在均勻化快速淬火和鑄態(tài)條件下,不同擠壓比對(duì)AA-6101擠壓合金鑄坯力學(xué)性能影響最終版.doc

1、 在均勻化快速淬火和鑄態(tài)條件下，不同擠壓比對(duì)AA-6101擠壓合金鑄坯力學(xué)性能的影響摘要：本文描述了正擠過程下擠壓比對(duì) AA-6101 合金力學(xué)性能的影響。該合金主要用作 AAAC 型鋁合金導(dǎo)體和電氣用壓縮接頭及連接器的原材料。通過在不同鑄坯溫度下擠壓坯料來檢測(cè)擠壓比的影響。鑄坯分為均勻化快速淬火（HRQ）坯料及非均勻化慢冷（UHSC）坯料。保持?jǐn)D壓機(jī)主柱塞前進(jìn)速度和出口處溫度不變，采用三種不同直徑的模具對(duì) AA-6101 合金進(jìn)行直接擠壓，模具直徑分別為：10， 30 和 50mm。樣品經(jīng) T-1 和 T-6 處理后測(cè)量其力學(xué)性能。最后將擠壓比對(duì) AA-6101 合金鑄坯的抗拉強(qiáng)度、延伸率及

2、硬度的影響以圖表形式表示。1. 概述AAAC 導(dǎo)體的導(dǎo)線、電氣連接件和壓縮接頭由 AA-6101 原料拉伸獲得，其生產(chǎn)階段所面臨的基本困難概述如下：l 型材抗拉強(qiáng)度和硬度在橫截面積變化時(shí)發(fā)生波動(dòng)。l T-6 處理后 AA-6101 合金拉伸所得導(dǎo)線抗拉強(qiáng)度低。l 導(dǎo)線在拉伸和絞合過程中頻繁斷裂。l T-6 處理后導(dǎo)線延伸率低。l 用于電氣連接器的型材在 T-6 處理后抗拉強(qiáng)度低。l 用于電氣連接器的型材在 T-6 處理后硬度低。本文目的在于通過冶煉獲得不同結(jié)構(gòu)的 AA-6101 合金，采用不同擠壓參數(shù)生產(chǎn)型材，最終確定擠壓比（ER）對(duì)型材力學(xué)性能的影響。采用連續(xù)鑄造（CCL）、連鑄旋轉(zhuǎn)擠壓（c

3、onform）或直接擠壓生產(chǎn)原材料，通過拉伸和絞合導(dǎo)線生產(chǎn) AAAC 型導(dǎo)體。在拉伸和對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行熱處理的過程中，必須符合抗拉強(qiáng)度和延展率的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，這是導(dǎo)體制備過程中所面臨的問題。當(dāng)選擇最恰當(dāng)?shù)某煞謥碇苽銩A-6101 合金以生產(chǎn)架空導(dǎo)線時(shí)，必須實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的相互協(xié)調(diào)。增加合金元素（Mg，Si）的數(shù)量，合金強(qiáng)度升高但導(dǎo)電性下降。只采用單一 Mg，Si 組合的 AA-6101 合金不能滿足導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)，如 IEC-104，NF-C/34-125，IEC-1089， DIN-48201， BS-3242， CSA-C-49 及 ASTM B 399-81 等。在過去 40 年里，硬質(zhì)拉伸

4、電工級(jí)鋁合金導(dǎo)線的生產(chǎn)技術(shù)有很大的發(fā)展。傳統(tǒng)大型鋁鑄錠經(jīng)熱加工（熱軋或擠壓）制備出重拉伸棒。用于生產(chǎn) AAC， ACSR， ACAR 型導(dǎo)線的 EC 級(jí)鋁合金原材料被澆入冷卻用的旋轉(zhuǎn)銅輪，并將所得棒材直接送入集成多通道軋機(jī)，這是一個(gè)連續(xù)鑄造工藝。但在制備 Al-Mg-Si原料過程中，要求在制備 AA-6101 合金前必須先往熔爐中加入 AlSi 和 Mg。制備過程的連續(xù)性取決于熔爐（保溫爐）的容量。一個(gè)連續(xù)鑄造保溫爐的容量一般在 15 至 30 噸之間。目前還沒有一家導(dǎo)體工廠生產(chǎn) Al-Mg-Si 原料。少數(shù)公司對(duì) AA-6101 合金的制備感興趣，僅僅是因?yàn)樵撛牧峡煞?wù)于公司的導(dǎo)體生產(chǎn)。在

5、完成 Al-Mg-Si 合金的生產(chǎn)后，隨時(shí)間變化而變化的自然時(shí)效機(jī)制就開始了。供應(yīng)商并不能保證導(dǎo)體生產(chǎn)商訂購的任一類型的AA-6101原材料，在經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)輸后，其機(jī)械性能保持不變。除此之外，沒有嚴(yán)格的規(guī)定來規(guī)范原料在定購階段因自然時(shí)效產(chǎn)生的機(jī)械性能波動(dòng)。NF-C-34/12 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 AAAC 導(dǎo)體制備出的導(dǎo)線所要求的更高導(dǎo)電性能和力學(xué)性能。如果原材料的抗拉強(qiáng)度定在 200250MPa 以克服強(qiáng)度不足從而達(dá)到 T-6處理后對(duì)導(dǎo)線的強(qiáng)度要求，那么該產(chǎn)品的最終消費(fèi)者很可能面臨原材料的拉伸問題。如果AA-6101 原料材料的拉伸強(qiáng)度定在160200MPa范圍內(nèi)，則大直徑導(dǎo)線，如4.65mm 導(dǎo)線的

6、應(yīng)變硬化機(jī)制將不利于進(jìn)行 T-6 熱處理。因此，在 T-6處理后，有些導(dǎo)線不能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗拉強(qiáng)度、延伸率和硬度的最低要求。所以在同一地點(diǎn)進(jìn)行原材料生產(chǎn)和導(dǎo)線絞合是制備 AAAC 導(dǎo)體的最佳方法。AA-6101 鋁合金坯料也被用于擠壓不同類型的電氣連接器和電氣壓縮接頭。熱處理后的型材是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足抗拉強(qiáng)度、延伸率和硬度，對(duì)暴露在惡劣天氣條件下，承受重復(fù)動(dòng)態(tài)載荷和溫度變化的傳輸線能否穩(wěn)定工作至關(guān)重要。在模擬直冷立式方坯實(shí)驗(yàn)中，通過水冷鑄鐵模具進(jìn)行澆濤，鑄坯通過Sutton-USA/1600 噸直接擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓。2. Al-Mg-Si 合金的冶煉AA-6101屬于 Al-Mg-Si

7、-Fe 系合金。鎂和硅是主要合金元素，鐵是主要雜質(zhì)元素，其它所有元素都被當(dāng)成微量雜質(zhì)。表1 對(duì)實(shí)驗(yàn)金屬的光譜分析AA-6101Fe（%）0.172Mn（%）0.015Mg（%）0.634Cr（%）0.001Si（%）0.638Zn（%）0.003Cu（%）0.006Ti（%）0.017表2 樣品橫截面積和擠壓比型材直徑（mm）型材橫截面積（mm2）擠壓比（-）1078.5338.530706.837.6501963.513.5 表3 實(shí)驗(yàn)樣品準(zhǔn)備初始鑄坯溫度：510主柱塞前進(jìn)速度：0.15m/min初始鑄坯溫度：460主柱塞前進(jìn)速度：0.15m/min擠壓直徑（mm）103050103050T

8、-1處理的樣品數(shù)333333T-6處理的樣品數(shù)333333模具出口孔徑：10mm模具出口孔徑：30mm模具出口孔徑：50mm模具出口孔徑：10mm模具出口孔徑：30mm模具出口孔徑：50mm460擠壓510擠壓6 pcs./HRQ 鑄坯6 pcs./UHSC鑄坯a) 3鑄坯HRQb) 3鑄坯UHRQa) 3鑄坯HRQb) 3鑄坯UHRQ6鑄坯澆鑄后進(jìn)入水冷鑄鐵模具；6鑄坯澆鑄后進(jìn)入鑄鐵模具例1：鑄坯進(jìn)行均勻化處理（560/6h）并在淬火容器中快速冷卻HRQ例2：模具中鑄態(tài)緩慢冷卻UHSC熔煉爐中放入AA-6101合金成分 圖1：AA-6101 鑄坯分類鎂與硅很容易在鋁中結(jié)合形成 Mg2Si 化

9、合物。Mg2Si 包含 63.4wt% 的鎂和 36.6wt% 的硅。Mg2Si 在 6101 合金中的固溶范圍為 440.5 時(shí)的 0.71% 至 560 時(shí)的1.42%。標(biāo)稱組成（nominal composition）的 6101 合金中，1.0%Mg2Si 在高于499 時(shí)溶解。當(dāng)組成 Mg2Si 的鎂過量時(shí)，Mg2Si 的溶解度降低，即固溶度取決于鎂含量。當(dāng)組成 Mg2Si 的硅及鐵（正常含量）過量時(shí)，Mg2Si 在合金中的溶解度略微下降。鑄造狀態(tài)、后續(xù)鑄錠均勻化處理及機(jī)械熱加工都將決定最終產(chǎn)品中金屬間化物的粒子群類型、大小形態(tài)和分布。當(dāng)合金冷卻至低于固溶溫度時(shí)，Mg2Si 將沉淀。

10、沉淀顆粒的數(shù)量和大小由時(shí)間和溫度共同決定。緩慢冷卻趨向于形成大顆粒，尤其冷卻至上溫度區(qū)域時(shí)更易形成。在高于固溶溫度時(shí)快速冷卻至室溫則會(huì)捕獲溶液中的鎂和硅，產(chǎn)生過飽和固溶體。低于 204 的人工時(shí)效則會(huì)促進(jìn)亞微尺寸顆粒從基體中分離，產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化效應(yīng)。6101 合金的重要性就源于此現(xiàn)象。 圖2 擠壓實(shí)驗(yàn)方法概述及相關(guān)參數(shù)通常情況下，機(jī)器制備的合金很難達(dá)到平衡狀態(tài)。在正常制備過程中，隨著成分和一定溫度范圍內(nèi)加熱或冷卻速度的變化，Mg2Si 的固溶度也發(fā)生變化。合金快速加熱至高于固溶溫度期間，Mg2Si的再溶解過程總是滯后，而Mg2Si的沉淀總滯后于合金快速冷卻至低于固溶溫度的過程。鑄造過程中，鐵與鋁

11、、硅結(jié)合形成一系列不同的金屬間化物和相對(duì)不溶的共晶成分。這些物質(zhì)往往趨向于形成平衡態(tài) -AlFeSi 合金。典型顯微照片中為兩相占主導(dǎo)：鋁固溶體（白色背景）和-AlFeSi（灰色顆粒）。-AlFeSi 標(biāo)明了擠壓方向。大部分顆粒都具圓形邊角，而有一部分在擠壓過程中破碎。Mg2Si （黑色）小顆?？赡芘紶柍霈F(xiàn)在正常結(jié)構(gòu)中，尤其是在鎂和硅含量高的化合物中。表4 隨時(shí)間冷卻的均勻化坯料溫度冷卻溫度（）時(shí)間（min）冷卻溫度（）時(shí)間（min）56001965453114663722100730735982464329表5 AA-6101 合金擠壓狀態(tài)鑄坯溫度（）擠壓直徑（mm）擠壓出口速度（m/min

12、）擠壓力（N/mm2）主柱塞前進(jìn)速度（m/min）510103313.70.15304.58.30.1550155.9030.15304.510.80.1550158.10.15圖4 擠壓比對(duì)伸長(zhǎng)率的影響 圖3 擠壓比對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響 圖8 擠壓比對(duì)硬度的影響圖5 擠壓比對(duì)硬度的影響圖6 擠壓比對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響 圖7 擠壓比對(duì)伸長(zhǎng)率的影響圖10 擠壓比對(duì)伸長(zhǎng)率的影響 圖9 擠壓比對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響圖11 擠壓比對(duì)硬度的影響圖12 擠壓比對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響圖14 擠壓比對(duì)硬度的影響圖13 擠壓比對(duì)伸長(zhǎng)率的影響圖15 擠壓比對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響 圖16 擠壓比對(duì)伸長(zhǎng)率的影響 圖1

13、7 擠壓比對(duì)硬度的影響 圖18 擠壓比對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響圖19 擠壓比對(duì)伸長(zhǎng)率的影響 圖20 擠壓比對(duì)硬度的影響3. 實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)研究步驟如下：（1）根據(jù)表1鋁業(yè)協(xié)會(huì)規(guī)范所給含量，在坩堝中制備 AA-6101 合金。將全部12個(gè)鑄坯（長(zhǎng) 584mm，直徑 178mm）澆鑄入具備有效水冷裝置的鑄鐵模具中。坯料通常由垂直或水平連續(xù)鑄造法制得，但還沒有擠壓機(jī)具備如此鑄造條件。當(dāng)由工廠供應(yīng)實(shí)驗(yàn)用鑄坯時(shí)，與型材機(jī)械性能相關(guān)問題的出現(xiàn)就難以避免。因此，了解坯料鑄造的工藝也將有助于理解坯料的最初結(jié)構(gòu)。（2） 鑄造完成后，將第一組 6101 合金坯料（6個(gè)）放入爐中進(jìn)行 6 小時(shí)均勻化處理。硬化后，將坯料放入水

14、中快速冷卻。（3） 第二組坯料（6個(gè)）在鑄造后置于模具中緩慢冷卻而不進(jìn)行固溶熱處理。圖1為實(shí)驗(yàn)前鑄坯的分類。（4） 每一組鑄坯都進(jìn)行T-1/T-6熱處理，并采用不同鑄坯溫度和不同擠壓比。標(biāo)號(hào)為HRQ和UHSC的鑄坯與金屬模具一起分別在510和460下實(shí)驗(yàn)，模具上單孔直徑分別為：10， 30和 50mm。表2已給出圓形型材的橫截面積和擠壓比。擠壓操作后的變形程度，必然是與力有關(guān)的決定性因素之一。而力又是在擠壓操作時(shí)的必要條件。形變通常是以容器和模具孔橫截面積減小差值的百分比形成的，(A-a)/A×100。“擠壓比”取自面積之比A/a，該術(shù)語經(jīng)常被使用。也就是說，擠壓比=實(shí)驗(yàn)樣品制備過程

15、見表3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄的是型材機(jī)械測(cè)量的平均值。擠壓機(jī)運(yùn)行參數(shù)見圖2。（5） 鑄坯在 560 下進(jìn)行 6 小時(shí)均勻化處理后放入水中快速冷卻。均勻化坯料隨時(shí)間冷卻的數(shù)據(jù)見表4。（6） 擠壓過程采用 DIN-2344 熱作模具鋼所加工的扁平型模具，將模具加熱至 440 后固定至模座。制備所得的扁平型模具的進(jìn)入口端為尖銳的90°角（2=180°）。擠壓過程中金屬和模具間不使用潤(rùn)滑油。石墨基礎(chǔ)油僅用于固定表面，以防止工具與坯料發(fā)生粘黏。（7） 為從實(shí)驗(yàn)金屬中獲取穩(wěn)定測(cè)量數(shù)據(jù)，將所有 AA-6101 鑄坯都放入模具出口一側(cè)的容器中直接水淬。（8） 主柱塞以 0.15m/min 的速度對(duì)

16、 AA-6101 合金進(jìn)行擠壓時(shí)，圓形型材的擠出速度和相關(guān)擠出壓力記錄見表5，型材樣品取自擠壓力處于較穩(wěn)定狀態(tài)的區(qū)域，擠壓狀態(tài)如表5所示。4. 金相分析對(duì)不同時(shí)段的坯料表面，采用Weck和Keller的化學(xué)處理法，對(duì)樣品進(jìn)行金相分析。隨后對(duì)擠壓型材的顆粒結(jié)構(gòu)和 Mg2Si 金屬間化物的分布及其尺寸大小進(jìn)行研究。晶界周圍的 Mg2Si 金屬間化物分布如圖22。如此分布的金屬間化物降低了金屬的機(jī)械性能。在對(duì)型材進(jìn)行熱處理后，觀察得 Mg2Si 分布如圖23，同細(xì)小顆粒在晶體中的分布類似。圖21 在HRQ和T-6條件下，分別在460和510時(shí)，對(duì)均勻化快速淬火的AA-6101合金進(jìn)行擠壓時(shí)的擠壓力和

17、擠壓比5. 討論和總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果概述如圖320。在擠壓比不同時(shí)，對(duì)鑄坯均勻化處理、鑄坯初始溫度和不同時(shí)效條件下型材的最終拉應(yīng)力，UTS，延伸率，%及硬度Hb同時(shí)進(jìn)行比較。 圖22 鑄坯顯微組織擇優(yōu)顯微照片（Mg2Si 在晶界周圍沉淀） 圖23 棒材顯微組織擇優(yōu)顯微照片（晶界周圍有細(xì)小 Mg2Si 顆粒）（1） 可以確定的是，擠壓比增加時(shí)，均勻化 AA-6101 合金和非均勻化AA-6101合金的抗拉強(qiáng)度都增加，但硬度和伸長(zhǎng)率降低（見圖3-20）。為使合金在 T-6 熱處理后力學(xué)性能良好，必須在模具出口端進(jìn)行有效淬火。 （2） 由非均勻化緩慢冷卻合金（UHSC）制備的圓形實(shí)驗(yàn)型材的抗拉強(qiáng)度和布氏硬

18、度均低于均勻化快速冷卻合金（HRQ）制得的型材。這是因?yàn)榫Ы缰車袎K狀 Mg2Si 沉淀（見圖21）。因此，由 HRQ 制備得到的型材受擠壓比的影響要大于由 UHSC 制得的型材。 (3) 人工時(shí)效對(duì)均勻化快速淬火 AA-6101 合金鑄坯制得型材的影響更大。如果使用均勻化快速淬火合金制備得到實(shí)驗(yàn)鑄坯，則當(dāng)溫度在 460 至 510 之間時(shí)，鑄坯的布氏硬度，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率表現(xiàn)不佳（見圖3-20）。 （4） 鑄態(tài)或不規(guī)則均勻化的 Al-Mg-Si 坯料中含分布不均的 Mg2Si 和大量 Mg2Si 及 AlFeSi 沉淀（見圖22和23）。 Mg2Si 大顆粒的形成是由均勻化溫度緩慢冷卻所導(dǎo)致

19、。自均勻化溫度快速冷卻將保留固溶體中的大量 Mg 和 Si 。若 Mg2Si 顆粒太大將降低合金拉伸性能。對(duì) AA-6101 合金進(jìn)行均勻化處理和充分水冷能減少 Mg2Si 在晶界周圍的沉淀。晶界周圍沉淀的減少則使合金硬度升高（見圖6-8，12-14和18-20）。 (5) 極快速冷卻（如，冷卻速度超過500/h）有助于產(chǎn)生過飽和 Mg2Si固溶體，導(dǎo)致變形抗力增加，致使擠出速度變慢。慢速冷卻（如，20/h）有利于使固溶體保持很少的鎂和硅含量，所有 Mg2Si 析出形成粗大沉淀物，導(dǎo)致變形抗力下降。對(duì) UHSC 和 HRQ 條件下制備得到的 AA-6101 型材的， 和 Hb 的比較如圖6-8，12-14所示。 （6） AAAC導(dǎo)線絞合過程中出現(xiàn)的抗拉強(qiáng)度不足，拉伸困難甚至斷裂等相關(guān)問題，其原因是合金缺少均勻化或原料在爐中的均勻化不充分。 在 560 高溫下 6 小時(shí)均勻化后效果如下：l 鑄造過程中形成 Mg2Si 固溶體。l 形成鎂和硅分布不均。l 轉(zhuǎn)變和凝聚形成 AlFeSi 相化合物。 從實(shí)驗(yàn)研究中可知，如果鑄坯在低于560溫度下均勻化處理，處理時(shí)間少于 6 小時(shí)，就不能滿足電氣產(chǎn)品對(duì)抗拉強(qiáng)度