6xxx系铝合金导体材料的时效行为

第3 4卷 增刊 2 0 1 3年 6月 材 料 热 处 理 学 报 TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENT Vol． 34 Supplement June 2 0 1 3 6xxx系铝合金导体材料的时效行为 刘东雨1，2，高 倩1，李宝让1，刘静静1，侯世香1，韩 钰1，3，陈 新3，马 光3 (1．华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206;2．国家火力发电工程技术研究中心， 北京 102206;3．国网智能电网研究院电工新材料及微电子研究所，北京 100192) 摘 要:综述了 6xxx系铝合金导体材料的时效行为。微量元素 Cu促进时效进程，减轻停放效应，提高峰值强度，Zr减缓时效进 程，改善合金的耐热性，适量稀土对合金的性能产生好的影响。6xxx系铝合金导体材料的使用状态为 β! 相起主要强化作用的过 时效状态。要开发出高电导率中强度铝合金导体材料，必须深入研究低 Mg + Si含量的 Al-Mg-Si-RE铝合金时效行为。 关键词:铝合金; 导体材料; 时效; 合金元素 中图分类号:TG146. 2 文献标志码:A 文章编号:1009-6264(2013)增刊-0007-05 Aging behaviors of 6xxx series aluminum alloy for conductor materials LIU Dong-yu1，2， GAO Qian1， LI Bao-rang1， LIU Jing-jing1， HOU Shi-xiang1， HAN Yu1，3， CHEN Xin3， MA Guang3 (1． School of Energy，Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China; 2． National thermal Power Engineering and Technology Research Center，Beijing 102206，China;3． Department of Electrical Engineering New Materials and Microelectronics，State Grid Smart Grid Research Institute，Beijing 102401，China) Abstract:The aging behaviors of 6xxx series aluminum alloy with high electric conductivity were reviewed． The typical trace elements， such as Cu，can accelerate aging process of Al-Mg-Si series alloy，reduce the storage effect and increase the strength peak value obviously while the element Zr can slow the aging rate and in a further step improve the alloy’s thermal resistance． Moreover，an appropriate addition amount of rare earth is of benefit to optimize the alloy properties． The performance state of 6xxx series conductive aluminum alloy is a past aging state，in which β' phase is dominated． In order to fabricate medium strength aluminum alloy materials with high electric conductivity，further investigation on aging behavior of Al-Mg-Si-RE with lower amount of Mg and Si become necessary． Key words:aluminum alloys;conductive materials;aging of material;alloying element 收稿日期: 2013-02-21; 修订日期: 2013-03-28 作者简介: 刘东雨(1963—) ，男，博士，教授，主要研究方向为先进金 属材料，电话:13910536377，E-mail:liudy@ ncepu． edu． cn。 大跨越架空输电导线和换流站母线常用 6xxx 系 铝合金作导体材料。架空输电线路的高强度铝合金 导线常用的铝合金牌号为 6201 和 6101A［1-4］。输变 电换流站的导电母线常用的铝合金牌号为 6063、 6Z63、6R05 和 6101［5-8］。无论是用作架空导线还是 管形母线，铝合金导体材料既要满足一定的强度和塑 性 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ，又要满足高导电性要求。通常 6xxx 系铝合 金导体材料在人工时效状态下使用，而铝合金的时效 行为不仅取决于时效温度和时间，还取决于铝合金的 成分和加工状态。 1 6xxx铝合金导体材料的时效序列 在 Al-Mg-Si三元合金中当 Mg /Si 比为 1. 73 时， 形成 Al-Mg2Si 伪二元合金(通常称为平衡合金)。 Al-Mg2Si伪二元相图铝侧部分见图 1。共晶温度为 595 ℃，在共晶温度下，Mg2Si在铝中的最大固溶度为 1. 85%。随着温度的降低，固溶度逐渐减少。 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1 给 出了 Mg2Si 在铝中固溶度的变化。可见当 Mg2Si 量 图 1 Al-Mg2Si伪二元合金相图一角 Fig． 1 The relevant part of the Al-Mg2Si phase diagram 材 料 热 处 理 学 报 第 34 卷 较少时，Al-Mg-Si 合金的固溶温度范围相当宽，有利 于生产控制。常用 6xxx系铝合金导体材料的化学成 分见表 2。其中 6101 和 6201 铝合金针对导体材料设 计，其杂质含量控制较严，尤其是 Cr、Mn、V、Ti 等杂 质元素。当 6063、6R05 和 6Z63 合金用作导体材料 时，上述杂质元素含量亦应从严控制。通常在配制合 金时，将上述牌号的 6063、6101 和 6201 合金配制成 为 Si过剩的 Al-Mg-Si合金。6R05 为含有少量 Cu 和 稀土的 Si过剩 Al-Mg-Si 合金，6Z63 通常配制成含有 少量 Cu、稀土和 Zr的 Si过剩 Al-Mg-Si合金。 表 1 温度对Mg2Si在铝基体中固溶度的影响 Table 1 The correlation between temperature and solid solubility of Mg2Si in aluminum Temperature /℃ 500 450 400 Solid solubility /mass% 1. 10 0. 75 0. 50 上述铝合金在人工时效状态下使用。研究表明， 对于含平衡 Si 或过剩 Si 的 Al-Mg-Si 合金时效时，其 析出序列为［9-14］:αSSS→GP区→β″→ β'→β 表 2 常用 Al-Mg-Si系导电铝合金的化学成分(质量分数，%) Table 2 Chemical composition of Al-Mg-Si series conductive aluminum alloys (mass fraction，%) Alloy Si Mg Fe Cu Mn Cr Zn Ti Else Single Total 6063 0. 20 － 0. 6 0. 45 － 0. 9 0. 35 0. 10 0. 10 0. 10 0. 10 0. 10 0. 05 0. 15 6Z63 0. 20 － 0. 6 0. 45 － 0. 7 0. 35 0. 10 － 0. 20 0. 10 0. 10 0. 10 0. 10 0. 05 0. 15 6R05 0. 40 － 0. 9 0. 20 － 0. 6 0. 30 － 0. 50 0. 15 － 0. 25 0. 10 0. 10 － 0. 05 0. 05 0. 15 6101 0. 30 － 0. 7 0. 35 － 0. 8 0. 50 0. 10 0. 03 0. 03 0. 10 － 0. 03 0. 10 6201 0. 50 － 0. 9 0. 6 － 0. 9 0. 50 0. 10 0. 03 0. 03 0. 10 － 0. 03 0. 10 Note:0. 08 ～ 0. 20 Zr and 0. 07 ～ 0. 18 RE in 6Z63，0. 10 ～ 0. 20 RE in 6R05，0. 06 B in both 6101 and 6201 式中，αSSS为 α-Al过饱和固溶体;GP区为时效初期在 铝基体中形成的溶质原子富集区，其与基体保持共格 关系;β″相和 β'相为亚稳析出相，β″相与基体保持共 格关系，β'相与基体保持半共格关系;β 相为平衡析 出相 Mg2Si，其与基体呈非共格关系。当 β″相大量析 出时，合金的强度达到峰值。原子探针分析表明，在 平衡合金中 β″相的Mg /Si原子比接近 2∶ 1，而在 Si过 剩的合金中 β″相的 Mg /Si 原子比约为 1∶ 1。注意平 衡合金和 Si过剩合金中 β″相的化学组成的区别，这 是含过剩 Si 的 Al-Mg-Si 合金具有较高强度的原因。 目前材料工作者已就含过剩 Si的 Al-Mg-Si合金中的 β″相、β'相和 β相的形状、晶体结构和化学成分达成 共识。β″相为单斜结构的 Mg5Si6 针状相、β'相为六 方结构的 Mg2Si杆状相、β 相为立方结构的 Mg2Si 盘 片状相。但在细节上还有不同的看法，Dutta、Edwards 和 Murayama等［15-17］认为在 GP区形成前，过饱和固溶 体中析出单独的 Si 原子团簇和 Mg 原子团簇，然后发 生 Mg原子团簇的溶解进而形成 Mg、Si 聚合在一起的 原子团簇，Mg、Si 原子聚合团簇长大形成尺寸为 1 ～ 3 nm球状 GP 区。Marioara 等［18］观察到在 β'相析出前 有先驱 β″相析出。Dumolt 认为在形成六方 β'相的同 时还会有 β″相［19］。当然对于 Si过剩的 6xxx系铝合金 在 β″相析出的同时会有 Si相析出［14］。 在 6xxx系铝合金人工时效过程中，随着 GP区的 形成和 β″相的析出，合金的强度逐渐升高，并达到峰 值，随着 β″相向 β'相的转变以及 β 平衡相出现并长 大，合金的强度逐渐降低，使合金处于过时效状态。 但无论是处于欠时效状态还是过时效状态，合金的电 阻率随时效时间的延长总是逐渐降低，见图 2［4］。 图 2 高强度铝合金导线(3. 5 mm)170 ℃时效时间 与抗拉强度和电阻率的关系 Fig． 2 Heat treatment curves for 3. 50 mm Al-Mg-Si aluminum alloy wire aged at 170 ℃ 对于 6201 铝合金，固溶处理后于 160 ℃时效至 强度峰值约需 6 h，于 180 ℃时效至强度峰值约需 3. 5 h，时效温度越高，达到峰值强度所需要的时间越 短［20］，由图 2 可知固溶后进行拉拔变形于 170 ℃时 效至强度峰值仅需 1. 5 h。可见，室温变形加速时效 析出相。输电导线、母线和导电轨等的常用导体材 8 增刊 刘东雨等:6xxx系铝合金导体材料的时效行为 料、生产 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 和时效工艺参数见表 3［7，21，22］。在时效 前进行冷加工的条件下，对于 6201 铝合金其还要在 165 ℃下保持 5 h，由此可见铝合金导体材料的工作 状态为过时效状态，而非欠时效状态。这主要是铝合 金导体材料要求有较高的电导率所致。 2 6xxx系铝合金的停放效应 对于 6xxx系铝合金，自然时效进行得非常缓慢， 在室温下停留半个月，甚至更长的时间，也达不到 最佳的强化效果。自然时效比人工时效的强化效 果要差 30% ～ 50%，因此，必须进行人工时效改善 材料的性能。在实际生产中，导电铝合金杆或型材 在轧制或挤压后不可避免地要经过一定的存放时 间，才进行人工时效处理。而在室温下放置一段时 间的某些 6xxx 系铝合金在人工时效后出现强化效 果降低的现象，称为“停放效应”。研究表明，该“停 放效应”与铝合金的化学成分有关。当 Mg + Si 质 量分数高于某一值时，将出现“停放效应”，而且 Mg + Si含量越高，室温停放造成材料强度降低的程度 越大。当 Mg + Si 质量分数低于某一值时，室温停 放不仅不产生停放效应，反而使人工时效后铝合金 的强度提高，见图 3［23］。 表 3 典型导体的用材、加工工艺和时效处理参数 Table 3 Aluminium alloy grades，processing and artificial aging parameter of typical conductor Type Grade Processing Artificial ageing parameter Wire 6201 Hot rolling + rapid cooling + drawing at RT + artificial aging At 165 ± 5 ℃ holding for 5 h Tube busbar 6Z63 6R05 Hot rolling + rapid cooling + drawing at RT + artificial aging At 200 ℃ holding for 3 h At 200 ℃ holding for 4 h Conductive rail 6063 Hot extrusing + rapid cooling + drawing at RT + artificial aging At 195 ℃holding for 11 h 图 3 室温停放 24 h对 Al-Mg-Si合金人工时效后 抗拉强度［MPa］的影响 Fig． 3 Contour plot of the effect of 24 h intermediate storage at room temperature on the change in ultimate tensile strength［MPa］as a function of Mg and Si content (artificial aging at 165 ℃ for 15 h) Marioara［24］认为停放效应与室温停放时形成 GP 区，消耗了固溶时形成的过饱和空位，抑制了先驱 β″ 和 β″相的析出，减少了先驱 β″和 β″沉淀析出相的数 量所致。Murayama［25］认为自然时效形成的 GP 区的 尺寸小于人工时效析出 β″相的临界尺寸，因此，在人 工时效初期，自然时效形成的 GP 区发生溶解，从而 抑制了 β″相的析出，而产生停放效应。对低 Mg + Si 含量的 6xxx系铝合金室温停放提高人工时效后强度 的原因有待深入研究。 3 微合金元素对铝合金时效行为的影响 3. 1 Cu元素的影响 含过剩 Si 的 6xxx 系铝合金中存在 Cu 时，其析 出序列受到过剩 Si 的量以及 Cu 的量的影响，目前， Cu含量对 Al-Mg-Si合金的微观组织结构及析出顺序 的影响还没有统一的认识。只是发现 Al-Mg-Si-Cu合 金的 GP 区为 Mg、Si 和 Cu 原子共偏聚区，当合金中 含有少量的 Cu时，在 β'析出的同时会出现 Q'相，随 着时间的延长会转变成 β + Si 相，Cu 含量超过一定 程度会出现 θ'相，Cu的加入会提高峰值强度，缩短达 到峰值所用的时间并且减轻或抑制停放效应［26-29］。 3. 2 稀土元素的影响 在 6063 合金中加入微量的富铈混合稀土，或使 强度峰值提前出现或使峰值硬度提高，稀土加入过量 反而使峰值硬度降低［30-31］。对 Al-Mg-Si-RE 导体材 料在固溶处理后进行冷加工变形，不仅使强度峰值提 前，而且使峰值强度提高［32］。在 6063 合金中加入 Er 可细化其铸态组织，但不同研究者在固溶、时效处理 后出现了相左的实验结果。刘伟伟等的实验结果为 Er可促进 6063 合金中 β″相析出，使人工时效峰值硬 度提高，而孙顺平等却得到了相反的实验结果，铒降 低人工时效的峰值硬度［33-35］。在 6063 合金中加入适 9 材 料 热 处 理 学 报 第 34 卷 量的 La会抑制或推迟 β″相和 β'相的形成，使人工时 效强度峰值延迟出现。La含量小于 0. 3%时，人工时 效后峰值强度提高，过量 La 的加入却降低峰值 强度［36］。 3. 3 Zr元素的影响 将元素 Zr添加到 Al-Mg-Si 合金中，可有效抑制 合金在等温中的软化趋势，提高合金的耐热性能。在 人工时效初期，合金的硬度先呈快速上升的趋势， 约 3 h后，随着时效时间的延长，合金的硬度缓慢增 加到峰值。对于 Al-Mg-Si 合金，其硬度在达到峰值 以后，随时效时间的延长出现缓慢下降，而对于 Al- Mg-Si-Zr合金，其硬度并未出现明显的降低趋势。在 同一时效时间里，含 Zr合金比未含 Zr合金具有更高 的时效硬度。这主要是由于在含 Zr 合金中形成亚稳 的 A13Zr粒子，这些亚稳相主要沿晶界弥散分布，且 A13Zr粒子的高温稳定性高于 β″相，可以有效阻碍 晶界和位错的运动，使合金的硬度和耐热性得到提 高［37-39］。值得注意的是要想使 Al-Mg-Si-Zr 中 Zr 发 挥作用，必须在均匀化处理后，在约 450℃退火让 A13Zr析出，之后再进行固溶和时效处理。 4 结论 6xxx系铝合金导体材料的时效序列为:αSSS→GP 区→β″→ β'→β，少量微合金元素的加入不改变时效 序列，但影响时效进程。室温停放效应与 Mg + Si 含 量有关，固溶后塑性变形加速时效进程。通常 6xxx 系高强度铝合金导体材料的使用状态为 β'相起主要 强化作用的过时效状态。为提高铝合金导体材料的 强度和耐热性可以加入少量 Cu、Zr。加入稀土可改 善 Al-Mg-Si系高强度铝合金导体材料的塑性，但为 改善高强度铝合金导体材料的性能，需深入研究稀土 对 6xxx铝合金的时效行为的影响。 参 考 文 献 ［1］ GB /T 23308 － 2009，架空绞线用铝-镁-硅系合金圆线［S］． GB /T 23308 － 2009，Aluminum-magnesium-silicon alloy wire for overhead line conductors［S］． ［2］ ASTM B399 /B399M-04，Standard specification for concentric-lay-stranded aluminum-alloy 6201-T81 conductors［S］． ［3］ ASTM B398 /B398M-02 Standard specification for aluminum-alloy 6201-T81 wire for electrical purposes［S］． ［4］ Davies G． Aluminum alloy (6201，6101A)conductors［J］． IET Conference Publications，1988:93 － 98 ［5］ IEC 60114-1959 Recommendation for heat-treated aluminum alloy busbar material of the aluminum-magnesium-silicon type［S］． ［6］ YS /T 454 － 2003 铝及铝合金导体［S］． YS /T 454 － 2003 aluminum and aluminum alloy bus conductors［S］． ［7］ 喻国铭． 6Z63 高强度耐热铝合金的实验研究［J］．现代商贸工业，2009(5) :279 － 280． YU Guo-ming． Experimental study on high strength heat resistant 6Z63 aluminum alloy［J］． Modern Business Trade Industry，2009(5) :279 － 280． ［8］ 郑小刚，兰国林，马明祥，等． 6063 铝合金 170 mm ×10 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