CN105132767A - 一种高导电抗压蠕变铝合金及其制造方法 - Google Patents

一种高导电抗压蠕变铝合金及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高导电抗压蠕变铝合金，按照质量百分比计，包含如下组分：铜0.25％～2.5％，镁0.3％～2.8％，稀土0.03％～0.5％，铁0.3％～1.2％，余量为铝；还公开了高导电抗压蠕变铝合金的制造方法，包括(1)合金原材料的预处理，(2)合金的配料、熔化及炉内处理，(3)铝合金熔液的在线精炼处理，(4)合金的铸造与成形。所得铝合金材料不但具有高的抗拉强度、屈服极限，而且还具有优良的电导率、在高温时电阻的热稳定性好，更重要的是在高温下铝合金材料的抗压蠕变性能也非常优异，是电工行业“以铝代铜”的重大突破，大大解决了铝合金导体材料在应用过程中，由于蠕变性能差异造成的缺陷，满足了铝合金材料在电工行业应用的性能要求。

Description

一种高导电抗压蠕变铝合金及其制造方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种铝合金材料，具体地说是涉及一种高导电抗压蠕变铝合金及其制造方法。
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，其密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性。目前，在电工导体领域，“以铝节铜”、采用新型的铝合金导体替代铜导体和铝导体已经成为国际性发展趋势，铝合金导体以其优异的拉重比，较高的延伸率、抗拉强度和电导率成为了导体材料的主要节铜产品。但是普通的铝合金导体材料存在抗压蠕变性能差、容易发生腐蚀等缺陷，在给用户带来极大困扰的同时也严重影响了铝合金导体在电工行业的健康发展。
铝合金材料的蠕变行为是广泛存在的，尤其是对于作为导体材料的合金来说，其蠕变行为是不得不关注的一个问题，相对来说，由于压蠕变变形对电缆导体材料产生的危害更大。铝及铝合金均为电负性金属，也是最活泼的工业金属之一，通常在氧化环境下，表面上形成有一层连续的致密氧化膜，导致其具有很好的耐蚀性能。但是，当铝合金导体材料在一定的压应力下发生蠕变变形，就会破坏氧化膜，产生点腐蚀和缝隙腐蚀，对于铜铝接头和铜包铝合金等材料来说，同时还会发生电偶腐蚀。
其中，点腐蚀的产生原因是微电池腐蚀，是由于合金中的不同电极电位的金属相、金属间化合物相和金属基体在一定的介质条件下产生的微电池反应，通常是因为压蠕变引起的局部的微变形而发生的，严重的时候还可能造成断裂或者穿孔，这种现象易发生在沿海地区和污染较重的地区的铝合金导线上；缝隙腐蚀是压蠕变造成的主要危害，因为铝的电位很低，在有空气进入缝隙的时候可以发生铝空气电池反应，金属铝被氧化成氧化铝，这种现象在通电的情况下反应会被加剧；铜铝接头或者铜包铝合金材料本身不会发生电偶腐蚀，但在一定压力情况下，因为铜铝的蠕变变形差异，在铜铝之间产生缝隙，当有腐蚀介质进入缝隙后铜铝之间发生原电池反应，就产生了电偶腐蚀，也称双金属腐蚀。
众所周知，导体中只要有腐蚀发生的部位，都会增大电阻，产生局部发热，严重的会造成连接部位过载、发热，直接造成致命安全隐患，对于铝合金电缆来说，电缆的连接安全是最重要的问题，而连接器缺陷的主要原因，就是因为导体材料的压蠕变缺陷导致连接部位接触电阻增大，增加了安全隐患。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中铝合金导体材料抗压蠕变性能较差，易发生腐蚀，导致出现安全隐患，从而提出一种高导电且抗压蠕变性能优异的铝合金材料和该材料的制造方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
本发明提供了一种高导电抗压蠕变铝合金，按照质量百分比计，包含如下组分：铜0.25％～2.5％，镁0.3％～2.8％，稀土0.03％～0.5％，铁0.3％～1.2％，余量为铝。
作为优选，所述高导电抗压蠕变铝合金按照质量百分比计，包含如下组分：包含如下组分：铜0.85％～2.0％，镁0.8％～1.8％，稀土0.03％～0.25％，铁0.4％～1.0％，余量为铝。
作为优选，所述稀土为镧系稀土，采用混合稀土的铝中间合金方式加入。
本发明还提供了一种高导电抗压蠕变铝合金的制造方法，包括如下步骤：
(1)合金原材料的预处理：按照各原料的质量百分比，将经过纯化处理的铜粉、铁粉分别加上铝粉和熔盐，充分混合后分别压制成合金坯锭，将稀土和镁锭通过重熔方式制作成母合金；
(2)合金的配料、熔化及炉内处理，得到铝合金熔液；
(3)铝合金熔液的在线精炼处理：铝合金熔液在通过铸造流槽时加入晶粒细化剂并在在线精炼装置中，进行除气除渣；
(4)合金的铸造与成形。
作为优选，所述步骤(1)中，所述合金坯锭中铜和铁的含量占所述坯锭的70-80％；所述熔盐为为氟盐和氯盐；制作坯锭的金属粉末粒径不大于50目，坯锭中水含量小于0.01％，有机溶剂总量小于3ppm。
作为优选，所述母合金中稀土的质量占所述母合金5-20％，镁的质量占所述母合金20-50％，所述母合金中单一杂质金属含量不大于所述母合金质量的0.15％，累计总杂质金属含量不大于所述母合金质量的0.3％。
作为优选，所述步骤(2)具体为，按照原料的质量百分比，在熔炼炉中加入相应质量的铝锭，于680-740℃下熔为铝液后，加入所述合金坯锭和所述母合金；并进行炉内使用精炼剂进行喷粉精炼，时间为10-15分钟，然后使用炉底电磁搅拌器，搅拌20分钟，静置10-20分钟后得到铝合金熔液。
作为优选，所述步骤(3)中，所述晶粒细化剂为铝钛硼丝，其加入量为每吨所述铝合金熔液中0.5～2.5公斤；所述除气除渣过程中，除气介质采用高纯氩气，氩气纯度不小于99.996％，流量不大于6m3/hr，过滤介质采用泡沫陶瓷过滤板，孔隙度为不小于30ppi。
作为优选，所述步骤(4)中铸造温度为680℃～745℃，铸造时间根据各种铸造方式以及产品尺寸确定。
作为优选，所述步骤(4)中，具体为，采用不同的铸造方式铸造出不同的用于后续加工的铸坯，所述铸坯包括线杆、圆铸锭、铸轧卷、铸轧板、扁锭以及铸件。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明所述的高导电抗压蠕变铝合金，按照质量百分比计，包含如下组分：铜0.25％～2.5％，镁0.3％～2.8％，稀土0.03％～0.5％，铁0.3％～1.2％，余量为铝，本发明在现有常规铝合金中加入了Cu、Mg、稀土等合金元素，使得到的铝合金材料不但具有高的抗拉强度和屈服极限，而且还具有优良的电导率、在高温时电阻的热稳定性好，更重要的是在高温下铝合金材料的抗蠕变性能也非常优异，大大解决了铝合金导体材料在应用过程中，由于蠕变性能差异造成的易腐蚀等缺陷，满足了电工行业对铝合金导体材料的性能要求，在相同载流量的条件下，可节约铜资源约60％左右，使用成本下降超过50％，可以在很多领域里替代铜导体，实现“以铝代铜”或者“以铝节铜”。
(2)本发明所述的高导电抗压蠕变铝合金，在常规导体的基础上引入了Al-Cu，Al-Mg等强化相，在没有相变产生的前提下，改善了导体材料基体组织的内部晶粒结构并利用新引入的强化相，阻碍了晶内位错运动或形成新的晶界位错，从而提高了铝合金导体材料的抗蠕变性能。
(3)本发明所述的高导电抗压蠕变铝合金的制造方法，包括步骤：(1)合金原材料的预处理；(2)合金的配料、熔化及炉内处理，得到铝合金熔液；(3)铝合金熔液的在线精炼处理；(4)合金的铸造与成形。其中，步骤(3)采用在线精炼装置对铝合金导体材料进行除气除渣，有益于提高导体材料的抗拉强度和导电率，本发明采用在线精炼装置进行在线除气除渣，能够有效的去除氢气和非金属夹杂物，精炼后铝液中的氢气含量不大于15ml/100gAl。非金属夹杂物含量去除率不小于95％。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明做进一步详细的说明，其中
图1是本发明实施例1中的抗压蠕变铝合金导体与纯铝导体、铜导体在112MPa，120℃下的20小时蠕变曲线；
图2是本发明实施例1-4中的抗压蠕变铝合金导体与铜导体在112MPa，120℃下的20小时蠕变曲线。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种高导电抗压蠕变铝合金，按照质量百分比计，包含如下组分：铜1.5％，镁1.5％，稀土0.25％，铁0.7％，铝96.05％。
所述高导电抗压蠕变铝合金的制造方法包括以下步骤：
(1)合金原材料的预处理：按照各原料的质量百分比，将经过纯化处理的铜粉、铁粉分别加上铝粉和熔盐，充分混合后分别压制成铜铝合金和铁铝合金坯锭，所述合金坯锭中，铜和铁的含量分别占所述合金坯锭的70-90％，本实施例中，所述铜铝合金坯锭中铜的含量为80％，铁铝合金中铁的含量为80％，余下为熔盐；制作坯锭的金属粉末粒径不大于50目，坯锭中水含量小于0.01％，有机溶剂总量小于3ppm；将稀土和镁锭通过重熔方式制作成母合金，所述母合金中稀土的质量占所述母合金13％，镁的质量占所述母合金35％，所述母合金中单一杂质金属含量不大于所述母合金质量的0.15％，累计总杂质金属含量不大于所述母合金质量的0.3％；
(2)合金的配料、熔化及炉内处理，得到铝合金熔液：按照原料的质量百分比，在熔炼炉中加入相应质量的铝锭，于710℃下熔为铝液后，加入所述合金坯锭和所述母合金；并进行炉内使用精炼剂进行喷粉精炼，时间为12分钟，然后使用炉底电磁搅拌器，搅拌20分钟，静置15分钟后得到铝合金熔液。
(3)铝合金熔液的在线精炼处理：铝合金熔液在通过铸造流槽时加入铝钛硼晶粒细化剂，所述晶粒细化剂的加入量为每吨铝合金熔液中1.5公斤，并在在线精炼装置中，采用纯度为99.998％的氩气在氩气流流量为5m3/hr下进行除气除渣，除气除渣过程中采用的过滤介质为泡沫陶瓷过滤板，孔隙度为50ppi；
(4)将精炼处理后的铝合金熔液通过线杆连铸连轧机在700℃下铸造并经过9-14道轧制，生产出高导电抗压蠕变铝合金线杆。
实施例2
本实施例提供了一种高导电抗压蠕变铝合金，按照质量百分比计，包含如下组分：铜0.25％，镁0.3％，稀土0.03％，铁0.3％，铝99.12％。
所述高导电抗压蠕变铝合金的制造方法包括以下步骤：
(1)合金原材料的预处理：按照各原料的质量百分比，将经过纯化处理的铜粉、铁粉分别加上铝粉和熔盐，充分混合后分别压制成铜铝合金和铁铝合金坯锭，所述铜铝合金坯锭中，铜的含量为70％，所述铁铝合金中，铁的含量为90％，余下为熔盐；制作坯锭的金属粉末粒径不大于50目，坯锭中水含量小于0.01％，有机溶剂总量小于3ppm；将稀土和镁锭通过重熔方式制作成母合金，所述母合金中稀土的质量占所述母合金5％，镁的质量占所述母合金50％，所述母合金中单一杂质金属含量不大于所述母合金质量的0.15％，累计总杂质金属含量不大于所述母合金质量的0.3％；
(2)合金的配料、熔化及炉内处理，得到铝合金熔液：按照原料的质量百分比，在熔炼炉中加入相应质量的铝锭，于680℃下熔为铝液后，加入所述合金坯锭和所述母合金；并进行炉内使用精炼剂进行喷粉精炼，时间为10分钟，然后使用炉底电磁搅拌器，搅拌20分钟，静置10分钟后得到铝合金熔液。
(3)铝合金熔液的在线精炼处理：铝合金熔液在通过铸造流槽时加入铝钛硼晶粒细化剂，所述晶粒细化剂的加入量为每吨铝合金熔液中0.5公斤，并在在线精炼装置中，采用纯度为99.998％的氩气在氩气流流量为4m3/hr下进行除气除渣，除气除渣过程中采用的过滤介质为泡沫陶瓷过滤板，孔隙度为40ppi；
(4)将精炼处理后的铝合金熔液通过同水平热顶铸造机在680℃下采用同水平半连续热顶铸造，生产出高导电抗压蠕变铝合金挤压用圆铸锭。
实施例3
本实施例提供了一种高导电抗压蠕变铝合金，按照质量百分比计，包含如下组分：铜2.5％，镁2.8％，稀土0.5％，铁1.2％，铝93％。
所述高导电抗压蠕变铝合金的制造方法包括以下步骤：
(1)合金原材料的预处理：按照各原料的质量百分比，将经过纯化处理的铜粉、铁粉分别加上铝粉和熔盐，充分混合后分别压制成铜铝合金和铁铝合金坯锭，所述铜铝合金坯锭中，铜的含量为90％，所述铁铝合金中，铁的含量为70％，余下为熔盐；制作坯锭的金属粉末粒径不大于50目，坯锭中水含量小于0.01％，有机溶剂总量小于3ppm；将稀土和镁锭通过重熔方式制作成母合金，所述母合金中稀土的质量占所述母合金20％，镁的质量占所述母合金20％，所述母合金中单一杂质金属含量不大于所述母合金质量的0.15％，累计总杂质金属含量不大于所述母合金质量的0.3％；
(2)合金的配料、熔化及炉内处理，得到铝合金熔液：按照原料的质量百分比，在熔炼炉中加入相应质量的铝锭，于740℃下熔为铝液后，加入所述合金坯锭和所述母合金；并进行炉内使用精炼剂进行喷粉精炼，时间为15分钟，然后使用炉底电磁搅拌器，搅拌20分钟，静置20分钟后得到铝合金熔液。
(3)铝合金熔液的在线精炼处理：铝合金熔液在通过铸造流槽时加入铝钛硼晶粒细化剂，所述晶粒细化剂的加入量为每吨铝合金熔液中2.5公斤，并在在线精炼装置中，采用纯度为99.998％的氩气在氩气流流量为6m3/hr下进行除气除渣，除气除渣过程中采用的过滤介质为泡沫陶瓷过滤板，孔隙度为40ppi；
(4)将精炼处理后的铝合金熔液通过板带铸轧机在745℃下采用连续半袋铸轧机，生产出高导电抗压蠕变铝合金铸轧卷。
实施例4
本实施例提供了一种高导电抗压蠕变铝合金，按照质量百分比计，包含如下组分：铜1.7％，镁1.3％，稀土0.15％，铁0.9％，铝95.95％。
所述高导电抗压蠕变铝合金的制造方法包括以下步骤：
(1)合金原材料的预处理：按照各原料的质量百分比，将经过纯化处理的铜粉、铁粉分别加上铝粉和熔盐，充分混合后分别压制成铜铝合金和铁铝合金坯锭，所述铜铝合金坯锭中，铜的含量为75％，所述铁铝合金坯锭中，铁的含量为85％，余下为熔盐；制作坯锭的金属粉末粒径不大于50目，坯锭中水含量小于0.01％，有机溶剂总量小于3ppm；将稀土和镁锭通过重熔方式制作成母合金，所述母合金中稀土的质量占所述母合金18％，镁的质量占所述母合金36％，所述母合金中单一杂质金属含量不大于所述母合金质量的0.15％，累计总杂质金属含量不大于所述母合金质量的0.3％；
(2)合金的配料、熔化及炉内处理，得到铝合金熔液：按照原料的质量百分比，在熔炼炉中加入相应质量的铝锭，于690℃下熔为铝液后，加入所述合金坯锭和所述母合金；并进行炉内使用精炼剂进行喷粉精炼，时间为11分钟，然后使用炉底电磁搅拌器，搅拌20分钟，静置17分钟后得到铝合金熔液。
(3)铝合金熔液的在线精炼处理：铝合金熔液在通过铸造流槽时加入铝钛硼晶粒细化剂，所述晶粒细化剂的加入量为每吨铝合金熔液中2.3公斤，并在在线精炼装置中，采用纯度为99.998％的氩气在氩气流流量为4m3/hr下进行除气除渣，除气除渣过程中采用的过滤介质为泡沫陶瓷过滤板，孔隙度为40ppi；
(4)将精炼处理后的铝合金熔液通过板带铸轧机在725℃下采用扁锭铸造机，生产出高导电抗压蠕变铝合金热轧板坯。
实验例
1、根据GB/T2039－1997分别测试实施例1所述的高导电抗压蠕变铝合金导体(AKR)、纯铝导体(AA1060)和铜导体(Cu)在112MPa，120℃下的20小时蠕变曲线，结果如图1所示。
测试结果表明，实施例1所提供的铝合金导体其抗压蠕变性能优异，远超过纯铝导体，可达到纯铜导体的抗压蠕变程度，可在很多领域中替代铜导体，以降低成本。
2、根据GB/T2039－1997分别测试实施例1-4所述的高导电抗压蠕变铝合金导体(AKR、AKR1-3)和铜导体(Cu)在112MPa，120℃下的20小时蠕变曲线，结果如图2所示。
测试结果表明，在原料组分配比为：铜1.5％，镁1.5％，稀土0.25％，铁0.7％，铝96.05％的条件下，所得铝合金导体的抗压蠕变性能最为优异，几乎可达纯铜导体的抗压蠕变水平。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种高导电抗压蠕变铝合金，其特征在于，按照质量百分比计，包含如下组分：铜0.25％～2.5％，镁0.3％～2.8％，稀土0.03％～0.5％，铁0.3％～1.2％，余量为铝。
2.根据权利要求1所述的高导电抗压蠕变铝合金，其特征在于，按照质量百分比计，包含如下组分：铜0.85％～2.0％，镁0.8％～1.8％，稀土0.03％～0.25％，铁0.4％～1.0％，余量为铝。
3.根据权利要求2所述的高导电抗压蠕变铝合金，其特征在于，所述稀土为镧系稀土，采用混合稀土的铝中间合金方式加入。
4.一种高导电抗压蠕变铝合金的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)合金原材料的预处理：按照各原料的质量百分比，将经过纯化处理的铜粉、铁粉分别加上铝粉和熔盐，充分混合后分别压制成合金坯锭，将稀土和镁锭通过重熔方式制作成母合金；
(2)合金的配料、熔化及炉内处理，得到铝合金熔液；
(3)铝合金熔液的在线精炼处理：铝合金熔液在通过铸造流槽时加入晶粒细化剂并在在线精炼装置中，进行除气除渣；
(4)合金的铸造与成形。
5.根据权利要求4所述的高导电抗压蠕变铝合金的制造方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述合金坯锭中铜和铁的含量占所述合金坯锭的70-80％；所述熔盐为氟盐和氯盐；制作坯锭的金属粉末粒径不大于50目，坯锭中水含量小于0.01％，有机溶剂总量小于3ppm。
6.根据权利要求4或5所述的高导电抗压蠕变铝合金的制造方法，其特征在于，所述母合金中稀土的质量占所述母合金5-20％，镁的质量占所述母合金20-50％，剩余组分为铝，所述母合金中单一杂质金属含量不大于所述母合金质量的0.15％，累计总杂质金属含量不大于所述母合金质量的0.3％。
7.根据权利要求6所述的高导电抗压蠕变铝合金的制造方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为，按照原料的质量百分比，在熔炼炉中加入相应质量的铝锭，于680-740℃下熔为铝液后，加入所述合金坯锭和所述母合金；并进行炉内使用精炼剂进行喷粉精炼，时间为10-15分钟，然后使用炉底电磁搅拌器，搅拌20分钟，静置10-20分钟后得到铝合金熔液。
8.根据权利要求7所述的高导电抗压蠕变铝合金的制造方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述晶粒细化剂为铝钛硼丝，其加入量为每吨所述铝合金熔液中0.5～2.5公斤；所述除气除渣过程中，除气介质采用高纯氩气，氩气纯度不小于99.996％，流量不大于6m3/hr，过滤介质采用泡沫陶瓷过滤板，孔隙度为不小于30ppi。
9.根据权利要求8所述的高导电抗压蠕变铝合金的制造方法，其特征在于，所述步骤(4)中铸造温度为680℃～745℃，铸造时间根据各种铸造方式以及产品尺寸确定。
10.根据权利要求9所述的高导电抗压蠕变铝合金的制造方法，其特征在于，所述步骤(4)中，具体为，采用不同的铸造方式铸造出不同的用于后续加工的铸坯，所述铸坯包括线杆、圆铸锭、铸轧卷、铸轧板、扁锭以及铸件。
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