CN102978490A - 一种高强、高导电率、耐热铝合金母线及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种高强、高导电率、耐热铝合金母线及其生产方法，所述铝合金母成分的质量百分含量如下：镁Mg 0.4～1.1%、硅Si 0.3～0.9 %、铜Cu 0.85～2.1 %、锆Zr0.03～0.3 %、稀土La0.05～0.38 %、铁Fe＜0.4%、锰Mn＜0.01%、铜Cu/镁Mg比值为1.9～2.3，其余为铝Al；其加工工艺：将熔炼铸造得到的铸锭在470～550℃下均匀化退火10～20小时，随炉冷却；将铸锭温度控制在480℃～540℃进行热变形，热变形的终了温度不低于380℃，热变形总变形率达到80%～94%；然后再以80%～90%的总变形率对热变形坯进行冷变形；对变形后的产品进行退火，退火温度为330℃～350℃，保温时间2小时；以490℃～525℃进行固溶处理1～3小时；以175℃～200℃进行人工时效处理24～36小时。

Description

一种高强、高导电率、耐热铝合金母线及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种高强、高导电率、耐热铝合金母线材料的生产方法，属于有色金属技术领域。 

背景技术

母线一般用于变电所中各级电压配电装置的连接，以及变压器等电气设备和相应配电装置的连接，大都采用矩形或圆形截面的裸导线或绞线，主要作用是汇集、分配和传送电能。为了实现高导电率，母线的材料多采用高导电率的铜（铜排）、铝质材料制成。 

目前，国内使用的母线材料多为软铝及软铝合金、硬铝及硬铝合金材料。根据国标（GB/T5585.2-2005  铝及铝合金母线）规定，20℃时软铝及软铝合金的直流电阻率为≥61%IACS，20℃硬铝及硬铝合金的直流电阻率为≥59.5%IACS，而此两种材料母线的室温抗拉强度仅为68.6N/mm²和118 N/mm²，最高允许使用温度为70℃。国际上，高强度大容量母线的代号为KTAl，20℃时导电率≥55%IACS，室温抗拉强度为225～252 N/mm²，允许连续使用温度达到150℃，允许短时使用温度为180℃。 

铝及铝合金母线材料研究较多的国家是日本，开发出了一批高强度耐热铝合金材料，但研究者多仅从铝及铝合金材料成分一方面进行研究，开发的铝合金材料无法实现高强度、高导电率、耐热同时兼得，从而大容量、高强度、耐热铝合金材料的研制一直是行业内的空白。 

铝及铝合金材料内部组织结构形态是影响材料导电性能和机械性能的另一重要因素。当合金成分一定时，其导电性的好坏就取决于合金材料的内部组织，而材料的内部组织又受其加工工艺的影响。故通过合理制定铝合金生产工艺改变铝合金材料的内部组织结构形态及提高有利组织的占有率，提高铝合金机械性能及导电率对国民经济具有十分重要的意义。 

发明内容

本发明的目的是通过合理的材料成分设计及最佳的工艺配置，生产高强、高导电率、耐热铝合金材料。 

本发明的目的是由以下方式实现的： 

一种高强、高导电率、耐热铝合金母线，其化学成分特征在于： 

其成分按质量百分比如下：镁Mg 0.4～1.1%、硅Si 0.3～0.9 %、铜Cu 0.85～2.1 %、锆Zr0.03～0.3 %、稀土La0.05～0.38 %、铁Fe＜0.4%、锰Mn＜0.01%、铜Cu/镁Mg比值为1.9～2.3，其余为铝Al。 

其熔炼工艺为： 

熔炼工艺： 

1、将重熔用铝锭或铝液在730～755℃熔化，保温； 

2、按上述铝合金质量百分比含量在温度735～745℃加入铝硅、铝铜、铝锆中间合金，使其全部熔化，并搅拌至熔体均匀； 

3、保温至740℃通入氮气与氩气混合气体精炼（N₂/Ar体积比：3/1），通气压力在0.5～3MPa，通气流量18～20Nm³/h，时间为20～30分钟，并扒渣； 

4、然后保温至720℃加入纯镁和铝镧中间合金，搅拌至熔体均匀，静置浇铸。 

其加工工艺为： 

1、将熔炼铸造得到的铸锭在470～550℃下均匀化退火10～20小时，随炉冷却； 

2、将铸锭温度控制在480℃～540℃进行热变形，热变形的终了温度不低于380℃，热变形总变形率达到80%～94%； 

3、然后再以80%～90%的总变形率对热变形坯进行冷变形。 

其热处理工艺为 

1、对铝合金产品进行退火，退火温度为330℃～350℃，保温时间2小时； 

2、以490℃～525℃进行固溶处理1～3小时； 

3、以175℃～200℃进行人工时效处理24～36小时。 

本发明的有益效果是： 

影响铝合金母线强度、耐热性及导电率的主要因素是铝合金母线的材料成分及材料内部组织结构形态。本发明采用合理的铝合金母线材料成分配比，采用特定的铝合金母线加工工艺，使母线材料形成沿[100]方向排列的平行针状过渡相，使母线材料同时兼有高强、高导电率、耐热的性能。母线材料的导电率≥62.5%IACS，同时室温抗拉强度为186MPa～232MPa，短时容许使用温度达到150℃，连续使用温度达到120℃。 

锆Zr元素是耐热铝合金母线中起主要作用的元素。但通常锆Zr元素的加入同时会使铝合金母线的导电性能降低。锆Zr以固溶形式存在于铝Al晶格中，降低铝合金母线电导率的原因有两种：（1）引起铝Al晶格点阵畸变，增加电子散射，降低电导率；（2）锆Zr是过渡族元素，最外层电子层上只有2个电子，未充满性强，铝Al中自由电子转移到锆Zr原子中去，减少了自由运动的电子数量，降低电导率。为了解决上述问题，提高含锆Zr铝合金母线的电导率，通过加工工艺使α（Al）固溶体中锆Zr量尽可能少，锆Zr以ZrAl₃析出质点的形式存在，质点尺寸大于1×10^-8m；为了提高其强度和耐热性，ZrAl₃质点尽可能小，且分布均匀。为了同时达到上述两个目的，将锆Zr元素的质量分数控制在0.03～0.3%，将均匀化温度控制在470～ 550℃，均匀化时间在10～20小时，这样，ZrAl₃析出质点越细小，加热时间越长，含锆Zr的Al固溶体分解越充分。 

稀土镧La在铝合金母线材料中起到良好的净化除杂作用。在加入稀土前杂质多以游离状态存在，加入稀土后，稀土与固溶于铝中的有害杂质形成了稳定的金属间化合物，并在晶界析出，降低了杂质元素在基体中的固溶度，从而提高铝的导电性。但稀土含量的增加会使母线材料的抗拉强度先升高后降低，为了达到最大的抗拉强度及最良的导电性，将稀土镧La控制在质量分数为0.05～0.38 %之间。 

控制铜Cu/镁Mg比值为1.9～2.3，组织中的Mg₂Si相完全消失，铝合金母线材料的室温和高温抗拉强度达到最大值，同时保持高导电率。 

控制热变形总变形率达到80%～94%，及冷变形率为80%～90%。大变形量有利于形成网状位错亚结构。网壁处的位错密度高，网内密度低。在175℃～200℃温度范围内进行时效，析出针状过渡相。针状物沿[100]方向排列。大变形量使析出物局部化，集中在先变形的网状边界，并在两个相邻的网格之间几乎是连续的界面层。析出物的这种形态既保证了合金材料的高机械性能又获得了高导电性能。 

具体实施方式：

实施例1： 

一种高强、高导电率、耐热铝合金母线，其化学成分按质量百分比为： 

镁Mg 0.58%、硅Si 0.46%、铜Cu 1.22%、锆Zr0.14 %、稀土镧La 0.102 %、铁Fe0.15%、锰Mn＜0.01%、铜Cu/镁Mg比值为2.10，余量为铝Al。 

所述一种高强、高导电率、耐热铝合金母线制备方法为： 

1、将重熔用铝锭或铝液在750℃熔化，保温； 

2、按上述铝合金质量百分比含量在温度740℃加入铝硅、铝铜、铝锆中间合金，使其全部熔化，并搅拌至熔体均匀； 

3、保温至740℃通入氮气与氩气混合气体精炼（N₂/Ar体积比：3/1），通气压力控制在3大气压，通气流量控制在20Nm³/h，时间为20分钟，并扒渣； 

4、然后保温至720℃加入纯镁和铝镧中间合金，搅拌至熔体均匀，静置浇铸。 

所述一种高强、高导电率、耐热铝合金母线加工工艺为： 

1、将熔炼铸造得到的铸锭在485℃下均匀化退火20小时，随炉冷却； 

2、将铸锭温度控制在495℃进行热轧变形，热轧变形的终了温度不低于380℃，热轧变形总变形率达控制在88%； 

3、然后再以85%的总变形率对热轧变形坯进行冷轧变形。 

所述一种高强、高导电率、耐热铝合金母线的热处理工艺为： 

1、对铝合金产品进行退火，退火温度为335℃，保温时间2小时； 

2、以500℃进行固溶处理2小时； 

3、以185℃进行人工时效处理26小时。 

经过实验利用此工艺生产的本发明一种高强、高导电率、耐热铝合金母线，导电率最高达到62.8%IACS，同时室温抗拉强度达到193MPa，使用温度不超过180℃时，使用时间可达到400h，使用温度不超过150℃时，使用时间可达到40a。 

实施例2： 

一种高强、高导电率、耐热铝合金母线，其化学其成分按质量百分比为： 

镁Mg 0.76%、硅Si 0.58%、铜Cu 1.56%、锆Zr0.18 %、稀土La 0.19 %、铁Fe0.22%、锰Mn＜0.01%、铜Cu/镁Mg比值为2.05，其余为铝Al。 

所述一种高强、高导电率、耐热铝合金母线制备方法为： 

1、将重熔用铝锭或铝液在745℃熔化，保温； 

2、按上述铝合金质量百分比含量在温度738℃加入铝硅、铝铜、铝锆中间合金，使其全部熔化，并搅拌至熔体均匀； 

3、保温至740℃通入氮气与氩气混合气体精炼（N₂/Ar体积比：3/1），通气压力控制在3大气压，通气流量控制在20Nm³/h，时间为30分钟，并扒渣； 

4、然后保温至720℃加入纯镁和铝镧中间合金，搅拌至熔体均匀，静置浇铸。 

所述一种高强、高导电率、耐热铝合金母线加工工艺为： 

1、将熔炼铸造得到的铸锭在498℃下均匀化退火18小时，随炉冷却； 

2、将铸锭温度控制在505℃进行热轧变形，热轧变形的终了温度不低于380℃，热轧变形总变形率达到90%； 

3、然后再以88%的总变形率对热轧变形坯进行冷轧变形。 

所述一种高强、高导电率、耐热铝合金母线的热处理工艺为： 

1、对铝合金产品进行退火，退火温度为340℃，保温时间2小时； 

2、以505℃进行固溶处理1.5小时； 

3、以190℃进行人工时效处理28小时。 

经过实验，利用此工艺生产的本发明一种高强、高导电率、耐热铝合金母线，导电率最高达到62.0%IACS，同时室温抗拉强度达到232MPa，使用温度不超过180℃时，使用时间可达到400h，使用温度不超过150℃时，使用时间可达到40a。 

实施例3： 

一种高强、高导电率、耐热铝合金母线，其化学成分按质量百分比为： 

镁Mg 0.88%、硅Si 0.72%、铜Cu 1.76%、锆Zr0.22 %、稀土La 0.26 %、铁Fe0.24%、锰Mn＜0.01%、铜Cu/镁Mg比值为2.00，其余为铝Al。 

所述一种高强、高导电率、耐热铝合金母线制备方法为： 

1、将重熔用铝锭或铝液在738℃熔化，保温； 

2、按上述铝合金质量百分比含量在温度735℃加入铝硅、铝铜、铝锆中间合金，使其全部熔化，并搅拌至熔体均匀； 

3、保温至740℃通入氮气与氩气混合气体精炼（N₂/Ar体积比：3/1），通气压力控制在3大气压，通气流量控制在18Nm³/h，时间为28分钟，并扒渣； 

4、然后保温至720℃加入纯镁和铝稀土中间合金，搅拌至熔体均匀，静置浇铸。 

所述一种高强、高导电率、耐热铝合金母线加工工艺为： 

1、将熔炼铸造得到的铸锭在505℃下均匀化退火16小时，随炉冷却； 

2、将铸锭温度控制在515℃进行热轧变形，热轧变形的终了温度不低于380℃，热轧变形总变形率达到92%； 

3、然后再以90%的总变形率对热轧变形坯进行冷轧变形。 

所述一种高强、高导电率、耐热铝合金母线热处理工艺为： 

1、对铝合金产品进行退火，退火温度为345℃，保温时间2小时； 

2、以510℃进行固溶处理2小时； 

3、以195℃进行人工时效处理30小时。 

经过实验，利用此工艺生产的本发明一种高强、高导电率、耐热铝合金母线，导电率最高达到62.8%IACS，同时室温抗拉强度达到190MPa，使用温度不超过180℃时，使用时间可达到400h，使用温度不超过150℃时，使用时间可达到40a。 

实施例4： 

一种高强、高导电率、耐热铝合金母线，其化学成分按质量百分比为： 

镁Mg 0.99%、硅Si 0.89%、铜Cu 2.10%、锆Zr0.28 %、稀土La 0.36 %、铁Fe0.33%、锰Mn＜0.01%、铜Cu/镁Mg比值为2.12，其余为铝Al。 

所述一种高强、高导电率、耐热铝合金母线制备方法为： 

1、将重熔用铝锭或铝液在732℃熔化，保温； 

2、按上述铝合金质量百分比含量在温度735℃加入铝硅、铝铜、铝锆中间合金，使其全部熔化，并搅拌至熔体均匀； 

3、保温至740℃通入氮气与氩气混合气体精炼（N₂/Ar体积比：3/1），通气压力控制在3 大气压，通气流量控制在20Nm³/h，时间为25分钟，并扒渣； 

4、然后保温至720℃加入纯镁和铝稀土中间合金，搅拌至熔体均匀，静置浇铸。 

所述一种高强、高导电率、耐热铝合金母线加工工艺为： 

其加工工艺为： 

1、将熔炼铸造得到的铸锭在515℃下均匀化退火14小时，随炉冷却； 

2、将铸锭温度控制在525℃进行热轧变形，热轧变形的终了温度不低于380℃，热轧变形总变形率达到85%； 

3、然后再以80%的总变形率对热轧变形坯进行冷轧变形。 

所述一种高强、高导电率、耐热铝合金母线热处理工艺为： 

1、对铝合金产品进行退火，退火温度为350℃，保温时间2小时； 

2、以515℃进行固溶处理2.5小时； 

3、以180℃进行人工时效处理32小时。 

经过实验，利用此工艺生产的一种高强、高导电率、耐热铝合金母线，导电率最高达到62.5%IACS，同时室温抗拉强度达到225MPa，使用温度不超过180℃时，使用时间可达到400h，使用温度不超过150℃时，使用时间可达到40a。 

本发明通过配制特定的材料组分，制定特定的加工工艺，使铝合金母线材料具有高导电率的同时，兼具有优良的机械性能和高温使用性能。 

1、一种高强、高导电率、耐热铝合金母线，其特征在于：其化学成分的质量百分含量如下： 

镁Mg 0.4～1.1%、硅Si 0.3～0.9 %、铜Cu 0.85～2.1 %、锆Zr0.03～0.3 %、稀土La0.05～0.38 %、铁Fe＜0.4%、锰Mn＜0.01%、铜Cu/镁Mg比值为1.9～2.3，余量为铝Al。 

2、一种制备如权利要求1所述一种高强、高导电率、耐热铝合金母线的方法，其特征是： 

（1）将重熔用铝锭或铝液在730～755℃熔化，保温； 

（2）、按上述铝合金质量百分比含量在温度735～745℃加入铝硅、铝铜、铝锆中间合金，使其全部熔化，并搅拌至熔体均匀； 

（3）、保温至740℃通入氮气与氩气混合气体精炼按照N₂/Ar体积比：3/1，通气压力在0.5～3MPa，通气流量18～20Nm³/h，时间为20～30分钟，并扒渣； 

（4）、然后保温至720℃加入纯镁和铝镧中间合金，搅拌至熔体均匀，静置浇铸； 

（5）、将熔炼铸造得到的铸锭在470～550℃下均匀化退火10～20小时，随炉冷却； 

（6）、将铸锭温度控制在480℃～540℃进行热变形，热变形的终了温度不低于380℃，热变形总变形率达到80%～94%； 

（7）、然后再以80%～90%的总变形率对热变形坯进行冷变形； 

（8）、对上述步骤的铝合金产品进行退火，退火温度为330℃～350℃，保温时间2小时； 

（9）、以490℃～525℃进行固溶处理1～3小时； 

（10）、以175℃～200℃进行人工时效处理24～36小时，即得到本发明所述的一种高强、高导电率、耐热铝合金母线。 

一种高强、高导电率、耐热铝合金母线，其特征在于：其化学成分的质量百分含量如下： 

镁Mg 0.4～1.1%、硅Si 0.3～0.9 %、铜Cu 0.85～2.1 %、锆Zr0.03～0.3 %、稀土La0.05～0.38 %、铁Fe＜0.4%、锰Mn＜0.01%、铜Cu/镁Mg比值为1.9～2.3，余量为铝Al。制备本发明铝合金母线材料的方法如下：按照上述材料成分配比，通过熔炼铸锭、加工使其变形，最后采用热处理，即得到本发明一种高强、高导电率耐热铝合金母线材料。 

Claims (2)

1.一种高强、高导电率、耐热铝合金母线，其特征在于：其化学成分的质量百分含量如下：

镁Mg 0.4～1.1%、硅Si 0.3～0.9 %、铜Cu 0.85～2.1 %、锆Zr0.03～0.3 %、稀土La0.05～0.38 %、铁Fe＜0.4%、锰Mn＜0.01%、铜Cu/镁Mg比值为1.9～2.3，余量为铝Al。

2.一种制备如权利要求1所述一种高强、高导电率、耐热铝合金母线的方法，其特征是：

（1）将重熔用铝锭或铝液在730～755℃熔化，保温；

（2）、按上述铝合金质量百分比含量在温度735～745℃加入铝硅、铝铜、铝锆中间合金，使其全部熔化，并搅拌至熔体均匀；

（3）、保温至740℃通入氮气与氩气混合气体精炼按照N₂/Ar体积比：3/1，通气压力在0.5～3MPa，通气流量18～20Nm³/h，时间为20～30分钟，并扒渣；

（4）、然后保温至720℃加入纯镁和铝镧中间合金，搅拌至熔体均匀，静置浇铸；

（5）、将熔炼铸造得到的铸锭在470～550℃下均匀化退火10～20小时，随炉冷却；

（6）、将铸锭温度控制在480℃～540℃进行热变形，热变形的终了温度不低于380℃，热变形总变形率达到80%～94%；

（7）、然后再以80%～90%的总变形率对热变形坯进行冷变形；

（8）、对上述步骤的铝合金产品进行退火，退火温度为330℃～350℃，保温时间2小时；

（9）、以490℃～525℃进行固溶处理1～3小时；

（10）、以175℃～200℃进行人工时效处理24～36小时，即得到本发明所述的一种高强、高导电率、耐热铝合金母线。