CN105483455B - 一种Al‑Sc‑Zr‑Er铝合金高强高导状态的热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

一种Al‑Sc‑Zr‑Er铝合金高强高导状态的热处理工艺，属于合金技术领域。合金添加有0.123‑0.175％(质量百分比)的Sc，0.193‑0.213％(质量百分比)的Zr，0.061‑0.080％(质量百分比)的Er，余量为其它不可避免的杂质及Al。热处理工艺步骤，首先将合金在640±10℃下固溶处理48h，随后水淬至室温，然后将固溶态合金分别在350‑400℃之间热处理144h左右。热处理后的合金硬度可达64HV，对应的屈服强度约为200MPa，电导率在60％IACS以上，具有显著的时效强化效果和良好的导电性。

Description

一种Al-Sc-Zr-Er铝合金高强高导状态的热处理工艺
技术领域
本发明属于金属合金材料技术领域，具体涉及到一种经过复合微合金化的铝合金材料的制备过程及其热处理工艺。
背景技术
随着经济的持续高速发展，对于电力这一重要能源的需求不断攀升，在我国铜资源相对匮乏的大背景下，再加上其具有密度大、价格贵等特点，铝导线受到越来越广泛的关注。
作为导线材料除了要求有良好的电导率外还应具有一定强度以支持其自身的质量及外来的自然载重(风荷载冰荷载等)。在材料学领域，提高铝合金强度的方法有四种，通过细化晶粒提高强度的细晶强化、在再结晶温度以下发生塑性变形时强度和硬度升高，塑性和韧性降低的形变强化、使某种溶质元素融入溶剂中形成固溶体而使金属强度升高的固溶强化和通过弥散析出第二相来阻碍位错运动来提高强度的弥散强化。通过不同的方法来强化材料的同时，会对材料的电导率产生一定的影响。研究表明，当金属发生冷塑性变形后强度、硬度升高，导电性会略有降低；当晶粒细化后，由于晶粒减小，晶界面积增多，晶界对电子的散射作用增强，也会使材料电导率略有降低。总之，细晶强化和形变强化对材料的电导率有一定的影响，但影响程度较小。而当铝中杂质或合金元素处于固溶态时，对铝的导电性有非常强烈的影响，同时当其处于析出态时，对电导率的影响仅是固溶态的几分之一到几十分之一，因此，固溶强化这种方式可以提高强度但却使电导率大大降低，不符合导线的强化需求。综上所述，要得到同时具备高强、高导的铝导线材料，必须满足所添加的合金元素在铝中的固溶度尽可能的小，并且通过某种热处理工艺后，合金元素能够从基体中尽可能多的析出，形成细小、弥散分布于基体中的强化相。
近年来，国内外学者对稀土元素在铝合金中的作用进行了大量研究，这些研究主要集中在Sc、Zr、Yb、La、Er等及其复合微合金化对铝合金的影响，其中，以Sc的研究最为深入。在铝合金中Sc是具有最好时效强化效果的微合金化元素，Al-Sc二元合金中，Sc的最大固溶度为0.23at.％，当温度低于450℃时，其固溶度不足0.01at.％，因此经热处理后，能够大量弥散析出具有L12结构的Al3Sc，从而使合金的强度升高。与固溶态相比，添加的微合金化元素以析出态的形式存在，也增加了合金的电导率。但由于Sc的扩散系数较大，在高温长时间时效时Al3Sc析出相易粗化，导致合金的耐热性差。研究表明，在Al-Sc二元合金中添加微量扩散系数较小的Zr可以提高合金耐热性，同时，高浓度的Sc与Zr复合添加后可以形成细小弥散的、内Sc外Zr具有核壳结构的Al3(Sc，Zr)第二相，达到强度和电导率的同步提高。但当Sc含量较低时，由于Zr元素的形核驱动力比Sc小，Sc、Zr复合添加导致微合金化元素无法从基体中弥散析出，因此起不到强化的效果，同时Zr以固溶态的形式存在于铝基体，会大大降低了合金的导电性。Er元素也是铝合金中一种常见的微合金化元素，与Sc、Zr相比具有突出的特点，在Er、Sc、Zr元素相同含量的前提下，Er的形核驱动力比Sc、Zr大，当Sc浓度较低时，能够促进Sc、Zr的析出，最终形成具有L12结构的Al3(Sc，Zr，Er)析出相，从而增大第二相的体积分数，同时也提高了合金材料的电导率，析出的Zr元素位于核壳结构的外层，从而保证了弥散析出的第二相具有较小的半径，最终达到强度和电导率的同步提升。
由于Sc、Zr、Er元素的特点不同，最佳时效温度不一样，当它们复合微合金化后，要想得到上述状态的合金，必须找到一种合适的热处理方式。
因此，本发明针对Al-Sc-Zr-Er合金，旨在寻找一种合适的热处理工艺，使添加的微合金化元素弥散析出，得到具有较大体积分数、较小半径的第二相，从而制备高强高导的铝合金导线材料。
发明内容
由于Sc是一种昂贵的金属，本发明的目的是在用少量的Sc，采用一种合适的方式提高合金强度和导电性，本发明通过复合微合金化的方法提供一种Al-Sc-Zr-Er铝合金的热处理工艺，对铝或者铝合金基体起到强化作用，从而提高铝合金的强度和导电性。
一种Al-Sc-Zr-Er铝合金高强高导状态的热处理工艺，其特征在于，Al-Sc-Zr-Er合金中添加了0.123-0.175％(质量百分比)的Sc、0.193-0.213％(质量百分比)的Zr、0.061-0.080％(质量百分比)的Er，余量为一些不可避免的杂质和Al。
该合金的制备方法是在熔炼铝的过程中加入Al-1.8wt.％Sc；Al-5.5wt.％Er；Al-2.9wt.％Zr中间合金实现的，熔炼温度为780±10℃，达到熔炼温度后保温15分钟，使熔体中各元素成分分布均匀后进行铁模浇铸，得到铸态合金，随后进行热处理，以获得所述合金材料。
本发明合金热处理工艺步骤包括如下：
(1)首先在640±10℃固溶处理48h，随后水淬至室温；
(2)然后固溶态合金在350-400℃之间热处理144±5h。
本发明由于采用了Sc、Zr和Er的复合微合金化，具有非常显著的时效强化效果，使得合金在较低的Sc含量下具有与高含量Sc性能(强度和导电性)基本持平的效果，如附图2、3、6、7所示，A1，A2号合金时效144h后硬度值可达64HV，对应的屈服强度约为200MPa，电导率在60％IACS以上，合金具有高强高导性能。
附图说明
图1：300℃等温时效硬度曲线；
图2：350℃等温时效硬度曲线；
图3：400℃等温时效硬度曲线；
图4：450℃等温时效硬度曲线；
图5：300℃等温时效电导率曲线；
图:6：350℃等温时效电导率曲线；
图7：400℃等温时效电导率曲线；
图8：450℃等温时效电导率曲线；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，首先在640±10℃固溶处理48h，随后水淬至室温；然后固溶态合金在300-450℃之间每隔50℃进行1min-144h不同时间的等温时效热处理。
实施例1：采用石墨坩埚熔炼和铁模铸造制备合金铸锭，所用原料为高纯铝和Al-1.8wt.％Sc、Al-5.5wt.％Er、Al-2.9wt.％Zr的中间合金。在熔炼温度为780±10℃下，先将纯铝铝锭熔化，随后加入Al-Sc、Al-Zr、Al-Er中间合金，待中间合金熔化后加入六氯乙烷进行除气，然后充分搅拌，保温静置15分钟，使熔体中各元素成分分布均匀后进行铁模浇铸。制备了4种不同成分的铝合金，通过XRF测得其实际成分，如下表1所示。
表1 实验合金成分
实施例2：对实施例1中的合金在640±10℃固溶处理48h后，水淬至室温，随后在350℃进行等温时效。图2给出了合金350℃下等温时效的硬度变化曲线，从图中可以看出，A1、A2号合金的硬度曲线分成三部分，前期为析出相孕育期，随后硬度随时效时间的延长而不断增加，约在1h左右达到峰值硬度，之后出现硬度平台，即随时效时间的延长其硬度值基本不变，时效144h时，A1、A2号合金硬度值分别为64HV、66HV(对应屈服强度约为200MPa、206MPa)，可见所述合金具有很好的强化效果。图6给出了350℃下等温时效的电导率曲线，从图中可以看出，随着时效时间的延长，电导率整体呈现上升趋势，时效144h时，A1、A2号合金的电导率分别为60.02％IACS、60.10％IACS，可见合金具有良好的导电性。此外，A3号合金时效144h硬度值仅有52.7HV(对应屈服强度约为165MPa)，且其电导率也只有58.6％IACS。对于A4号合金，硬度(69.7HV)和导电性(59.8％IACS)都很好，但A4号合金Sc含量较高，大大增加了成本。
实施例3：对实施例1中的合金在640±10℃固溶处理48h后，水淬至室温随后在400℃进行等温时效。图3、图7分别给出了合金400℃下等温时效的硬度变化曲线和电导率变化曲线，从图中可以看出，A1、A2号合金的硬度变化曲线与实施例2中所述硬度变化曲线类似，合金约在1h达到峰值硬度，分别为62HV、63HV(对应屈服强度约为194MPa、197MPa)，随后出现硬度平台，且合金峰值硬度能稳定保持100h以上。A1、A2号合金时效144h的电导率高达60.29％IACS、60.51％IACS，可见所述合金具有良好的高强高导性能，而对于A3号合金时效144h后电导率虽然在60％IACS以上，但其硬度仅有53.8HV，屈服强度还不足170MPa。
对比例1：对实施例1中的合金在640±10℃固溶处理48h后，水淬至室温随后在300℃进行等温时效。图1、图5分别给出了合金300℃下等温时效的硬度变化曲线和电导率变化曲线，从硬度曲线可以看出，A1、A2号合金的硬度变化曲线与实施例2中所述硬度变化曲线类似，其峰时效硬度值分别为60HV、66HV(对应屈服强度约为187MPa、206MPa)，从电导率曲线可以看出A1、A2号合金的电导率分别为56.91％IACS、57.66％IACS，相对于前两个温度退火，合金的强化效果基本不变，但其导电性大大降低。
对比例2：对实施例1中的合金在640±10℃固溶处理48h后，水淬至室温随后在450℃进行等温时效。图4、图8分别给出了合金450℃下等温时效的硬度变化曲线和电导率变化曲线，从电导率曲线可以看出，A1、A2号合金的电导率分别为60.41％IACS、60.57％IACS，从硬度曲线可以看出A1、A2号合金的硬度值分别为50HV、52HV(对应屈服强度约为156MPa、162MPa)，相对于350℃、400℃退火，合金的导电性基本不变，但其强化效果大大降低。
对于对比例1，退火144h后，合金的硬度值在60HV以上，但其电导率仅有57％IACS，合金的导电性能不好；对于对比例2，合金的电导率可达60.4％IACS左右，但其硬度值仅有50HV左右，合金的强化效果不好；对于实施例2、3，合金硬度值可达64HV，对应的屈服强度达200MPa，电导率在60％IACS以上，合金具有高强高导性能。所以合金的最佳热处理工艺为350-400℃之间。

Claims (2)

1.一种Al-Sc-Zr-Er铝合金高强高导状态的热处理工艺，其特征在于，Al-Sc-Zr-Er合金中添加了0.123-0.175％(质量百分比)的Sc、0.193-0.213％(质量百分比)的Zr、0.061-0.080％(质量百分比)的Er，余量为一些不可避免的杂质和Al；
对铸态合金热处理工艺步骤包括如下：
(1)首先在640±10℃固溶处理48h，随后水淬至室温；
(2)然后固溶态合金在350-400℃之间热处理144±5h。
2.根据权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，经过热处理工艺的合金硬度值达64HV，对应的屈服强度达200MPa，电导率在60％IACS以上。
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