微量合金元素对工业纯铝性能的影响

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1、引　言

随着科学技术的进步,电脑CPU的主频在不断提高,主频的提高在提升了电脑运算功能、加快了电脑运行速度的同时,也大大增加了发热量,因此,对电脑散热片材料的传导性能也提出了越来越高的要求。目前绝大多数电脑散热片的材质是铝合金,纯铝的导电、导热性仅次于银、铜,但因其强度不够、切削性不好、粘刀等原因而难以加工成型,不能直接用来生产电脑散热片。本研究试图向工业纯铝中添加某些合金元素,提高其强度、改善其切削加工性能,同时不会对其导电导热性能影响很大。分析探讨这些合金元素对工业纯铝性能影响机理。不同元素对工业纯铝性能影响是不同的,本文研究了稀土、Al-Ti-B、zr元素以及它们互配对工业纯铝性能的影响。

2、实验材料及实验方法

2.1　实验材料

实验中用工业纯铝的元素组成见表1。

由于稀土元素非常活泼,容易烧损;zr元素与工业纯铝熔点相差很大,只能以中间合金的形式加入。实验用A1-Re中间合金为实验室自行配制,Al-Ti-B、A1-Zr等中间合金为外购。

2.2　实验方法

由于稀土元素直接加入容易烧损,造成浪费,增加成本,所以必须配制中间合金。在配制时采取了一定的措施,在混料时加了与铝料等量的玻璃态物质,开始加入2/3,到熔解后再加1/3的玻璃态物质,同时迅速用石墨钟罩压把稀土元素压入熔体并搅拌,一定时间后浇铸成块备用。

具体的试样加工工艺为:把一定比例的铝锭放入坩埚加热升温熔化后,其他中间合金按照熔点高的先放入,低熔点后加入的顺序加入,其中易燃烧的合金用铝薄包裹加入,加入后搅拌均匀,保温后进行造渣处理,接着使熔体回升到熔炼温度,保温几分钟后去除表面浮杂物,最后浇铸成中80挤压铸锭。把中80的铸锭在箱式电阻炉中均匀化退火8个小时,用300吨立式挤压机挤压成40×10mm的铝排,然后将材料进行退火热处理,最后进行性能测试。

在电子拉伸机上测试合金的抗拉强度;用7501涡流导电仪测定合金的电导率

3、实验结果与分析

3.1　稀土对合金性能的影响

图1为加入RE元素时合金强度与加入量的关系曲线。从曲线可知,材料强度随RE的加入提高,但当加入量达到一定值后,强度下降,RE加入量在0.20-0.40%时抗拉强度最高达到110MPa以上。这是因为稀土具有改善组织,与基体铝作用生成熔点高且不易分解的化合物ReAlx,高温下具有良好的稳定性,精炼和净化熔体;降低微量杂质元素的有害影响,特别是Re与Fe、si等元素作用。

图2所示为RE加入对合金导电率的影响曲线。由图2可以看出,随着稀土元素的加入,导电率呈下降的趋势,但导电率下降较缓慢。上述结果是与金属导电理论相符的,即加入合金元素后产生的化合物引起的点阵静畸变和热振动点阵动畸变对电子造成散射,从而产生电阻,导致导电性能下降。工业纯铝加人RE后,导电率下降较缓慢与RE净化溶液,除气等作用分不开的。但稀土对铝合金导电性能的影响还取决于稀土的加入量。一方面,适量的稀土可降低杂质在基体中的固溶度,提高导电率;另一方面,过量则在晶界形成稀土元素的偏聚,此时它又成了新的杂质。图1、图2证明:当RE含量为0.15-0.35%时,可获得良好的综合性能。

3.2　Al-Ti-B对工业纯铝性能影响

从图3可以看到,在纯铝中加入合金元素Al-Ti-B后,抗拉强度有所提高,抗拉强度可以达到120Mpa。晶核激活理论认为得到好的细化效果,条件非常重要:一是熔体中必须有足够的结晶核心存在;二是大部分潜在的晶核被激活。AI-Ti-B加入熔体后,最有效的结晶核心是TiAl3,TiB2颗粒则是潜在的晶核。由于熔体结晶是非平衡状态下进行的,且TiAl3和TiB2颗粒的适配度很接近,从而TiB2颗粒极有可能成为结晶核心。从而更好的提高合金的力学性能。

圈4为工业纯铝中Al-Ti-B加入量与电导率的关系曲线。从图4可看到,Al-Ti-B加入后对合金的导电率有下降的趋势。AI-Ti-B加入到纯铝中会引起铝的电阻率升高,这是符合金属导电基本理论的,即任何一种杂质加入到金属当中都会增加其电子散射,从而引起纯金属电阻率的升高,即导电导热性下降。只是不同的杂质元素由于其原子半径、电子结构等物理特性不同,引起纯金属电阻增加的幅度不同,一般认为由于AI-Ti-B中B的原子半径与铝的相差不大,B引起铝的晶格畸变较小,因而引起铝电阻率增加较小。由图3、4可以看出Al-Ti-B加入量在0.4-0.6%时合金综合性能较好。

3.3　Zr对工业纯铝性能影响

图5 zr加入量与抗拉强度的关系曲线可以看到,Zr元素的加入对合金的抗拉强度叉很大的提高,加入0.30%Zr后合金的抗拉强度达到一个极大值,而随着含量的增大,抗拉强度降低。这是因为在合金冷却凝固时,Zr元素对合金晶粒有一定的细化作用,在zr含量较高的合金中有AL3Zr的存在。

由图6 Zr加入量与导电率的关系曲线可以看出,加入合金元素后,导电率下降很明显,这基本符合纯金属的导电理论,即对纯金属来说,合金元素以杂质的形式存在基体中,导电率自然就下降。加入Al-Zr后合金的导电率随着含量不同而不稳定,在工业纯铝中加入0.20-0.40%的Zr效果最佳。

3.4　优化实验

通过以上实验结果及分析,我们可以看出,Re、Al-Ti-B、A1-Zr等几种合金元素对工业纯铝性能影响各不相同,对试样导电率影响很大。为此,设计了一组优化实验,以考察它们互配加入对纯铝性能的影响。决定选用L4(23),即选两个不同的含量水平,以Re、AI-Ti-B、Al-Zr为因子,建立正交表2。Re、Al-Ti-B、AI-Zr互配加人对纯铝导电率的影响,结果见表3。

对正交实验结果进行方差分析,结果见表3,可看出较优的工艺因子为:A2 Bl C2。所以合金较元素添加量为:Zr:0.30%。RE:0.20%。Al-Ti-B:0.40%时铝合金综合性能较好。

4、结　论

(1)稀土可以降低基体中杂质对导电率的有害影响,特别是与Fe、si元素的作用,减少Fe、si的固溶量,增大化合物形成的趋势和能力,稀土的加入使工业纯铝的抗拉强度有明显的提高。但含量要控制,当Re含量为0.15-0.35%时,可获得良好的综合性能。

(2)Al-Ti-B中间合金的加入对工业纯铝的抗拉强度有明显的提高,其含量一般控制在0.40-0.60%为宜。

(3)zr加入到工业纯铝中,使得抗拉强度得到很大的提高,但不利于导电性。同时添加一定量的Re、Al-Ti-B到合金中,对导电性有益。AI-Ti-B的加入量在0.4%,Re0.2%Zr:0.3%时合金综合性能较好。