CN103276261A - 一种高导电率铝合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高导电率铝合金的制备方法，属于有色金属材料领域。配置合金元素及百分比含量为：硅Si：4.5-13.5%、镁Mg：0.1-1.5%、杂质元素之和≤0.1%的铝锭置入炉内熔化，加入含量为0.1-0.3%的锆，作为合金化处理的添加元素，经均匀搅拌后加入0.1-1.35%的稀土元素进行变质，净化除气、除渣，用固体覆盖剂覆盖铝液表面；然后进行浇铸，制成铝合金导体材料；将其进行第一级时效处理和第二级时效处理后，出炉空冷。本发明制造出的铝硅合金能满足输变电行业对铝合金材料导电率及力学性能要求，且制备工艺简单，成本低廉，易于批量化生产。

Description

一种高导电率铝合金的制备方法

技术领域

本发明涉及一种导电铝合金的制造方法，具体说是一种适合于输变电设备制造的高导电率铝合金材料，属于有色金属材料领域。

技术背景

在电力行业，铝及其铝合金扮演着重要角色。由于输电材料、电力运行要求具有特殊性，对于高压输变电设备上的重要装置电力金具来说，对其电导率、强度和气密性均有较高的要求。国内更多集中于研究高纯度铝合金方向，通过尽量降低基体合金中杂质含量，(si≤1％)，以提高合金导电率。而国内铝土矿资源十分丰富，但是铝的品位较低，且伴有大量的硅元素。这使得高纯度电工铝熔炼难度大，制备工艺复杂，经济成本不合理。因此，为充分利用国产铝土矿中富含高硅的优势，在不降低硅含量的情况下，通过改变制备工艺、特殊元素的添加及合理热处理方式改善合金组织，以提高铝合金的导电性能(降低电阻率)，可相应减少能量损耗，改善电网的输送效率，使其满足电力工业的指标要求。

近几年，国内对于高硅铝合金导电性能方面进行了探索，研究表明，以固溶态存在的杂质对导体电阻率的影响比析出态的影响大，作为基本合金元素的硅在很大程度上决定了合金整体的电阻率，成为影响铝硅合金导电性的主要元素, 硅在基体中的存在形式、位置、类型对导电性的影响也极为重要。同时合金内的相界面，各相的形状、大小及分布状况，晶粒的大小，点阵畸变，尤其是晶粒内部异类原子的偏聚对电阻的影响不容忽视。

申请号为200810204595.7、名称为“一种高硅铝基合金及其制备方法”的专利采用喷射雾化制备铝合金粉末、高能球磨、挤压成型及多道冷轧的工艺流程，制备出高性能的铝基合金材料，其硅含量为5~60%，导电率为45%IACS。申请号为200810204594.2、名称为“高导电率高硅铝基合金及其制备方法”的专利采用喷射成型技术将雾化合金液滴喷射到接受体上成型，然后将坯件进行热挤压及多道冷轧工序获得高导电率铝基合金。但是，它存在如下缺点：（1）工艺流程复杂、周期长，生产效率低，使得规模化工业制备难度很大，而且制备的材料尺寸有限，限制了其应用领域，使得其优异性能无法得到充分发挥。（2）技术难度大，熔液在雾化转变成粉末时气场保护、雾化速度、冷却速度控制等技术要求高，否则将出现颗粒粗大、颗粒粘接成团等问题，直接降低合计的性能。（3）引入杂质，机械研磨过程中，由于金属原料、磨球、研磨桶之间长时间相互作用会引入杂质，降低合金的导电性能；（4）重复性差，合金性能直接决定于粉末颗粒尺寸，Si的弥散度及化合物分布的均匀度等，导致合金质量不稳定。

 陈丽芬、张旭宏、方小汉、田宝云发表了“高导电性铝硅合金的工艺试验及应用”论文，通过严格控制ZL101A合金中Si、Mg元素质量百分比，并将铸铝合金ZL101A-T6 热处理调整为 T7（固溶处理加稳定化处理），该工艺制备的铸铝件的组织疏松、铸件内易夹渣夹气，其力学性能损失大。因此，本专利通过加入质量分数为0.10~1.35%稀土元素、0.1~0.3%锆等对铝液进行处理，以净化铝液中氢、氮、硫、钒、锰等元素，减少晶粒内部杂质含量；通过两级时效处理降低合金孔隙率及硅在铝中的固溶量，晶格畸变减弱，细化晶粒，使得合金既具有良好力学性能，其电导率也显著提高。另外，本工艺制备的导电铝合金中硅含量更高，使合金液流动好，铸造性能更佳。

发明内容

本发明的目的是提供一种硅含量较高、机械强度高、耐磨性好，同时具有较高导电率的铸造铝基合金的制备方法，其适合于电力行业的输变电设备的制造。

本发明采用如下技术方案：

 一种高导电率铝基合金的制备方法，其特征在于，所述合金包含的合金元素及其质量百分比含量为，硅Si：4.5~13.5% ，镁Mg：0.1~1.5%；锆Zr：0.1~0.3%，稀土：0.10~1.35%，不可避免的杂质元素之和≤0.1%，余量为铝Al；

上述技术方案中，选用铝-硅合金作为铸锭原料，其硅含量范围在4.5~13.5%，可充分利用国内富含高硅的铝矿资源。合金中质量含量为0.1~1.5%的镁以铝镁中间合金的形式加入。稀土富含铈Ce、镧La，其中铈Ce的含量占稀土元素总质量百分比为40%~45%，镧La含量占稀土总质量百分比为25%~35%，其余含量为钇Y、钪Sc等稀土成分。稀土以铝稀土中间合金的形式加入。其他元素含量（铁、钛、锰、铬等之和≤0.1%），无法避免的杂质元素之和≤0.1%。

一种高导电率铝基合金的制备方法，按照下列步骤：

（1）先将铝锭原料、铝-硅合金加入到熔化炉中，温度控制在750~770℃使其融化，保温5~10分钟，元素硅占熔体总质量的4.5~13.5%；再向熔化液中加入铝-镁中间合金，使元素镁占熔体总质量的0.1~1.5%，并用碳罩将其压入铝熔液中，持续均匀搅拌；

（2）向熔体内加入工业锆Zr，使元素锆占熔体总质量的0.1-0.3%，持续搅拌至熔体均匀，温度控制在740~760℃，保温10~15分钟；

（3）降温至740℃，加入铝-稀土中间合金，使稀土元素占熔体总质量的0.10~1.35%，待其充分融化后往熔液中加入精炼剂，在其底部吹入氮气或氩气进行净化处理10~15分钟，入口处氩气压力为1.2~2.5kg/cm³，搅拌时使温度在720~740℃之间，并扒渣；

（4）用固体覆盖剂覆盖熔液表面，温度控制在700~720℃，静置20~30分钟；然后将制得的熔液经流槽及过滤装置过滤，进行金属模浇注、或采用专用铝合金连铸机进行连续浇铸，制成铝合金导体材料；

（5）将制备的铝铸件置入温度在485±5℃电炉内2小时后直接用60~70℃水淬；再将铸件转入温度在120~140℃的炉内保温6~8小时进行第一级时效处理，最后转入温度为200~225℃炉中保温8~10小时进行第二级时效处理，且保证铝铸件从第一级处理炉转入第二级处理炉的转移时间不超过30s，最后出炉空冷。

上述制备方案中，在铝镁中间合金、铝-稀土中间合金加入炉内之前要进行烘干、并进行预热，预热温度为200~220℃。

上述制备方案中所采用的固体覆盖剂主要成分为氟化铝钠。

上述制备方案中，要将金属模具、或铸造机进行预热，预热温度为300-350℃。

本发明获得如下技术效果：

（1）本发明加入以富含铈和镧为主的稀土元素，质量百分比在0.10~1.35%，加入稀土后，起到了净化作用，因为稀土有良好的吸氢固氢作用，可除去氧、氮、硫、钒、锰等元素，形成多种稳定的稀土化物，如ReH2、ReH3，RExSy，REAlO3等，在铝合金中具有除气、除渣、改变杂质状态的净化剂。稀土元素中的铈、镧具有很强的亲和力，可与固溶于铝中的有害杂质和原处于固溶状态的硅分别形成稳定的金属间化合物AlReSi(分布于晶界)，降低合金孔隙率及硅和杂质元素在铝中的固溶量，减少晶粒内部杂质含量，晶格畸变减弱，使得电子散射几率减少，利于提高铝的电导率。

（2）本发明中加入微量锆元素，使晶粒细化，对合金的淬火敏感性、断裂韧性、抗应力腐蚀和抗再结晶等均有显著影响，提高合金的综合性能。由于在低温铝合金基体中几乎不溶解锆，且经过热处理后，加入的适量锆元素主要以稳定的金属间化合物形式析出，所以不会由此引起晶格畸变从而较大的影响电导率。合金中加入0.1~1.5%的镁元素，使其与硅相互反应形成                                               

相，在热处理状态下，

溶于固溶体中，并在后续的时效过程中析出，起到沉淀强化作用。实验表明，当镁含量较低时，以固溶为主，镁原子溶入

铝基体中，

相的点阵受溶质原子的影响产生畸变，从而增加了电子波的散射，电导率下降；当镁含量较高时，合金中有序相

数量的增多，将改善离子电场的规整性，减少了电子的散射，使电导率增加。

（3）经熔炼、铸锭、锻造、或挤压、或轧制成铝合金型材后，先固溶处理，后再在不同梯度温度下时效处理，即先在120~140℃的炉内6~8小时进行第一级时效处理，铝基体形成较均匀的细小粒子，这些粒子不仅在晶界，同时在晶内大量析出，接着转入温度为200~225℃炉中8~10小时进行第二级时效处理，使这些粒子长大形成分布均匀，体积分数大的析出相粒子，整体金相组织均得到均匀化，枝晶偏析得到很大缓解，导致晶内和晶界析出相增多，降低了溶质原子，使固溶体基体晶格产生歪扭畸变程度变小，基体点阵电子散射源的数量和密度减少，对传导电子的阻碍作用减小，导致了电导率升高。两级时效处理在晶界上形成不连续的晶界析出相，导致传导电子在晶界附近传导时受的阻碍作用变小，从而使电导率升高。

（4）本发明通过调整合金元素成分，添加特种元素及热处理工艺制备的铝合金，具有导电性好、气密性高、力学性能优异等优点。此种高性能的铝硅合金的耐磨性比一般材料提高4~5倍，高温条件下，强度高、膨胀系数小、尺寸稳定性高。满足电力行业中的输变电设备对材料性能要求，且制备的合金材料尺寸、形状不受限，应用场合及领域广泛。

具体实施方式

实施例1：取铝硅合金100公斤（其中硅含量为14%）、铝镁中间合金5公斤（镁含量为10%），铝-稀土中间合金8公斤（稀土含量为 10%）、工业纯锆0.15公斤；将上述原料分批加入感应式电炉中熔炼，将准备好的铝硅合金放入坩埚中，用电阻炉加热熔炼，待其完全融化后再加入铝镁合金，用碳罩将其压入合金溶液中，均匀搅拌使其充分扩散。接着向合金溶液中加入的锆，持续用电动均匀搅拌，保温20~30分钟。当溶液降温至740℃加入铝-稀土合金，用碳罩将其压入溶液底部中，并持续均匀搅拌，待其融化并充分扩散后充入高纯氩气进行净化除气10分钟，扒渣，用固体氟化铝钠覆盖铝液表面，保温温度为710℃，静置40分钟后将合金液浇铸成直径为60mm的铝锭。将制备的20mm的铝杆放入电阻箱内进行固溶，温度为480℃，处理2h后再用60℃水淬；再放入温度为140℃的炉内6小时进行第一级时效处理，完成后转入温度为200℃的炉内10h进行第二级时效处理，转移时间在25s之内，出炉空冷。

Claims (5)

1.一种高导电率铝合金的制备方法，其特征在于，所述合金包含的合金元素及其质量百分比含量为，硅Si：4.5~13.5%，镁Mg：0.1~1.5%；锆Zr：0.1~0.3%，稀土：0.10~1.35%，不可避免的杂质元素之和≤0.1%，余量为铝Al；具体制备步骤为：

（A）先将铝锭原料、铝-硅合金加入到熔化炉中，温度控制在750~770℃使其融化，保温5~10分钟，元素硅占熔体总质量的4.5~13.5%；再向熔化液中加入铝-镁中间合金，使元素镁占熔体总质量的0.1~1.5%，并用碳罩将其压入铝熔液中，持续均匀搅拌；

（B）向熔体内加入工业锆Zr，使元素锆占熔体总质量的0.1-0.3%，持续搅拌至熔体均匀，温度控制在740~760℃，保温10~15分钟；

（C）降温至740℃，加入铝-稀土中间合金，使稀土元素占熔体总质量的0.10~1.35%，待其充分融化后往熔液中加入精炼剂，在其底部吹入氮气或氩气进行净化处理10~15分钟，入口处氩气压力为1.2~2.5kg/cm³，搅拌时使温度在720~740℃之间，并扒渣；

（D）用固体覆盖剂覆盖熔液表面，温度控制在700~720℃，静置20~30分钟；然后将制得的熔液经流槽及过滤装置过滤，进行金属模浇注、或采用专用铝合金连铸机进行连续浇铸，制成铝合金导体材料；

（E）将制备的铝铸件置入温度在485±5℃电炉内2小时后直接用60~70℃水淬；再将铸件转入温度在120~140℃的炉内保温6~8小时进行第一级时效处理，最后转入温度为200~225℃炉中保温8~10小时进行第二级时效处理，且铝铸件从第一级处理炉转入第二级处理炉的转移时间不超过30s，最后出炉空冷。

2. 根据权利要求1所述的一种高导电率铝合金的制备方法，其特征在于，所述稀土中铈Ce的含量占稀土总质量百分比为40%~45%，镧La含量占稀土总质量百分比为25%~35%。

3. 根据权利要求1所述的一种高导电率铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（C）中，所述固体覆盖剂主要成分为氟化铝钠。

4. 根据权利要求1所述的一种高导电率铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（A）中，所述铝-镁中间合金、铝Al-稀土中间合金加入前要进行烘干、预热，预热温度为200~220℃。

5. 根据权利要求1所述的一种高导电率铝合金的制备方法，其特征在于，在所述步骤（d）之前，将金属模具、或铸造机进行预热，预热温度为300-350℃。