熱處理工藝參數(shù)對6101鋁板帶力學(xué)性能與電導(dǎo)率的影響

2023年12月18日發(fā)(作者：知識就是力量作文)

《鋁加工》2021年第3期總第260期工藝技術(shù)熱處理工藝參數(shù)對6101鋁板帶力學(xué)性能與電導(dǎo)率的影響闕石生，黃瑞銀，李學(xué)云，鄭宏智，張希園（中鋁瑞閩股份有限公司，福州350015）摘要：研究了不同固溶制度、預(yù)拉伸及時效制度對6101鋁合金性能與電導(dǎo)率的影響。結(jié)果表明：隨著固溶溫度及保溫時間的延長，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率變化小，但晶粒呈長大趨勢，折彎橘皮越加明顯；預(yù)拉伸提供了更多的形核地點，提高了合金的時效強(qiáng)化能力；在欠時效→峰時效→過時效過程中，隨著人工時效溫度的提高，更快進(jìn)入到過時效狀態(tài)，電導(dǎo)率隨之增大；相對單級時效而言，雙級時效下的各項性能更佳、更穩(wěn)定，有利于實際生產(chǎn)控制。結(jié)合熱處理各工藝參數(shù)對性能及電導(dǎo)率的影響規(guī)律，在固溶（530℃/（15~60）s）+預(yù)拉伸量0.5%+雙級時效（165℃/4h+200℃/（5~12）h）制度下，材料可獲得優(yōu)良的綜合性能。關(guān)鍵詞：熱處理；6101鋁合金；工藝參數(shù)；性能；電導(dǎo)率中圖分類號：TG146.21doi：10.3969/.1005-4898.2021.03.09文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1005-4898（2021）03-0040-040前言銅和鋁是兩種最主要的導(dǎo)電金屬材料。銅面臨制[2-6]：（1）低合金及微合金化：采用低Fe、Cu、Zn等雜質(zhì)高純鋁水，降低Cr、Mn、Ti、V等影響電導(dǎo)率有害元素的含量，適量增加B元素，促使與Cr、Ti、V等形成硼化物在晶界析出聚集，或添加稀土元素形成彌散的析出強(qiáng)化相；（2）時效工藝優(yōu)化：通過單級或雙極時效工藝開發(fā)，促進(jìn)Mg2Si強(qiáng)化相的析出，減少晶格畸變及對導(dǎo)電電子的散射。但這些控制措施在一定程度上面臨著增加成本、犧牲強(qiáng)度、忽略了后續(xù)折彎加工要求等問題。所以本研究的目的就是在不增加過多成本的基礎(chǔ)上，從熱處理工藝參數(shù)優(yōu)化角度入手，協(xié)同調(diào)控6101鋁合金的強(qiáng)度、導(dǎo)電率和加工性能。著資源匱乏及價格高等不利因素，鋁作為地球上最豐富的有色金屬，具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、成形性好、成本低等優(yōu)點，已逐漸在電力導(dǎo)線、儲能電站、新能源汽車等領(lǐng)域得以應(yīng)用，且大有以鋁代銅的趨勢。[1]6101鋁合金是一種低合金化Al-Mg-Si系熱處理可強(qiáng)化合金，具有中等強(qiáng)度、良好的導(dǎo)電性及成形性，成為近些年來在導(dǎo)電材料的研究熱門對象[2-4]。特別是隨著新能源電動汽車及快充技術(shù)的快速發(fā)展，6101鋁板越來越被特斯拉等電動汽車企業(yè)廣泛地采用，不僅要求其具有較高的強(qiáng)度、優(yōu)異的導(dǎo)電率，還對合金的折彎加工等性能提出了較高要求[5]。鋁合金的強(qiáng)度與導(dǎo)電性能、折彎性能不易兼得，故而在確保電導(dǎo)率的前提下不降低過多的材料性能已成為材料生產(chǎn)工藝控制的難點和重點。[7]1試驗方案試驗材料為厚度3.0mm的6101鋁合金板帶，1.1化學(xué)成分合金成分如表1所示。表1Si0.45Fe0.18一般要求材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)185~225MPa，屈服強(qiáng)度150~210MPa，電導(dǎo)率≥56%IACS，90°折彎半徑為厚度的1倍。目前主要從以下兩方面進(jìn)行控收稿日期：2021-03-01·40·6101試驗合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）CuMn0.03Mg0.50Cr0.02Zn0.05TiBAl0.050.010.005余量作者簡介：闕石生（1985-），男，福建龍巖人，工學(xué)碩士，工程師，主要從事鋁板材加工及新材料開發(fā)工作。Copyright?博看網(wǎng) . All Rights Rerved.

闕石生，等：熱處理工藝參數(shù)對6101鋁板帶力學(xué)性能與電導(dǎo)率的影響1.2試驗過程與方法將冷軋板用UNITEMp快速升溫爐進(jìn)行固溶，水淬處理后，采用日本島津100kN萬能試驗機(jī)進(jìn)行預(yù)拉伸，然后在箱式爐內(nèi)進(jìn)行人工時效試驗得到試驗樣品。經(jīng)萬能試驗機(jī)測試力學(xué)性能；利用Sigma-2008A渦流電導(dǎo)率儀檢測電導(dǎo)率；利用液壓折彎機(jī)評估折彎性能；利用蔡司光學(xué)顯微鏡觀察晶粒組織分布。本試驗設(shè)計不同的熱處理工藝參數(shù)（固溶溫度、固溶時間、預(yù)拉伸量、時效溫度、時效時間等），以獲得良好的綜合性能。具體如下：（1）采用530℃、555℃保溫15s、45s、60s的固溶制度，探索該制度對晶粒及性能的影響。（2）采用0.5%、3%、5%三種預(yù)拉伸量以探索預(yù)拉伸對性能與電導(dǎo)率的影響。（3）采用單級時效160/180/200℃×（2~24）h和雙級時效85/165℃×4+200℃×（2~12）h，探工藝技術(shù)索該時效處理制度對性能與電導(dǎo)率的影響。2試驗結(jié)果和分析6101合金主要是通過固溶和時效處理來控制其晶粒、組織尺寸及分布狀況，進(jìn)而影響成品的性能和電導(dǎo)率。大量的研究表明，6×××系的時效處理析出順序為：α過飽和固溶體→GP區(qū)→β”→β’→β。時效過程中析出的G區(qū)和β”起到較好的強(qiáng)化效果，同時彌散分布的第二相相對固溶原子而言對導(dǎo)電電子的散射作用更小，更易獲得更大的電導(dǎo)率。2.1固溶溫度及時間對晶粒及性能的影響圖1為不同固溶工藝條件下的表面和縱向晶粒分布情況?？梢钥闯觯涸谙嗤貢r間下，隨著固溶溫度的提高，表面和縱向晶粒呈粗化趨勢，折彎橘皮更為明顯，見圖2；當(dāng)固溶溫度相同時，隨著保溫時間的延長，表面和縱向晶粒變化很小。（a）530℃×15s，表面（b）530℃×60s，表面（c）555℃×15s，表面（d）555℃×60s，表面（e）530℃×15s，縱向（f）530℃×60s，縱向圖1（g）555℃×15s，縱向表2編號固溶制度（h）555℃×60s，縱向不同固溶工藝下的晶粒對比（放大100倍）不同固溶制度下的性能和電導(dǎo)率預(yù)拉伸/%0.50.50.50.5時效制度180℃×5h180℃×5h180℃×5h180℃×5h抗拉強(qiáng)屈服強(qiáng)度/MPa度/MPa2延伸率/%12.911.168.912.56電導(dǎo)率/%IACS57.2575757圖2晶粒尺寸對90°折彎影響對比1#530℃×15s2#530℃×60s3#555℃×15s4#555℃×60s（左、右樣品的平均晶粒尺寸大小分別為86μm、65μm）表2顯示的是固溶制度對成品性能和電導(dǎo)率的影響。從表中可以看出，在相同的預(yù)拉伸、時效制度下，不同的固溶溫度和保溫時間對成品的性能和電導(dǎo)率影響很小。這表明6101為低合金化，經(jīng)溫度530℃以上短時間保溫即可完成充分固溶，為后續(xù)的時效析出奠定了良好基礎(chǔ)，對成品的性能和電導(dǎo)率的影響很小。2.2預(yù)拉伸對性能和電導(dǎo)率的影響表3為不同預(yù)拉伸條件下的性能和電導(dǎo)率對比表?？梢钥闯?，在固溶及時效制度相同的前提下，隨著預(yù)拉伸量的增加，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、電導(dǎo)·41·Copyright?博看網(wǎng) . All Rights Rerved.

《鋁加工》2021年第3期總第260期2.4雙級時效對性能和電導(dǎo)率的影響工藝技術(shù)率甚至延伸率均呈增加趨勢。這表明適當(dāng)增加預(yù)拉伸量將產(chǎn)生更多的滑移位錯，后續(xù)的時效析出驅(qū)動力增強(qiáng)，從而獲得更好的時效強(qiáng)度。與此同時，析出相的增加將使固溶原子貧化，晶格畸變程度減輕，電導(dǎo)率得以進(jìn)一步提升[3]。表3編號固溶制度1#555℃×15s2#555℃×15s3#555℃×15s在固溶、預(yù)拉伸相同的前提下，選擇兩種工藝方案探索雙級時效制度對成品性能和電導(dǎo)率的影響，結(jié)果見圖4和圖5。與85℃/4h+200℃/（2~12）h相比，165℃/4h+200℃/（2~12）h處理制度下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和電導(dǎo)率波動小，更穩(wěn)不同預(yù)拉伸下的性能和電導(dǎo)率延伸率/%8.910.2211.91電導(dǎo)率/%IACS57.057.658.0預(yù)拉伸抗拉強(qiáng)屈服強(qiáng)時效制度/%度/MPa度/MPa0.535180℃×5h180℃×5h180℃×5h2201204.5定，且強(qiáng)度保持在較高水平；在不犧牲過多強(qiáng)度的條件下，電導(dǎo)率仍保持在56.4~58.1%IACS區(qū)間，便于工業(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)。相比單級時效，雙級時效后的各項性能更佳、更穩(wěn)定，有利于實際生產(chǎn)控制。研究表明雙級時效比單級時效的β″和β′相尺寸更大，晶界無析出帶（PFZ）更寬，材料的電導(dǎo)率更高[8]。綜合各項指標(biāo)表明，165℃/4h+200℃/（5~12）h制度更能保證抗拉強(qiáng)度223~227MPa、屈服強(qiáng)度189~204MPa、電導(dǎo)率57~58.1%IACS?？估瓘?qiáng)度2.3單級時效對性能和電導(dǎo)率的影響在固溶、預(yù)拉伸相同的前提下，單級時效制度對成品性能和電導(dǎo)率的影響見圖2和圖3。時效分成欠時效→峰時效→過時效三個階段進(jìn)程。隨著時效時間的延長，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度先增加后降低，電導(dǎo)率呈一直增加趨勢；隨著時效溫度的提高，更快進(jìn)入峰值時效，但峰值強(qiáng)度比低溫時效時×（8~24）h或200℃×(5~24)h，以保證抗拉強(qiáng)度更小。綜合客戶要求，可選擇單級時效工藝180℃達(dá)到186~223MPa，屈服強(qiáng)度159.5~204.5MPa，電導(dǎo)率56.20~57.41%IACS。強(qiáng)度／MPa屈服強(qiáng)度時效制度圖4雙級人工時效的性能趨勢圖抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度／MPa屈服強(qiáng)度電導(dǎo)率／%IACS時效制度圖5雙級人工時效的電導(dǎo)率趨勢圖3時效制度結(jié)論（1）固溶溫度及保溫時間對成品的抗拉強(qiáng)圖2單級時效的性能趨勢圖度、屈服強(qiáng)度及電導(dǎo)率影響較小，但晶粒呈長大趨勢，折彎橘皮越發(fā)明顯。電導(dǎo)率／%IACS（2）隨著預(yù)拉伸的增加，產(chǎn)生更多的滑移位錯，提供了更多的形核地點，有助于合金時效強(qiáng)化能力的提高，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、電導(dǎo)率均呈上升趨勢。（3）隨著單級時效時間的延長，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度先增加后降低，電導(dǎo)率呈持續(xù)增加趨勢；時效制度隨著單級時效溫度的提高，更快進(jìn)入峰值時效，但峰值強(qiáng)度相比低溫時效更低。圖3·42·單級時效的電導(dǎo)率趨勢圖Copyright?博看網(wǎng) . All Rights Rerved.

闕石生，等：熱處理工藝參數(shù)對6101鋁板帶力學(xué)性能與電導(dǎo)率的影響（4）相比85℃/4h+200℃/（2~12）h，165℃/4h+200℃/（2~12）h處理制度下材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、電導(dǎo)率波動小、更穩(wěn)定，且強(qiáng)度保持在較高水平。雙級時效相對單級時效各項性能更佳更穩(wěn)定，有利于實際生產(chǎn)控制。（5）結(jié)合熱處理各工藝參數(shù)對性能及電導(dǎo)率的影響規(guī)律，確定在固溶530℃×（15~60）s+預(yù)拉伸量0.5%+雙級時效165℃/4h+200℃/（5~12）h制度下，材料可獲得優(yōu)良的綜合性能。參考文獻(xiàn)[1][2]胡大偉.工程建設(shè)中電線電纜導(dǎo)體材料的合理使用[J].現(xiàn)代建筑電氣，2011，2（3）：47-50.胡皓，趙芳.熱處理對6101B鋁合金組織與性能的影響[J].有色金屬加工，2019，48（3）：56-61.[8][7][5][6][4][3]工藝技術(shù)/信息報道王東輝，唐鴻洋.時效制度與預(yù)拉伸對6101B鋁合金性能的影響[J].熱處理技術(shù)與裝備，2020，41（4）：30-32.徐芬，王晶莉.預(yù)應(yīng)變與預(yù)時效對6101導(dǎo)電鋁合金組織與性能的影響[J].有色金屬科學(xué)與工程，2016，7（1）：34-40.黃奎，許澤兵.基于正交試驗的6101鋁合金熱處理工藝研究[J].熱加工工藝，2018，47（12）：132-136.葉於龍，楊昭.過量Mg、Si元素對6101電工導(dǎo)線性能影響及機(jī)制[J].稀有金屬材料與工程，2016，45（4）：968-974.宋冰.淺談影響6101B合金型材導(dǎo)電性能的因素[J].冶金叢刊，2016，222（2）：5-8.游玉萍.時效處理工藝對6101鋁合金性能的影響[J].熱加工工藝，2019，48（22）：ofheattreatmentparametersonmechanicalpropertiesandelectricalconductivityof6101aluminumstripQueShisheng,HuangRuiyin,LiXueyun,ZhengHongzhi,ZhangXiyuan（CHALCORuiminCo.,Ltd.,Fuzhou350015，China）Abstract:Theeffectsofdifferentsolutionsystems,pretensionandagingsystemsontheprultsshowedthatthetensilestrength,yieldstrengthandelongationchangedlittlewiththein?creaofsolutiontemperatureandholdingtime,butthegrainsgrewup,tensionprovidesmorender-agingtopeakagingtooveraging,withtheincreaofartificialagingtemperature,itquicklyenterstheoveragingstate,andtheelectricalconductivityin?edwithsingle-stageaging,two-stageaginghasbetterandmorestableproperties,whichisbeneficialtoactualproduc?edwiththeinfluenceofvariousprocessparametersonpropertiesandconductivity,thematerialobtainedexcel?lentcomprehensivepropertiesbysolidsolution530℃×(15~60)s+pretensionof0.5%+two-stageaging165℃/4h+200℃/(5~12)ds:heattreatment;6101aluminumalloy;processparameters;property;electricalconductivity“再生鋁大王”重慶順博合金擬投資56億元建安徽產(chǎn)業(yè)基地“再生鋁大王”順博合金近日發(fā)布公告稱，公司與安徽省馬鞍山市博望區(qū)政府于2021年5月12日簽訂項目投資合同，擬總投資約56億元建設(shè)“馬鞍山順博合金產(chǎn)業(yè)基地項目”，建設(shè)綠色循環(huán)再生鋁、扁錠、圓錠、鋁灰資源綜合利用項目生產(chǎn)基地。該項目分兩期實施，一期擬于2023年建成投產(chǎn)，二期擬于2025年底建成投產(chǎn)。包頭鋁業(yè)電解槽無線測溫診斷系統(tǒng)獲實用新型專利針對鋁電解槽在線檢測比較困難、過程信息缺乏等問題，包頭鋁業(yè)技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊研發(fā)了基于“LoRa低功耗局域網(wǎng)無線傳輸”技術(shù)的無線測溫診斷系統(tǒng)，并成功通過國家知識產(chǎn)權(quán)局的審核，獲得實用新型專利。新的無線測溫診斷系統(tǒng)顛覆了傳統(tǒng)槽溫監(jiān)測技術(shù)，彌補了傳統(tǒng)監(jiān)測方法的諸多不足。相比傳統(tǒng)人工監(jiān)測，該無線測溫診斷系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：24h不間斷監(jiān)測電解槽溫度，時間掌握槽溫異常趨勢并報警；實現(xiàn)了“低功耗”和“遠(yuǎn)距離”的共存，在相同功耗下的傳輸距離是傳統(tǒng)無線射頻通信距離的3～5倍；節(jié)省了大量光線網(wǎng)線和電纜，降低了檢修難度，為生產(chǎn)工藝技術(shù)管理帶來便利?！?3·Copyright?博看網(wǎng) . All Rights Rerved.