【摘要】：鋁及鋁合金具有密度小、比強度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于電線電纜、電器開關(guān)等領(lǐng)域。但是,鋁合金導(dǎo)體材料良好的導(dǎo)電性和優(yōu)異的力學(xué)性能往往不能兼顧,限制了其應(yīng)用范圍。本文以微合金化鋁合金以及亞共晶Al-Si系鋁合金為主要研究對象,通過熔體復(fù)合硼化處理、擠壓變形、熱處理等,降低過渡族金屬元素及Ca的固溶量、改善第二相形貌及分布,同時提高其導(dǎo)電率與力學(xué)性能,以期實現(xiàn)鋁合金導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)、功能一體化。全文的主要研究工作如下：1)微合金化鋁合金熔體的硼化與細化復(fù)合處理工藝研究對于微合金化鋁合金,熔體的硼化與細化復(fù)合處理工藝可以在提高合金導(dǎo)電率的同時保證其良好的力學(xué)性能。試驗結(jié)果表明,先硼化處理后晶粒細化更有利于導(dǎo)電率和力學(xué)性能的同步提高。硼化處理過程中,Al-B中間合金添加形式、添加量、微量元素Ti等與硼化處理效率緊密相關(guān),研究發(fā)現(xiàn)微量Ti可促進鋁熔體中的過渡族金屬元素以多元硼化物的形式析出,從而顯著提高硼化處理效率,并以此建立了硼化反應(yīng)機制的理論模型。對于AA1070A1,添加2%Al-3B中間合金進行常規(guī)硼化處理的效率為77.7%,合金導(dǎo)電率由60.8%IACS提高至64.6%IACS,提高了6.3%；添加微量Ti輔助硼化處理后,硼化處理效率提高至93.3%,合金導(dǎo)電率達到65.3%IACS;類似地,對于其它微合金化鋁合金,如Al-0.5Fe-0.2Si,添加4%Al-3B中間合金,保溫15min時,其導(dǎo)電率由53.0%IACS提高至58.3%IACS,提高了10.0%。硼化處理后結(jié)合晶粒細化可實現(xiàn)導(dǎo)電率與力學(xué)性能的良好匹配。結(jié)合以上試驗結(jié)果,先添加1200ppm的B后添加0.5%Al-5Ti-0.8B-0.2C復(fù)合處理后熱擠壓獲得Φ14±0.5mm的AA1070A1鋁桿,其導(dǎo)電率提高到65.0%IACS,室溫極限拉伸強度和延伸率分別由67MPa和53%提高至85MPa和58%,導(dǎo)電率和力學(xué)性能均明顯優(yōu)于GB/T3954-2014電工圓鋁桿中相應(yīng)的國家標準值。利用硼化與細化復(fù)合處理工藝同樣可以提高Al-0.5Mg-0.35Si、Al-0.5Fe-0.2Si及Al-0.8Fe-0.2Cu三種微合金化鋁合金的導(dǎo)電率與力學(xué)性能。2)鋁熔體中Cr、Ca金屬硼化物形貌演變規(guī)律及其對合金導(dǎo)電率的影響利用鋁熔體原位合成法制備了Al-Cr(Ca)-B合金,研究了CrB2及CaB6兩種硼化物的反應(yīng)合成、形貌演變規(guī)律及其對合金導(dǎo)電率的影響。熔體制備溫度影響Al-Cr-B合金中的物相組成、過渡族金屬硼化物反應(yīng)路徑以及晶體形貌。熔體溫度在650℃時加入Cr劑后緩慢升溫至850℃,優(yōu)先生成中間相AlCr2B2后逐漸轉(zhuǎn)變成六棱柱形貌的CrB2;熔體溫度直接升至850℃時加入Cr劑,溶解態(tài)的B與Cr反應(yīng)生成六角板片狀的CrB2；熔體溫度高于1000℃時,六角板片狀的CrB2顆粒生成量大大減少而伴隨大量AlB12顆粒生成。通過研究近鄰元素Mn對CrB2晶體生長及形貌演變的影響,發(fā)現(xiàn)Mn易取代部分Cr引起CrB2發(fā)生成分演變、結(jié)構(gòu)演變,分別形成摻雜型的(Cr1-xMnx)B2和(Cr1-xMnx)3B4顆粒。對于Al-CaB6合金,在反應(yīng)合成過程中CaB6不同生長階段的形貌特征易被保留下來,大部分呈規(guī)則的立方體形貌,遵循擇優(yōu)循環(huán)生長機制。鋁合金中添加CrB2、CaB6顆粒可以提高其力學(xué)性能,但對合金導(dǎo)電率的影響較為復(fù)雜。對于純鋁導(dǎo)體,CrB2顆粒會降低其導(dǎo)電率；但對于Al-Si合金,添加一定量的CrB2可提高其導(dǎo)電率。CaB6顆粒在一定程度上提高AA1070A1的導(dǎo)電率。因此,CrB2是一種適用于Al-Si系導(dǎo)電鋁合金的顆粒增強相,CaB6是一種適用于微合金化導(dǎo)電鋁合金的顆粒增強相。3)亞共晶Al-Si合金中Si相形貌演變及其與導(dǎo)電率和力學(xué)性能的相關(guān)性研究亞共晶Al-Si合金中共晶Si相形貌及分布與其導(dǎo)電率密切相關(guān)。鑄態(tài)的Al-4Si合金中共晶Si呈板片狀,導(dǎo)電率僅為41.8%IACS,通過熔體硼化與變質(zhì)復(fù)合處理、均勻化熱處理、熱擠壓變形,合金中的過渡族金屬元素固溶量減小,且共晶Si的形貌與分布發(fā)生如下演變：針片狀(沿晶界分布)→珊瑚狀(沿晶界分布)→顆粒狀(沿晶界分布)→顆粒狀(彌散分布),相應(yīng)合金的導(dǎo)電率由41.8%IACS分別提高至46.6%IACS、53.9%IACS、60.0%IACS、共晶Si形貌演變過程中,當共晶Si顆粒細小彌散分布且具有高密度孿晶時,其對電子流散射作用逐漸減小,電子傳輸通道增多,相應(yīng)合金導(dǎo)電率最佳。為進一步提高其力學(xué)性能,通過添加適量的Mg、Fe、Cu并結(jié)合上述熔體處理及加工工藝制備了一種Al-4Si-0.8Mg-0.2Fe-0.1Cu合金并擠壓成Φ10.5mm合金桿,熱處理后使合金中共晶Si、Mg2Si以及AlFeSi等第二相細小、彌散地分布在鋁基體上,且共晶Si顆粒中具有高密度孿晶,合金表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電率、熱導(dǎo)率和優(yōu)異的力學(xué)性能。該合金導(dǎo)電率為59.1%IACS,室溫?zé)釋?dǎo)率為198.949W·m-1K-1,150℃時的熱導(dǎo)率為196.017 W·m-1·K-1,26～100℃的平均線性熱膨脹系數(shù)為16.8×10-6K-1,100-300℃的平均線性熱膨脹系數(shù)為23.4×10-6K-1,布氏硬度值為121HBW,室溫極限拉伸強度為345MPa,延伸率為13%。本合金的導(dǎo)電率和熱導(dǎo)率與工業(yè)純鋁的相近,而力學(xué)性能明顯優(yōu)于工業(yè)純鋁,是一種高強的鋁合金導(dǎo)電材料。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG146.21

【參考文獻】

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本文編號：2406674