，盡可能提高其導(dǎo)電性能。

4.2公司依據(jù)上述原則，在反復(fù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，制訂了一整套完善的生產(chǎn)工藝，并進(jìn)行了批量生產(chǎn)，生產(chǎn)的6101B—T6合金導(dǎo)電型材成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)首條中低速磁懸浮列車軌道交通線等其他軌道交通工程，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：宋冰(1969—) 男 工程師 學(xué)士 主要研究金屬材料及加工、安全質(zhì)量管理

中圖分類號(hào)：TG379

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-3818(2016)02-0005-04

Discuss the factors which affect conductive properties of 6061B alloy profiles.

Song Bing

(Shenzhen huajiari resistant Industrial Co. Ltd. , Shenzhen518122，Guangdong)

AbstractIn this paper, through the analysis of the influence factors on the electrical conductivity of 6101B alloy during the production process, so as to make a reasonable production process condition, produce 6101B conductive profiles which can not only meet the requirements of mechanical properties, but also have good conductive properties.

Key words6061B alloy, conductive properties, alloy element, overaging