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通过测量晶格畸变研究Si和Cu对Al-Si合金电导率的影响

来源期刊:中南大学学报(自然科学版)2015年第11期

论文作者:杨昭 李斌 杨续跃 李绍康 许德英

文章页码:4028 - 4034

关键词:晶格畸变;电导率;Al-Si合金

Key words:lattice distortion; conductivity; Al-Si alloys

摘    要:通过电导率测量、金相观察、扫描电镜分析(SEM)和X线衍射分析(XRD),研究Si和Cu对Al-Si系合金晶格常数和电性能的影响规律。研究结果表明:随着Si和Cu质量分数的增大,Al基体晶格畸变程度增大,Al-Si合金电导率下降;Cu对Al-Si合金电导率的影响比Si对合金电导率的影响显著;经过450 ℃×5 h+250 ℃×2 h热处理工艺,Al基体晶格畸变程度明显降低,Al-Si合金电导率明显提高,增幅最高可达32.36%;Si和Cu对Al-Si合金电导率的影响机制不同,Si质量分数的变化对Al基体晶格畸变程度影响较小,Si对Al-Si合金电导率的影响可依据复合材料电阻率计算公式推导,而Cu的影响可根据Al晶格常数偏离量来推导。

Abstract: The effects of Cu and Si on the lattice constant and electrical properties of Al-Si alloys were investigated by conductivity measurement, optical microscope, scanning electron microscope(SEM) and X-ray diffraction(XRD). The results show that as the mass fractions of Si and Cu increase, the conductivities of Al-Si alloys decrease, and the lattice disorder levels of the matrix increase. The effect of Cu on the conductivity of Al-Si alloys is much more significant than that of Si. After being heat treated (450 ℃×5 h+250 ℃×2 h), the lattice distortion levels of the Al matrix decrease significantly, the conductivities of Al-Si alloys improve obviously, and the increase of the conductivity is up to 32.36%. The influence mechanisms of Si and Cu on the conductivities of Al-Si alloys are different. The mass fraction of Si has little effect on Al lattice constant, and the effect of Si on conductivity of Al-Si alloys can be derived from the composite material resistivity calculation formula. And the effect of Cu can be deduced according to the deviation of Al lattice constant.



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DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.11.008

通过测量晶格畸变研究Si和Cu对Al-Si合金电导率的影响

李斌1,杨昭1, 2,杨续跃1,李绍康2,许德英2

(1. 中南大学 材料科学与工程学院,湖南 长沙,410076;

2. 广州钢铁集团,广东 广州,510381)

摘要:通过电导率测量、金相观察、扫描电镜分析(SEM)和X线衍射分析(XRD),研究Si和Cu对Al-Si系合金晶格常数和电性能的影响规律。研究结果表明:随着Si和Cu质量分数的增大,Al基体晶格畸变程度增大,Al-Si合金电导率下降;Cu对Al-Si合金电导率的影响比Si对合金电导率的影响显著;经过450 ℃×5 h+250 ℃×2 h热处理工艺,Al基体晶格畸变程度明显降低,Al-Si合金电导率明显提高,增幅最高可达32.36%;Si和Cu对Al-Si合金电导率的影响机制不同,Si质量分数的变化对Al基体晶格畸变程度影响较小,Si对Al-Si合金电导率的影响可依据复合材料电阻率计算公式推导,而Cu的影响可根据Al晶格常数偏离量来推导。

关键词:晶格畸变;电导率;Al-Si合金

中图分类号:TG146.2             文献标志码:A         文章编号:1672-7207(2015)11-4028-06

Effects of Cu and Si on conductivity of Al-Si alloys through lattice distortion measurement

LI Bin1, YANG Zhao1, 2, YANG Xuyue1, LI Shaokang2, XU Deying2

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Guangzhou Iron and Steel Group, Guangzhou 510381, China)

Abstract: The effects of Cu and Si on the lattice constant and electrical properties of Al-Si alloys were investigated by conductivity measurement, optical microscope, scanning electron microscope(SEM) and X-ray diffraction(XRD). The results show that as the mass fractions of Si and Cu increase, the conductivities of Al-Si alloys decrease, and the lattice disorder levels of the matrix increase. The effect of Cu on the conductivity of Al-Si alloys is much more significant than that of Si. After being heat treated (450 ℃×5 h+250 ℃×2 h), the lattice distortion levels of the Al matrix decrease significantly, the conductivities of Al-Si alloys improve obviously, and the increase of the conductivity is up to 32.36%. The influence mechanisms of Si and Cu on the conductivities of Al-Si alloys are different. The mass fraction of Si has little effect on Al lattice constant, and the effect of Si on conductivity of Al-Si alloys can be derived from the composite material resistivity calculation formula. And the effect of Cu can be deduced according to the deviation of Al lattice constant.

Key words: lattice distortion; conductivity; Al-Si alloys

铸造铝合金具有优良的铸造和焊接性能,是交通运输、建筑、电力通讯、航空航天等领域的重要材料[1-4]。在超高压输变电设备中,铸造铝合金用途非常广泛,德国西门子公司制造的高压电器开关中的部分零件采用AlSi10Mg合金压铸而成[5],与此同时,我国电网一直采用AlSi7Mg合金作为高压线路中的线夹[6-7]。国内电信设备提供商华为公司采用AlSi10Cu2作为其设备的导电元件,中兴通讯的部分关键零部件也是采用AlSi10Cu2作为导电元件。但目前该类合金的电学性能尚不能满足要求,因此,提高铸造铝合金电性能的同时不降低其力学性能,是该领域学者研究的共同目标[8]。杨涤心等[9]研究表明合金元素对铝合金的性能影响较大,是影响其导电性能的主要因素之一,合金元素对铝合金导电性能的影响取决于元素的加入量和存在形式。许多学者对Si和Cu元素的影响进行了初步探究;Mahmoud等[10-11]认为Si可以提高铝合金的铸造流动性;王芝秀等[12]认为Cu对Al-Si合金的强化作用已经毋庸置疑,可以大幅度提高合金的力学性能,但是人们对Cu和Si对Al-Si铸造合金电性能的影响,尤其是元素的加入对晶格畸变的影响规律及其最终导致电性能变化的规律的研究较少。为了使铸造Al-Si合金在电力领域得到更好的应用,本文以Al-Si共晶合金为研究对象,针对Cu和Si的加入对其产生的组织变化及导电性的变化规律进行研究;同时,探究热处理工艺对铝硅合金显微组织、电导率的影响,探明合金的导电机制,以提高合金的导电性能及综合性能。

1  实验方法

1.1  材料制备

Al-Si合金的制备过程如下:将工业纯铝、单质Si和Al-50Cu中间合金按照表1所示的成分配料,置于坩埚电阻炉中进行熔炼,过热温度为800 ℃;待合金完全熔化后,在720 ℃下保温20 min,通入氮气进行保护,除渣;浇入预热温度为200 ℃的模具中,铸成标准试样;再将铸态试样置于箱式电阻炉中进行固溶与峰时效处理(T6态,即在(450±5) ℃下保温5 h,水淬;在(250±5) ℃下保温2 h,空冷)。

1.2  组织与性能测试

通过惠斯通双桥法,对不同状态下不同成分的Al-Si合金进行电导率测试;取铸态和热处理态的试样,用OLYMPOUS-PMG3型金相显微镜对其组织进行观察;用Quanta MK2-200环境扫描电镜进行显微组织观察和能谱分析;在日本理学D/max-2500/PC型X线衍射仪上对合金进行物相分析,其额定功率为3 kW,Cu靶,管压为35 kV,2θ测试范围为10°~80°;用jade5.0软件分析晶格常数。

2  实验结果及分析

2.1  Si和Cu质量分数对Al-Si合金性能的影响

表1所示为Si质量分数从7.0%到12.8%,Cu质量分数从0到3%的Al-Si合金试样铸态和T6热处理态的电性能。由表1可以看出:Cu和Si对Al-Si合金的电导率的影响较明显;当不含Cu时,随着Si质量分数的增大,铸态和热处理态合金的电导率呈下降趋势,Si质量分数最低的样品(9号)呈现最高的电导率,热处理前为19.83 mS/m,热处理后为22.98 mS/m;当Si质量分数为9.8%时,随着Cu质量分数的增大,铸态和热处理态合金的电导率呈下降趋势,Cu质量分数最高的样品(5号)电导率最低,热处理前为17.90 mS/m,热处理后为21.66 mS/m;同时,热处理可以提高合金的电导率,1号样品经热处理后的电导率比铸态样品电导率提高了32.36%。

表1  合金试样的成分及不同状态下的电导率

Table 1  Compositions and conductivities of alloy samples at different conditions

2.2  Si质量分数对电性能的影响

图1所示为不同Si质量分数的Al-Si合金铸态金相组织的金相图。从图1(a)可以看出:当Si质量分数为9.8%时,在铸态合金的组织中,初生α(Al)枝晶比较明显,呈树枝状,取向无规律;共晶组织呈针片状或者长条状,质量分数较低;当Si质量分数为11.8%时,Al-Si合金共晶组织增多,有少量的初晶硅产生;当Si质量分数为12.8%时,Al-Si合金中Si质量分数超过了共晶点,初晶硅增多,共晶组织呈粗大针片状分布,破坏了Al基体的连贯性。与图1(a)相比,Al基体的连续性被撕裂得更加明显。

图1  Si质量分数不同的合金铸态金相组织图

Fig. 1  Images of optical microstructures of tested alloys with additions of various Si mass fractions in as-cast

图2所示为合金电性能和晶格常数随Si质量分数变化的关系。从图2可见:随着Si质量分数的增大,电导率递减趋势接近线性变化;然而,Al基体的晶格常数整体波动较小,波动幅度为0.404 80~0.404 89 nm,小于X线衍射法测量误差范围±0.000 10 nm。因此,可以认为当Si质量分数为7.0%~12.8%时,Si对Al基体晶格畸变影响不显著。

晶格畸变是由于溶质和溶剂原子之间存在原子半径差异,使周围的溶剂原子排列的规则性在一定范围内受到干扰,产生畸变[13]。在Al-Si合金中,Si和Al形成置换固溶体,但是Si在铝中的固溶度很小,共晶温度下质量分数为1.65%,室温时质量分数仅为0.05%,本文实验的样品Si质量分数较高(大于7%),极少量的Si固溶在Al基体中,绝大部分的Si以游离态的形式存在,而引起晶格畸变的主要原因是溶质原子的固溶,因此,当Si质量分数为7.0%~12.8%时,Al基体的晶格畸变程度很小,且变化不明显。

Al-Si合金为两相系统,其中包含Al基体和嵌入其中的共晶硅,通常可被认为是原位复合材料,可用相的特性和其体积分数来计算其电阻率。Al基体的电阻率为2.7~4.0 μΩ·cm,Si的电阻率为80~85 mΩ·cm,故合金的电导率一般取决于Si在合金中的质量分数[14]。一般复合材料电导率的上限和下限[14]介于平行排列方式电流流动和垂直流动之间,其中,平行排列方式电阻率表达式为

          (1)

垂直排列方式电阻率表达式为

        (2)

式中:为复合电导率的上限;为复合电导率的下限;为基体的电导率;为合金中单质Si的电导率;Vf为复合物体积分数。在Al-Si合金中, =远小于,因此,由式(1)和式(2)可得:

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