在電線(xiàn)電纜檢測(cè)中，鋁合金也常見(jiàn)材料之一。雖然鋁的導(dǎo)電性?xún)H次于銀、銅和金，但是在輸送同等電量條件下，鋁合金導(dǎo)體的電線(xiàn)質(zhì)量?jī)H為銅線(xiàn)的一半，所以在電線(xiàn)電纜制造工業(yè)里電工用鋁桿、鋁合金線(xiàn)，鋁合金帶材、型材等也都是重要的使用材料。導(dǎo)電用鋁合金重要的檢測(cè)項(xiàng)目之一就是化學(xué)成分分析，成分分析除了可以確定鋁合金的牌號(hào)外，另外一個(gè)重要目的就是對(duì)其雜質(zhì)元素含量進(jìn)行確定。
一、為什么要對(duì)雜質(zhì)元素分析？
我們之所以要對(duì)導(dǎo)電用鋁合金的雜質(zhì)元素進(jìn)行分析，就是因?yàn)殇X合金的制造工藝就是在純鋁中加入一定比例的合金化元素，這些添加的合金元素通常都是微量元素， 尤其是導(dǎo)電用鋁合金的微量元素添加百分比質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般都不超過(guò) 1.0%。我們常用添加的微量合金元素為 Cu、Mg、Fe、B、Zr 等元素，但 Zr、Cr、V、 Mn、Li 和 Ti 等元素對(duì)鋁合金導(dǎo)體材料的電阻率有嚴(yán)重的影響。所以我們要嚴(yán)格控制 Zr、Cr、V、Mn、Li 7 和 Ti 等元素在鋁合金導(dǎo)體材料中的含量。
二、雜質(zhì)元素對(duì)鋁合金電性能的影響原理分析
通常情況下，電阻率是鋁合金的標(biāo)志性電性能指標(biāo)。原理就是當(dāng)金屬材料受到外加電場(chǎng)作用時(shí)，載流子處于周期性排列的離子實(shí)形成的晶格場(chǎng)（又稱(chēng)晶格庫(kù)侖勢(shì)場(chǎng)） 中發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)而形成電流，這時(shí)如果是合金材料，里面的微量合金元素、雜質(zhì)、晶體缺陷等均會(huì)導(dǎo)致晶格場(chǎng)產(chǎn)生周期性破壞，那些破壞了晶格場(chǎng)周期性的異常離子實(shí)或晶格原子，就會(huì)碰撞或阻礙定向移動(dòng)的載流子從而產(chǎn)生電阻，因此，合金材料的電導(dǎo)率高度依存于合金成分和組織結(jié)構(gòu)。總結(jié)來(lái)講就是溶質(zhì)原子和空位、析出相、位錯(cuò)等均會(huì)引起晶格畸變，導(dǎo)致載流子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生散射，隨著合金元素的加入及加入量的增加，鋁合金的電阻率會(huì)大幅增加，因此合金元素及其存在狀態(tài)對(duì)鋁合金的導(dǎo)電率有著不同影響。
三、各類(lèi)合金元素的影響差別
大量文獻(xiàn)資料表明，不同微量元素對(duì)鋁合金的電導(dǎo)率的影響存在差別的，在研究了32種合金元素對(duì)鋁合金導(dǎo)體材料電阻率的影響后，結(jié)果如下：
1.Zr、Cr、V、Mn、Li和Ti等元素對(duì)鋁合金導(dǎo)體材料的電阻率有嚴(yán)重的影響；
2.Mg、Si、Cu、Ge、Ag和Fe等元素對(duì)鋁合金導(dǎo)體材料的電阻率有影響；
3.Ca、Bi、Cd、Sb、Ni、Be、Tl、Pb、In、Ba、Ce、Sr、Co、Ga和Zn等元素對(duì)鋁合金導(dǎo)體材料的電阻率的影響較小。
所以，我們要嚴(yán)格控制Zr、Cr、V、Mn、Li和Ti等元素在鋁合金導(dǎo)體材料中的含量。
四、導(dǎo)電鋁合金中雜質(zhì)元素測(cè)定分析
步驟一：為了分析導(dǎo)電鋁合金的雜質(zhì)元素影響，我們對(duì)電解原鋁進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：
步驟二：最對(duì)電解鋁水的實(shí)測(cè)成分，我們將常見(jiàn)雜質(zhì)元素引起的電阻率增加情況也詳細(xì)進(jìn)行列表處理，具體如下：
從上表中我們可以看出電解鋁水中的主要雜質(zhì)元素為Fe、Si、Ti、V、Cr、Mn。
步驟三： 我們用熱力學(xué)計(jì)算獲得的純鋁中形成的 MB2化合物的組成隨溫度變化的情況 和純鋁中各元素在不同相的分配情況 ，如下兩圖：
圖三
圖四
從計(jì)算結(jié)果可以看出，添加B元素后，純鋁中會(huì)析出AlB2相，M（V，Ti）B2相（如圖三所示）以及AlFeSi相。圖四的計(jì)算結(jié)果表明，隨著溫度的降低，Fe元素在鋁基體中的固溶量非常低，絕大部分以AlFeSi相的形式析出。因此，這也決定了Fe對(duì)于純鋁的電阻率影響較小。而Si元素會(huì)參與到AlCrSi和AlFeSi相的析出。Mn元素會(huì)參與AlFeMnSi相的析出。因此，降低鋁基體中雜質(zhì)元素含量，極大促進(jìn)雜質(zhì)元素以析出態(tài)形式存在于基體中，能極大提高純鋁的導(dǎo)電率。
五、硼化處理改善雜質(zhì)元素影響分析
硼化處理是提高鋁合金導(dǎo)電性能的最有效途徑，因?yàn)?/span>B能與Ti、V、Cr、Mn、Fe雜質(zhì)元素反應(yīng)形成不溶解的硼化物或者含雜質(zhì)元素的復(fù)雜化合物，從而使原來(lái)固溶在鋁中的雜質(zhì)元素變成析出態(tài)，沉積于熔體底部，減少鋁導(dǎo)體內(nèi)部晶格的畸變，從而改善鋁導(dǎo)體的導(dǎo)電性。
我們對(duì)澆鑄結(jié)束后爐底物取樣進(jìn)行SEM觀(guān)察，照片如下：
圖五
（a）為B加入量為0.01%時(shí)的掃描照片，（b）為B加入量為0.03%時(shí)的掃描照片。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，爐底樣品中含有大量的灰色塊狀和白色團(tuán)絮狀的化合物存在，灰色顆粒物主要為Al、Si化合物，白色化合物主要為團(tuán)絮狀Ti，V，Fe，Zr的硼化物。爐底取樣的SEM觀(guān)察照片和掃描能譜分析結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)Mn、Cr的存在。隨著B加入量由0.01%增加至0.03%，試樣組織中的白色硼化物數(shù)量增多，其中硼化物中B元素的含量也在增加。由原子吸收光譜分析結(jié)果可知，硼在爐底產(chǎn)生富集，說(shuō)明B元素參與了硼化物的形成過(guò)程。
電線(xiàn)電纜最重要的就是性能之一就是導(dǎo)電性能。采用鋁合金作為導(dǎo)體的產(chǎn)品，雜質(zhì)元素分析是重要的項(xiàng)目之一，對(duì)其含量的控制加工也是關(guān)鍵技術(shù)之一。為了改善雜質(zhì)元素對(duì)鋁合金電性能的影響，很多企業(yè)還會(huì)添加 Zr（鋯） 元素 、RE（稀土）元素等，將里面的雜質(zhì)元素與其相結(jié)合，降低雜質(zhì)元素的固溶量，從而改變夾雜物的性質(zhì)和分布，進(jìn)而降低雜質(zhì)元素對(duì)鋁合金導(dǎo)電性的有害作用 。
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