基于正交试验的高强高导AA8000系铝合金的优化设计 |
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AA8000系铝合金是以Al-Fe合金为基础, 加入第三元素Si形成的具有高强度、高导电性的新型铝合金[1].与传统的电工材料相比, AA8000系铝合金因其具有良好的电学性能、比强度及抗蠕变性能[2], 在电缆行业中有很好的应用潜力. 铝合金在强度与导电率之间存在矛盾, 强度的提升往往导致铝合金导电率的下降.作为在电工电缆行业有着重要应用的AA8000系铝合金, 希望其在具有高导电性的同时, 也具有较高强度.因此, 获得高强度高导电率的铝合金引起了人们广泛的研究兴趣[3]. 本文采用正交试验进行合金最优成分设计, 着重研究Fe、Si元素间的交互作用, 及AA8000系铝合金高强高导的机理. 1 试验材料与方法 1.1 Al-Fe合金熔炼在功率为8 kW的电阻炉中, 用不锈钢坩埚熔炼所需的AA8000系铝合金.将纯铝及坩埚放入电阻炉中, 缓慢升温至830 ℃, 使纯铝熔化; 将烘干的纯铁粉、纯硅粉, 加入坩埚中, 不断搅拌.熔化过程中加覆盖剂, 除去表面熔渣, 搅拌均匀后保温10 min, 用砂型模浇铸成Φ30 mm×80 mm的圆柱形铸锭.其化学成分质量分数如表 1所示. 表 1(Table 1) 表 1 铝合金化学成分 Tab. 1 Compositioins of aluminum alloy % 编号 Fe Si Cu Mg Al 1 0.4 0.1 ＜0.1 ＜0.1 余量 2 0.6 0.1 ＜0.1 ＜0.1 余量 3 0.8 0.1 ＜0.1 ＜0.1 余量 4 0.4 0.2 ＜0.1 ＜0.1 余量 5 0.6 0.2 ＜0.1 ＜0.1 余量 6 0.8 0.2 ＜0.1 ＜0.1 余量 7 0.4 0.3 ＜0.1 ＜0.1 余量 8 0.6 0.3 ＜0.1 ＜0.1 余量 9 0.8 0.3 ＜0.1 ＜0.1 余量 表 1 铝合金化学成分 Tab. 1 Compositioins of aluminum alloy 1.2 正交试验设计为了探究不同Fe、Si元素含量对AA8000系铝合金组织与性能的影响, 同时考虑Fe、Si两种元素之间可能存在联合搭配作用, 会对试验结果产生重要影响, 因此, 采用有交互作用的正交试验[4]. 试验考察了Fe元素质量分数(A), Si元素质量分数(B)以及Fe、Si元素间的交互作用(A×B), 共计两个因素, 一个交互作用.因此选用正交表L9(34)安排试验.因素水平表如表 2所示.正交试验方案及结果如表 3所示. 表 2(Table 2) 表 2 因素水平表 Tab. 2 Factor and level table % 水平 Fe Si 1 0.4 0.1 2 0.6 0.2 3 0.8 0.3 表 2 因素水平表 Tab. 2 Factor and level table 表 3(Table 3) 表 3 正交试验方案及结果 Tab. 3 Orthogonal experiments and results 类别 编号 A B C (A×B) D (A×B) 导电率/%IACS 硬度(HV) 正交试验 1 1 1 1 1 57.2 36.3 2 1 2 2 2 61.0 31.8 3 1 3 3 3 54.1 46.1 4 2 1 2 3 53.2 39.9 5 2 2 3 1 59.0 36.8 6 2 3 1 2 55.7 44.9 7 3 1 3 2 46.8 39.5 8 3 2 1 3 57.8 45.2 9 3 3 2 1 56.0 48.9 导电率 K1 172.3 157.2 170.7 172.2 K2 167.9 177.8 170.2 163.5 K3 160.6 165.8 159.9 165.1 R 11.7 20.6 10.8 8.7 Q 27 866.74 28 864.04 27 891.51 27 881.03 S 23.28 997.30 39.06 硬度 K1 114.8 115.7 126.5 122.0 K2 121.7 113.8 120.6 116.3 K3 133.6 139.9 122.4 131.2 R 19.4 26.1 5.9 14.9 Q 15 281.41 15 311.61 15 176.12 15 207.79 S 113.38 141.58 43.85 注:Ki为任意列上水平号为i时对应的试验结果; R为极差; Q为电阻率; S为总离差 表 3 正交试验方案及结果 Tab. 3 Orthogonal experiments and results 1.3 样品的性能及表征采用Zeiss偏光显微镜(OM)对样品进行金相观察.采用D8 ADVANCED型X射线衍射仪(XRD)分析样品物相结构, 管压40 kV, 管流40 mA, 铜靶(λ=0.15 406 nm), 扫描速度4(°)/min, 范围20°~90°.采用QUANTAN450型场发射扫描电子显微镜(SEM)对AA8000系铝合金微观组织形貌进行观察.采用TecnaiG220型透射电子显微镜(TEM)观察Al-Fe-Si三元中间相, 并对典型相进行选区电子能谱分析, 将熔炼后的试样预磨为0.1 mm薄片, 然后冲成Φ3 mm圆片, 双喷减薄, 电解液为30%HNO3+70%CH3OH. 2 试验结果与分析 2.1 正交试验采用极差分析法和离差分析法.首先, 计算每列相同位级考核指标数值之和Kij, 记录在正交表下方相应栏内.i为位级数, j为列数.其次, 计算每列相同位级考核指标之和的极差Rj.Rj可按下式计算: $ {R_j} = {K_{ij\max }}-{K_{ij\min }} $ (1)式中:Rj为第j列因素水平变动时试验指标的变动幅度.Rj越大, 说明该因素对试验指标的影响越大, 因此也越重要[5]. 由于本试验有交互作用存在, 占据正交表中两列.单纯采用极差分析, 无法分析交互作用列.因此, 还需进行离差分析. 总离差的平方和ST: $ \begin{array}{l} x = \frac{1}{n}\sum\limits_{k = 1}^n {{x_k}} \\ {S_{\rm{T}}} = \sum\limits_{k = 1}^n {{{\left( {{x_k}-x} \right)}^2} = } \sum\limits_{k = 1}^n {x_k^2}-\frac{1}{n}\sum\limits_{k = 1}^n {x_k^2} = \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;{Q_{\rm{T}}}-P \end{array} $ (2)式中:x为平均值; n为总个数. 则本试验中, SA=QA-P, SB=QB-P, SA×B=QC-P+QD-P.ST反映了试验结果的总差异, ST越大, 说明该因素对试验指标的影响越大. 2.1.1 导电率试验采用D60k数字金属电阻率测量仪测量试样电阻率.正交试验导电性影响结果如表 3所示.由极差分析及离差分析可见:SB＞SA×B＞SA, 即Si含量对AA8000系铝合金导电性影响＞Fe, Si交互作用对AA8000系铝合金导电性影响＞Fe. 影响铝合金导电率的因素有很多.根据金属电子理论, 金属材料中微观组织结构的不完整性使导电材料产生电阻.所有破坏金属材料晶格周期完整性的因素, 都可以使传播的电子产生散射, 从而减弱电子的导电作用, 产生电阻[6].因此, 金属材料中的各种晶体缺陷, 都可以作为电子的散射源, 如异类原子、位错、空位、晶界以及细小的第二相粒子[7].其中化学成分是最主要的影响因素, 即铝合金导体的导电率主要取决于材料的化学成分. 由正交试验可知, Fe、Si两种元素的交互作用对AA8000系铝合金导电性有重要的影响.由图 1可知, 随着铝合金中Fe、Si含量的增加, 铝合金的导电率不断下降.然而, 当Fe、Si质量比为2:3时, 铝合金的导电率出现峰值. 图 1 图 1 Fe、Si质量比对铝合金导电率的影响 Fig. 1 Conductivity of aluminum alloys with different Fe, Si contents王桂芹等[8]认为, Fe、Si含量的增加都不同程度地引起了铝合金电阻的增加, 并有如下回归方程: $ Q\left( {{\rm{Fe}}} \right) = \left[{0.081\;6w\left( {{\rm{Fe}}} \right) + 2.803\;8} \right] \times {10^{ -8}} $ (3) $ Q\left( {{\rm{Si}}} \right) = \left[{0.717\;2w\left( {{\rm{Si}}} \right) + 2.7675} \right] \times {10^{ -8}} $ (4)可见, 对铝合金的导电性而言, Si的影响较大, 而Fe的影响较小.同时, Fe、Si存在交互作用, 当Fe、Si质量比为2:3时, 导电率出现峰值. 为了确定最佳Fe、Si质量比, 考察A×B的搭配水平, 将所有搭配列出, 得到二元搭配表, 如表 4所示. 表 4(Table 4) 表 4 二元搭配表 Tab. 4 Binary match table 参数 A1 A2 A3 B1 57.2 53.2 46.8 B2 61.0 59.0 57.8 B3 54.1 55.7 56.0 表 4 二元搭配表 Tab. 4 Binary match table由表 4可知, 交互作用A×B的最优搭配为A1B2.即当Fe的质量分数为0.4%, Si的质量分数为0.2%时, 铝合金的导电率最优. 2.1.2 硬度试验结果分析采用维氏硬度计进行硬度的多点测量, 并求平均值.在一定程度上, 铝合金硬度的大小反映了其强度的高低.硬度越大, 其抗拉强度也越高.正交试验硬度结果分析见表 3.SB＞SA＞SA×B.即Si含量对AA8000系铝合金的硬度影响最大, 其次是Fe含量, Fe、Si之间存在很小的交互作用. 本试验中, AA8000系铝合金的硬度主要受制于合金元素的第二相强化作用, 而强化作用与第二相的形态、大小、数量以及分布有关[9].随着Fe、Si含量的增加, Al基体中第二相的数量不断增加, 使AA8000系铝合金的硬度增加. 2.2 微观组织分析图 2为不同Fe、Si含量的AA8000系铝合金的金相组织照片.从图 2中可以看出, 有针片状第二相分布在Al基体中.随着Fe、Si含量的变化, 针状第二相的形貌和大小并未发生明显的改变.为了确定图 2中针状第二相的成分, 对其进行XRD、SEM及EDS分析. 图 2 图 2 不同Fe、Si质量分数的AA8000系铝合金组织的金相照片 Fig. 2 Optical images of AA8000 aluminum alloys microstructure with different Fe and Si contents 2.3 XRD和EDS分析图 4为质量分数0.4%Fe、0.2%Si的铝合金的XRD图谱.从图 4中可以看到Al、Al3Fe和Al8Fe2Si的峰值. 图 3 图 3 0.4%Fe, 0.2%Si铝合金XRD图谱 Fig. 3 XRD pattern of 0.4%Fe, 0.2%Si aluminium alloys 图 4 图 4 0.4%Fe, 0.2%Si铝合金的组织SEM照片 Fig. 4 SEM image of aluminium alloys morphology图 5为铝合金样品的SEM照片.从图 5中可以清晰地看到针状第二相.为了确定针状相的成分, 在针状相不同的3点进行EDS分析, 结合表 5中的能谱数据, 点1、点2和点3中Fe、Al的质量比接近3:1.综合XRD分析, 可以确定针状相为Al3Fe.同时从图 5中, 还可观察到分布于基体中的点状第二相, EDS结果如表 5中点4所示.鉴于EDS的分辨率[10], 采用TEM进一步分析. 图 5 图 5 0.4%Fe, 0.2%Si铝合金的TEM图像 Fig. 5 TEM image of 0.4%Fe, 0.2%Si aluminium alloys 表 5(Table 5) 表 5 0.4%Fe, 0.2%Si铝合金针状第二相成分 Tab. 5 Second phase content of 0.4%Fe, 0.2%Si aluminium alloys % 元素 点1 点2 点3 点4 Si 0 0 0 0 Fe 24.56 23.77 27.01 1.23 Al 75.44 76.23 72.99 98.24 表 5 0.4%Fe, 0.2%Si铝合金针状第二相成分 Tab. 5 Second phase content of 0.4%Fe, 0.2%Si aluminium alloys 2.4 合金TEM分析图 5为质量分数为0.4%Fe、0.2%Si的合金试样组织的TEM照片, 可以观察到约0.5 μm的块状第二相.选取电子衍射光斑见图 5左下, 经计算分析, 这些块状第二相为Al8Fe2Si.结合组织的SEM照片, 可以确定图 4中均匀分布在Al基体中的点状第二相为三元化合物Al8Fe2Si.这些微小颗粒可以有效钉扎位错和亚晶界, 阻止小角度晶界向大角度晶界的转化, 降低发生动态再结晶晶粒的比例[11]; 同时有助于晶粒内部位错的积累, 增加位错滑移难度, 这在很大程度上提高了材料的力学性能.同时, Al8Fe2Si相成点状均匀分布在Al基体中, 不会引起大的晶格畸变, 也就消除了单质Si对铝合金导电性的不利影响[12].这很好地解释了Fe、Si交互作用形成的二元及三元化合物对铝合金导电性的影响较小的原因. 3 分析与讨论 3.1 显微组织对材料性能的影响由微观组织分析可知, AA8000系铝合金在平衡条件下, 只有小部分Fe和Si固溶于Al基体中, 它们的主要存在形式是二元和三元中间相[13].如片状Al8Fe2Si相、针状Al3Fe相、α-Al相及α-AlFeSi相.熔炼时, 随着冷却速度的提高, 固液界面处于局部亚平衡状态, 因此还可能有亚稳相金属间化合物Al6Fe和AlmFe出现.AA8000系铝合金中Si的加入能够改善Al3Fe相[14].由于Si聚集在Al3Fe相界面, 阻碍了Fe原子的进一步扩散, 同时限制了Al3Fe相的生长[15].同时, 随着Si含量的增加, 产生富Fe及富Si二元和三元中间相[16].从研究结果可以看出, 这些相的结晶形貌、分布及尺寸对合金的组织与性能有着明显的影响.由于AA8000系铝合金中存在金属间化合物, 可以使其具有硬度高、耐热、耐磨和抗腐蚀等优良的性能.同时, 这些片状或针状第二相严重割裂基体, 成为应力集中源, 大大降低铝合金的塑性变形能力[17]. 3.2 Fe、Si含量对合金导电率影响的机理分析由金属导电理论可知, 铝合金的导电性能与添加微量合金元素及其存在形式有关[18]; 微量合金元素在铝合金中.以固溶态存在时, 对导体电阻的增大作用远大于析出态.Fe元素主要以初生相Al3Fe的形式存在, 与以固溶形式存在的Cu元素相比, 对导电率的影响较弱, 虽然Si与Al的晶格常数存在很大差异, 引起大的晶格畸变, 会降低合金的导电率[19], 但是Fe与Si产生交互作用, 形成Al8Fe2Si等三元中间相, 降低了单质Si对铝合金导电性的不利影响.这也很好地解释了正交试验得到的试验结果.即当Fe、Si质量比为2:3时, 铝合金会有较高的导电率. 4 结论(1)Fe、Si元素在Al基体中形成针状及片状第二相,随着Fe、Si元素含量的增加,第二相的数量增加,但大小、形态基本保持不变.随着Fe、Si元素含量的增加,第二相强化作用增强,铝合金的硬度提高. (2)由正交试验分析可知,Si对铝合金导电性有重要影响,Fe、Si具有交互作用,Fe与Si可以形成Al8Fe2Si等三元中间相,减少了Si对铝合金导电性的不利影响.当Fe、Si质量比为2∶3时,铝合金出现较高导电率. |
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