杜 江 刘东雨 侯世香
(华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206)
由于铜导电性好，强度和高温抗蠕变性能优异，被广泛的应用于电线电缆[1]。但是，铜在全球资源匮乏，价格高且波动大，引起了人们对铝合金导线的关注。架空输电线路所用的铝合金通常为6xxx 系铝合金，该系铝合金是一种典型的可热处理强化铝合金[2]。对于导电铝合金，要同时考虑合金的抗拉强度和导电率，使相互之间达到良好的匹配。6xxx 系铝合金导线可通过时效和退火来控制合金的晶粒的形状及第二相的形态、大小、分布和数量，从而改变材料的抗拉强度和导电率。因此，本文研究了再结晶退火对时效处理的铝合金导线性能的影响。
1 实验材料和方法
本文设计了一种Al-Mg-Si 导线，成分如表1 所示。实验采用原料为纯度为Al99.6 的工业纯铝，Al-20Si 中间合金和纯Mg。
表1 合金的化学成分(质量分数，%)
使用电阻炉进行熔炼，温度设置为750℃。熔炼时，先将部分Al99.6 工业纯铝放入石墨坩埚中，待大约25min 进行表面除渣，再将剩余Al99.6，Al-20Si 和纯Mg 加入石墨坩埚中，熔炼过程中进行三次搅拌，经表面除渣，浇铸成铸锭。铸锭经470℃保温40min 后热轧成圆杆，经11 道次冷拉拔后获得Φ4.08mm 的铝合金导线。时效处理后进行270℃，300℃，330℃保温3h 的退火处理。
采用SB2230 直流数字电阻测试仪测量铝导线的电阻值，电阻为4 次测量的平均值。测试之前将导线和电阻测试仪放置在一个温度稳定的环境中静2h，然后将导线夹持在DQ-I 型电桥上，15min 后开始测量，之后每隔5min 测量一次，共测4 次。每次测量时使用精度为0.1℃的温度计测量当时的环境温度。测量完毕后用公式(1)算成20℃下的电阻值。
式(1)中R20为20℃下的电阻值，R 为测试温度T(℃)下的电阻值，α 为电阻温度系数，取值0.00403。
使用千分尺测量导线的直径(d)，每处交叉90°测量四处取其平均值。用公式(2) 换算成国际退火铜标准(International Annealing Copper Standard, %IACS)为单位的导电率。
采用DDL20 电子万能试验机测量导线的抗拉强度，每根试样截取250mm 长，标距200mm，拉伸速率2mm/min。抗拉强度为三根试样的平均值。
2 实验结果及分析
2.1 退火温度对合金微观组织的影响
文献表明，硬铝的起始再结晶温度为185℃，但它与合金中的杂质元素有关[3]，一些合金元素对硬铝再结晶温度的影响如表2 所示。Al-Mg-Si 合金经270℃，300℃，330℃退火处理后光学显微组织图如图1 所示。从图1 中看出合金在270℃已完成再结晶，形成新的等轴晶粒，此时晶粒大小约有15μm，随着升温到330℃，此时的晶粒大小也约有15μm，其再结晶过程对晶粒大小并无产生影响。由于再结晶过程会消除冷拉拔过程中产生的点缺陷和晶格畸变，使合金恢复到冷变形之前的状态，因此，考虑再结晶退火对时效处理的Al-Mg-Si 合金拉拔导线性能的影响主要是第二相导致的。在光学显微组织中看到了第二相析出，分布在各个晶粒中。
图1 不同退火温度下的光学显微组织
表2 铝中添加合金元素与起始再结晶温度的关系[4]
合金经270℃，300℃，330℃退火温度处理后扫描电子显微镜组织如图2 所示。扫描电子显微镜的背散射电子是被样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子，原子序数大的部位会产生强烈的背散射信号，形成一个较亮的区域，而原子序数较低的部位则产生较少的背散射信号，形成较暗的区域[5]。在Al-Mg-Si 合金中，Fe 的原子序数远大于Al，Mg，Si 的原子序数，因此，结合背散射电子图判断发亮的区域为富铁相，推测可能为Al12Fe3Si 相。从图中可以看到在Al 基体上有呈圆状或者椭圆状的第二相，并且在背散射电子图中发暗，初步推测为亚稳态的Mg2Si 相。有文献指出，当Mg2Si 体积一定时，表面积越小，表面能越低，只有维持球状才能具有最小的表面能，因此，片状的Mg2Si 会向球状的Mg2Si 转化，这是一个自发的过程，使系统的自由能下降，球化的过程取决于Mg，Si 的扩散能力。虽然Si 原子在Al 中的固溶度极低，在室温下仅有0.05%，但是合金中存在的晶体缺陷能加速Si 的扩散，最终Mg2Si 会形成细小，弥散的球状颗粒状[6]。也有文献指出，对于时效处理的Al-Mg-Si 合金，会由于不同的热处理措施和化学成分，会有多重析出第二相，一种球形的预-β″相，成分为AlMg4Si6，一种在预-β″相上形核，长大的棒状β″相，成分为Mg5Si6，一种为针状的β′相，成分为Mg2Si[7]。因此，综合判断Al 基体上的第二相为亚稳态Mg2Si 相，这属于强化相，有利于抗拉强度的提高。在图中还可以看出随着退火温度的升高，亚稳态Mg2Si 相数量有所减少，可能因为退火温度的升高导致亚稳态Mg2Si 相在Al 中的固溶度增加，使部分Mg2Si 相回溶了。
图2 不同退火温度下的SEM 显微组织
2.2 退火温度对性能的影响
合金经不同退火温度处理后测得的导电率和抗拉强度如表3 所示，变化规律如图3 所示。看出合金的导电率随着退火温度的升高有先升高而后下降的变化趋势，抗拉强度有小幅度升高的变化趋势。自由电子理论认为，在金属内部，由于缺陷和杂质产生的静态点阵畸变或者热振动产生的动态点阵畸变均会造成电子波的散射，增加电阻率[8]。因此，所有能阻碍电子运动和增加电子波散射的因素都能增加电阻率，也就是说降低导电率。
表3 不同退火温度下合金的导电率和抗拉强度
图3 退火温度对导电率和强度的影响
根据Matthiessen 定律，硬铝线的电阻率主要由杂质元素引起的电阻率和缺陷引起的电阻率组成。但由于退火过程中再结晶的发生，使合金中的缺陷得到消除。因此，主要考虑杂质元素对导电率的影响。有文献指出，合金元素会对金属基体组织的均匀性和纯净度造成影响，因此，合金元素均不利于导电性，并且固溶态元素的影响远大于析出态元素[9]。表4 显示了杂质元素的存在状态对铝导体电阻率的影响。从扫描电子显微镜分析中可知，有含Fe 的第二相和亚稳态的Mg2Si 相析出了，所以，合金中的部分Si 元素从固溶态变成了析出态，使导电率有先升高的变化，变化了0.6%IACS。
表4 杂质元素的存在状态对铝导体电阻率的影响[10]
然而，当退火温度达到330℃后，导电率却下降了，则可能是因为亚稳态的Mg2Si 相在Al 基体中的固溶度增加了，导致了第二相的回溶，变成了固溶态，使导电率下降，下降了0.7%IACS. 文献指出，Mg2Si 在Al 基体中的固溶度不大，最大为1.85%，随温度的变化如图4 所示。看出随着退火温度从270℃升高到330℃，Mg2Si 的固溶度增加了。本文所用合金的Mg2Si 相含量的理论计算值为0.40%，在图4 中可以看出330℃下Mg2Si相的固溶度大于0.5%，因此，合金中的有部分Mg2Si 回溶了，这也可以从扫描电子显微镜中看出来Mg2Si 相数量减少了，验证了第二相部分回溶，使导电率下降了。因此，选择合理的退火工艺可使导电率改善。
图4 Al-Mg2Si 伪二元系状态图[11]
对抗拉强度的影响是合金内部多个相互作用影响的共同结果，本文主要是Mg2Si 相固溶度变化的影响。随着退火温度升高，Mg2Si 相的固溶度增加了，使析出的部分Mg2Si 相回溶了，抗拉强度得以升高了，从96.0MPa 提高到了100.3MPa。
经退火处理后，合金的导电率和强度都有了一定的改善，但需要考虑它们的良好配合，因此需要选择最合理的工艺对合金进行处理，使其能广泛应用。
3 结论
合金经不同退火温度处理后，导电率有了一定的改善，导电率会因杂质元素的存在形态发生变化，固溶态的影响远大于析出态。因Fe 相和亚稳态Mg2Si 相析出使导电率升高，升高了0.6%IACS 因亚稳态Mg2Si 相的回溶使导电率下降，下降了0.7%IACS，因亚稳态Mg2Si 相的回溶使抗拉强度提高，从96.0 MPa 提高到100.3MPa。
