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      RE 和Ti 對Al-Mg-Si 導(dǎo)體材料組織和性能的影響

      2015-03-25 07:12:50趙紅亮孔亞萍劉志鵬
      關(guān)鍵詞:塊狀導(dǎo)電性伸長率

      趙紅亮,孔亞萍,劉志鵬

      (鄭州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 鄭州450001)

      0 引言

      Al-Mg-Si 合金由于其良好的導(dǎo)電性、熱塑性、耐腐蝕性及良好的加工性能,且易氧化著色,被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)電導(dǎo)熱材料[1-2]. 但Al-Mg-Si 導(dǎo)體材料,存在晶粒粗大、雜質(zhì)含量高的問題,其機械性能和導(dǎo)電性能仍有待提高. 研究表明,適量的Ti加入到鋁合金中,形成金屬間化合物TiAl3和TiB2,增加有效核心的數(shù)量,細化晶粒,提高合金強度和塑性[3].在Al-Mg-Si 合金中添加適量的稀土元素能夠凈化熔體[4],細化晶粒,從而改善合金機械、物理及工藝性能[5]. 并且,稀土可以與合金中的鐵、過剩硅等反應(yīng)生成化合物,使雜質(zhì)元素由固溶態(tài)變?yōu)槲龀鰬B(tài),提高合金導(dǎo)電性[6]. 筆者在Al-Mg-Si 導(dǎo)體材料中添加稀土和鈦,研究其對Al-Mg-Si 合金組織和性能的影響.

      1 實驗材料與方法

      Φ60 mm×110 mm 的柱狀模具中(鑄鐵型,預(yù)熱溫度為200 ℃). 試樣經(jīng)人工研磨、拋光后用5%HF 腐蝕10 s,在OLYMPUS 金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡上觀察合金組織. 對鑄錠570 ℃均勻化處理8 h 后,460 ℃擠壓至Φ10 mm,然后對合金棒進行500 ℃固溶處理30 min,水淬冷卻,之后進行180 ℃時效處理8 h. 采用SHIMADZU 電子萬能拉伸機測試合金桿抗拉強度和伸長率,用FD101 渦流電導(dǎo)儀測試合金導(dǎo)電性能. 實驗合金中RE 和Ti 添加量見表1.

      基體合金為導(dǎo)體中最常用的Al-0.8Mg-0.6Si(w(Fe)<0.3%,w(B)<0.06%). 將Al-0.8Mg-0. 6Si 放入坩堝電阻爐中,720 ℃保溫至Al-0.8Mg-0.6Si 完全熔化,升溫至750 ℃,加入預(yù)熱好的Al-10RE 中間合金(RE 為混合稀土,其中80%的Ce,20%其它.)或/和Al-Ti 中間合金,保溫50 min,期間每隔15 min 攪拌一次. 用高純氬氣進行除氣處理. 降溫至720 ℃,將合金液澆入

      表1 實驗合金中RE 和Ti 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 The content of RE and Ti in the experiment alloy %

      2 結(jié)果與分析

      2.1 RE 和Ti 對Al-Mg-Si 合金組織的影響

      圖1 為RE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時,不同Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)(x)對合金顯微組織的影響.由圖1 可知,Ti 可以使Al-Mg-Si 晶粒細化,隨著合金中Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,晶粒細化程度先增加后降低.當(dāng)合金中Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時,晶粒尺寸最小,由原始尺寸180 μm 變?yōu)?00 μm.繼續(xù)增加合金中Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù),晶粒尺寸反而有所增大,并且出現(xiàn)了粗大的塊狀第二相. 與含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%Ti 的合金相比,含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%Ti 的合金中塊狀第二相數(shù)量較多,且形狀更加不規(guī)則.

      圖1 Al-0.8Mg-0.6Si-0.3RE-xTi 合金顯微組織Fig.1 Microstructures of Al-0.8Mg-0.6Si-0.3RE-xTi

      圖2 為合金中Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的RE 對合金顯微組織的影響. 可以看出,RE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對晶粒尺寸有細化作用,細化效果隨著稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先增加后降低. 當(dāng)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時,晶粒最小,由原始尺寸160 μm 變?yōu)?00 μm;繼續(xù)增加稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù),晶粒尺寸反而變大,并且出現(xiàn)了塊狀第二相.

      圖2 Al-0.8Mg-0.6Si-0.15Ti-xRE 合金顯微組織Fig.2 Microstructures of Al-0.8Mg-0.6Si-0.15Ti-xRE

      圖3 為不規(guī)則塊狀相的掃描照片.可以發(fā)現(xiàn),圖3(a)中的塊狀相表面為灰色,圖3(b)中的塊狀相表面除了灰色區(qū)域還有白色區(qū)域,且塊狀相表面不平整,存在溝槽,白色區(qū)域形狀不規(guī)則.分別對圖3(a)中灰色塊狀相(點A)和圖3(b)中塊狀相的灰色區(qū)域(點B)與白色區(qū)域(點C)做能譜分析,如表2 所示. 可看出A,B,C 3 點成分相近,不規(guī)則塊狀相由Al,Ti,Ce 3 種元素組成,Al,Ti,Ce 的摩爾比接近20∶2∶1,由于合金中Ti 元素和Ce 元素太少,XRD 分析中未能檢測出鋁鈦鈰相. 但結(jié)合文獻[7],可推斷出該相是Al20Ti2Ce 相.

      在Al-Mg-Si 合金熔體中,Ce 和Ti 反應(yīng)生成Al20Ti2Ce 相,該相呈塊狀,尺寸較大,形狀不規(guī)則,割裂基體,阻礙電子傳輸,從而影響合金性能.而在熔體中RE 與Ti 發(fā)生反應(yīng)是受質(zhì)量分?jǐn)?shù)限制的.當(dāng)熔體中RE 與Ti 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別低于0.3%和0.15%時,反應(yīng)不能進行或者很難進行.當(dāng)RE與Ti 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到一定值后,反應(yīng)得以進行,形成三元相Al20Ti2Ce.這種化合物的形成消耗了大量的Ti 和Ce,使熔體中Ti 和Ce 的有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,Ti 和Ce 的細化效果減弱,合金性能也受到不利影響.

      2.2 Ce 和Ti 對Al-Mg-Si 合金性能的影響

      圖3 不規(guī)則塊狀相的掃描照片F(xiàn)ig.3 SEM micrographs of irregular block phase a-The gray block phase;b-gray and white block phase

      不同RE 和Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的合金力學(xué)性能和導(dǎo)電性能如表3 所示.由表3 可知,當(dāng)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時,隨著Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,合金的強度、伸長率和電導(dǎo)率先增加后降低.合金強度和伸長率在鈦含量為0.15%時達到峰值,分別為265 MPa 和10.3%,相對Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 時,分別提高了3.5%和22.6%. 電導(dǎo)率在Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%時達到峰值,為56.4%IACS. 當(dāng)Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時,隨著RE 含量的增加,合金的強度、伸長率和導(dǎo)電率先增加后降低.當(dāng)RE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時,合金強度、伸長率和電導(dǎo)率達到峰值,分別為265 MPa、10.3%和56%,相對稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 時,分別提高4.7%、5.1%和12%.當(dāng)稀土和Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別大于0.3%和0.15%時,合金性能降低,是因為合金中出現(xiàn)了塊狀A(yù)l20Ti2Ce相和粗大針狀相.Al20Ti2Ce 相體積較大,形狀不規(guī)則,割裂基體,阻礙電子傳輸,嚴(yán)重降低合金的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能. 粗大針狀相分布在晶界,割裂基體,影響電子傳輸,對合金力學(xué)性能和導(dǎo)電性能都有不利影響.

      表2 A,B,C 點各元素的摩爾比Tab.2 The molar ratio of elements in point A,B,C

      3 結(jié)論

      表3 實驗合金的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能Tab.3 The mechanical properties and electric conductivity of the experiment alloy

      (1)在Al-Mg-Si-0.3RE 合金中加入Ti 和Al-Mg-Si-0.15Ti 合金中加入RE,晶粒都得到不同程度的細化.當(dāng)Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%,稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時,晶粒尺寸最小,為100 μm.

      (2)當(dāng)Ti 和RE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別超過0.15%和0.3%時,生成Al20Ti2Ce 塊狀相.該相的形成一方面消耗了Ti 和RE,使熔體中Ti 和RE 的有效含量降低,削弱了Ti 和RE 的有利作用.此外,該相形狀不規(guī)則,割裂基體,阻礙電子傳輸,對合金導(dǎo)電性能不利.

      (3)在稀土和鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0. 3% 和0.15%時,合金力學(xué)性能和導(dǎo)電性能最佳.其抗拉強度、伸長率和電導(dǎo)率分別為265 MPa,10.3%,

      56%IACS.

      [1] 梁振宇.合金元素對Al-Mg-Si 合金導(dǎo)體材料組織和性能的影響研究[D]. 長沙:湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,2011.

      [2] 張珊珊.Al-Mg-Si 合金鑄態(tài)組織及其鑄錠均勻化處理的研究[D]. 沈陽:東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,2011.

      [3] 成樂,李彩文,楊雙強,等. 鋁-鈦-硼細化劑對6082鋁合金組織和性能的影響[J]. 輕合金加工技術(shù),2014,42(3):32 -35.

      [4] 趙紅亮,張川,翁康榮,等. RE 對電錘用AM60B 鎂合金曲軸箱件組織和性能的影響[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2013,34(1):58 -60.

      [5] YUAN Wu-hua,LIANG Zhen-yu.Effects of La addition on the mechanical properties and thermal-resistant properties of Al-Mg-Si-Zr alloys based on AA 6201[J].Materials and Design,2012,34:788 -792.

      [6] 饒克,鐘建華,傅群強,等. 稀土對6063 鋁合金導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的影響[J]. 鋁加工,2002,25(6):22-24.

      [7] 李苗.Al-Ti-C-RE 細化劑的低溫綠色制備及其細化行為研究[D]. 鄭州:鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,2011.

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