热处理工艺参数对6101铝板带力学性能与电导率的影响

2023年12月18日发(作者：知识就是力量作文)

《铝加工》2021年第3期总第260期工艺技术热处理工艺参数对6101铝板带力学性能与电导率的影响阙石生，黄瑞银，李学云，郑宏智，张希园（中铝瑞闽股份有限公司，福州350015）摘要：研究了不同固溶制度、预拉伸及时效制度对6101铝合金性能与电导率的影响。结果表明：随着固溶温度及保温时间的延长，抗拉强度、屈服强度和延伸率变化小，但晶粒呈长大趋势，折弯橘皮越加明显；预拉伸提供了更多的形核地点，提高了合金的时效强化能力；在欠时效→峰时效→过时效过程中，随着人工时效温度的提高，更快进入到过时效状态，电导率随之增大；相对单级时效而言，双级时效下的各项性能更佳、更稳定，有利于实际生产控制。结合热处理各工艺参数对性能及电导率的影响规律，在固溶（530℃/（15~60）s）+预拉伸量0.5%+双级时效（165℃/4h+200℃/（5~12）h）制度下，材料可获得优良的综合性能。关键词：热处理；6101铝合金；工艺参数；性能；电导率中图分类号：TG146.21doi：10.3969/.1005-4898.2021.03.09文献标识码：A文章编号：1005-4898（2021）03-0040-040前言铜和铝是两种最主要的导电金属材料。铜面临制[2-6]：（1）低合金及微合金化：采用低Fe、Cu、Zn等杂质高纯铝水，降低Cr、Mn、Ti、V等影响电导率有害元素的含量，适量增加B元素，促使与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弥散的析出强化相；（2）时效工艺优化：通过单级或双极时效工艺开发，促进Mg2Si强化相的析出，减少晶格畸变及对导电电子的散射。但这些控制措施在一定程度上面临着增加成本、牺牲强度、忽略了后续折弯加工要求等问题。所以本研究的目的就是在不增加过多成本的基础上，从热处理工艺参数优化角度入手，协同调控6101铝合金的强度、导电率和加工性能。着资源匮乏及价格高等不利因素，铝作为地球上最丰富的有色金属，具有质量轻、耐腐蚀、成形性好、成本低等优点，已逐渐在电力导线、储能电站、新能源汽车等领域得以应用，且大有以铝代铜的趋势。[1]6101铝合金是一种低合金化Al-Mg-Si系热处理可强化合金，具有中等强度、良好的导电性及成形性，成为近些年来在导电材料的研究热门对象[2-4]。特别是随着新能源电动汽车及快充技术的快速发展，6101铝板越来越被特斯拉等电动汽车企业广泛地采用，不仅要求其具有较高的强度、优异的导电率，还对合金的折弯加工等性能提出了较高要求[5]。铝合金的强度与导电性能、折弯性能不易兼得，故而在确保电导率的前提下不降低过多的材料性能已成为材料生产工艺控制的难点和重点。[7]1试验方案试验材料为厚度3.0mm的6101铝合金板带，1.1化学成分合金成分如表1所示。表1Si0.45Fe0.18一般要求材料的抗拉强度达185~225MPa，屈服强度150~210MPa，电导率≥56%IACS，90°折弯半径为厚度的1倍。目前主要从以下两方面进行控收稿日期：2021-03-01·40·6101试验合金成分（质量分数/%）CuMn0.03Mg0.50Cr0.02Zn0.05TiBAl0.050.010.005余量作者简介：阙石生（1985-），男，福建龙岩人，工学硕士，工程师，主要从事铝板材加工及新材料开发工作。Copyright©博看网 . All Rights Rerved.

阙石生，等：热处理工艺参数对6101铝板带力学性能与电导率的影响1.2试验过程与方法将冷轧板用UNITEMp快速升温炉进行固溶，水淬处理后，采用日本岛津100kN万能试验机进行预拉伸，然后在箱式炉内进行人工时效试验得到试验样品。经万能试验机测试力学性能；利用Sigma-2008A涡流电导率仪检测电导率；利用液压折弯机评估折弯性能；利用蔡司光学显微镜观察晶粒组织分布。本试验设计不同的热处理工艺参数（固溶温度、固溶时间、预拉伸量、时效温度、时效时间等），以获得良好的综合性能。具体如下：（1）采用530℃、555℃保温15s、45s、60s的固溶制度，探索该制度对晶粒及性能的影响。（2）采用0.5%、3%、5%三种预拉伸量以探索预拉伸对性能与电导率的影响。（3）采用单级时效160/180/200℃×（2~24）h和双级时效85/165℃×4+200℃×（2~12）h，探工艺技术索该时效处理制度对性能与电导率的影响。2试验结果和分析6101合金主要是通过固溶和时效处理来控制其晶粒、组织尺寸及分布状况，进而影响成品的性能和电导率。大量的研究表明，6×××系的时效处理析出顺序为：α过饱和固溶体→GP区→β”→β’→β。时效过程中析出的G区和β”起到较好的强化效果，同时弥散分布的第二相相对固溶原子而言对导电电子的散射作用更小，更易获得更大的电导率。2.1固溶温度及时间对晶粒及性能的影响图1为不同固溶工艺条件下的表面和纵向晶粒分布情况。可以看出：在相同保温时间下，随着固溶温度的提高，表面和纵向晶粒呈粗化趋势，折弯橘皮更为明显，见图2；当固溶温度相同时，随着保温时间的延长，表面和纵向晶粒变化很小。（a）530℃×15s，表面（b）530℃×60s，表面（c）555℃×15s，表面（d）555℃×60s，表面（e）530℃×15s，纵向（f）530℃×60s，纵向图1（g）555℃×15s，纵向表2编号固溶制度（h）555℃×60s，纵向不同固溶工艺下的晶粒对比（放大100倍）不同固溶制度下的性能和电导率预拉伸/%0.50.50.50.5时效制度180℃×5h180℃×5h180℃×5h180℃×5h抗拉强屈服强度/MPa度/MPa2延伸率/%12.911.168.912.56电导率/%IACS57.2575757图2晶粒尺寸对90°折弯影响对比1#530℃×15s2#530℃×60s3#555℃×15s4#555℃×60s（左、右样品的平均晶粒尺寸大小分别为86μm、65μm）表2显示的是固溶制度对成品性能和电导率的影响。从表中可以看出，在相同的预拉伸、时效制度下，不同的固溶温度和保温时间对成品的性能和电导率影响很小。这表明6101为低合金化，经温度530℃以上短时间保温即可完成充分固溶，为后续的时效析出奠定了良好基础，对成品的性能和电导率的影响很小。2.2预拉伸对性能和电导率的影响表3为不同预拉伸条件下的性能和电导率对比表。可以看出，在固溶及时效制度相同的前提下，随着预拉伸量的增加，抗拉强度、屈服强度、电导·41·Copyright©博看网 . All Rights Rerved.

《铝加工》2021年第3期总第260期2.4双级时效对性能和电导率的影响工艺技术率甚至延伸率均呈增加趋势。这表明适当增加预拉伸量将产生更多的滑移位错，后续的时效析出驱动力增强，从而获得更好的时效强度。与此同时，析出相的增加将使固溶原子贫化，晶格畸变程度减轻，电导率得以进一步提升[3]。表3编号固溶制度1#555℃×15s2#555℃×15s3#555℃×15s在固溶、预拉伸相同的前提下，选择两种工艺方案探索双级时效制度对成品性能和电导率的影响，结果见图4和图5。与85℃/4h+200℃/（2~12）h相比，165℃/4h+200℃/（2~12）h处理制度下的抗拉强度、屈服强度和电导率波动小，更稳不同预拉伸下的性能和电导率延伸率/%8.910.2211.91电导率/%IACS57.057.658.0预拉伸抗拉强屈服强时效制度/%度/MPa度/MPa0.535180℃×5h180℃×5h180℃×5h2201204.5定，且强度保持在较高水平；在不牺牲过多强度的条件下，电导率仍保持在56.4~58.1%IACS区间，便于工业化稳定生产。相比单级时效，双级时效后的各项性能更佳、更稳定，有利于实际生产控制。研究表明双级时效比单级时效的β″和β′相尺寸更大，晶界无析出带（PFZ）更宽，材料的电导率更高[8]。综合各项指标表明，165℃/4h+200℃/（5~12）h制度更能保证抗拉强度223~227MPa、屈服强度189~204MPa、电导率57~58.1%IACS。抗拉强度2.3单级时效对性能和电导率的影响在固溶、预拉伸相同的前提下，单级时效制度对成品性能和电导率的影响见图2和图3。时效分成欠时效→峰时效→过时效三个阶段进程。随着时效时间的延长，抗拉强度、屈服强度先增加后降低，电导率呈一直增加趋势；随着时效温度的提高，更快进入峰值时效，但峰值强度比低温时效时×（8~24）h或200℃×(5~24)h，以保证抗拉强度更小。综合客户要求，可选择单级时效工艺180℃达到186~223MPa，屈服强度159.5~204.5MPa，电导率56.20~57.41%IACS。强度／MPa屈服强度时效制度图4双级人工时效的性能趋势图抗拉强度强度／MPa屈服强度电导率／%IACS时效制度图5双级人工时效的电导率趋势图3时效制度结论（1）固溶温度及保温时间对成品的抗拉强图2单级时效的性能趋势图度、屈服强度及电导率影响较小，但晶粒呈长大趋势，折弯橘皮越发明显。电导率／%IACS（2）随着预拉伸的增加，产生更多的滑移位错，提供了更多的形核地点，有助于合金时效强化能力的提高，抗拉强度、屈服强度、电导率均呈上升趋势。（3）随着单级时效时间的延长，抗拉强度、屈服强度先增加后降低，电导率呈持续增加趋势；时效制度随着单级时效温度的提高，更快进入峰值时效，但峰值强度相比低温时效更低。图3·42·单级时效的电导率趋势图Copyright©博看网 . All Rights Rerved.

阙石生，等：热处理工艺参数对6101铝板带力学性能与电导率的影响（4）相比85℃/4h+200℃/（2~12）h，165℃/4h+200℃/（2~12）h处理制度下材料的抗拉强度、屈服强度、电导率波动小、更稳定，且强度保持在较高水平。双级时效相对单级时效各项性能更佳更稳定，有利于实际生产控制。（5）结合热处理各工艺参数对性能及电导率的影响规律，确定在固溶530℃×（15~60）s+预拉伸量0.5%+双级时效165℃/4h+200℃/（5~12）h制度下，材料可获得优良的综合性能。参考文献[1][2]胡大伟.工程建设中电线电缆导体材料的合理使用[J].现代建筑电气，2011，2（3）：47-50.胡皓，赵芳.热处理对6101B铝合金组织与性能的影响[J].有色金属加工，2019，48（3）：56-61.[8][7][5][6][4][3]工艺技术/信息报道王东辉，唐鸿洋.时效制度与预拉伸对6101B铝合金性能的影响[J].热处理技术与装备，2020，41（4）：30-32.徐芬，王晶莉.预应变与预时效对6101导电铝合金组织与性能的影响[J].有色金属科学与工程，2016，7（1）：34-40.黄奎，许泽兵.基于正交试验的6101铝合金热处理工艺研究[J].热加工工艺，2018，47（12）：132-136.叶於龙，杨昭.过量Mg、Si元素对6101电工导线性能影响及机制[J].稀有金属材料与工程，2016，45（4）：968-974.宋冰.浅谈影响6101B合金型材导电性能的因素[J].冶金丛刊，2016，222（2）：5-8.游玉萍.时效处理工艺对6101铝合金性能的影响[J].热加工工艺，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“再生铝大王”重庆顺博合金拟投资56亿元建安徽产业基地“再生铝大王”顺博合金近日发布公告称，公司与安徽省马鞍山市博望区政府于2021年5月12日签订项目投资合同，拟总投资约56亿元建设“马鞍山顺博合金产业基地项目”，建设绿色循环再生铝、扁锭、圆锭、铝灰资源综合利用项目生产基地。该项目分两期实施，一期拟于2023年建成投产，二期拟于2025年底建成投产。包头铝业电解槽无线测温诊断系统获实用新型专利针对铝电解槽在线检测比较困难、过程信息缺乏等问题，包头铝业技术研发团队研发了基于“LoRa低功耗局域网无线传输”技术的无线测温诊断系统，并成功通过国家知识产权局的审核，获得实用新型专利。新的无线测温诊断系统颠覆了传统槽温监测技术，弥补了传统监测方法的诸多不足。相比传统人工监测，该无线测温诊断系统具有以下优势：24h不间断监测电解槽温度，时间掌握槽温异常趋势并报警；实现了“低功耗”和“远距离”的共存，在相同功耗下的传输距离是传统无线射频通信距离的3～5倍；节省了大量光线网线和电缆，降低了检修难度，为生产工艺技术管理带来便利。·43·Copyright©博看网 . All Rights Rerved.