CN104805338A

CN104805338A - 一种稀土铝铁铜合金线材及其制备方法

Info

Publication number: CN104805338A
Application number: CN201510263424.1A
Authority: CN
Inventors: 熊春课; 王高宝; 方贻涛
Original assignee: Guangxi You He Aluminium Co Ltd
Current assignee: Guangxi You He Aluminium Co Ltd
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2015-07-29

Abstract

本发明提供一种稀土铝铁铜合金线材及其制备方法，该线材包括如下质量百分含量的各组分：稀土元素0.1～0.35％，Fe 0.2～1.8％、Cu 0.05～0.45％、B 0.01～0.04％，Mg小于0.05％，单个杂质小于0.03％，杂质总和小于0.2％，其余为铝；其中所述稀土元素为镧、铈、钇、镨、钕中的一种或两种以上的组合。本发明提供了一种综合性能佳的稀土铝铁铜合金线材。

Description

一种稀土铝铁铜合金线材及其制备方法

技术领域

本发明涉及稀土铝铁铜合金线材及其制备方法，该线材可在电线电缆、通讯信号线、电力电气、通讯信号屏蔽线等方面应用。

背景技术

我国是铜资源进口大国，几乎80％的铜靠进口，随着铜资源的紧缺，铜价的暴涨，给制造企业以及用户都造成了巨大的经济压力，以铝代替铜是未来时代发展的趋势。但是由于铝本身在力学性能、加工性能、电学性能、连接性以及耐腐蚀性等方面都比较差，因此无法实现代替铜的目标。铝合金材料经过成分改进和工艺的处理，使得铝合金改善了纯铝存在的缺陷，因而可以实现代替铜的目的。众所周知，目前也有不少企业相继研发、生产出各类铝合金材料，也在不断的改善延伸性能、弯曲性能、抗蠕变性、电学性能、耐热性、耐腐蚀性能、易加工性以及高的抗拉强度等，但还存在许多缺陷和不足，有的只适合实验室，不能应用于企业大批量生产；有的顾此失彼；有的不顾成本、不计效率；因此还需进一步改进，开发出一种性能更优异、更全面，工艺流程简单、低成本的适用于企业大批量生产和引用的经济实用的铝合金材料。

发明内容

本发明为弥补现有技术的不足，提供一种综合性能佳的稀土铝铁铜合金线材，同时提供该稀土铝铁铜合金线材的制备方法。

本发明为达到其目的，采用的技术方案如下：

一种稀土铝铁铜合金线材，包括如下质量百分含量的各组分：稀土元素0.1～0.35％，Fe0.2～1.8％、Cu 0.05～0.45％、B 0.01～0.04％，Mg小于0.05％，单个杂质小于0.03％，杂质总和小于0.2％，其余为铝；其中所述稀土元素为镧、铈、钇、镨、钕中的一种或两种以上的组合。

所述稀土元素为镧、铈、钇、镨、钕的组合，且每个稀土元素在合金中的质量百分含量不少于0.03％。在铝合金中添加微量的特定稀土元素，可以显著改善铝合金的金相组织，细化晶粒，去除铝合金中气体和有害杂质，消除铸造疏松以及热裂纹等缺陷，从而提高合金的强度，改善加工性能，改善合金的耐热性，可塑性及抵抗变形力，提高硬度、耐腐蚀性能及着色，增加韧性，降低合金淬火敏感性，稀土在铝合金中的添加量不宜过高，太高起到相反作用，太低又达不到最佳效果，本发明人发现在本发明的稀土铝铁合金线材中稀土添加总量在合金中质量百分比最佳选择为0.1～0.35％。

所述稀土铝铁铜合金线材具有如下特性：在150℃、35MPa下稳态蠕变速率为7.1×10^-8至9.7×10^-8S^-1；经中性盐水腐蚀试验，温度35℃，在NaCl浓度4.5～5g/L、试验时间120h条件下，失重率为0.15～0.35g/m².hr；在150℃、加热2h，其抗拉强度残存率为90～98％；退火后，合金材料常温、常压态下，抗拉强度为110～150MPa，屈服强度为50～100MPa；伸长率大于等于30％。

本发明第二方面提供一种稀土铝铁铜合金线材的制备方法，包括的工序有熔炼步骤、合金液配制步骤、精炼步骤、浇铸步骤；

所述熔炼步骤包括将铝锭熔炼为铝液，将铝液流入保温炉中，升温至740～760℃后进行保温；

所述合金液配制步骤包括将保温炉内的铝液转移至精炼炉内，加入铝铁合金、铝铜合金、铝稀土合金、及镁锭，搅拌均匀，制成合金液，并使合金液中主要化学成分的质量百分含量控制为Fe 0.2～1.8％、Cu 0.05～0.45％、稀土元素0.1～0.35％、B 0.01～0.04％，Mg小于0.05％，单个杂质质量百分数小于0.03％，杂质总和小于0.2％，其余为铝；

所述精炼步骤包括由精炼炉底部向精炼炉内喷入精炼剂和氮气的混合物对合金液进行精炼，之后加入覆盖剂对合金液进行覆盖，并静置；

所述浇铸步骤包括将精炼步骤获得的合金液进行除气、除渣和净化，之后将合金液流入浇铸机中进行浇铸。

进一步优选的，所述熔炼步骤，熔化的铝液经封闭的溜槽流入保温炉中，保温炉内的铝液升温至740～760℃后保温静置20～40分钟；在升温过程中优选采用覆盖剂进行覆盖，以防止铝液过多烧损，以及铝液吸氢。温度保持在740～760℃较佳，温度过低，金属的活动性不活跃，而温度过高，则金属液体容易吸氢气。

进一步优选的，所述合金液配制步骤，当精炼炉内的铝液温度在745～755℃时再加入铝铁合金、铝铜合金、铝稀土合金、及镁锭。在一些具体实施方式中，所述铝铁合金中含有的铁的质量百分含量为9～11％，所述铝铜合金中含有的铜的质量百分含量为48～52％，所述铝稀土合金含有的稀土的质量百分含量为9～12％。中间合金如铝稀土合金、铝铁合金、铝铜合金均可外购获得，也可自制获得。铝铁合金可采用Al99.70E重熔铝锭或保温炉底部铝液与厚度小于5mm、无锈蚀、干燥、小孔的低碳钢板熔铸而成，在中感应炉内熔制，后通过连续铸造机浇铸成锭。铝铜合金可采用Al99.70E铝锭或保温炉底部铝液与电解铜板熔制，后经过连续铸造件铸造成锭。

优选的，稀土元素选自镧、铈、钇、镨、钕中的一种或两种以上的组合；更为优选的，所述稀土元素为镧、铈、钇、镨、钕的组合，且每个稀土元素在合金中的质量百分含量不少于0.03％。

优选的，所述精炼步骤，精炼剂和氮气的混合物由精炼炉底部喷入后在炉内呈“井”字型运动；精炼分两次进行，精炼剂用量为每吨合金液1～1.5Kg，氮气气压控制为0.1～0.2MPa，每次精炼时间为15～30min，精炼温度控制为705～715℃。精炼剂量少、气压过低，时间不达到要求，温度过低，精炼效果都会不佳，然而若参数超高要求，不仅精炼效果不佳，反而起到副作用，采用本发明优选的精炼参数进行精炼，效果较佳。

优选的，所述精炼步骤其精炼完毕后将690～710℃的合金液从精炼炉中流出以进行浇铸步骤，从精炼炉中流出的合金液经封闭的带有加热功能的溜槽进入过滤设备中进行粗滤、精滤双重过滤以达到除气、除渣、净化作用，之后合金液通过水平、密闭的浇铸嘴流入浇铸机中进行低温浇铸，浇铸温度为680～690℃，浇铸速度为0.2～0.22米/分钟，浇铸时所用冷却水温度为20～35℃，冷水压力为0.2～0.35MPa，冷却水流量控制为80～100m³/h。优选将690～710℃的合金液由精炼炉经密闭及加热相结合的溜槽流出以进入浇铸步骤，这样可完全避免铝合金液在炉内的重新吸氢与吸氧；合金液通过水平、密闭的浇铸嘴流入浇铸机，防止了浇铸嘴处铝合金液因吸氢与氧化皮的生成并卷入铝合金锭而影响产品质量。采用优选的低温浇铸参数进行浇铸，可使得铸锭晶粒细化，并且合金冷却凝固合金成分更为均匀。

进一步的，还包括轧制步骤，所述轧制步骤其将合金入扎温度控制为530～560℃，轧制成型的铝杆其出轧速度控制为3～7.2米/秒，出轧温度控制为300～330℃。本发明采用高温快速轧制，由于合金杆的强度以及硬度都较高，高温快速轧制不仅使合金易成型，提高机械生产率，延长设备易损件的使用寿命，而且使得合金内部结构更加紧密和完善，更重要的是使得合金得到更加完善的加工性能，使得后续的拉拔以及挤压等精加工工艺简单，而不需要对轧制的合金杆进行退火热处理方可进行精加工，从而提高生产效率。

本发明的制备方法制得的所述稀土铝铁铜合金线材包括如下质量百分含量的各组分：Fe0.2～1.8％、Cu 0.05～0.45％、稀土元素RE 0.1～0.35％、B 0.01～0.04％，Mg小于0.05％，单个杂质质量百分数小于0.03，杂质总和小于0.2％，其余为铝。

进一步的，所制得的稀土铝铁铜合金线材具有如下特性：

1、采用本发明提供的制备方法制得的稀土铝铁铜合金线材，其具有更高的抗蠕变性能与压紧性能；与普铝导体相比，其抗蠕变性与压紧性达到了普铝导体的400％，可避免接头松弛，不需要进行后期维护。采用电子式高温持久蠕变强度试验机，在150℃和35MPa条件下检测，普铝材料和本发明制得的铝合金材料的稳态蠕变速率分别是：普铝材料2.9×10^-7S^-1至3.8×10^-7S^-1，本发明制得的材料为7.1×10^-8S^-1至9.7×10^-8S^-1；

2、制得的稀土铝铁铜合金线材具有高强度、高耐磨性，其抗拉强度可达到普铝材料的200％，屈服强度可达到普铝材料的250％，耐磨性能更是提高了约10倍。采用WDL-50电子式万能材料试验机检测，其中普铝的抗拉强度为75～110MPa，屈服强度为20～35MPa；本发明制得的合金材料其抗拉强度为110～150MPa，屈服强度为50～100MPa。

3、制得的稀土铝铁铜合金线材具有延展性好、回弹性小的特点；与普铝材料相比，延展性提高了30.4％，回弹性约为铜的2/5，因此容易弯曲、牵引与穿管。采用电子式万能材料试验机检测，其中普铝的伸长率为25％～32％，而本发明制得的合金材料的伸长率大于等于30％。普铝材料弯曲试验采用15D的弯曲试验产品质量合格，本发明制得的合金材料可以减少至7D的弯曲试验后，产品质量符合标准要求。

4、制得的稀土铝铁铜合金线材具有优良的抗腐蚀、抗疲劳性能，其抗腐蚀性优于铜，普铝材料反复折弯易断，而本发明制得的材料不易。采取中性盐水腐蚀试验，在NaCl浓度4.5～5g/L、试验时间120h条件下，普铝材料失重率为0.4～0.7g/m2.hr，本发明制得的合金材料为0.15～0.35g/m2.hr。

5、本发明的稀土铝铁铜合金线材在高温情况下，电阻相对稳定并且具有低的接触电阻。150℃，加热2h后，普铝材料的抗拉强度残存率为65～85％；本发明的合金材料为90～98％。

6、本发明的稀土铝铁铜合金线材，其柔韧性、加工性能好，使用寿命长；可将其加工拉制至直径为0.15mm；普铝材料使用寿命10年，而本发明的产品可达40年。

本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

1、采用本发明提供的制备方法制得的稀土铝铁铜合金线材，其具有更高的抗蠕变性能与压紧性能；与普铝导体相比，其抗蠕变性与压紧性达到了普铝导体的400％，可避免接头松弛，不需要进行后期维护。

2、制得的稀土铝铁铜合金线材具有高强度、高耐磨性，其抗拉强度可达到普铝材料的200％，屈服强度可达到普铝材料的250％，耐磨性能更是提高了约10倍。

3、制得的稀土铝铁铜合金线材具有延展性好、回弹性小的特点；与普铝材料相比，延展性提高了30.4％，回弹性约为铜的2/5，因此容易弯曲、牵引与穿管。

4、制得的稀土铝铁铜合金线材具有优良的抗腐蚀、抗疲劳性能：抗腐蚀性优于铜，普铝材料反复折弯易断，而本发明的材料不易。

5、本发明的稀土铝铁铜合金线材在耐高温、高温情况下，电阻相对稳定并且具有低的接触电阻。

6、柔韧性、加工性能好，使用寿命长；可将其加工拉制至直径为0.15mm，；普铝材料使用寿命10年，而本发明的产品可达40年。

7、本发明提供的制备方法，具有工艺流程简单，操作简便，成本低的特点，生产效率高。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明：

实施例1

一种稀土铝铁铜合金线材，其按照如下步骤制备：

(1)熔炼步骤：将Al99.70E的重熔电工铝锭在熔炼速度为8吨/小时的冲天熔炼炉内连续熔炼，熔化的铝液经过封闭的溜槽流入容量8吨的保温炉中(该保温炉设有两个放水口，第一个放水口低于炉膛底部5cm；第2个放水口高于炉膛底部5cm)，升温至740～760℃，并保温静置30分钟；

(2)合金液配制步骤：打开保温炉的第2个放水口，将铝液转移至精炼炉内，铝液温度在750℃时，依次加入铝铁合金AlFe10、铝铜合金AlCu50、铝稀土合金AlRE10、镁锭，搅拌均匀，使得个元素充分合金化与均匀化，并使合金液中主要化学成分的质量百分含量控制为Fe 0.2～1.8％、Cu 0.05～0.45％、RE 0.1～0.35％。B：0.01～0.04％，Mg：0～0.05％，单个杂质质量百分数小于0.03％，杂质总和小于0.2％，其余为铝；其中，稀土元素RE为镧、铈、钇、镨、钕这五种稀土元素的组合，每个稀土元素在合金液中的质量百分含量不少于0.03％。

(3)精炼步骤：将配备好的合金液取样进行直读光谱仪进行化学成分分析，其含量达到要求后，进行精炼。精炼方法为将铝镁合金专用2号精炼剂与纯度99.99％的氮气混合，通过电动精炼喷粉机，将精炼剂和氮气的混合物在离炉膛底部5cm处喷入，并在炉内成“井”运动。精炼分两次进行，精炼剂用量1.5kg/T(合金液)，氮气气压0.1～0.2MPa，每次精炼时间为20min，精炼温度：710±5℃。精炼完毕，加入铝镁合金覆盖剂对合金液进行覆盖，熔体静置20分钟。覆盖剂和精炼剂均为外购。

(4)浇铸步骤：700±5℃的铝合金液从精炼炉放水口流出，经过封闭的、带有加热的溜槽，经过在线的双级过滤箱，达到在线除气、除渣和净化；后通过水平、密闭的浇铸嘴流入H型的五轮式连续浇铸机进行结晶、凝固和冷却；浇铸温度：680～690°，浇铸速度：0.2～0.22米/分钟，冷却水温度20～35°，冷水压力为0.2～0.35MPa，冷却水流量：80～100立方/小时。其中，在双级过滤箱进行粗滤、精滤双重过滤其参数具体是，粗过滤采用尺寸308、目数30ppi的陶瓷过滤板，将较粗的杂质过滤；精过滤采用尺寸508、目数80ppi的过滤板从而达到除气、除渣的净化作用。

(5)轧制步骤：经浇铸的合金在进行轧制时，合金入轧温度为530～560℃，轧机电机转速490～510转/分钟，轧制过程中采用WD-6铝及铝合金连铸连轧乳化液与水按要求配比对设备以及合金锭进行润滑和冷却，乳化液与水的混合液中乳化液质量含量为10～12％，混合液温度为50±10℃，混合液流量为60～80m³/h。轧制成型的铝杆出轧速度为3～7.2m/s，出轧温度为300～330°。

(6)经上述步骤制得的铝合金杆可直接进行拉制，将直径9.5mm合金杆通过滑动或者非滑动式铝及铝合金连续大、中拉拔机拉制成不同规格和形状的合金线，如圆形：直径1.0、2.0等，也可以是伞型。如需将铝合金线拉制成直径为0.2mm，在铝合金线拉制到直径为1.0mm时进行连续退火，退火温度400℃，时间1～2h。

本实施例制得的稀土铝铁铜合金线材，其化学组成为：Fe0.65％、Cu 0.21％、稀土元素RE 0.25％。B：0.02％，Mg小于0.05％，单个杂质质量百分数小于0.03，杂质总和小于0.2％，其余为铝。

对本实施例制得的稀土铝铁铜合金线材的各项性能进行检测，结果如下：

检测方法：ARUN PolySpek-J直读光谱仪，WDL-50电子式万能材料试验机，DX200H全自动直流电阻测量仪，电子式高温持久蠕变强度试验机，精密型盐雾试验机采取中性盐水腐蚀试验(NaCl浓度5g/L，试验时间120H)

检测数据：

退火后的合金材料在常温、常压态下，其抗拉强度132MPa，伸长率31.5％；20℃直流电阻：27.76nΩmm².m，20℃导电率：61.9％IACS；150℃和35MPa下稳态蠕变速率：9.1×10^-8S^-1；7倍半径的弯曲试验，产品质量符合标准要求；采取中性盐水腐蚀试验NaCl浓度5g/L，温度35℃，试验时间120H，失重率0.165g/m².hr；150℃，加热2h条件下，抗拉强度残存率：96.5％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种稀土铝铁铜合金线材，其特征在于，包括如下质量百分含量的各组分：稀土元素0.1～0.35％、Fe 0.2～1.8％、Cu 0.05～0.45％、B 0.01～0.04％，Mg小于0.05％，单个杂质小于0.03％，杂质总和小于0.2％，其余为铝；其中所述稀土元素为镧、铈、钇、镨、钕中的一种或两种以上的组合。

2.根据权利要求1所述的稀土铝铁铜合金线材，其特征在于，所述稀土元素为镧、铈、钇、镨、钕的组合，且每个稀土元素在合金中的质量百分含量不少于0.03％。

3.根据权利要求1～2任一项所述的稀土铝铁铜合金线材，其特征在于，所述稀土铝铁铜合金线材具有如下特性：在150℃、35MPa下稳态蠕变速率为7.1×10^-8至9.7×10^-8S^-1；和/或，经中性盐水腐蚀试验，在NaCl浓度4.5～5g/L、温度35℃、试验时间120h条件下，失重率为0.15～0.35g/m².hr；和/或，在150℃、加热2h，其抗拉强度残存率为90～98％；和/或，在常温常压条件下，抗拉强度为110～150MPa，屈服强度为50～100MPa；伸长率大于等于30％。

4.一种稀土铝铁铜合金线材的制备方法，其特征在于，包括的工序有熔炼步骤、合金液配制步骤、精炼步骤、浇铸步骤；其中，

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼步骤，熔化的铝液经封闭的溜槽流入保温炉中，保温炉内的铝液升温至740～760℃后保温静置20～40分钟；和/或，所述合金液配制步骤，当精炼炉内的铝液温度在745～755℃时再加入铝铁合金、铝铜合金、铝稀土合金、及镁锭。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，稀土元素选自镧、铈、钇、镨、钕中的一种或两种以上的组合；优选的，所述稀土元素为镧、铈、钇、镨、钕的组合，且每个稀土元素在合金中的质量百分含量不少于0.03％。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述精炼步骤，精炼剂和氮气的混合物由精炼炉底部喷入后在炉内呈“井”字型运动；精炼分两次进行，氮气气压控制为0.1～0.2MPa，每次精炼时间为15～30min，精炼温度控制为705～715℃。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述精炼步骤其精炼完毕后将690～710℃的合金液从精炼炉中流出以进行浇铸步骤，从精炼炉中流出的合金液经封闭的带有加热功能的溜槽进入过滤设备中进行粗滤、精滤双重过滤以达到除气、除渣、净化作用，之后合金液通过水平、密闭的浇铸嘴流入浇铸机中进行低温浇铸，浇铸温度为680～690℃，浇铸速度为0.2～0.22米/分钟，浇铸时所用冷却水温度为20～35℃，冷水压力为0.2～0.35MPa，冷却水流量控制为80～100m³/h。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，还包括轧制步骤，所述轧制步骤其将合金入扎温度控制为530～560℃，轧制成型的铝杆其出轧速度控制为3～7.2米/秒，出轧温度控制为300～330℃。

10.根据权利要求4～9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述稀土铝铁铜合金线材具有如下特性：在150℃、35MPa下稳态蠕变速率为7.1×10^-8至9.7×10^-8S^-1；和/或，经中性盐水腐蚀试验，在NaCl浓度4.5～5g/L、温度35℃、试验时间120h条件下，失重率为0.15～0.35g/m².hr；和/或，在150℃、加热2h，其抗拉强度残存率为90～98％；和/或，在常温常压条件下，抗拉强度为110～150MPa，屈服强度为50～100MPa；伸长率大于等于30％。