（材料加工工程专业论文）硼对铝导体导电性影响的研究.pdf

硼对铝导体导电性影响的研究 摘要 随着我国电力事业的飞速发展，激增的电能输送量与低下电网输送效率的矛盾日益 突出。降低输电线路的电阻率，提高电网的输电效率，成为电线电缆行业的重要课题。 而目前国内外关于铝导体导电性的研究主要集中在发展具有特殊性能的新型导电铝合 金方面，对于在输电线路中用量占8 0 以上、对电网输电效率起决定作用的导电纯铝则 研究甚少。因而，各国导电纯铝的电阻率基本上保持在2 8 2 6 4 1 0 8q m 的国际标准水 平上。 本论文以导电领域用量最大的导电纯铝为研究对象，以提高铝导体导电性能为目 的，以熔体的成分净化为手段，较系统地研究了元素硼( b ) 对铝导体导电性的影响， 探索了b 改善铝导体导电性的机理，为降低铝导体的电阻率，全面提升铝导体行业的技 术水平提供了可靠的技术理论支持。论文主要包括以下内容： 较深入地研究了元素b 与铝中杂质元素的相互作用及其对铝导体导电性的影响。 采用高纯铝加单一杂质元素的实验体系，在不存在杂质元素间相互干扰的条件下， 研究了b 与铝中t i 、c r 、f e 、s i 的相互作用及其对铝导体导电性的影响。结果表 明：在高纯铝+ 单一杂质元素( o 5 ) 的二元合金体系中加入b ( 0 1 2 ) ，b 可以与m t i 系中的t i 、越c r 系中的c r 发生反应，使它们由溶解态转变成析出态硼化物，从而使含 t i 铝和含c r 铝的电阻率明显下降。b 也可以与砧f e 系中的f e 发生反应，生成f e 的 硼化物，但作用趋势较t i 、c r 弱，加b 后含f e 铝的电阻率降低幅度为含t i 铝的一半。 b 与铝中m n 的相互作用非常微弱，对含m n 铝导电性的改善作用非常小。b 不与铝中 杂质s i 作用，不能消除s i 对铝导体导电性的有害影响。该结果为澄清b 的作用机理研 究中存在的分歧提供了可靠的依据。 研究还表明：工业纯铝经过加b 处理后，铝中溶解的t i 、v 、z r 、c r 杂质明显减少， f e 的浓度也略有降低，并有团絮状和六角形( 块状) 两种形态的过渡族元素的硼化物生 成，其中团絮状相中含有5 4 4 2a t b ，1 3 7 0a t a 1 ，2 3 3 9a t 的过渡族杂质元素。六角 形( 块状) 相中含有7 8 5 9a t b ，1 4 9 7a t a 1 ，2 5 6a t 的过渡族杂质元素。b 改善铝导 体导电性的效果与铝中杂质元素含量密切相关。铝中过渡族杂质元素t i + ”z r + c r 的含量 之和越多，加b 后电阻率降低幅度越大。对9 9 7 的工业纯铝而言，电阻率降低幅度最 大可以达到2 0 ( t i + v + z r + c r - - 0 0 2 1 ) ，b 的最佳应用场合是t i + v + z r + c r 0 0 1 的铝导体。 研究了b 对铝导体其它相关性能的影响。结果表明：b 在改善铝导体导电性的同时， 使铝导体的液态流动性略有提高，对强度、塑性及耐蚀性影响不大。b 有促进铝导体在 退火过程中恢复其导电性的作用。以上结果肯定了b 元素在铝导体生产中的实用性。 研究了b 和稀土( r e ) 与铝中杂质元素共同作用的机制，探索了b 与r e 改善铝导 体导电性取得复合效果的条件。结果表明：用b 与l a 对工业纯铝进行复合处理时，无 论b 和l a 加入顺序如何，均有l a b 6 化合物生成。但b 与铝中过渡族杂质元素反应依然 可以进行，而l a 与杂质s i 的作用能力大大减弱。应用沉积法清除中间反应产物后，b 与r e 复合作用效果明显提高。其中应用“加b 一静置沉淀去除硼化物一加r e ”的复合 处理工艺对铝液进行处理时，其降低铝导体电阻率的综合效果，为二者单独应用时效果的 叠加。为进一步提高铝导体的导电性提供了一条新途径。 研究了b 应用于铝导体生产的工艺条件。结果表明：在所考察的工艺因素中高温长 时保温对铝导体导电性的影响最大，其电阻率的上升幅度达到了0 5 4 9 6 ，但这种不利影 响在保温2 5 - 3 5 分钟时接近最大，继续延长保温时间，电阻率的变化很小，不会对连续的 工业生产造成大的影响。综合考虑各种因素后确定了含b 铝导体生产的最佳工艺条件和 b 的最佳加入量范围。 通过生产实验验证了b 改善铝导体导电性的有效性。结果表明：以加b 为主要技术 手段的铝导体生产新技术应用于3 1 5 4 型1 l o k w 电机转子的生产中，使转子用铝材 ( 9 9 5 ) 电阻率明显降低，从而使整机性能得到全面提高。b 应用于电工铝杆的生产 中，使铝杆的导电性能明显改善，电阻率达到了2 7 3 3 4 2 7 6 0 4 1 0 喵q m ，比国际电工 委标准规定的电阻率值2 8 2 6 4 x1 0 喝q 1 2 1 低2 3 3 3 2 9 ，强度和塑性也都满足该标准要 求。 关键词：工业纯铝；铝导体：硼：导电性：电阻率：杂质元素：静置沉淀 i i 硼对铝导体导电性影响的研究 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ep o w e ri n d u s t r y , t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e ni n c r e a s e o fp o w e rs u p p l ya n dl o w e re 伍c i e n c yo ft h ep o w e rt r a n s m i t t i n gi si n c r e a s e do b v i o u s l y i ti s i m p o r t a n tf o re l e c t r i cw i r ea n dc a b l ei n d u s t r yt or e d u c et h er e s i s t i v i t yo fw i r ea n da v o i d e x c e s s i v ep o w e rl o s s e s h o w e v e r , t h es t u d i e so ne l e c t r i cw i r ea r em a i n l yf o c u s e do nt 1 1 e a l u m i n u ma l l o y su s e df o rt h es p e c i a lc o n d u c t i v ec o n d i t i o i l s t h es t u d i e so nc o m m e r c i a l a l u m i n u mu s e du n d e rc o m m o nc o n d u c t i v ec o n d i t i o nh a v eb e e nc o n d u c t e ds e l d o m n o r m a l l y t h er e s i s t i v i t i e so fc o m m e r c i a la l u m i n u mc o n d u c t o ra r ea b o u t2 8 2 6 4x10 畸qmi nm a n y c o u n t r i e s t h bp a p e rs t u d i e st h ee f f e c t so fb o r o n0 3 ) o nt h ec o n d u c t i v i t yo fc o m m e r c i a la l u m i n u m ， w h i c hi st h el a r g e s tc o n s u m p t i o ni na l lk i n d so f c o n d u c t i v ea l u m i n u m t h em e c h a n i s mo fbt 0 i m p r o v et h ec o n d u c t i v i t yo fc o n d u c t i v ea l u m i n u mi sa l s oi n v e s t i g a t e d t h e s er e s u l t sp r o v i d e t h ev a l u a b l ed a t af o rc o m m e r c i a la l u m i n u mt ob ed e c r e a s e di nt h er e s i s t i v i t ya n di m p r o v e d t h ep r o d u c t i o n t e c h n o l o g y i n v e s t i g a t i o nh a sb e e np e r f o r m e do nt h er e a c t i o n sb e t w e e nba n ds o m ei m p u r i t ye l e m e n t s a n dt h e i re f f e c t so nc o n d u c t i v i t yo fa l u m i n u mc o n d u c t o r f o rt h es y s t e mo fh i g hp u r i t ya l u m i n u mw i t hu n i q u ei m p u r i t ye l e m e n t ，w h e r et h e r ei sn o i n t e r f e r e n c e so fs o m ei m p u r i t ye l e m e n t s ，t h er e a c t i o n so fbw i n lt i ，c r , f e ，m na n ds ii n a l u m i n u ma n dt h e i re f f e c t so nc o n d u c t i v i t yo fa l u m i n u mc o n d u c t o ra r es t u d i e d i ti si n d i c a t e d t h a tbc a nc o m b i n ew i t hc ra n dt it of o r mi n s o l u b l eb o r i d e s ，a n di m p r o v es i g n i f i c a n t l yt h e c o n d u c t i 嘶o f1 1 i g hp u r i t ya l u m i n u mw i t hc ra sw e l la st i 硼舱r e a c t i o no fba n df ei s w e b e rt h a nt ia n dc r , a n dt h ed e c r e a s ei nr e s i s t i v i t yf o rt h eh i g l lp u r i t ya l u m i n u mw i t hf ei s h a l fo ft h a t 谢血a d d i t i o no ft i bh a sn e g l i g i b l ee f f e c to nt h ec o n d u c t i v i t vo fa l u m i n u m 埘m m n s i n c ebr e a c t sw i t hm nt oav e r yl i m i t e de x t e n t t h eh a r m f u le f i f e c to fs io nc o n d u c t i v i t y o fa l u m i n u mc o n d u c t o rc a n n tb ee l i m i n a t e db ya d d i n gb 1 1 l e s er e s u l t sp r o v i d et h ei m p o r t a n t i n f o r m a t i o nf o rt h es t u d yo nt h em e c h a n i s mo fbt oi m p r o v et h ec o n d u c t i 、，i t 、ro fa l u m i n u m f o rc o m m e r c i a la l u m i n u m ，t h ed i s s o l v e da m o u n t so ft i ，vz r , c rd e c r e a s ea f t e ra d d i n gbi n m e l t i n ga l u m i n u m , a n dt w ok i n d so fi n s o l u b l eb o r i d e sa r ef o r m e d o n eo ft h eb o r i d e sc o n t a i n s 5 4 4 2a t b 13 7 0a t a 1a n d2 3 3 9a t t r a n s i t i o ne l e m e n t sa n df o r m sf i n ep a r t i c l e s t h e o t h e r , i nh e x a g o n a ls h a p e 。c o n t a i n s7 8 5 9a t b ，1 4 9 7a t o oa 1a n d2 5 6a t t r a n s i t i o n e l e m e n t s n l ee f f e c to fbt oi m p r o v et h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo fc o m m e r c i a la l u m i n u mi s r e l a t e dt ot h ec o n t e n t so fi m p u r i t ye l e m e n t s 硼1 em o r et h es u mo ft i “+ z r “、r t h em o r et h e d e c r e a s ei nr e s i s t i v i t yo fc o m m e r c i a la l u m i n u mr e s u l t e db ya d d i n gb f o rt h ec o m m e r c i a l a l u m i n u mw i t h9 9 7 p u r i t y , t h er e s i s t i v i t yc a nb ed e c r e a s et oa b o u t2 0 0 i nt h ec a s eo f t i 手”z r + c r = o 0 2 1 b ya d d i n gb 啊1 ee f f i c i e n ti m p r o v e m e n to fc o n d u c t i v i t yb ya d d i n gb c a nb er e a c h e dw h e n 面f v + 乙十( 帕0 1 i nc o m m e r c i a la l u m i n u m t h ee f f e c t so fbo nr e l a t e dp r o p e r t i e so fa l u m i n u mc o n d u c t o ra r es t u d i e d i ti si n d i c a t e st h a tb h a sn e g l i g i b l ee f f e c to nt h et e n s i l es t r e n g t h ，e l o n g a t i o n , c o r r o s i o n r e s i s t a n ta n df l o w i n g p r o p e r t y 乃er e s e a r c ha l s os h o w st h a tbc a na c c e l e r a t et h er e c o v e r yo fa l u m i n u m s c o n d u c t i v i t yd u r i n ga n n e a l i n g 烈lt h er e s u l t sa f f i r mt h a tbc a nb ea p p l i e di n t ot h ep r o d u c t i o n m 摘要 o f w i r ea n dc a b l e t h em e c h a z l i s mo fc o m p o u n dr e a c t i o no fba n dr ew i t hs o m e 证科嘶d e m e n t si nc o m m e r c i a l a l u m i n u mi si n v e s t i g a t e d , i no r d e rt og e tt h em u l t i p l ee f f c c t st oi m p r o v et h ec o n d u c t i v i t yo fc o m m e r c i a l a l u m i n u n l i ti sr e v e a l e dt h a tl a b 6i sa l w a y sf o r m e dw h e nba n dl aa r ea d d e di nc o m m e r c i a l a l u m i n u ms e r i a t i m h o w e v e rbc a ns t i l lc o m b i n ew i t ht r a c ea m o u n to ft r a n s i t i o ni m p t n 畸e l e m e n t s , w h i l ei ti sa l m o s ti m p o s s i b l ef o rl at oc o m b i n ew i t hs i n l ec o m p o u n dp r o c e s st oa c h i e v et h em u l t i p l e e f f e c t so fba n dr et oi m p r o v et h ec o n d u c t i v ep r o p e r t yo fc o m m e r c i a la l u m i n u mi se s t a b l i s h e c l 硼1 e p r o c e s sc o n s i s t so f ( 1 ) a d d i n gb ，( 2 ) s e t t l i n ga n de 岫t h eb o r i d e s , ( 3 ) a d d i n gr e t h ee f f e c t so ft e c h n i c a lf a c t o r so nt 1 1 er e s u l t so fbt oi m p r o v ea l u m i n u m sc o n d u c t i v i t ya r e i n v e s t i g a t e d h e r et 2 ( t h ek e e p i n gt i m ea th i g h e rt e m p e r a t u r ea f t e rbb e i n ga d d e di n t om e l t i n g a l u m i n u m ) i st h em o s tm a r k e df a c t o rb e t w e e na l lf a c t o r ss t u d i e di nt h i sp a p e r i tc a nr e s u l ti na 0 5 4 i n c r e a s ei nr e s i s t i v i t yo fc o m m e r c i a la l u m i n u m b u tt h ei n c r e a s ei nr e s i s t i v i t yn e a r l y r e a c h e st h eh i g h e s tv a l u ea ta b o u t2 5 3 5 m i n u t e sa f t e rbi sa d d e di nm e l t i n ga l u m i n u m s i n c e t h e nt h er e s i s t i v i t yo fc o m m e r c i a la l u m i n u mh a sav e r yl i t t l ei n c r e a s ea l o n gw i t hd e l a yo ft h e k e 印i i l gt i m ea th i g h e rt e m 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e rt h a ni e c 一 2 8 2 6 4 10 哨qr n , w h i l et h et e n s i l e s t r e n g t ha n de l o n g a t i o na r e i na c c o r d a n e ew i t h i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d k e y w o r d s ：c o m m e r c i a la l u m i n u m ，a l u m i n u mc o n d u c t o r , b o r o n ( b ) ，c o n d u c t i v i t y , r e s i s t i v i t y , i m p u r i t ye l e m e n t ，s e t t l i n g i v 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 保密回，在三年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“ ) 作者签名： 指导导师签名： 沙哩_ 年旦月旦日 1 i 铝导体的应用现状 第一章导论 铝导体是目前电气工业的重要基础材料之一。铝导体的导电率为铜导体的6 1 ( 以国 际韧炼铜标准i a c s 导电率为1 0 0 i a c s 计) ，强度为铜导体的3 9 。而铝导体的重 量只有相同体积铜导体重量的3 0 ，所以铝导体的导电率与重量之比及强度与重量之比 都优于相同重量的铜导体。即在同样的导电性与强度的综合性能条件下，铝可以由比铜 更轻的重量来获得【1 1 。另外，铝还具有优良的抗腐蚀性 2 1 ，易于加工成型 3 1 、无低温脆 性( 直至- 1 9 6 。c ) 【2 】、易于回收【4 】等特点。同时从经济观点来看，铝资源比铜丰富得多【5 6 】，生产成本较低，因而铝能够以低于铜的价格大量供应【2 j 。以上优点使铝导体得到了 较快的发展和广泛的应用。 铝导体的应用十分广泛，用量也逐年增加。目前在工业发达国家约有1 5 的铝用于 电力、电讯与电器工业【7 1 。如美国1 9 8 1 - 1 9 8 6 年铝导体的平均年消耗量为3 4 万吨瞵j ，日本 1 9 9 0 年铝导体的消耗量为1 2 8 万吨【9 】；发展中国家用于电气工业的铝其比例会更大一些。 如我国电工用铝量约占全国铝消耗量的三分之- - n 四分之一【z 7 j 。1 9 8 7 年，我国仅电线 电缆行业铝导体年用量为1 7 万吨【1 0 1 ，至i 1 9 8 9 年，我国电线电缆行业用铝量为2 5 万吨l l ， 1 9 9 2 年达3 1 5 万吨【1 2 】。2 0 0 0 年我国钢芯铝绞线的用量为6 0 万吨【1 3 j ，假定铝钢截面比以平 均7 7 l 计，贝j 2 0 0 0 年我国电线电缆行业用铝量为4 3 万吨。由此可见，电工铝材的消耗量 之大。 电工铝材的具体用途有：线材一用作架空输电线路的导线、绞线、钢芯绞线和电车 线，以及各种用途的绝缘电线、电缆和电磁线的导电线芯【l 忱j ；条材一用作汇流排( 母 线) ；管材一用作发电机、电动机、变压器等电气设备上的绕组，还用于同轴电缆( 通讯 电缆、电视电缆等) ；工业高纯铝用于电解电容器等【2 ，2 3 】。其中用作架空输电线是铝导体 的最主要应用形式。 目前架空输电线路所用导线主要包括以下几类：钢芯铝绞线一由高导电率的导电 纯铝线与高强度的钢丝绞合而成；( 钢芯) 铝包钢绞线一由导电纯铝同心地包覆在高强 度钢线上的双金属导线( 与钢芯) 绞合而成：( 钢芯) 铝合金绞线一根据不同需求用不 同导电铝合金线( 与钢芯) 绞合而成。 以上三种铝导线以钢芯铝绞线的应用量最大、面最广。据统计，目前，国外超高压 输电线路8 0 以上采用钢芯铝绞线，在我国，架空铝导线中钢芯铝绞线比例则大于8 0 【l 川， 铝合金架空线和铝包钢线用量均不大【2 4 】。而且它在今后一个较长时间内仍然是高压输电 线路中所采用的主要线种。据专家预测：以2 0 0 0 年我国钢芯铝绞线的需求量为6 0 万吨计， 预计“十五 末可达至u 8 0 - 1 0 0 万吨，其中三峡输电及配套工程用导线年用量约1 0 万吨【l 引。 而铝合金导线一般仅用于输电线路中的大跨越段、重冰区及高载流区等有特殊需要的路 段上( 即在一条输电线路中，只在有特殊要求的一段使用铝合金导线) ，因而在以往铝 第一章导论 导体市场中所占比例不大。如我国铝合金在架空导线中所占的比例不及1 ，每年平均 3 0 0 0 - 4 0 0 0 吨。预计“十五 期间，国内铝合金年用量逐渐会达到l 万吨。如果使用比 例达n 5 ，用量将达到3 4 万吨【1 3 1 。至于铝包钢线，它也是用导电纯铝作为基本载流体， 它主要用于耐腐蚀等特殊场合，用量较少，2 0 0 1 年我国铝包钢绞线年用量约为l 万吨， 专家预计以后年用量会逐渐上升u3 乃j 。 以上分析可知钢芯铝绞线在架空输电线路的需求中占绝对优势，也就是说用于制造 钢芯铝绞线的导电纯铝在导电领域的应用占绝对优势。可以说导电纯铝的电阻率高低、 导电性能好坏直接关系到电力输送线路的经济性和安全性。 1 2 电工级导电纯铝合金 国际上通用的纯铝型铝导体是1 3 5 0 合金，由纯度_ - 9 9 5 0 的铝制成。它是各种铝 导体中导电率最高的铝导体。目前国际上该种合金所能达到的性能指标见表1 1 【2 6 2 7 1 。 我国1 9 8 3 年以前执行的标准与国际标准有较大差距【2 8 】，1 9 8 3 年对标准作了修改，修改 后的标准与国际电工委标准相一致。 表1 1 1 3 5 0 合金( 硬态) 的性能指标 t 曲i e i - lt h e p r o p e r t ys t a n d a r do f1 3 5 0a l u m i n u mc o n d u c t o r ( i nh 缸d i n gs t a t e ) 各国电网所用的导电纯铝型铝导体的导电率基本上在6 1 0 i a c s 的国际标准水平上， 其对应电阻率为2 8 2 6 4 1 0 遗qm 。在这类导体中处于较好水平的是美国的1 3 5 0 e 、 1 3 7 0 e ，导电率比国际标准水平稍高( 见表1 1 ) 。目前，国外已经基本上完成对于在输 电线路中占主要地位的导电纯铝的性能研究，研究的热点转移到发展特殊用途的导电铝 合金方面。 2 硼对铝导体导电性影响的研究 1 3 铝导体导电性能的影晌因素 金属导电基本理论【2 9 】指出：作为一级近似，可以假定纯金属的电阻率是两项之和。 第一项为理想电阻率，仅依赖于温度，是由导电电子被点阵热激发波散射引起的。第二 项为残留电阻率，与温度无关，是由点阵缺陷引起的。点阵缺陷包括化学类型缺陷一杂 质和物理类型缺陷一点阵缺陷。在估价杂质影响时，首先是随杂质浓度增加电阻率将增 加，另一方面，应该考虑金属中杂质的状态。沉淀状态与固溶状态相比，一定量的杂质 元素对电阻率的影响比较小。在一定的条件下，可以通过测量电阻率来确定高纯金属的 纯度。 由此可见，一切影响晶体完整性的因素都可以影响铝导体的导电性。除了铝的结构、 状态、结晶等物理因素之外，还有铝的化学成分及加工工艺等【3 0 】。 1 3 1 化学成分 在影响铝导体导电性的众多因素中，化学成分是最基本和起决定作用的因素。 铝的电阻率随着铝的纯度的降低而增加。杂质含量越多，电阻率也就越高。例如： 铝的纯度为9 9 9 5 时电阻率为2 7 4 9 x1 0 q m ，当纯度降到9 9 5 时，电阻率上升到 2 8 3 9 y1 0 喵q m 【j u 】。由此可见，电阻率的上升速度比纯度降低的速度快得多。如果杂质 含量继续增加，电阻率的上升将使材料不能用作铝导体。 在工业纯铝中含有多种杂质，其中主要有：s i 、f e 、t i 、v 、m n 、c r 等。其中s i 、 f e 为铝中基本杂质元素，而t i 、v 、m n 、c r 、为微量杂质元素。关于杂质元素对铝导 电性的影响见表1 2 、图1 1 。 表i - 2 铝的电阻率与- 水鹏- u 承商墨u y 大尔 3 1 1 t a b l e l - 2r e s i s t i v i t yo f a l u m i n u m 坩i m p u r i t ye l e m e n tc o n t e n t 表中木数据来自 3 0 ，其余来自 3 1 第一章导论 一 昌 昌 邑 盲 o e l e m e n tc o n t e n t ，w t 图1 1 铝的电导率与杂质元素含量的关系【3 2 】 f i g 1 - lc o n d u c t i v i t yo f a l u m i n u mwi m p u r i t ye l e m e n tc o n t e n t 从表1 2 和图1 1 中可以看出，虽然各研究者所得的具体数值不同，但总的规律是 相同的：( 1 ) 不同杂质元素对铝导体导电性的影响差异很大。其中基本杂质元素s i 、f e 对铝导体导电性的有害作用远小于杂质元素t i 、v 、m n 、c r 的有害作用。( 2 ) 同一杂 质元素不同的存在状态对铝导体导电性的影响不同。杂质元素以固溶态存在时对铝导体 导电性的有害作用远大于析出态。 实际铝导体中杂质元素对其导电性的有害影响还与杂质在铝中的固溶度、杂质在铝 中的实际含量有关。 1 3 1 1 基本杂质元素硅与铁 s i 是铝中固有的杂质。s i 来自铝矾土的二氧化硅或硅酸盐。尽管每1 s i ( 固溶态) 对铝导电性的有害影响，仅为几个微量杂质元素有害影响的五分之一【7 1 ，但因其含量比 4 硼对铝导体导电性影响的研究 微量杂质元素大一个量级，因而，它对铝导体导电性的有害作用不容忽视。s i 的固溶 度较大，共晶温度时( 5 7 7 ) 为1 6 5 ，室温时也达到了0 0 5 ，根据以固溶态存在的杂 质对导体电阻率的影响比析出态大的理论，在电导性方面，s i 的影响比f e 大。此外，s i 还削弱铝的抗拉强度。在室温时，大部分s i 以游离态存在，游离态的s i 是硬脆相，随着 其含量的增多，产品脆性增大，产生裂纹的倾向也增大。有些国家标准规定s i 0 2 5 ， 低于我国的标准( g b 3 1 9 0 - 8 2 ) 规定s i 的最大含量为o 3 。但当s i 含量接近此值时仅能 勉强满足最低导电率要求【7 j 。 f e 也是铝中的固有杂质，而且仍是更纯的铝中的一种主要杂质。在生产纯铝导电材 料时，f e 是一个值得注意的元素。固溶态f e 对铝导电性的影响大于固溶态s i ，但析出态 f e 对铝导电性的影响却较小( 表1 - 2 ) 。f e 在铝中的最大固溶度不超过0 0 5 ，但电工级 导电纯铝的实际f e 含量都大于此值，超过的量以化合物形式存在，此部分f e 使导电率 降低的量只有固溶部分的几十分之一，但却对冷拉线材的强度有明显的影响，各种电工 纯铝的性能差别主要归因于f e 含量的不同1 7 j 引。 除f e 、s i 各自含量之外，f e 、s i 含量之比对铝导体的性能也有重要影响。铝导体 中f e 和s i 可以与铝形成三元化合物。当s i f e 时，生成复杂的b 相( m 9 f e 2 s i 2 ) ，它 是针状化合物，属硬脆相，往往使铝杆或铝线材产生裂纹：如果f e s i ，则生成q 相 ( a i l 2 f e 3 s i 2 ) ，该相也是硬脆相，但与b 相比，其变形性能要好得多，所以为改善铝导 体的加工性，必须控制杂质含量，使f e 含量大于s i 。从f e 、s i 比对强度的影响看， 其值不应小于1 3 0 0 。但并非f e 、s i 比越大越好。有研究表明f e s i 在2 8 - 4 0 时，铝 导体有最低的电阻【3 4 】，还有资料认为f e 、s i 比应为1 3 一1 7 【3 5 】，超过此值，电阻率会 显著上升。同时f e 含量的增加，还会使铝导体的延伸率下降l 3 0 j ，因此f e 含量也须严格 控制。 1 3 1 2 微量杂质元素 铝导体中的t i 、v 、m n 、c r 等微量杂质元素在固溶时，很容易吸收铝导体内的自由 电子而填充它们不完整的电子层。这种传导电子数目的减少导致了铝导体导电性的降低 【3 6 j 。微量杂质元素在铝导体中的含量虽少，但对铝导体导电性的影响却很大，每 1 ( c r + t i + m n + v ) 杂质元素的有害作用为等量s i 对铝导电性有害作用的几倍。微量杂质元 素对铝导体电导率的影响如图1 - 1 所示。由此可以看出严格控制微量杂质元素的含量对 保证铝导体的质量具有重要意义。 为保证铝导体的质量，很多国家标准中都对微量杂质元素的含量作了严格规定。如 日本标准规定( t i + v ) 0 0 0 5 ，m n o 0 0 5 1 3 0 ，奥地利与德国规定( t i + v + c r + m n ) i 工 i u 暑u i s d 一。 o 事一 e 透邑隶链 越蒙 憔恨 簿婚 盈cuelj口xu o若ip一口d；爸oiiiq百m口一oirb暑-o co等o口暑oo rbu一暑utlu口磊盖ijj山n文q一案釜 求镘外薯隧趟蒙g般嘿娟如匠留林n僻 第二章实验材料、制各及性能测试方法 表2 - 4 几种中间合金的熔制工艺 t a b l e2 - 4p r o c e s so f m a k i n gs o m em a s t e ra l l o y s 1 6 硼对铝导体导电性影响的研究 熔入铝中的元素在后续实验中是以纯金属状态加入的，其余元素均被熔制成中间合金备 用。中间合金中合金元素含量为i c p - 5 0 0 0 原子吸收光谱测定结果。 2 2 。2 铝导体的熔制方法 铝中加入的合金元素未经特殊标注均以加入量作为考察指标。其理由是：( 1 ) 实验 中主要考察b 对铝导体导电性的影响，其次是r e ，而这两种元素在实验中均采用中间 合金形式加入。由实验的统计结果得知：将趾b 中间合金加入铝中，b 的烧损率不到 1 ， r e 元素只要熔炼得当，其烧损率也在1 - 3 左右，因而实验中采用加入量代表实 际含量。( 2 ) 向铝中加入的其它合金元卷，由于主要考察相对结果( 试样间对比结果) 因而均以加入量作为考察指标。 2 2 2 1“高纯铝+ 单一杂质元素+ 硼 系列铝导体的熔制 为考察b 与铝中某种特定杂质元素的相互作用，消除铝中多种杂质元素的相互干扰 和b 与铝中多种杂质元素作用而取得的降低铝导体电阻率效果的相互叠加，设计了“高 纯铝+ 单一杂质元素”的二元合金体系，在此二元合金体系中考察b 与铝中特定杂质元 素的相互作用及其对导电性的影响。该系列铝导体的熔制工艺见表2 - 5 。 2 2 2 2 “工业纯铝+ 硼 系列铝导体的熔制 该系列铝导体的熔制过程为：将工业纯铝( 成分如表2 - 1 所示) 放入石墨一粘土坩 埚中，坩埚置于电阻炉内。铝熔化且铝液温度达到7 0 0 c 左右时，加入a 1 一b 中间合金 ( 成分如表2 - 3 所示) 。稍后，待其熔化并充分搅拌，静置1 0 1 5 分钟后，7 0 0 7 4 0 c 浇 入预热至3 5 0 c 的铁模中。铁模形状及尺寸如图2 - 1 所示。 2 2 2 3 “工业纯铝+ 稀土 系列铝导体的熔制 由于r e 降低铝导体电阻率的效果随着铝中s i 含量的不同而有明显差异。研究中试 图通过改变铝中s i 含量的办法，考察r e 在不同含s i 量的铝中改善铝导体导电性的效 果。该系列铝导体的熔制工艺见表2 - 6 。 2 2 2 4 “工业纯铝+ 硼十稀土 系列铝导体的熔制 为研究b 与r e 改善铝导体导电性的复合作用，熔制了该系列铝导体。根据该系列铝 导体的制造工艺方法的差异，可将其分为系列1 、系列2 。 1 7 第二章实验材料、制各及性能测试方法 系列1 ：在j 1 _ a 1 和j 2 ，i c - a l 两种铝中以不同的加入顺序加入b 和r e ，得到一系列 铝导体。其中j 2 * - a 1 是为突出r e 改善铝导体导电性的作用而在j 2 一a 1 中加s i 而得的 含0 3 s i 的高s i 铝。该系列铝导体的熔制工艺见表2 - 7 。 系列2 ：由于b 与r e 加入到铝中均可以与铝中某些杂质作用，形成一些化合物。 为阻断两种元素处理产物的相互作用，进而影响两元素改善铝导体导电性的复合作用， 在第一种元素加入之后，第二种元素加入之前，对铝液进行了清除反应产物的处理，即 在消除b 与r e 及其反应产物的相互干扰的条件下，进一步考察两元素改善铝导体导电 性的复合作用。 系列2 铝导体的熔制工艺与系列一基本相同，只是增加了静置沉淀、清除反应产物 的过程。以先加b 后加r e 的铝导体为例，反应产物的具体去除方法为：( 1 ) 将实验用 铝熔化后第一次取样( 浇入铁模中) ，剩余铝液放回炉中。( 2 ) 加入0 0 6 b 后，第二次 取样，剩余铝液放回炉中。( 3 ) 剩余铝液在炉中静置保持液态2 h ，然后随炉冷却，凝 固后，将沉积层用机械方法去除。( 4 ) 将去除沉积层后的铝锭放入炉中重熔，并第三次 取样，剩余铝液放回炉中。( 5 ) 加入0 1 5 l a ，并第四次取样，剩余铝液放回炉中。( 6 ) 剩余铝液在炉中静置保持液态3 h ，然后随炉冷却，凝固后，沉积层用机械方法去除。( 7 ) 将去除沉积层后的铝锭放回炉中重熔，并第五次取样。先加r e 再加b 的铝导体的处 理方法与此相同。由此得到系列2 的铝导体。 1 8 硼对铝导体导电性影响的研究 表2 - 5 “铝+ 单一杂质元素+ b ”系列