CN103667807A - Al-Fe-Cu铝合金、其制备方法以及铝合金电缆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种Al-Fe-Cu铝合金，本发明还提供了一种Al-Fe-Cu铝合金的制备方法，包括以下步骤：a）铸造铝合金铸锭；b）将所述铝合金铸锭依次进行固溶处理与时效处理，将时效处理后的铝合金铸锭进行轧制，得到铝合金。本发明还提供了一种铝合金电缆。本发明通过对添加元素的选择和控制，并采用合理的制备工艺，使铝合金具有较好的综合性能。

Description

Al-Fe-Cu铝合金、其制备方法以及铝合金电缆

技术领域

本发明涉及合金技术领域，尤其涉及一种Al-Fe-Cu铝合金、其制备方法以及铝合金电缆。

背景技术

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，其在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中得到广泛应用。随着科学技术以及工业经济的飞速发展，铝合金的需求日益增多，因此铝合金的研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金在电力行业的发展，同时电力行业的发展又拓宽了铝合金的应用领域。

电力行业的基础元件电力电缆是用来输送和分配电能的资源，其基本结构由线芯、绝缘层、屏蔽层和保护层四部分组成。其中，线芯是电力电缆的导电部分，用来输送电能，其是电力电缆的主要部分；绝缘层将线芯与大地以及不同相的线芯间在电气间彼此隔离，保证电能输送，其是电力电缆结构中不可缺少的组成部分；保护层是保护电力电缆免受外界杂质和水分的侵入，以及防止外力直接损坏电力电缆。由于铜具有良好的导电性，铜广泛用于电力电缆的线芯。但是随着铜资源的日益匮乏，而铝的含量很丰富，以铝代替铜受到了研究者的关注，因此铝合金作为电缆导体成为了研究的热点。

铝合金电缆替代铜缆逐渐成为一种趋势，并得到了广泛应用。现有技术中的铝合金导体材料，在电性能、耐腐蚀性能和机械性能等方面较为优异，但是在抗疲劳和高温蠕变性能方面还是比较差，从而容易出现质量问题，影响铝合金材料的使用寿命或带来安全隐患，因此，铝合金电缆综合性能仍较差。

针对铝合金用于电力电缆的缺陷，研究者开始致力于提高铝合金在用于电力电缆的研究。例如：公开号为CN101525709A、CN101914708、CN102222546A的中国专利公开的铝合金，虽然铝合金的延展性能得到了改善，但是抗疲劳性能没有得到改善，且虽然也提到了抗蠕变性能得到了提高，但是改善的具体指标没有明确；又如公开号为CN102360624的中国专利公开的铝合金，虽然抗蠕变性能得到了显著改善，但在延展性和抗疲劳性能没有很好的体现出改善的效果，因而依然铝合金的综合性能依然存在不足；再如公开号为CN102119233A的日本专利文献公开的铝合金，在强度和延展性方面得到了提高，且具有较好的弹性极限应力和耐冲击性能，但是抗疲劳性能和抗蠕变性能没有得到提高。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种综合力学性能较好的用于电力电缆的铝合金及其制备方法。

有鉴于此，本申请提供了一种Al-Fe-Cu铝合金，包括Fe、Cu与Al；

所述Fe的含量为0.1wt%～0.9wt%，

所述Cu的含量与Fe的含量的质量比为（0.01～3）：1，

余量的铝。

优选的，所述铝合金中Cu与Fe的质量比为（0.08～2.1）：1。

优选的，所述铝合金的抗拉强度大于等于210MPa；导电率大于等于60%IACS；平均蠕变速度小于等于5×10^-2%/h；疲劳弯折次数大于等于15。

优选的，所述铝合金的断裂伸长率大于等于20%；导电率大于等于61%IACS；平均蠕变速度小于等于8×10^-2%/h；疲劳弯折次数大于等于30。

本申请还提供了所述铝合金的制备方法，包括以下步骤：

a）铸造铝合金铸锭：所述铝合金铸锭中包括Fe、Cu与Al；所述Fe的含量为0.1wt%～0.9wt%，所述Cu的含量与Fe的含量的质量比为（0.01～3）：1，与余量的铝；

b）将所述铝合金铸锭依次进行固溶处理与时效处理，将时效处理后的铝合金铸锭进行轧制，得到铝合金。

优选的，步骤b）之后还包括：

将所述铝合金进行软化处理。

优选的，所述固溶处理的温度为480℃～600℃，时间为40min～60min；所述时效处理的温度为350℃～450℃，时间为1h～3h。

优选的，所述软化处理的温度为大于等于150℃，时间为3h～6h。

本申请还提供了一种铝合金电缆，包括线芯、绝缘层、屏蔽层和保护层，所述线芯为上述方案所述的铝合金或上述方案所制备的铝合金。

优选的，所述铝合金电缆在90℃长期运行的载流量为铜电缆的70%～80%。

本申请提供了一种Al-Fe-Cu铝合金，包括：Fe、Cu与Al；所述Fe的含量为0.1wt%～0.9wt%；所述Cu的含量与Fe的含量的质量比为（0.01～3）：1；余量的铝。本发明以铝为基，添加了微量的铁与铜；铁能够改善铝合金的机械强度与拉伸性能，明显提高铝合金的高温抗蠕变性能与抗疲劳性能，Cu能够提高铝合金的强度与高温蠕变性能，并且改善抗疲劳性能；本申请还限定了Fe与Cu的比例关系，通过合理限定添加元素的质量能够保障合金性能的匹配，使合金具有较好的综合性能。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种Al-Fe-Cu铝合金，包括Fe、Cu与Al；

所述Fe的含量为0.1wt%～0.9wt%，

所述Cu的含量与Fe的含量的质量比为（0.01～3）：1，

余量的铝。

对于铝合金中的基体铝，可以采用工业用的Al99.70的纯铝，使本发明制备的铝合金具有原料供应充足、成本低、采购方便等优势；同时铝基还可以采用精铝或高纯级铝作为基体合金，该铝基比普通铝基材料具有更高的品质，加工成的产品在电性能和机械性能方面更具优势。

本发明中以铝为基体，添加了微量的铁，以实现对铝合金性能的提高。铁可以改善铝合金的机械强度和拉伸性能，可以提高铝基的抗张强度、屈服极限以及耐热性能，同时还可以提高合金的塑性。在铝合金的制备过程中，合金中部分Fe以Al₃Fe的形式析出，部分Fe还与Al形成Al₂Fe₃、Al₄Fe₅化合物析出，高温退火处理后，Fe在铝基中的固溶更小，Fe对合金的电性能影响很小；但是这些弥散析出相能增强合金的抗疲劳性能和高温运行的耐热性能。所述Fe的含量为0.1wt%～0.9wt%，更优选为0.2wt%～0.7wt%，最优选为0.35wt%～0.65wt%。本申请所述铝合金中若铁的含量过低，则铝合金的性能并不能得到明显的改善，若铁的含量过高，则会显著降低铝合金的电性能与抗疲劳性能。

本申请所述铝合金中还包括铜元素，以实现对铝合金性能的提高。所述铜与铝形成θ相，而θ相具有固溶强化和弥散强化的作用，可以提高铝合金的高温抗疲劳性能与高温抗蠕变性能，同时还可以提高铝合金的机械强度。所述Cu的含量与所述Fe的含量的质量比为（0.01～3）：1，优选为（0.08～2.1）：1，更优选为（0.5～1.5）：1。本申请同时限定了Fe的含量以及Cu与Fe的质量比，Cu的含量通过限定Fe与Cu含量的比例关系得到控制，有效改善了铝合金的性能，又不至于添加过多的金属元素以恶化合金的性能，特别是电性能与延伸性能，即本申请通过合理的配比关系保证了合金性能的匹配。

本申请还提供了一种Al-Fe-Cu铝合金的制备方法，包括以下步骤：

a）铸造如下成分的铝合金铸锭：所述铝合金铸锭中包括Fe、Cu与Al；所述Fe的含量为0.1wt%～0.9wt%，所述Cu的含量与Fe的含量的质量比为（0.01～3）：1，与余量的铝；

b）将所述铝合金铸锭依次进行固溶处理与时效处理，将时效处理后的铝合金铸锭进行轧制，得到铝合金。

按照本申请，步骤a）为铸造工序，得到铝合金铸锭，为了使各元素能够充分熔解，在铝合金中均匀分布，所述铸造过程具体为：将铝锭、铁锭、铜锭或铝锭、铝-铁锭、铝-铜锭，置于熔炼炉中在大于等于700℃下熔炼，得到合金熔体，然后再将合金熔体在680℃以下进行铸造，得到铝合金铸锭。

铝合金铸锭制备完成后，将所述铝合金铸锭进行热处理，按照本发明，首先将铝合金铸锭进行固溶处理，然后将固溶处理后的铝合金进行时效处理；所述固溶处理是将铝合金中的析出相溶解于基体中。本申请的固溶处理能够提高铝合金的机械强度与高温抗蠕变性能。所述固溶处理的温度优选为480℃～600℃，更优选为500℃～580℃；所述固溶处理的时间优选为40min～60min。按照本发明，然后将固溶处理后的铝合金进行时效处理，通过时效处理能够使铝合金的性能均匀分布，各项性能综合指标达到俱佳的匹配；通过时效处理同时可以优化合金的机械性能和电性能，特别提高合金的高温抗蠕变性能。所述时效处理的温度优选为350℃～450℃，更优选为380℃～420℃；时间优选为1h～3h，更优选为1.5h～2h。将时效处理后的铝合金铸锭进行轧制，则得到铝合金。

本申请所制备的铝合金经过铸造、固溶处理、时效处理与轧制后，得到的铝合金的抗拉强度大于等于210MPa；导电率大于等于60%IACS；温度120℃、120MPa压应力条件下，1～100h的平均蠕变速度小于等于5×10^-2%/h；疲劳弯折次数大于等于15。

按照本申请，还可以将制备的铝合金进行软化处理，所述软化处理能够消除加工过程中的残余应力，进一步改善铝合金的性能，尤其是优化铝合金的机械性能与电性能，提高铝合金的延展性能与抗疲劳性能。所述软化处理的温度优选大于等于150℃，更优选为200℃～300℃；所述软化处理的时间优选为3h～6h，更优选为4h～5h。所述铝合金经过软化处理后，铝合金的断裂伸长率大于等于20%，导电率大于等于61%IACS；温度120℃、120MPa压应力条件下，1～100h的平均蠕变速度小于等于8×10^-2%/h；疲劳弯折次数大于等于30。

本申请提供了一种Al-Fe-Cu铝合金，包括：Fe、Cu与Al；所述Fe的含量为0.1wt%～0.9wt%；所述Cu的含量与Fe的含量的质量比为（0.01～3）：1；余量的铝。本发明以铝为基，添加了微量的铁与铜；铁能够改善铝合金的机械强度与拉伸性能，明显提高铝合金的高温抗蠕变性能与抗疲劳性能，Cu能够提高铝合金的强度与高温蠕变性能，改善抗疲劳性能；本申请还限定了Fe与Cu的比例关系，通过合理限定添加元素的质量能够保障合金性能的匹配，使合金具有较好的综合性能。本申请的铝合金通过铸造、固溶处理、时效处理与软化处理，进一步提高了铝合金的综合性能。

本发明还提供了一种铝合金电缆，所述铝合金电缆包括线芯、绝缘层、屏蔽层和保护层，本申请上述Al-Fe-Cu铝合金作为铝合金电缆的线芯。所述铝合金电缆按照本领域技术人员熟知的方式制备，只是电力电缆的线芯是本申请所述铝合金或所制备的铝合金。按照本领域技术人员熟知的技术手段，本申请的铝合金经过冷拔、绞合、软化、挤包绝缘、成缆、挤包护套或铠装后，即得到电力行业的电力电缆。本申请所述铝合金电缆在90℃下长期运行载流量能达到不低于相同截面积的铜电缆的70%～80%。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的铝合金及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

（1）将铝锭、铝-铁锭、铝-铜锭投入熔炉中，加热至700℃使之熔化，静置保温30min；然后对上述合金熔体进行炉内精炼；在合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均匀，再静置保温30min，熔体精炼在密封环境中操作；精炼后打渣、静置、调温至650℃，合金液倾倒出炉，再经除气、除渣处理后，进入铸造机进行铸造，得到铝合金铸锭，铸锭成分列于表1；

（2）将步骤（1）得到的铝合金铸锭在480℃下固溶处理，保温40min后空冷至室温，再于350℃进行时效处理，保温2h；然后将时效处理后的铝合金进行轧制，得到铝合金。

将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表2。

实施例2

（1）将铝锭、铝-铁锭、铝-铜锭投入熔炉中，加热至720℃使之熔化，静置保温30min；然后对上述合金熔体进行炉内精炼；在合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均匀，再静置保温30min，熔体精炼在密封环境中操作；精炼后打渣、静置、调温至660℃，合金液倾倒出炉，再经除气、除渣处理后，进入铸造机进行铸造，得到铝合金铸锭，铸锭成分列于表1；

（2）将步骤（1）得到的铝合金铸锭在500℃下固溶处理，保温50min后空冷至室温，再于400℃进行时效处理，保温1h；然后将时效处理后的铝合金进行轧制，得到铝合金。

将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表2。

实施例3

（1）将铝锭、铝-铁锭、铝-铜锭投入熔炉中，加热至700℃使之熔化，静置保温30min；然后对上述合金熔体进行炉内精炼；在合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均匀，再静置保温30min，熔体精炼在密封环境中操作；精炼后打渣、静置、调温至650℃，合金液倾倒出炉，再经除气、除渣处理后，进入铸造机进行铸造，得到铝合金铸锭，铸锭成分列于表1；

（2）将步骤（1）得到的铝合金铸锭在520℃下固溶处理，保温50min后空冷至室温，再于380℃进行时效处理，保温2.5h；然后将时效处理后的铝合金进行轧制，得到铝合金。

将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表2。

实施例4

（1）将铝锭、铝-铁锭、铝-铜锭投入熔炉中，加热至730℃使之熔化，静置保温30min；然后对上述合金熔体进行炉内精炼；在合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均匀，再静置保温30min，熔体精炼在密封环境中操作；精炼后打渣、静置、调温至620℃，合金液倾倒出炉，再经除气、除渣处理后，进入铸造机进行铸造，得到铝合金铸锭，铸锭成分列于表1；

（2）将步骤（1）得到的铝合金铸锭在550℃下固溶处理，保温55min后空冷至室温，再于420℃进行时效处理，保温2.5h；然后将时效处理后的铝合金进行轧制，得到铝合金。

将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表2。

实施例5

（1）将铝锭、铝-铁锭、铝-铜锭投入熔炉中，加热至710℃使之熔化，静置保温30min；然后对上述合金熔体进行炉内精炼；在合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均匀，再静置保温30min，熔体精炼在密封环境中操作；精炼后打渣、静置、调温至630℃，合金液倾倒出炉，再经除气、除渣处理后，进入铸造机进行铸造，得到铝合金铸锭，铸锭成分列于表1；

（2）将步骤（1）得到的铝合金铸锭在590℃下固溶处理，保温60min后空冷至室温，再于440℃进行时效处理，保温1.5h；然后将时效处理后的铝合金进行轧制，得到铝合金杆材；

（3）将步骤（2）得到的杆材在惰性气氛下加热至170℃进行软化处理，保温3.5h，得到铝合金。

将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表2。

实施例6

（1）将铝锭、铝-铁锭、铝-铜锭投入熔炉中，加热至730℃使之熔化，静置保温30min；然后对上述合金熔体进行炉内精炼；在合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均匀，再静置保温30min，熔体精炼在密封环境中操作；精炼后打渣、静置、调温至670℃，合金液倾倒出炉，再经除气、除渣处理后，进入铸造机进行铸造，得到铝合金铸锭，铸锭成分列于表1；

（2）将步骤（1）得到的铝合金铸锭在580℃下固溶处理，保温60min后空冷至室温，再于400℃进行时效处理，保温1.5h；然后将时效处理后的铝合金进行轧制，得到铝合金杆材；

（3）将步骤（2）得到的杆材在惰性气氛下加热至200℃进行软化处理，保温5.5h，得到铝合金。

将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表2。

实施例7

（1）将铝锭、铝-铁锭、铝-铜锭投入熔炉中，加热至700℃使之熔化，静置保温30min；然后对上述合金熔体进行炉内精炼；在合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均匀，再静置保温30min，熔体精炼在密封环境中操作；精炼后打渣、静置、调温至660℃，合金液倾倒出炉，再经除气、除渣处理后，进入铸造机进行铸造，得到铝合金铸锭，铸锭成分列于表1；

（2）将步骤（1）得到的铝合金铸锭在490℃下固溶处理，保温50min后空冷至室温，再于420℃进行时效处理，保温2.5h；然后将时效处理后的铝合金进行轧制，得到铝合金杆材；

（3）将步骤（2）得到的杆材在惰性气氛下加热至210℃进行软化处理，保温4.5h，得到铝合金。

将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表2。

实施例8

（1）将铝锭、铝-铁锭、铝-铜锭投入熔炉中，加热至710℃使之熔化，静置保温30min；然后对上述合金熔体进行炉内精炼；在合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均匀，再静置保温30min，熔体精炼在密封环境中操作；精炼后打渣、静置、调温至630℃，合金液倾倒出炉，再经除气、除渣处理后，进入铸造机进行铸造，得到铝合金铸锭，铸锭成分列于表1；

（2）将步骤（1）得到的铝合金铸锭在425℃下固溶处理，保温55min后空冷至室温，再于420℃进行时效处理，保温2.1h；然后将时效处理后的铝合金进行轧制，得到铝合金杆材；

（3）将步骤（2）得到的杆材在惰性气氛下加热至180℃进行软化处理，保温4.8h，得到铝合金。

将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表2。

表1实施例制备的铝合金的成分表（wt%）

表2实施例制备的铝合金的性能测试数据表

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种Al-Fe-Cu铝合金，包括Fe、Cu与Al；

所述Fe的含量为0.1wt%～0.9wt%，

所述Cu的含量与Fe的含量的质量比为（0.01～3）：1，

余量的铝。

2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金中Cu与Fe的质量比为（0.08～2.1）：1。

3.根据权利要求1～2任一项所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金的抗拉强度大于等于210MPa；导电率大于等于60%IACS；平均蠕变速度小于等于5×10^-2%/h；疲劳弯折次数大于等于15。

4.根据权利要求1～2任一项所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金的断裂伸长率大于等于20%；导电率大于等于61%IACS；平均蠕变速度小于等于8×10^-2%/h；疲劳弯折次数大于等于30。

5.权利要求1～4任一项所述铝合金的制备方法，包括以下步骤：

a）铸造铝合金铸锭：所述铝合金铸锭中包括Fe、Cu与Al；所述Fe的含量为0.1wt%～0.9wt%，所述Cu的含量与Fe的含量的质量比为（0.01～3）：1，与余量的铝；

b）将所述铝合金铸锭依次进行固溶处理与时效处理，将时效处理后的铝合金铸锭进行轧制，得到铝合金。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤b）之后还包括：

将所述铝合金进行软化处理。

7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为480℃～600℃，时间为40min～60min；所述时效处理的温度为350℃～450℃，时间为1h～3h。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述软化处理的温度为大于等于150℃，时间为3h～6h。

9.一种铝合金电缆，包括线芯、绝缘层、屏蔽层和保护层，其特征在于，所述线芯为权利要求1～4任一项所述的铝合金或权利要求5～8任一项所制备的铝合金。

10.根据权利要求9所述的铝合金电缆，其特征在于，所述铝合金电缆在90℃长期运行的载流量为铜电缆的70%～80%。