CN104694858A - 一种同时提高铝合金电导率和强度的热加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属及合金的制备和热处理技术领域，公开了一种同时提高铝合金电导率和强度的热加工方法。该方法先将铝合金进行铸造形成铸锭、再将铸锭进行均匀化处理和热变形处理后形成板材；将所述热变形处理之后的板材依次进行固溶和淬火处理、第一次人工时效处理、冷变形处理和第二次人工时效处理。该方法只是调整了工艺顺序，不用增加任何设备和工序，但是通过合理控制两次时效处理的温度和时间，本发明所制备的铝合金电导率和强度大幅提高，可以在现有的热加工设备上实施，不会增加额外制造成本。

Description

一种同时提高铝合金电导率和强度的热加工方法

技术领域

本发明属于金属及合金的制备和热处理技术领域，涉及一种同时提高铝合金电导率和强度的热加工方法。

背景技术

铝合金作为一种具有比强度高，耐腐蚀性好，可焊接等诸多优点的材料，近些年来已经被运用于人们生活以及工业的各个领域，比如汽车，航空等领域。铝合金也具有优良的物理性能，铝的导电性能仅次于银、铜和金，且价格相对低廉。相对来讲，铝元素在地壳中的含量仅次于氧及硅，居第三位，铝表面的氧化膜不仅有耐腐蚀的能力，而且有一定的绝缘性。基于以上优点，铝在电器制造工业、电线电缆工业和无线电工业中有广泛的用途。在铝材料中商业纯铝拥有最高的电导率，大约为62％IACS(国际退火铜标准)，然而它的抗拉强度仅仅只有160MPa左右，这使得其应用受到很大限制。为了提高铝材料在电力相关行业中的应用，我们必须在保证它优良的导电性能的情况下，尽可能地提高强度。提高铝合金的电导率可以显著降低电能在传输过程的损失。另外根据Wiedemann-Franz定律，金属的热导率与电导率成正比关系，提高铝合金的电导率可以提高其导热性能，这对改善铝合金制备的电子器件散热器的性能尤为关键。因此提高电导率与强度的综合性能对于制备高品质导电导热铝合金有着重要的意义。

合金化是提高铝合金强度的常用方法，比如添加Mg、Si和Cu元素形成的Al-Mg-Si-(Cu)系合金。铝合金的导电性能对其微观结构很敏感。溶质原子、晶格自振动和缺陷都会成为电子运动的散射源，阻碍电子的运动，从而使铝合金的导电性能下降。然而这些缺陷以及溶质原子所诱导的位错强化，细晶强化，固溶强化以及析出强化对于铝合金材料强度的提高是非常重要。高强和高导同时存在成为了矛盾体。一般铝合金的制备过程包括：铸造、均匀化处理、变形、固溶处理和淬火，然后进行时效处理以获得较高的强度。由于铝合金的电导率对基体中的溶质原子非常敏感，一般会在铸造时加入稀土或过渡金属元素来降低以固溶原子形式留在铝基体中的合金元素，另外时效处理通常采用过时效处理来促使溶质原子析出并长大。例如授权专利号为ZL 200910043728.1的发明专利“一种含稀土元素钇的铝合金电缆线及其制备方法”，国内公开号为CN103911532A的发明专利“地铁机车导电铝合金型材配方及其制备工艺”，国内公开号为CN 103225049 A的发明专利“一种改善中强铝合金电导率的处理工艺”，国内公开号为CN104269201 A的发明专利“一种高性能铝合金导线及其制备方法”等与高电导率铝合金相关的发明专利中具体实施的铝合金制备配方与流程均符合上面的描述。这些方法都是通过对铝合金本身成分做一定的调控或过时效处理铝合金来提高其电导率。

然而传统的提高铝合金电导率的方法存在不少问题。稀土元素或过渡金属元素的加入虽能改善电导率和强度的综合性能，但是由于稀土成份复杂，化学性质活泼，对工艺因素较为敏感，稀土铝导体导电不稳定性等因素，使其在推广使用中受到一定程度限制，成本较高。更为重要的是现有方法制备的铝合金强度仍然偏低，这也阻碍了铝合金作为一种重要的导电导热金属材料的应用范围。综上所述，开发能够同时提高铝合金电导率和强度且可以进行大规模生产的低成本制备方法，对改善导电导热铝合金的综合性能并提高其竞争力非常重要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于同时提高铝合金电导率和强度，提供了一种同时提高铝合金电导率和强度的热加工方法，该方法只是调整了工艺顺序，不用增加任何设备和工序，但是本发明所制备的铝合金电导率和强度大幅提高。该方法不仅可以用于大规模生产高强高导铝合金，而且可以在现有的热加工设备上实施，不会增加额外制造成本。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种同时提高铝合金电导率和强度的热加工方法，该方法先将铝合金进行铸造形成铸锭、再将铸锭进行均匀化处理和热变形处理后形成板材；将所述热变形处理之后的板材依次进行固溶和淬火处理、第一次人工时效处理、冷变形处理和第二次人工时效处理；

所述第一次人工时效处理是将固溶和淬火处理后的板材在180℃-250℃的温度下放置10min-24h，得第一次人工时效处理后的板材；

所述冷变形处理是将所述第一次人工时效处理后的板材冷轧成不同厚度的薄板，控制形变量大于20％；

所述第二次人工时效处理是将所述薄板置于180℃-250℃的温度下，直到薄板硬度高于需求时停止人工时效处理。

所述固溶和淬火处理优选是：将所述铝合金材料在450℃-600℃的温度下固溶处理10min-2h，然后淬火，得固溶和淬火处理后的板材。所述淬火为水淬，是常规处理步骤。

所述第二次人工时效处理的时间优选为1h-35h。

所述均匀化处理优选是将铸锭在450℃-550℃的温度下处理20h-25h。

所述冷变形处理优选包括：冷轧、冷拉、挤压或锻造。

所述铝合金优选为6×××系铝合金。

所述铝合金为6×××系铝合金时，优选的处理方案是：所述固溶和淬火处理是将所述板材在540℃-560℃的温度下固溶处理10min-40min；所述人工时效处理是在180℃-250℃的温度下放置10min-24h；所述人工时效处理是将所述薄板在180℃-250℃的温度下处理1h-35h。

上述铝合金的冷变形处理根据铝合金的最终要求可以是冷拉(线材)，挤压(型材)或锻造(锻件)，不局限于冷轧。

下面对本发明做进一步的解释和说明：

本发明的原理是：

本发明提供的制备方法路径相比传统的方法路径虽然只是调整了工艺顺序(见附图1和2)，不用增加任何设备和工序，但是本发明制备材料的导电和强化物理机制与传统方法差别很大。

传统的热加工方法制备的合金主要是靠析出相来强化的。淬火后进行时效处理，过饱和固溶体会发生分解，析出相均匀形核并随时效时间延长逐渐长大。对于传统的热加工方法，主要是通过时效处理调控硬化纳米颗粒的析出来提高铝合金强度和改善其导电性能。溶质原子随着时效时间的延长聚集程度越来越高，析出相引起的基体应变逐渐减小，电子运动过程中散射概率下降从而使得电导率呈现持续上升的趋势。一般情况下粗大的析出相对提高合金的电导率有利。

本发明的工艺方法通过冷变形引入位错作为一种有效强化机制，而位错对于大块金属在室温下对电导率的影响相比于溶质原子可以忽略。形变引入的位错等缺陷可以改变析出相的形态，大幅度粗化析出相来进而减少溶质原子对电子散射概率提高电导率。位错强化可以弥补由于析出相的粗化而下降的那部分强度，这样发明工艺相比于传统工艺在硬度相近的情况下，电导率有明显提升。而且发明工艺中冷变形量提升，综合性能不断提升，这是由于随着变形量的增加，在材料中预制的位错含量增加，位错不仅具有强化效果，而且位错在退火过程作为溶质原子的扩散通道加快析出的粗化速率。冷变形引入的位错在后续时效过程调控析出，析出相形貌的改变是电导率相对传统工艺提高的原因，而残留位错可提高材料强度。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明通过调控冷变形后铝合金的时效处理工艺，可以有效地控制形变结构中析出相的生长以及位错结构的演变，可以获得相比传统热加工方法处理的铝合金更大的电导率和更高的强度。

2、本发明的新型制备方法方案可以在现有的铝合金热加工生产装备中进行，不需增加新的热加工装备；没有增加新的工序，易于实现。

3、本发明提供的技术不仅可以拓宽低成本的6×××系铝合金的使用范围，还可以提升铝合金相对传统导电金属材料的优势，有利于生产高品质导电导热铝合金。

4、本发明方法需要的总的时效处理时间相比传统处理的时间更短(相同处理温度下缩短了30小时左右)，有利于降低能耗，节约成本。

附图说明

图1是本发明的制备方法简图；

图2是传统导电铝合金的制备方法简图；

图3是实施例1和对比实施例1的硬度-电导率曲线；

图4是实施例1和对比实施例2的硬度-电导率曲线；

图5是实施例1和对比实施例3的硬度-电导率曲线；

图6是实施例1和对比实施例4的硬度-电导率曲线；

图7是实施例1和对比实施例5的硬度-电导率曲线；

图8是实施例1和对比实施例6的硬度-电导率曲线；

图9是实施例1和对比实施例7的硬度-电导率曲线；

图10是实施例1和对比实施例8的硬度-电导率曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明。

具体实施方式

以下结合实施案例对本发明热加工制备方法进一步阐释并进行数据说明，但本发明不局限于这些实施例。

为便于对比，实施例所用铝合金为6×××系(Al-Mg-Si-Cu)铝合金。这种合金的具体化学成分分别是:Mg 0.75wt.％,Si0.75wt.％,Cu 0.8wt.％,Mn 0.15wt.％,Cr 0.15wt.％,Ti 0.01wt.％，Fe 0.20wt.％，其余为铝。对比实施例也采用上述铝合金，具体方法采用传统的制备方法，如图2所示。硬度测试是采用HXD-1000TVickers硬度试验机对不同时效工艺样品进行硬度测试，施加载荷为4.9N，加载时间为10s，每个样品至少测试5个点，除去最大值和最小值，求其余平均值。样品的电导率测量采用D60K电导率仪，样品在测试之前都经过抛光处理，每个样品测试三次。拉伸试验采用标准为：GB228-87。

对比实施例1

6×××系铝合金铸锭在循环空气电阻炉中550℃×24h均匀化处理后，切头铣面，经热轧、间歇性退火并最后冷轧成1mm厚的薄板。薄板在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理水淬后，立即在油浴炉中进行180℃、210℃和240℃不同时间的时效处理，对不同处理时间的样品进行硬度和电导率测试，通过硬度测试找到合金典型时效状态的时间，然后对它们进行拉伸试验。人工时效在油浴炉中进行，控温精度在±2℃。

实施例1

6×××系铝合金铸锭在循环空气电阻炉中550℃×24h均匀化处理后，切头铣面，经热轧成5mm厚的板材后在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理和水淬。然后把板材在油浴炉中进行250℃处理1h后经多道次最后冷轧成4mm厚的薄板(变形量20％)。随后在油浴炉中对板材进行180℃、210℃和240℃不同时间的时效处理，并测试样品的电导率和硬度，然后对典型时效态的铝合金进行拉伸试验。人工时效在油浴炉中进行，控温精度在±2℃。

实施例2

6×××系铝合金铸锭在循环空气电阻炉中550℃×24h均匀化处理后，切头铣面，经热轧成5mm厚的板材后在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理和水淬。然后把板材在油浴炉中进行250℃处理1h后经多道次最后冷轧成3mm厚的薄板(变形量40％)。随后在油浴炉中对板材进行180℃、210℃和240℃不同时间的时效处理，并测试样品的电导率和硬度，然后对典型时效态的铝合金进行拉伸试验。人工时效在油浴炉中进行，控温精度在±2℃。

实施例3

6×××系铝合金铸锭在循环空气电阻炉中550℃×24h均匀化处理后，切头铣面，经热轧成5mm厚的板材后在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理和水淬。然后把板材在油浴炉中进行250℃处理1h后经多道次最后冷轧成2mm厚的薄板(变形量60％)。随后在油浴炉中对板材进行180℃、210℃和240℃不同时间的时效处理，并测试样品的电导率和硬度，然后对典型时效态的铝合金进行拉伸试验。人工时效在油浴炉中进行，控温精度在±2℃。

实施例4

6×××系铝合金铸锭在循环空气电阻炉中550℃×24h均匀化处理后，切头铣面，经热轧成5mm厚的板材后在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理和水淬。然后把板材在油浴炉中进行250℃处理1h后经多道次最后冷轧成1mm厚的薄板(变形量80％)。随后在油浴炉中对板材进行180℃、210℃和240℃不同时间的时效处理，并测试样品的电导率和硬度，然后对典型时效态的铝合金进行拉伸试验。人工时效在油浴炉中进行，控温精度在±2℃。

实施例5

6×××系铝合金铸锭在循环空气电阻炉中550℃×24h均匀化处理后，切头铣面，经热轧成5mm厚的板材后在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理和水淬。然后把板材在油浴炉中进行180℃处理10min后经多道次最后冷轧成4mm厚的薄板(变形量20％)。随后在油浴炉中对板材进行180℃、210℃和240℃不同时间的时效处理，并测试样品的电导率和硬度，然后对典型时效态的铝合金进行拉伸试验。人工时效在油浴炉中进行，控温精度在±2℃。

实施例6

6×××系铝合金铸锭在循环空气电阻炉中550℃×24h均匀化处理后，切头铣面，经热轧成5mm厚的板材后在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理和水淬。然后把板材在油浴炉中进行180℃处理10min经多道次最后冷轧成3mm厚的薄板(变形量40％)。随后在油浴炉中对板材进行180℃、210℃和240℃不同时间的时效处理，并测试样品的电导率和硬度，然后对典型时效态的铝合金进行拉伸试验。人工时效在油浴炉中进行，控温精度在±2℃。

实施例7

6×××系铝合金铸锭在循环空气电阻炉中550℃×24h均匀化处理后，切头铣面，经热轧成5mm厚的板材后在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理和水淬。然后把板材在油浴炉中进行180℃处理10min经多道次最后冷轧成2mm厚的薄板(变形量60％)。随后在油浴炉中对板材进行180℃、210℃和240℃不同时间的时效处理，并测试样品的电导率和硬度，然后对典型时效态的铝合金进行拉伸试验。人工时效在油浴炉中进行，控温精度在±2℃。

实施例8

6×××系铝合金铸锭在循环空气电阻炉中550℃×24h均匀化处理后，切头铣面，经热轧成5mm厚的板材后在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理和水淬。然后把板材在油浴炉中进行180℃处理10min经多道次最后冷轧成1mm厚的薄板(变形量80％)。随后在油浴炉中对板材进行180℃、210℃和240℃不同时间的时效处理，并测试样品的电导率和硬度，然后对典型时效态的铝合金进行拉伸试验。人工时效在油浴炉中进行，控温精度在±2℃。

效果对比：

图3-图6显示的是合金通过两种加工工艺制备铝合金的电导率和硬度随时效时间增加的函数关系曲线。图3是实施例1和对比实施例1的硬度-电导率曲线；图4是实施例1和对比实施例2的硬度-电导率曲线；图5是实施例1和对比实施例3的硬度-电导率曲线；图6是实施例1和对比实施例4的硬度-电导率曲线。

图3-图6曲线上的每一个点代表试样在同一时效时间的硬度和电导率测量值，从图3-图6中，可以轻易的看到当曲线处在坐标系的右上方时，代表合金在这种加工工艺下拥有更好的综合性能。同一硬度值时，曲线处在右上方拥有更高的电导率，而当为同一电导率值，同样曲线处在右上方拥有更高的硬度值。在传统T6时效工艺中，随着时效时间的延长，硬度值随着时效时间的延长先上升后下降，而电导率始终保持一个上升的趋势。而相比于传统T6时效工艺，无论预变形量是20％，40％，60％，或者80％，新的形变时效工艺在综合性能方面获得明显的提升。而且，随着变形量的增加，综合性能也依次递升。

图7-图10显示的是实施例5-8制备铝合金的硬度-电导率曲线，图7是实施例1和对比实施例5的硬度-电导率曲线；图8是实施例1和对比实施例6的硬度-电导率曲线；图9是实施例1和对比实施例7的硬度-电导率曲线；图10是实施例1和对比实施例8的硬度-电导率曲线。

此时冷变形前的时效处理为180度10分钟，可见变形量20％时综合性能相比传统工艺差别不大，形变量大于40％后，综合性能逐渐提升，到80％时效果已非常明显。可见综合性能是冷变形前时效处理、形变量和变形后时效处理综合影响的结果。

从表1-3可以看出，改变冷变形后时效处理时间，可以可控地得到电导率和强度优于传统工艺的合金。经过本发明提供的工艺处理的铝合金，在相同的电导率值下，抗拉强度可提高大于100MPa，在相似的强度条件下，电导率值可提高大于5％IACS，综合性能提高效果非常显著。值得注意的是本发明工艺处理的合金延伸率也较好，大于4-5％，满足工业应用要求。

总之，从表1-2和附3-10可以看出，相比对比实施例，以上结果显示本发明提供的热加工方法制备的铝合金相对传统方法制备的铝合金电导率和强度均提升明显。本发明提供的铝合金方法适用于6×××系合金，总的时效处理时间比传统工艺短。

Claims (6)

1.一种同时提高铝合金电导率和强度的热加工方法，该方法先将铝合金进行铸造形成铸锭、再将铸锭进行均匀化处理和热变形处理后形成板材；其特征是，将所述热变形处理之后的板材依次进行固溶和淬火处理、第一次人工时效处理、冷变形处理和第二次人工时效处理；

所述第一次人工时效处理是将固溶和淬火处理后的板材在180℃-250℃的温度下放置10min-24h，得第一次人工时效处理后的板材；

所述冷变形处理是将所述第一次人工时效处理后的板材冷轧成不同厚度的薄板，控制形变量大于20%；

所述第二次人工时效处理是将所述薄板置于180℃-250℃的温度下，直到薄板硬度高于需求时停止人工时效处理。

2.根据权利要求1所述同时提高铝合金电导率和强度的热加工方法，其特征是，所述固溶和淬火处理是：将所述铝合金材料在450℃-600℃的温度下固溶处理10min-2h，然后淬火，得固溶和淬火处理后的板材。

3.根据权利要求1或2所述同时提高铝合金电导率和强度的热加工方法，其特征是，所述铝合金为6×××系铝合金。

4.根据权利要求3所述同时提高铝合金电导率和强度的热加工方法，其特征是，所述第二次人工时效处理的时间为1h-35h。

5.根据权利要求1或2所述同时提高铝合金电导率和强度的热加工方法，其特征是，所述均匀化处理是将铸锭在450℃-550℃的温度下处理20h-25h。

6.根据权利要求1或2所述同时提高铝合金电导率和强度的热加工方法，其特征是，所述冷变形处理包括：冷轧、冷拉、挤压或锻造。