CN103390820B - 一种含Sc、Ni铝合金及铜连接端子及其制备方法 - Google Patents

一种含Sc、Ni铝合金及铜连接端子及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含Sc、Ni铝合金及铜连接端子的制备方法。利用Sc、Ni元素作为连接端子铝合金管的微合金化元素,将经过熔化成液体状态的Al-Sc、Al-Ni中间合金加入铝合金液,通过连铸连轧按要求制成铝合金棒并在600℃保温处理后自然冷却,与铜头经过车端面进行旋转摩擦焊焊接形成冶金态结合,按要求对连接端子铝合金棒进行钻孔,得到铝合金/铜连接端子。本发明与现有技术相比,在保持优良导电性的同时提高铝合金/铜连接端子的强度,显著改善其耐蚀性与焊接性,使铝合金电缆间及铝合金电缆与各终端设备间能完美连接。

Description

一种含Sc、Ni铝合金及铜连接端子及其制备方法
技术领域
本发明涉及连接端子领域,尤其涉及一种含有Sc、Ni铝合金及铜连接端子及其制备方法。
背景技术
电力系统中,电力设备的接线端通常由铜材制造而成,如果其与铝合金电缆直接相连,接触电阻会很大,当设备长期运行、过载或短路时,连接处会迅速升温,引发事故。因此一般使用经过特殊工艺处理焊接而成的铜铝过渡端子。但是,目前所用都为电工铝铜过渡连接端子,且受制于焊接工艺水平,铝铜过渡端子的强度、焊接性能和抗腐蚀性能很差。这些不利影响缩短了运行中铜铝过渡接头的使用寿命,大大降低供电系统的安全性。如何提高铝铜过渡端子强度并且改善其抗腐蚀及焊接性能是当前急需解决的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明提供一种制备含有Sc、Ni元素的铝合金及铜连接端子及其制备方法,通过使用含Sc、Ni铝合金,并配合旋转摩擦焊工艺,使铜铝相互扩散经动态再结晶后达到冶金结合,显著提高了端子的强度,大大改善了其焊接性能和耐腐蚀性。
本发明提供一种含Sc、Ni的铝合金及铜连接端子,包括铝合金管和铜头,所述铝合金管按重量百分比包含:铁Fe0.79%-0.8%,铜Cu0.13%-0.15%,钪Sc0.0029%-0.0068%,镍Ni0.1%-0.3%,硅Si0.061%-0.062%,铝Al及其他不可避免的杂质。
优选地,所述铝合金管含铁0.79%(重量百分比);铜Cu0.14%(重量百分比);钪Sc0.0049%(重量百分比);镍Ni0.15%(重量百分比);硅Si0.062%(重量百分比)。
优选地,所述铝合金管的抗拉强度σ为150-180MPa。
优选地,所述铜头由纯度为99.9%的T2紫铜经锻造制得。
优选地,所述铝合金管和铜头通过旋转摩擦焊工艺相互连接。
所述端子电阻率为2.79-2.91×10-8Ω·m,即59.2-61.6IACS;按国家标准GB/T228-2010室温拉伸测试时,所述端子的强度比铝合金要高,且均在铝管侧断裂;腐蚀性能按国际标准ISO9227-2012测试,所述端子的质量变化率为0.015%-0.026%。
本发明还提供了一种含Sc、Ni铝合金及铜连接端子的制备方法,包括以下步骤:
步骤一:配料
按重量百分比进行配料:铁Fe0.79%-0.8%,铜Cu0.13%-0.15%,钪Sc0.0029%-0.0068%,镍Ni0.1%-0.3%,硅Si0.061%-0.062%,余量为工业纯铝锭;
步骤二:熔炼铝合金
将所述工业纯铝锭放入中频感应电炉中熔化,再加入Al-Fe、Al-Cu及Al-Si中间合金,并搅拌和保温;
步骤三:添加Al-Sc、Al-Ni中间合金
向中频感应电炉内的铝合金液体中加入Al-Sc、Al-Ni中间合金液体,并搅拌、精炼、除气、除渣,然后在750℃-800℃之间静置30分钟,静置期间对炉内成分进行分析和调整;
步骤四:连铸连轧
将步骤三得到的铝液注入结晶器以进行连铸连轧,得到铝合金棒,轧机进口温度为:480℃-560℃,出口温度为:270℃-320℃;
步骤五:保温
对铝合金棒在600℃下进行30分钟的保温处理,然后自然冷却;
步骤六:制备铜头
将铜型材加工成表面光滑、无飞边毛刺的铜头;
步骤七:摩擦焊预处理
将铝合金棒与铜头车端面,去除待焊接部分的氧化膜;
步骤八:旋转摩擦焊
采用旋转摩擦焊对铝合金棒与铜头进行焊接,使铜头挤入铝合金棒端面2-3mm深度,接触表面形成冶金态结合;
步骤九:钻孔
按要求对铝合金棒进行钻孔,得到所述含Sc、Ni铝合金及铜连接端子。
本发明通过使用含Sc、Ni铝合金替代电工铝,配合旋转摩擦焊工艺可以使铜铝相互扩散经动态再结晶后达到冶金结合,显著提高铜铝过渡端子的强度,改善其焊接性能和耐腐蚀性。
原子序数为21的Sc属3d型过渡族金属,与Ti、V、Cr、Mn等同周期,与La、Ce、Pr、Nd等同族,因此在铝合金中它兼有稀土元素、过渡族元素这两类金属的有益作用。微量钪加入到铝合金中,能显著细化晶粒、抑制再结晶,在保持铝合金优良导电性的同时显著提高其强度抗蚀性能及焊接性能。
Sc在铝中的固溶度随着温度降低急剧减小,过饱和固溶体分解时析出大量高度弥散、共格的二次Al3Sc相质点,强烈钉扎位错,大幅提高了位错滑移所需的切应力,阻碍位错运动。另一方面这些弥散、细小的次生Al3Sc相共格质点阻止由二维的位错网络组成的亚晶界迁移与合并,从而对合金造成了强烈的亚结构强化作用。由于钪在铝中形成的二次Al3Sc相的沉淀强化和一次Al3Sc相的细晶强化两种机制的共同作用,铝合金管强度明显提高,而塑性变化不大。
Al3Sc相为立方结构,点阵常数a=0.410nm,与铝的晶格常数只相差1.5%,无论晶体结构还是晶格常数均与基体铝(fcc,a=0.405nm)极为相似,与母相铝有着极大的共格配。这些高度弥散小质点有利于使晶粒转动到一致的取向从而形成织构,使铝合金管强度大幅提高的同时导电性基本不变。
Sc的加入细化了晶粒,抑制了再结晶过程,使多边化组织的稳定性上升,并使铝合金晶内和晶界沉淀相更加细小、均匀,有利于减小晶界与晶内的电极电位差,使腐蚀均匀,降低晶界腐蚀倾向,从而提高铝合金/铜端子的耐腐蚀性能。
Sc有强烈的变质作用,能细化摩擦焊焊缝熔化区晶粒,显著降低焊接裂纹倾向性。同时Sc能有效抑制热影响区的再结晶,由基体的亚晶组织直接过渡到焊缝的铸态区,使本应具有再结晶组织的焊缝过渡区或热影响区不具有再结晶组织,且焊缝内铸态晶粒随Sc含量的增加而细化。铝合金中添加微量钪元素之后,在基体中析出大量细小、弥散分布、与基体共格的Al3Sc粒子,Al3Sc粒子具有较高的热稳定性,在合金的热影响区中仍然存在,而热影响区是焊接接头的薄弱部位。因此Sc能显著降低铝合金的热裂缝敏感性,提高铝合金可焊性与焊缝强度以及其抗应力腐蚀性。
铝与铜的连接是制备高性能铝合金/铜连接端子的关键。铜和铝的熔点、熔化潜热和线膨胀系数不同,而且摩擦焊焊接后焊缝混合区内铜、铝金属能反应形成脆性金属间化合物生成,影响接头的使用性能。
镍与铜能无限固溶,在铝合金中添加镍,端子铜头的Cu向铝部分的Ni扩散互溶,同时铝部分所含的Ni向铜头一侧中的Cu扩散互溶。有效阻止铝铜之间形成脆性相,大大提高了铝铜互溶,使铝合金与铜端面在摩擦焊时冶金结合,从而改善接头的综合性能。
在铝合金中添加适量的镍,还能在铝表面形成一层一定厚度的致密腐蚀保护膜,减缓外界对其的腐蚀,进一步增加其抗腐蚀性能。
在本发明完成之前,尚未见到用与本发明制备方法相同的铝合金和铜连接端的产品有销售,也未见到有与本发明相同的制备含有Sc、Ni元素的铝合金及铜连接端子的方法在文献中有记载。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面给出本发明的几个优选实施例,以更好地阐述本发明所述的铝合金导线制备方法。显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1:
1.铝合金配料:每100kgA99.7工业纯铝锭添加:4kg的Al-Fe(含Fe20%)中间合金,0.75kg的Al-Cu(含Cu20%)中间合金,0.5kg的Al-Si(含Si12%)中间合金;
2.铝合金熔炼:将纯铝锭加入中频感应电炉中熔化,待铝液温度升至800℃,加入4kg的Al-Fe(含Fe20%)中间合金,0.75kg的Al-Cu中间合金,0.5kg的Al-Si(含Si12%)中间合金,搅拌,保温;
3.Al-Sc、Al-Ni中间合金添加:保温,温度控制在750℃-800℃之间,添加0.06Kg的Al-Sc中间合金(含Sc5%)、1kg的Al-Ni中间合金(含Ni10%)液体,除杂;精炼、除气;除渣,静置30分钟,期间对炉内成分进行分析与调整;
4.连铸连轧:将温度为750℃-800℃的铝合金液注入结晶器进行连铸连轧。控制铸坯进入轧机的温度为480℃-560℃,轧机出口处铝棒温度为270℃-320℃;
5.保温处理:对铝合金棒在600℃下进行30分钟的保温处理,自然冷却;
6.铜头制备:按规格用铜型材加工成铜头,要求表面光滑、无飞边毛刺等缺陷;
7.摩擦焊预处理:将按要求制备的铝合金棒与铜头车端面,去除待焊接部分的氧化膜;
8.旋转摩擦焊:采用旋转摩擦焊对铝合金棒与铜头进行焊接,使铜头挤入铝合金棒端面2-3mm深度,接触表面形成冶金态结合;
9.钻孔:按要求对焊接后端子的铝合金棒进行钻孔;
10.产品铝合金管成分的重量百分比为:铁Fe0.79%、铜Cu0.13%、钪Sc0.0029%、镍Ni0.1%、硅Si0.061%、,余量为铝Al;
11.产品中加工成铝合金管的铝合金棒抗拉强度按国家标准GB/T228-2010测试,σ=151MPa;
12.产品电阻按国家标准GB/T3048.2-2007测试,其电阻率为2.8498×10-8Ω·m,相当于60.5IACS;产品按国家标准GB/T228-2010室温拉伸测试时,强度比铝合金要高,且均在铝管侧断裂;腐蚀性能按国际标准ISO9227-2012测试,其质量变化率为0.026%。
实施例2:
1.铝合金配料:100kgA99.7工业纯铝锭添加:4kg的Al-Fe(含Fe20%)中间合金,0.75kg的Al-Cu(含Cu20%)中间合金,0.5kg的Al-Si(含Si12%)中间合金;
2.铝合金熔炼:将纯铝锭加入中频感应电炉中熔化,待铝液温度升至800℃,加入4kg的Al-Fe(含Fe20%)中间合金,0.75kg的Al-Cu中间合金,0.5kg的Al-Si(含Si12%)中间合金,搅拌,保温;
3.Al-Sc、Al-Ni中间合金添加:保温,温度控制在750℃-800℃之间,添加0.1Kg的Al-Sc中间合金(含Sc5%)、1.5kg的Al-Ni中间合金(含Ni10%)液体,除杂;精炼、除气;除渣,静置30分钟,期间对炉内成分进行分析与调整;
4.连铸连轧:将温度为750℃-800℃的铝合金液注入结晶器进行连铸连轧,控制铸坯进入轧机的温度为480℃-560℃,轧机出口处铝棒温度为270℃-320℃;
5.保温处理:对铝合金棒在600℃下进行30分钟的保温处理,自然冷却;
6.铜头制备:按规格用铜型材加工成铜头,要求表面光滑、无飞边毛刺等缺陷;
7.摩擦焊预处理:将按要求制备的铝合金棒与铜头车端面,去除待焊接部分的氧化膜;
8.旋转摩擦焊:采用旋转摩擦焊对铝合金棒与铜头进行焊接,使铜头挤入铝合金棒端面2-3mm深度,接触表面形成冶金态结合;
9.钻孔:按要求对焊接后端子的铝合金棒进行钻孔;
10.产品成分的重量百分比为:铁Fe0.79%、铜Cu0.14%、钪Sc0.0049%、镍Ni0.15%、硅Si0.062%,余量为铝Al;
11.产品中加工成铝合金管的铝合金棒抗拉强度按国家标准GB/T228-2010测试,σ=169MPa;
12.产品电阻按国家标准GB/T3048.2-2007测试,其电阻率为2.7989×10-8Ω·m,相当于61.6IACS;产品按国家标准GB/T228-2010室温拉伸测试时,强度比铝合金要高,且均在铝管侧断裂;腐蚀性能按国际标准ISO9227-2012测试,其质量变化率为0.015%。
实施例3:
1.铝合金配料:100kgA99.7工业纯铝锭添加:4kg的Al-Fe(含Fe20%)中间合金,0.75kg的Al-Cu(含Cu20%)中间合金,0.5kg的Al-Si(含Si12%)中间合金;
2.铝合金熔炼:将纯铝锭加入中频感应电炉中熔化,待铝液温度升至800℃,加入4kg的Al-Fe(含Fe20%)中间合金,0.75kg的Al-Cu中间合金,0.5kg的Al-Si(含Si12%)中间合金,搅拌,保温;
3.Al-Sc、Al-Ni中间合金添加:保温,温度控制在750℃-800℃之间,添加0.14Kg的Al-Sc中间合金(含Sc5%)、3kg的Al-Ni中间合金(含Ni10%)液体,除杂;精炼、除气;除渣,静置30分钟,期间对炉内成分进行分析与调整;
4.连铸连轧:将温度为750℃-800℃的铝合金液注入结晶器进行连铸连轧,控制铸坯进入轧机的温度为480℃-560℃,轧机出口处圆铝杆温度为270℃-320℃;
5.保温处理:对铝合金棒在600℃下进行30分钟的保温处理,自然冷却;
6.铜头制备:按规格用铜型材加工成铜头,要求表面光滑、无飞边毛刺等缺陷;
7.摩擦焊预处理:将按要求制备的铝合金棒与铜头车端面,去除待焊接部分的氧化膜;
8.旋转摩擦焊:采用旋转摩擦焊对铝合金棒与铜头进行焊接,使铜头挤入铝合金棒端面2-3mm深度,接触表面形成冶金态结合;
9.钻孔:按要求对焊接后端子的铝合金棒进行钻孔;
10.产品成分的重量百分比为:铁Fe0.79%、铜Cu0.13%、钪Sc0.0068%、镍Ni0.28%、硅Si0.062%,余量为铝Al;
11.产品中加工成铝合金管的铝合金棒抗拉强度按国家标准GB/T228-2010测试,σ=180MPa;
12.产品电阻按国家标准GB/T3048.2-2007测试,其电阻率为2.9123×10-8Ω·m,相当于59.2IACS;产品按国家标准GB/T228-2010室温拉伸测试时,强度比铝合金要高,且均在铝管侧断裂;腐蚀性能按国际标准ISO9227-2012测试,其质量变化率为0.022%。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换,而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种含Sc、Ni的铝合金及铜连接端子,包括铝合金管和铜头,其特征在于,所述铝合金管按重量百分比包含:铁Fe0.79%-0.8%,铜Cu0.13%-0.15%,钪Sc0.0029%-0.0068%,镍Ni0.1%-0.3%,硅Si0.061%-0.062%,铝Al及其他不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的含Sc、Ni铝合金及铜连接端子,其特征在于,所述铝合金管含铁0.79%(重量百分比);铜Cu0.14%(重量百分比);钪Sc0.0049%(重量百分比);镍Ni0.15%(重量百分比);硅Si0.062%(重量百分比)。
3.根据权利要求1所述的含Sc、Ni铝合金及铜连接端子,其特征在于,所述铝合金管的抗拉强度σ为150-180MPa。
4.根据权利要求2所述的含Sc、Ni铝合金及铜连接端子,其特征在于,所述铜头由纯度为99.9%的T2紫铜经锻造制得。
5.根据权利要求4所述的含Sc、Ni铝合金及铜连接端子,其特征在于,所述铝合金管和铜头通过旋转摩擦焊工艺相互连接。
6.一种权利要求1-5任一项所述的含Sc、Ni铝合金及铜连接端子的制备方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤一:配料
按重量百分比进行配料:铁Fe0.79%-0.8%,铜Cu0.13%-0.15%,钪Sc0.0029%-0.0068%,镍Ni0.1%-0.3%,硅Si0.061%-0.062%,余量为工业纯铝锭;
步骤二:熔炼铝合金
将所述工业纯铝锭放入中频感应电炉中熔化,再加入Al-Fe、Al-Cu及Al-Si中间合金,并搅拌和保温;
步骤三:添加Al-Sc、Al-Ni中间合金
向中频感应电炉内的铝合金液体中加入Al-Sc、Al-Ni中间合金液体,并搅拌、精炼、除气、除渣,然后在750℃-800℃之间静置30分钟,静置期间对炉内成分进行分析和调整;
步骤四:连铸连轧
将步骤三得到的铝液注入结晶器以进行连铸连轧,得到铝合金棒,轧机进口温度为:480℃-560℃,出口温度为:270℃-320℃;
步骤五:保温
对铝合金棒在600℃下进行30分钟的保温处理,然后自然冷却;
步骤六:制备铜头
将铜型材加工成表面光滑、无飞边毛刺的铜头;
步骤七:摩擦焊预处理
将铝合金棒与铜头车端面,去除待焊接部分的氧化膜;
步骤八:旋转摩擦焊
采用旋转摩擦焊对铝合金棒与铜头进行焊接,使铜头挤入铝合金棒端面2-3mm深度,接触表面形成冶金态结合;
步骤九:钻孔
按要求对铝合金棒进行钻孔,得到所述含Sc、Ni铝合金及铜连接端子。
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