CN105039799A - 一种硅铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硅铝合金材料，其特点是该材料的组分和重量百分比为：Si：10.0％～12.0％，Cu：1.5％～2.5％，Mg：≤0.3％，Mn：≤0.55％，Sn：≤0.25％，Ni：≤0.45％，Zn：≤1.00％，Fe：≤0.8％，Pb：≤0.1％，Hg：≤0.1％，Cd：≤100ppm，稀土元素RE：0.02％～0.19％，Zr：0.15％～0.20％，余量为Al。其具有良好的导电性能，又具有较好的强度和伸长率，且抗氧化性能强，并在铝合金中添加稀土元素和锆元素，去除有害元素和气体，纯净铝液，提高其强度、塑性以及耐压性。

Description

一种硅铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种硅铝合金材料及其制备方法。

背景技术

铝合金由于其强度高、重量轻，并有较好的导电性能(各种不同品牌的铝合金具有不同的性能特点)，被广泛地使用并获得良好的经济效果，如应用涉及电工行业、散热器加工行业。

电工行业中我国的铝合金导线生产经过几次设备、工艺的改革，产品性能亦已达到IEC、JEC等标准要求，并用于架空线路上。然而，由于种种原因，目前我国输配电线路中铝合金导线的使用量仅占7％左右，而国际上铝合金导线早已成为输电线路的主要线种。其中，法国使用最为普遍，他们在平原地区使用铝合金绞线，在山区则用钢芯铝合金绞线，目前几乎已全部代替了钢芯铝绞线。在日本，耐热铝合金作为导电铝合金的主要品种被大量使用，日本六大电力公司使用的耐热铝合金系列导线占日本架空输配电线路用导线70％以上。

近年来，随着我国电力工业的蓬勃发展，对铝合金导线所具有的优点、经济效果有了更深的了解。输配电线路用铝合金导线已呈强劲的上升势头，尽管我国目前的铝合金导线产量不大，但已有不少铝合金导线产品销往新加坡、马来西亚、香港、巴基斯坦、印度、澳大利亚等国。近悉，比利时、南朝鲜也有意从我国进口铝合金导线，而且数量可观，国内华北地区城市旧电网改造、三峡工程都急需大量不同品牌的铝合金导线。因此，高质量、价格合理的铝合金导线将成为今后输配电线路中用线的必然产品。

由于铝较铜软，因此作为替代铜导线的铝合金导体除了达到所需导体的各项性能指标外，还必须具备一定的强度和伸长率，还要具有一定的蠕变性能，抗氧化能力强。中国专利申请CN102119233A明提供一种具有高韧性和高导电率的铝合金、铝合金线、铝合金绞合线、包覆电线和束线，以及一种制造铝合金线的方法。所述铝合金线包含：大于或等于0.005质量％且小于或等于2.2质量％的Fe，并且余量为Al和杂质。该铝合金线还可以包含总量大于或等于0.005质量％且小于或等于1.0质量％的选自Mg、Si、Cu、Zn、Ni、Mn、Ag、Cr和Zr中的至少一种添加元素。所述铝合金线的导电率不低于58％IACS，并且伸长率不低于10％。所述铝合金线是通过铸造、轧制、拉丝以及软化处理这些连续的步骤而制成的。进行软化处理以提供优异的韧性(例如，伸长率和耐冲击性)，从而使得在安装束线时，电线在端子部附近处的断裂情况得以减轻。这种铝合金韧性较好，但因铝导体的内部结构问题，导致抗氧化性能差。

而散热器加工行业中，传统散热器多为铸铁和钢制两种材质形式，其导热性能差、重量重、体积大、而且散热表面积小，散热效率低，为了增加散热量，往往通过增加散热单元的数量来增加散热表面积，这样不仅需增加成本，而且增加了散热器的体积，导致安装散热器的空间也必须增加，另外铸铁制成的散热器表面粗糙，表面处理难度大，钢铁制成的散热器焊点多，损耗大，生产效率低，两者的外观形状差，产品档次低，容易被腐蚀，使用寿命不长。因此，开发出整体很轻，选用方便，适应性强，性价比良好的铝合金材质形式的散热器，其外观立体感强，表面电涂喷塑后细腻光洁，新颖美观，具有独特的结构美感，并具有良好的传热性能，优于传统铸铁和钢制散热器，但是其在生产、销售、使用过程中仍存在以下不足，需进一步研究解决：

1、随终端市场销售价格的不断下调，其产品单片重量已成各产品市场竞争的核心，所以生产优质材料的超薄翼片压铸铝合金散热器已迫在眉睫；

2、压铸铝合金散热器其主导散热方式为对流，其铝材材质性能和设计结构能否可以由压铸工艺完成，已成为压铸铝合金散热器发展的重要瓶颈；

3、散热器在使用过程中，长期处于高压状态，产品材质的抗压性能是本产品的重要指标之一；

4、产品压铸过程中液态铝合金材质的流动性和整体成型的完整性、表面的光洁度、加工可塑性、抗拉强度、相互牵扯而出现反复循环的热应力均能影响压铸铝合金散热器的产品质量；

5、产品在压铸成型后开模过程中因毛坯迅速冷却导致变形严重，严重影响其成品外观和后序的加工。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是为了提供一种具有良好的导电性能，又具有较好的强度和伸长率，且抗氧化性能强，并在铝合金中添加稀土元素和锆元素，去除有害元素和气体，纯净铝液，提高其强度、塑性以及耐压性的一种硅铝合金材料，以及该硅铝合金材料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种硅铝合金材料，其特征在于，该材料的组分和质量百分比为：Si：10.0％～12.0％，Cu：1.5％～2.5％，Mg：≤0.3％，Mn：≤0.55％，Sn：≤0.25％，Ni：≤0.45％，Zn：≤1.00％，Fe：≤0.8％，Pb：≤0.1％，Hg：≤0.1％，Cd：≤100ppm，稀土元素RE：0.02％～0.19％，Zr：0.15％～0.20％，余量为Al。

优选地，上述的一种硅铝合金材料，其中所述稀土元素RE为单一稀土元素或混合稀土元素。

优选地，上述的一种硅铝合金材料，其中所述的稀土元素包括铈和镧。

优选地，上述的一种硅铝合金材料，其中所述稀土元素铈的含量为0.009-0.09％，镧的含量为0.05-0.08％。

一种硅铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：在上述元素比例范围内，选定一组元素比例，再根据需要配制的合金总量，推算出所需的每种单质金属的质量，或者中间合金的质量，编制合金生产配料表，并按配料表选足备料；

第二步：往熔炼炉中加入适量的铝锭或熔融铝液，加热使之完全融化，熔化过程在封闭环境内完成；

第三步：按配方比例先加入Mg、Mn、Sn、Ni、Zn、Fe、Hg、Cu、Cd、Si、Pb纯金属或Al-Mg、Al-Mn、Al-Sn、Al-Ni、Al-Zn、Al-Fe、Al-Hg、Al-Cu、Al-Cd、Al-Si、Al-Pb合金，搅拌均匀后获得混合物，再向所述混合物加入Zr和稀土元素RE，搅拌均匀，形成可浇铸的熔体；

第四步：对上述合金熔体进行炉内精炼，精炼后进行保温并浇铸，获得新型Al合金制品。

本发明的有益效果主要体现在：

(1)铁元素、铜元素和锌元素可以增加铝合金导体的强度和伸长率，并且提高了导体的蠕变性能；加入的稀土元素可改善铝导体的内部结构，提高了抗氧化能力；加入的镁元素和硅元素可以增加铝合金导体的强度。

(2)在铝合金中添加一定量的稀土元素RE和锆(Zr)元素可以细化晶粒，去除有害元素和气体，纯净铝液，提高其强度、塑性以及耐压性，并通过加入稀土元素RE和锆(Zr)后，对铝合金组织、性能的变化分析，确定最佳加入量。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解和认识，用以较佳的实施例详细的说明，说明如下：

一种硅铝合金材料，其组分和质量百分比为：Si：10.0％～12.0％，Cu：1.5％～2.5％，Mg：≤0.3％，Mn：≤0.55％，Sn：≤0.25％，Ni：≤0.45％，Zn：≤1.00％，Fe：≤0.8％，Pb：≤0.1％，Hg：≤0.1％，Cd：≤100ppm，稀土元素RE：0.02％～0.19％，Zr：0.15％～0.20％，余量为Al。

其中所述稀土元素RE为单一稀土元素或混合稀土元素。

具体地，上述稀土元素包括铈和镧，其中稀土元素铈的含量为0.009-0.09％，镧的含量为0.05-0.08％。

一种硅铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：在上述元素比例范围内，选定一组元素比例，再根据需要配制的合金总量，推算出所需的每种单质金属的质量，或者中间合金的质量，编制合金生产配料表，并按配料表选足备料；

第二步：往熔炼炉中加入适量的铝锭或熔融铝液，加热使之完全融化，熔化过程在封闭环境内完成；

第三步：按配方比例先加入Mg、Mn、Sn、Ni、Zn、Fe、Hg、Cu、Cd、Si、Pb纯金属或Al-Mg、Al-Mn、Al-Sn、Al-Ni、Al-Zn、Al-Fe、Al-Hg、Al-Cu、Al-Cd、Al-Si、Al-Pb合金，搅拌均匀后获得混合物，再向所述混合物加入Zr和稀土元素RE，搅拌均匀，形成可浇铸的熔体；

第四步：对上述合金熔体进行炉内精炼，精炼后进行保温并浇铸，获得新型Al合金制品。

其产生的技术效果如下：

(1)铁元素、铜元素和锌元素可以增加铝合金导体的强度和伸长率，并且提高了导体的蠕变性能；加入的稀土元素可改善铝导体的内部结构，提高了抗氧化能力；加入的镁元素和硅元素可以增加铝合金导体的强度。

(2)在铝合金中添加一定量的稀土元素RE和锆(Zr)元素可以细化晶粒，去除有害元素和气体，纯净铝液，提高其强度、塑性以及耐压性，并通过加入稀土元素RE和锆(Zr)后，对铝合金组织、性能的变化分析，确定最佳加入量。

以上所述技术方案所获得的该新型铝合金材料性能数据如下：

1、铝合金拉伸强度(均值，下同)：228Mpa

2、硬度：74.1HB

3、延伸率：14％

4、产品金属热强度：≥1.8W/kg·k

5、产品工作压力：≤1.2MPa

6、产品电阻率：≤0.03欧姆平方毫米每米。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种硅铝合金材料，其特征在于，该材料的组分和重量百分比为：Si：10.0％～12.0％，Cu：1.5％～2.5％，Mg：≤0.3％，Mn：≤0.55％，Sn：≤0.25％，Ni：≤0.45％，Zn：≤1.00％，Fe：≤0.8％，Pb：≤0.1％，Hg：≤0.1％，Cd：≤100ppm，稀土元素RE：0.02％～0.19％，Zr：0.15％～0.20％，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的一种硅铝合金材料，其特征在于，所述稀土元素RE为单一稀土元素或混合稀土元素。

3.根据权利要求2所述的一种硅铝合金材料，其特征在于，所述的稀土元素包括铈和镧。

4.根据权利要求3所述的一种硅铝合金材料，其特征在于，所述稀土元素铈的含量为0.009-0.09％，镧的含量为0.05-0.08％。

5.一种如权利要求1或2所述的一种硅铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：在上述元素比例范围内，选定一组元素比例，再根据需要配制的合金总量，推算出所需的每种单质金属的质量，或者中间合金的质量，编制合金生产配料表，并按配料表选足备料；

第二步：往熔炼炉中加入适量的铝锭或熔融铝液，加热使之完全融化，熔化过程在封闭环境内完成；

第三步：按配方比例先加入Mg、Mn、Sn、Ni、Zn、Fe、Hg、Cu、Cd、Si、Pb纯金属或Al-Mg、Al-Mn、Al-Sn、Al-Ni、Al-Zn、Al-Fe、Al-Hg、Al-Cu、Al-Cd、Al-Si、Al-Pb合金，搅拌均匀后获得混合物，再向所述混合物加入Zr和稀土元素RE，搅拌均匀，形成可压铸的熔体；

第四步：对上述合金熔体进行炉内精炼，精炼后进行保温并压铸，获得新型Al合金制品。