CN104988363B - 一种稀土铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及合金技术领域，尤其涉及一种稀土铝合金及其制备方法。本发明中的稀土铝合金，按重量百分比，包括如下组分：1.1～1.3wt％的Cu；0.9～1.1wt％的V；1.3～1.4wt％的Mn；0.45～0.55wt％的Sn；0.12～0.14wt％的Cr；0.85～0.98wt％的Pr；0.45～0.66wt％的Er；余量为铝。本发明中的稀土铝合金的制备方法，首先熔融铝锭，然后通过在不同温度下依次向熔融后的铝液中加入相应的合金元素，再经一定条件下的铸条、均匀化处理、轧制成铝合金杆，再通过拉丝、绞丝、退火、挤塑、成缆工序处理后，最终制成稀土铝合金电缆。本发明中的稀土铝合金不仅在低温下具有良好的耐腐蚀性能，而且在低温条件下具有更为优异电气性能和拉伸性能。

Description

一种稀土铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金技术领域，尤其涉及一种稀土铝合金及其制备方法。

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，因此铜广泛用于电力电缆的线芯。随着铜资源的日益匮乏，而铝的含量很丰富，因此以铝代替铜受到了研究者的关注，目前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、机械性能、加工性能、抗蠕变性能等方面都做了大量研究和改进，但是对于铝合金电缆在低温环境下的耐腐蚀性能，以及低温条件下的电气性能和拉伸性能有待提高。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种综合性能较好的稀土铝合金，本发明中的稀土铝合金不仅在低温下具有良好的耐腐蚀性能，而且在低温条件下具有更为优异电气性能和拉伸性能。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种稀土铝合金，按重量百分比，包括如下组分：

1.1～1.3wt％的Cu；0.9～1.1wt％的V；1.3～1.4wt％的Mn；0.45～0.55wt％的Sn；0.12～0.14wt％的Cr；0.85～0.98wt％的Pr；0.45～0.66wt％的Er；余量为铝。

优选的，稀土铝合金包含如下重量百分比的组分：

1.18～1.19wt％的Cu；0.95～0.98wt％的V；1.35～1.38wt％的Mn；0.45～0.55wt％的Sn；0.12～0.14wt％的Cr；0.85～0.98wt％的Pr；0.50～0.55wt％的Er；余量为铝。

进一步优选的，稀土铝合金包含如下重量百分比的组分：

1.18～1.19wt％的Cu；0.96～0.98wt％的V；1.36～1.38wt％的Mn；0.50～0.53wt％的Sn；0.13～0.14wt％的Cr；0.90～0.95wt％的Pr；0.53～0.55wt％的Er；余量为铝。

本发明的目的之二在于提供一种上述稀土铝合金的制备方法，技术方案如下：

a)先将铝锭加入到熔炉中，温度升高至700～750℃使其熔化，并升温至830～850℃保温30min；

b)按上述配比加入Cu、Sn、Pr，温度升高至950～1050℃使其熔化，并保温20min；

c)按上述配比加入V、Mn、Cr，温度升高至1200～1300℃，并保温30min；

d)按上述配比加入Er，温度升高至1450～1550℃，搅拌10min，并保温30min；

e)然后降温至735～740℃，保持30min，开始铸条，铸机的速度控制在2.5～3.5m/min；

f)对铸条进行均化处理，将温度控制在420～430℃，进入轧机进行扎制，轧机速度为9.0～10.5m/min；

g)将轧制的铝合金杆在195～205℃下时效处理38～43h即可。

优选的，稀土铝合金的制备方法包括如下步骤：

a)先将铝锭加入到熔炉中，温度升高至730～740℃使其熔化，并升温至835～845℃保温30min；

b)按上述配比加入Cu、Sn、Pr，温度升高至990～1010℃使其熔化，并保温20min；

c)按上述配比加入V、Mn、Cr，温度升高至1250～1280℃，并保温30min；

d)按上述配比加入Er，温度升高至1490～1520℃，搅拌10min，并保温30min；

e)降温降至735～740℃，保持30min，开始铸条，铸机的速度控制在2.5～3.5m/min；

f)对铸条进行均匀化处理，使温度控制在420～430℃，进入轧机进行扎制，轧机速度为9.0～10.5m/min；

g)将轧制的铝合金杆在195～205℃下时效处理38～43h。

本发明的有益效果在于：

1)、本发明以铝为基，添加了微量的铜(Cu)，铜与铝形成合金化合物，提高了合金的机械强度、抗疲劳性能和抗蠕变性能，并且提高了合金的加工塑性。

本发明添加有微量的钒(V)、锰(Mn)、铬(Cr)，钒(V)与铝形成V₂Al₅、V₂Al₃等多种金属化合物；锰(Mn)与铝形成MnAl3等多种金属化合物；铬(Cr)与铝形成Cr2Al3、CrAl3等多种金属化合物；这些合金化合物，对于提高合金的抗拉强度和屈服强度起到很好的效果，特别是显著提升了合金在-10℃下的低温防腐性能。

本发明添加有微量的锡(Sn)和稀土元素镨(Pr)，锡(Sn)和稀土元素镨分别与铝形成复杂的金属化合物，显著地提高了合金的加工塑性和低温拉伸性能，特别是合金在-10℃下的低温拉伸性能。

本发明还通过添加微量的稀土元素铒(Er)，铒(Er)在基体铝中与铝及上述多种合金元素形成复杂的金属化合物，这些合金化合物能大大提高合金的导电性能，特别是在-10℃低温条件下的导电效果非常好。

2)、采用本发明中的制备方法制造稀土铝合金时，分别在不同的高温阶段下依次加入相应的合金元素，即在990～1010℃时加入Cu、Sn、Pr，在1250～1280℃时加入V、Mn、Cr，在1490～1520℃时加入Er，这种在不同高温阶段下投加相应合金元素且延时保温的制备方法，不但确保了投入的合金元素能够充分熔融，而且使得所投加的合金元素可以在延时保温阶段与铝作用或彼此作用而形成合金化合物，从而有效地提升稀土铝合金在高温和低温条件下的各种性能。

3)、铸条的均匀化处理既保障了轧杆所要具备可加工性和可持续性，也为杆材后续加工提供了可靠的保障。此外，通过对所轧制的铝合金杆的在适当温度下一定时间的时效处理，有效地保障了杆材的电气性能和机械性能，特别是对于提升后续的杆材拉制和绞制工序，起到了很好的优化作用。

4)、本发明中的稀土铝合金的制备方法，通过在不同温度下依次加入相应的合金元素，再经一定条件下的铸条、均匀化处理、轧制成铝合金杆，再通过拉丝、绞丝、退火、挤塑、成缆工序处理后，最终制成稀土铝合金电缆。所制备得到的铝合金电缆，在常温下导电率达到63％IACS，延伸率达到38％，拉伸强度160MPa，在-10℃以下，抗腐蚀性能优于常规的电工用铝合金，400h耐腐蚀试验质量损失小于0.14g/m²·hr，-10℃以下导电率能达到或超过68％IACS，-10℃以下延伸率达到36％，这一特性特别是对于北方常年低温地区使用更为有利，即可以有效地降低电能损耗，又可以保障电缆在低温条件下的施工和使用。

所制备得到的铝合金电缆不仅具有较为优异的加工、机械、电气、防腐性能外，在低温条件下还具备更为优异的导电性能和拉伸性能。

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。

实施例1

(1)将铝锭投入熔炉中，加热至700℃使之熔化，升温至830℃，静置保温30min；然后加入Cu、Sn、稀土Pr，温度升高至950℃使其熔化，并保温20min；再加入V、Mn、Cr，温度升高至1200℃，并保温30min；随后加入稀土Er，温度升高至1450℃，搅拌10min，并保温30min；降温降至735℃，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，再静置保温保持30min。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，铸机的速度控制在2.5m/min，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420℃下均匀化处理，保持20min，然后进入轧机进行扎制，轧机速度为9.0m/min。将轧制的铝合金杆在195℃下时效处理43h。

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)将铝锭投入熔炉中，加热至750℃使之熔化，升温至850℃，静置保温30min；然后加入Cu、Sn、稀土Pr，温度升高至1050℃使其熔化，并保温20min；再加入V、Mn、Cr，温度升高至1300℃，并保温30min；随后加入稀土Er，温度升高至1550℃，搅拌10min，并保温30min；降温降至740℃，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，再静置保温保持30min。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，铸机的速度控制在3.5m/min，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430℃下均匀化处理，保持20min，然后进入轧机进行扎制，轧机速度为10.5m/min。将轧制的铝合金杆在205℃下时效处理38h。

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)将铝锭投入熔炉中，加热至730℃使之熔化，升温至835℃，静置保温30min；然后加入Cu、Sn、稀土Pr，温度升高至1000℃使其熔化，并保温20min；再加入V、Mn、Cr，温度升高至1250℃，并保温30min；随后加入稀土Er，温度升高至1500℃，搅拌10min，并保温30min；降温降至738℃，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，再静置保温保持30min。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，铸机的速度控制在3.0m/min，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℃下均匀化处理，保持20min，然后进入轧机进行扎制，轧机速度为10.0m/min。将轧制的铝合金杆在200℃下时效处理40h。

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)将铝锭投入熔炉中，加热至710℃使之熔化，升温至835℃，静置保温30min；然后加入Cu、Sn、稀土Pr，温度升高至1000℃使其熔化，并保温20min；再加入V、Mn、Cr，温度升高至1250℃，并保温30min；随后加入稀土Er，温度升高至1500℃，搅拌10min，并保温30min；降温降至738℃，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，再静置保温保持30min。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，铸机的速度控制在3.0m/min，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℃下均匀化处理，保持20min，然后进入轧机进行扎制，轧机速度为10.0m/min。将轧制的铝合金杆在200℃下时效处理40h。

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)将铝锭投入熔炉中，加热至745℃使之熔化，升温至845℃，静置保温30min；然后加入Cu、Sn、稀土Pr，温度升高至1010℃使其熔化，并保温20min；再加入V、Mn、Cr，温度升高至1280℃，并保温30min；随后加入稀土Er，温度升高至1520℃，搅拌10min，并保温30min；降温降至740℃，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，再静置保温保持30min。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，铸机的速度控制在3.0m/min，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℃下均匀化处理，保持20min，然后进入轧机进行扎制，轧机速度为9.8m/min。将轧制的铝合金杆在202℃下时效处理41h。

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)将铝锭投入熔炉中，加热至715℃使之熔化，升温至833℃，静置保温30min；然后加入Cu、Sn、稀土Pr，温度升高至980℃使其熔化，并保温20min；再加入V、Mn、Cr，温度升高至1245℃，并保温30min；随后加入稀土Er，温度升高至1480℃，搅拌10min，并保温30min；降温降至736℃，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，再静置保温保持30min。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，铸机的速度控制在2.8m/min，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423℃下均匀化处理，保持20min，然后进入轧机进行扎制，轧机速度为9.6m/min。将轧制的铝合金杆在198℃下时效处理39h。

对比例1

(1)将铝锭投入熔炉中，加热至700℃使之熔化，升温至830℃，静置保温30min；加入Cu，温度升高至950℃使其熔化，并保温20min；加入V、Mn、Cr，温度升高至1200℃，并保温30min；加入稀土Er，温度升高至1450℃，搅拌10min，并保温30min；降温降至735℃，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，再静置保温保持30min。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，铸机的速度控制在2.5m/min，得到铝合金铸锭，铸锭成分列于表3；

(2)将步骤(1)得到的铝合金铸锭在420℃下均匀化处理，保持20min，然后进入轧机进行扎制，轧机速度为9.0m/min。将轧制的铝合金杆在195℃下时效处理43h。

将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表4。

对比例2

(1)将铝锭投入熔炉中，加热至750℃使之熔化，升温至850℃，静置保温30min；加入Cu、Sn、稀土Pr，温度升高至1050℃使其熔化，并保温20min；加入V、Mn、Cr，温度升高至1300℃，并保温30min；降温降至740℃，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，再静置保温保持30min。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，铸机的速度控制在3.5m/min，得到铝合金铸锭，铸锭成分列于表3；

(2)将步骤(1)得到的铝合金铸锭在430℃下均匀化处理，保持20min，然后进入轧机进行扎制，轧机速度为10.5m/min。将轧制的铝合金杆在205℃下时效处理38h。

将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表4。

对比例3

(1)将铝锭投入熔炉中，加热至730℃使之熔化，升温至835℃，静置保温30min；加入Cu、Sn、稀土Pr，温度升高至1000℃使其熔化，并保温20min；加入稀土Er，温度升高至1500℃，搅拌10min，并保温30min；降温降至738℃，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，再静置保温保持30min。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，铸机的速度控制在3.0m/min，得到铝合金铸锭，铸锭成分列于表3；

(2)将步骤(1)得到的铝合金铸锭在425℃下均匀化处理，保持20min，然后进入轧机进行扎制，轧机速度为10.0m/min。将轧制的铝合金杆在200℃下时效处理40h。

将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表4。

对比例4

(1)将铝锭投入熔炉中，加热至710℃使之熔化，升温至835℃，静置保温30min；加入Cu、Sn、稀土Ce、稀土La，温度升高至1000℃使其熔化，并保温20min；加入Fe、Zn，温度升高至1250℃，并保温30min；降温降至738℃，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，再静置保温保持30min。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，铸机的速度控制在3.0m/min，得到铝合金铸锭，铸锭成分列于表3；

(2)将步骤(1)得到的铝合金铸锭在425℃下均匀化处理，保持20min，然后进入轧机进行扎制，轧机速度为10.0m/min。将轧制的铝合金杆在200℃下时效处理40h。

将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表4。

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

表3 对比例制备的铝合金的成分表(wt％)

表4 对比例制备的铝合金的性能测试数据表

通过表2的比较可以看出，本发明的稀土铝合金具有很好的性能，在20℃下，导电率达到63％IACS,延伸率达到37％，拉伸强度160MPa，在-10℃以下，抗腐蚀性能优于常规的电工用铝合金，400h耐腐蚀试验质量损失小于0.14g/m2·hr，-10℃以下导电率能达到68％IACS，-10℃以下延伸率达到36％。

通过表4的比较可以看出，对比例1不添加Sn和Pr的条件下，低温拉伸性能明显差于添加Sn和Pr的合金；对比例2不添加Er的情况下，低温导电率明显小于含Er的合金；对比例3和对比例4不添加V、Mn、Cr的条件下，耐腐蚀性能也要比含V、Mn、Cr的要差，特别是低温条件下，耐腐蚀性能更差；对比例4中添加了虽然添加了Fe和Zn，但对耐腐性能的提高有限，并且还添加了Ce和La,显然常温导电效果比含Er的合金差，特别是低温条件下体现的较为明显。所以本发明的合金在低温场所应用，技术优势更为突出，能取得较好的技术经济效益。

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 (4)

1.一种稀土铝合金的制备方法，按重量百分比，包括如下组分：1.1～1.3wt％的Cu；0.9～1.1wt％的V；1.3～1.4wt％的Mn；0.45～0.55wt％的Sn；0.12～0.14wt％的Cr；0.85～0.98wt％的Pr；0.45～0.66wt％的Er；余量为铝；

其特征在于包括如下步骤：

a)先将铝锭加入到熔炉中，温度升高至700～750℃使其熔化，并升温至830～850℃保温30min；

b)按上述配比加入Cu、Sn、Pr，温度升高至950～1050℃使其熔化，并保温20min；

c)按上述配比加入V、Mn、Cr，温度升高至1200～1300℃，并保温30min；

d)按上述配比加入Er，温度升高至1450～1550℃，搅拌10min，并保温30min；

e)然后降温至735～740℃，保持30min，开始铸条，铸机的速度控制在2.5～3.5m/min；

f)对铸条进行均匀化处理，将温度控制在420～430℃，进入轧机进行扎制，轧机速度为9.0～10.5m/min；

g)将轧制的铝合金杆在195～205℃下时效处理38～43h即可。

2.根据权利要求1所述的一种稀土铝合金的制备方法，其特征在于包含如下重量百分比的组分：

1.18～1.19wt％的Cu；0.95～0.98wt％的V；1.35～1.38wt％的Mn；0.45～0.55wt％的Sn；0.12～0.14wt％的Cr；0.85～0.98wt％的Pr；0.50～0.55wt％的Er；余量为铝。

3.根据权利要求2所述的一种稀土铝合金的制备方法，其特征在于包含如下重量百分比的组分：

1.18～1.19wt％的Cu；0.96～0.98wt％的V；1.36～1.38wt％的Mn；0.50～0.53wt％的Sn；0.13～0.14wt％的Cr；0.90～0.95wt％的Pr；0.53～0.55wt％的Er；余量为铝。

4.根据权利要求1所述的一种稀土铝合金的制备方法，其特征在于：

a)先将铝锭加入到熔炉中，温度升高至730～740℃使其熔化，并升温至835～845℃保温30min；

b)按上述配比加入Cu、Sn、Pr，温度升高至990～1010℃使其熔化，并保温20min；

c)按上述配比加入V、Mn、Cr，温度升高至1250～1280℃，并保温30min；

d)按上述配比加入Er，温度升高至1490～1520℃，搅拌10min，并保温30min；

e)降温降至735～740℃，保持30min，开始铸条，铸机的速度控制在2.5～3.5m/min；

f)对铸条进行均匀化处理，使温度控制在420～430℃，进入轧机进行扎制，轧机速度为9.0～10.5m/min；

g)将轧制的铝合金杆在195～205℃下时效处理38～43h。