CN104745896A - 高压电力控制组件用铸造铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高压电力控制组件用铸造铝合金及其制备方法，包括Si、B、Mg、La，余量为Al和不可避免的杂质。本发明通过控制Si元素加入量，在改善力学性能的同时满足高压电力控制组件对导电性能要求。其次，加入B元素，使其与合金中降低导电率的杂质元素反应，减少铝导体内部晶格的畸变，从而减少晶格缺陷，提升电导率。再次，添加稀土元素La具有一定除氢、精炼、净化和变质的作用，从而提高铝合金的导电性能。实验结果表明，本发明制备的铸造铝合金在铸态下的导电率≥55%IACS，抗拉强度为189~194MPa，屈服强度为128~136Mpa，具有良好的导电性能和力学性能。

Description

高压电力控制组件用铸造铝合金及其制备方法

技术领域

 本发明涉及铝合金技术领域，尤其涉及一种高压电力控制组件用铸造铝合金及其制备方法。

背景技术

铸造铝合金是以铝为基础，在熔融状态下填充铸型获得一定形状和尺寸铸件毛坯的铝合金，具有比重低、比强度高、易加工、低成本和耐腐蚀性好等特点，用于制造形状复杂的零件，例如仪表、内燃机活塞、飞机等壳体零件，在机械、汽车、建筑、电力电气行业等领域得到了广泛的应用。

近年来，电力电气行业得到了迅猛的发展，对导电材料的需求量日益增大。铸造铝合金作为传统的金属材料，相对于铜类导电材料而言具有价格低廉、密度小等特点，更适合作为生产高压电力控制组件的导电材料。高压电力控制组件首先要求导电材料的导电率≥55%IACS；同时要求导电材料需具备一定的力学性能：抗拉强度≥160MPa，屈服强度≥110MPa，延伸率≥8%；并且要求其具有优良的铸造性能，如流动性好、收缩率低以及热裂倾向性小。

尽管铝硅合金具有优良的铸造性能，如流动性好、气密性好、收缩率小和热烈倾向小，经变质和热处理之后，具有较好的力学性能，是目前应用最为广泛的铝合金，但是，现有技术中的铝硅合金的导电性能较差，不能同时满足高压电力控制组件在力学性能和导电性能的要求。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种高压电力控制组件用铸造铝合金及其制备方法，具有良好的导电性能和力学性能。

有鉴于此，本发明提供了一种高压电力控制组件用铸造铝合金，包括以下重量百分比的成分：

Si：0.70~1.50%；

B：0.05~0.12%；

Mg：0.03~0.10%；

La：0.10~0.18%；

余量为Al和不可避免的杂质。

优选的，所述不可避免的杂质包括以下重量百分比的成分：

Fe：≤0.15%、Sn：≤0.03%、Cu ：≤0.03%、Mn：≤0.005%、Ti：≤0.01%、V：≤0.007%和 Cr：≤0.005%。

优选的，所述不可避免的杂质由以下重量百分比的成分组成：

V：≤0.007%、Cr：≤0.005%、Ti：≤0.01%和Mn：≤0.005%。

优选的，包括以下重量百分比的成分：

Si：0.80~1.40%；

B：0.06~0.10%；

Mg：0.05~0.09%；

La：0.12~0.17%；

余量为Al和不可避免的杂质。

优选的，铸态下的导电率≥55%IACS。

优选的，铸态下的导电率为55.2~57%IACS。

优选的，抗拉强度为189~194MPa，屈服强度为128~136Mpa。

相应的，本发明还提供一种高压电力控制组件用铸造铝合金的制备方法，包括以下步骤：

向熔炼炉中投入铝锭与AlSi25中间合金，加热至740~760℃进行熔炼，调整Si含量；

向所述熔炼炉中加入投料总量0.06wt%的硼，搅拌均匀后静置；

取熔炼炉上层熔体样品，检测样品的V含量达到0.005 wt %以下、电导率达到31.5~32MS/m；

加入投料总量0.15wt%的La，充分熔化后轻微搅拌上层熔体至组分均匀；

在氩气中精炼，针孔达到二级标准，精炼完毕后加入0.07wt%的Mg，静置；

取熔体上层铝液做光谱样块，检测样品中V、Ti含量降至0.005wt%以下，B含量降至0.007wt %以下，电导率达到32MS/m以上，得到高压电力控制组件用铸造铝合金。

本发明提供了一种高压电力控制组件用铸造铝合金及其制备方法，包括Si、B、Mg、La，余量为Al和不可避免的杂质。本发明制备的铸造铝合金为铝硅合金，通过控制Si元素加入量，在改善力学性能的同时满足高压电力控制组件对导电性能要求。其次，加入B元素，使其与合金中降低导电率的杂质元素反应，使它们由固溶态转变为析出态并沉积于熔体底部，减少铝导体内部晶格的畸变，从而减少晶格缺陷，提升电导率。再次，添加稀土元素La与铝液中的氢等气体及一些金属或者非金属杂质有较强的亲和力，生成熔点高的化合物，故其具有一定除氢、精炼、净化和变质的作用，从而提高铝合金的导电性能。实验结果表明，本发明制备的铸造铝合金在铸态下的导电率≥55%IACS，抗拉强度为189~194MPa，屈服强度为128~136Mpa，具有良好的导电性能和力学性能。

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高压电力控制组件用铸造铝合金，包括以下重量百分比的成分：

Si：0.70~1.50%；

B：0.05~0.12%；

Mg：0.03~0.10%；

La：0.10~0.18%；

余量为Al和不可避免的杂质。

作为优选方案，所述不可避免的杂质包括以下重量百分比的成分：Fe：≤0.15%、Sn：≤0.03%、Cu ：≤0.03%、Mn：≤0.005%、Ti：≤0.01%、V：≤0.007%和 Cr：≤0.005%。更优选的，所述不可避免的杂质由以下重量百分比的成分组成：V：≤0.007%、Cr：≤0.005%、Ti：≤0.01%和Mn：≤0.005%。

本发明依据的原理是：在外电场作用下，电子以电子波的形式在金属内部传播，当碰撞到作为传播障碍的晶格结点时造成散射即形成电阻。当原来排列整齐的晶格的规律性遭到破坏时，电子波在其中的传播受到的阻力将加强，导致电阻增大。与金属导电理论相符合，金属的晶体越完整，异类原子等引起的晶格畸变、晶界等缺陷越少，其电阻越小。

铝合金中的必要添加元素的加入量是影响其导电性能的主要因素之一，本发明通过正交试验，确定影响铝合金导电性能的必要添加元素的优选范围。

硅元素是保证材料具备一定力学性能和铸造性能的基础合金元素，而通过对合金主要添加元素进行对比试验，确定了硅是对该铝合金材料导电率影响最大的合金元素。因此，控制该铝合金材料的含硅量是保证材料力学性能和导电率同时得到满足的首要因素。

本发明中，通过添加B元素，使其与合金中降低导电率的杂质元素Ti、V、Cr、Mn、Fe等反应，使它们由固溶态转变为析出态并沉积于熔体底部，减少铝导体内部晶格的畸变，从而减少晶格缺陷。但B元素还能增加铝液中的结晶核心数量，细化晶粒。因此，B的加入对导电铝合金的强度与导电率都有益处，是提升电导率的有效元素。随B含量降低导电率明显提升，而当B超过一定量时，对电导率的提升作用趋于平缓，过量B元素的作为杂质固溶于铝基体，从而降低电导率。因此根据生产原料的杂质含量确定B的加入量是保证熔体净化效果的主要控制参数。

通过添加稀土元素La，（1）RE与铝液中的氢等气体及一些金属或者非金属杂质有较强的亲和力，能生成熔点高的化合物，故它有一定除氢、精炼、净化和变质的作用，从而提高铝合金的导电性能；（2）稀土元素比较活泼，它熔于铝液中，极易填补合金相的表面缺陷，从而降低新旧两相界面上的表面张力，使得晶核生长的速度增快，同时还在晶粒与合金液之间形成表面活性膜，阻止生成的晶粒长大，使合金的组织细化，强化基体，显著改善铝合金的金相组织，减少铝合金的裂纹源，并使合金断裂过程中裂纹萌生位置与扩展途径发生改变，有利于合金的韧化，从而提高其强度、裂韧性和塑性等；通过实验研究发现，稀土元素中，单一稀土La对改善高硅铝合金的导电性效果比较大，La元素可以大大细化合金晶粒，提高导电性能。

另外，过量的稀土加入也会使铝合金的导电、导热性能降低。究其原因，一方面是稀土的加入，引起了铝合金晶粒组织的细化，增加了电子通过的难度，另一方面稀土量的增加导致部分稀土固溶于铝合金晶体中。因此根据合金熔体杂质含量，必须对稀土添加量加以控制。

按照本发明，所述高压电力控制组件用铸造铝合金优选包括以下重量百分比的成分：Si：0.80~1.40%；B：0.06~0.10%；Mg：0.05~0.09%；La：0.12~0.17%；余量为Al和不可避免的杂质。

其中，所述不可避免的杂质包括以下重量百分比的成分：Fe：≤0.15%、Sn：≤0.03%、Cu ：≤0.03%、Mn：≤0.005%、Ti：≤0.01%、V：≤0.007%和 Cr：≤0.005%。更优选的，所述不可避免的杂质由以下重量百分比的成分组成：V：≤0.007%、Cr：≤0.005%、Ti：≤0.01%和Mn：≤0.005%。

相应的，本发明还提供一种上述技术方案所述高压电力控制组件用铸造铝合金的制备方法，包括以下步骤：

向熔炼炉中投入铝锭与AlSi25中间合金，加热至740~760℃进行熔炼，调整Si含量；

向所述熔炼炉中加入投料总量0.06wt%的硼，搅拌均匀后静置；

取熔炼炉上层熔体样品，检测样品的V含量达到0.005 wt %以下、电导率达到31.5~32MS/m；

加入投料总量0.15wt%的La，充分熔化后轻微搅拌上层熔体至组分均匀；

在氩气中精炼，针孔达到二级标准，精炼完毕后加入0.07wt%的Mg，静置；

取熔体上层铝液做光谱样块，检测样品中V、Ti含量降至0.005wt%以下，B含量降至0.007wt %以下，电导率达到32MS/m以上，进行铸造。

作为优选方案，在熔炼步骤之前，为保证制备过程中熔体纯净，优选彻底清理熔炼坩埚，保证坩埚内无残留物。

在加入硼的步骤中，静置时间优选为50~120min，更优选为60min。另外，在所述取熔炼炉上层熔体样的步骤在中，取样时严禁搅动熔体。所述在氩气中精炼的步骤中，静置时间优选为10~30min。所述取熔体上层铝液做光谱样块的步骤中，取样时严禁搅动熔体。

综上所述，本发明制备的高压电力控制组件用铸造铝合金具有良好的导电性能和力学性能。该材料相对于铜类导电材料价格低廉、密度小、导电性能良好，更适用于电力电气行业。本本发明优选采用99.85%的重熔用铝锭生产，采用了先进的熔体净化工艺，严格控制杂质元素含量，通过正交试验合理优化合金成分，使材料具备良好的综合性能。

本发明还开发了批量生产工艺，通过洗炉工艺在非专用熔炉实现批量生产，适用于多数合金生产企业多品种大批量的生产模式，增加了企业效益。

本发明取得的效果如下：

1、经检测，本发明制备的铸造铝合金的导电率达到55.2~57%IACS（32~33MS/m），硬度值达到28HBS。

2、合金Si含量0.70~1.50wt%，提高了材料铸造性能及力学性能，满足高压电力控制组件力学性能需求。

3、优选采用熔体净化工艺进行制备，实现熔体纯净度大幅提高，有效降低材料中降低导电率的杂质元素含量，是提高材料电导率的另一决定性因素。

4、本发明制备的高压电力控制组件用铸造铝合金的抗拉强度为189~194MPa，屈服强度为128~136Mpa。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

本发明实施例采用的化学试剂以及原料均为市购。

实施例1

（1）熔炼坩埚清理：为保证制备过程中熔体纯净，彻底清理熔炼坩埚，保证坩埚内无残留物；

（2）熔炼：投入Al₀₀（Fe≈0.105wt%）及铝-硅中间合金，熔化升温至750±10℃，光谱检测化学成分，调整Si元素至0.70wt%；

（3）熔体净化（第一步）：加入投料总量0.05%重量组分的硼，搅拌均匀后静置20min；

（4）样品检测：取熔炼炉上层熔体样品，取样时严禁搅动熔体。检测样品的V含量达到0.005wt%以下；

（5）熔体净化（第二步）：加入投料总量0.10%重量组分的La稀土，充分熔化后轻微搅拌上层熔体至组分均匀；

（6）氩气精炼：精炼时间10min，针孔达到二级标准；精炼完毕后加入0.03%重量组分的Mg，然后静置10min；

（7）检测成分：静置完毕后，取熔体上层铝液做光谱样块，取样时不允许搅动熔体。检测样品中V、Ti含量降至0.005wt%以下，B含量降至0.007wt%以下，检测电导率达到32MS/m以上，进行铸造，浇铸力学性能试棒。

（8）力学性能检测：力学性能检测依据《GB/T228.1-2010金属材料室温拉伸试验方法》，导电率检测采用7501A涡流式电导率测试仪检测。本发明所制备高导电性铝合金力学性能为：抗拉强度189MPa，屈服强度128MPa，延伸率10%，导电率33.5MS/m（约58%IACS）。

实施例2

（1）熔炼坩埚清理：为保证制备过程中熔体纯净，需彻底清理熔炼坩埚，保证坩埚内无残留物；

（2）熔炼：投入Al₀₀（Fe≈0.105 wt %）及铝-硅中间合金，熔化升温至750±10℃，光谱检测化学成分，调整Si元素至1.00 wt %；

（3）熔体净化（第一步）：加入投料总量0.08%重量组分的硼，搅拌均匀后静置20min；

（4）样品检测：取熔炼炉上层熔体样品，取样时严禁搅动熔体。检测样品的V含量达到0.005 wt %以下；

（5）熔体净化（第二步）：加入投料总量0.13%重量组分的La稀土，充分熔化后轻微搅拌上层熔体至组分均匀；

（6）氩气精炼：精炼时间10min，针孔达到二级标准；精炼完毕后加入0.06%重量组分的Mg，然后静置20min；

（7）检测成分：静置完毕后，取熔体上层铝液做光谱样块，取样时不允许搅动熔体。检测样品中V、Ti含量降至0.005 wt %以下，B含量降至0.007 wt %以下，检测电导率达到32MS/m以上，进行铸造，浇铸力学性能试棒。

（8）力学性能检测：力学性能检测依据《GB/T228.1-2010金属材料室温拉伸试验方法》，导电率检测采用7501A涡流式电导率测试仪检测。本发明所制备高导电性铝合金力学性能为：抗拉强度192MPa，屈服强度130MPa，延伸率9.5%，导电率33MS/m（约57%IACS）。

实施例3

（1）熔炼坩埚清理：为保证制备过程中熔体纯净，需彻底清理熔炼坩埚，保证坩埚内无残留物；

（2）熔炼：投入Al₀₀（Fe≈0.105%）及铝-硅中间合金，熔化升温至750±10℃，光谱检测化学成分，调整Si元素至1.30 wt %；

（3）熔体净化（第一步）：加入投料总量0.11%重量组分的硼，搅拌均匀后静置20min；

（4）样品检测：取熔炼炉上层熔体样品，取样时严禁搅动熔体。检测样品的V含量达到0.005 wt %以下；

（5）熔体净化（第二步）：加入投料总量0.16%重量组分的La稀土，充分熔化后轻微搅拌上层熔体至组分均匀；

（6）氩气精炼：精炼时间10min，针孔达到二级标准；精炼完毕后加入0.03%重量组分的Mg，然后静置30min；

（7）检测成分：静置完毕后，取熔体上层铝液做光谱样块，取样时不允许搅动熔体。检测样品中V、Ti含量降至0.005 wt %以下，B含量降至0.007 wt %以下，检测电导率达到32MS/m以上，进行铸造，浇铸力学性能试棒。

（8）力学性能检测：力学性能检测依据《GB/T228.1-2010金属材料室温拉伸试验方法》，导电率检测采用7501A涡流式电导率测试仪检测。本发明所制备高导电性铝合金力学性能为：抗拉强度190MPa，屈服强度129MPa，延伸率9%，导电率32.5MS/m（约56%IACS）。

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 (8)

1.一种高压电力控制组件用铸造铝合金，其特征在于，包括以下重量百分比的成分：

Si：0.70~1.50%；

B：0.05~0.12%；

Mg：0.03~0.10%；

La：0.10~0.18%；

余量为Al和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高压电力控制组件用铸造铝合金，其特征在于，所述不可避免的杂质包括以下重量百分比的成分：

Fe：≤0.15%、Sn：≤0.03%、Cu ：≤0.03%、Mn：≤0.005%、Ti：≤0.01%、V：≤0.007%和 Cr：≤0.005%。

3.根据权利要求1所述的高压电力控制组件用铸造铝合金，其特征在于，所述不可避免的杂质由以下重量百分比的成分组成：

V：≤0.007%、Cr：≤0.005%、Ti：≤0.01%和Mn：≤0.005%。

4.根据权利要求1所述的高压电力控制组件用铸造铝合金，其特征在于，包括以下重量百分比的成分：

Si：0.80~1.40%；

B：0.06~0.10%；

Mg：0.05~0.09%；

La：0.12~0.17%；

余量为Al和不可避免的杂质。

5.根据权利要求1所述的高压电力控制组件用铸造铝合金，其特征在于，铸态下的导电率≥55%IACS。

6.根据权利要求1所述的高压电力控制组件用铸造铝合金，其特征在于，铸态下的导电率为55.2~57%IACS。

7.根据权利要求1所述的高压电力控制组件用铸造铝合金，其特征在于，抗拉强度为189~194MPa，屈服强度为128~136Mpa。

8.一种高压电力控制组件用铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

向熔炼炉中投入铝锭与AlSi25中间合金，加热至740~760℃进行熔炼，调整Si含量；

向所述熔炼炉中加入投料总量0.06wt%的硼，搅拌均匀后静置；

取熔炼炉上层熔体样品，检测样品的V含量达到0.005 wt %以下、电导率达到31.5~32MS/m；

加入投料总量0.15wt%的La，充分熔化后轻微搅拌上层熔体至组分均匀；

在氩气中精炼，针孔达到二级标准，精炼完毕后加入0.07wt%的Mg，静置；

取熔体上层铝液做光谱样块，检测样品中V、Ti含量降至0.005wt%以下，B含量降至0.007wt %以下，电导率达到32MS/m以上，得到高压电力控制组件用铸造铝合金。