CN105568189B - 一种含纳米相的铝‑镁‑硅系合金线的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种含纳米相的铝‑镁‑硅系合金线的制备方法，属合金材料技术领域，方法为将铝‑镁‑硅合金棒材，固溶处理后轧制；进行人工时效热处理，拉丝后热处理得成品；其中，固溶处理：在400～500℃范围内梯度升温，每个梯度保温3～15分钟，在500～580℃固溶处理，保温0.5～8.0小时，立即冷水淬火；时效处理：进行理论计算，确定纳米沉淀相颗粒的尺寸范围，再在100～160℃范围内，梯度升温，每个梯度保温5～10分钟，在160～190℃范围内人工时效热处理，保温0.5～6小时，立即冷水淬火。本发明的含纳米相的铝‑镁‑硅系合金线强度和导电率同步提升；能耗显著降低同时可靠性提高；本发明固溶处理+时效处理，操作简单，新增工艺环节的成本低而效果显著。

Description

一种含纳米相的铝-镁-硅系合金线的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，特别涉及一种含有纳米相的铝-镁-硅系合金线的制备方法。
背景技术
随着我国经济规模的快速增长，对于能源的需要越来越旺盛，能源消费所带来的环境问题日益突出。因此，实现“节能减排”已经成为全社会面临的一项非常艰巨的任务。根据2013年8月国务院发布的《节能减排“十二五”规划》，明确提出2015年电网综合线损率较2010年下降0.23个百分点达到6.3％，作为全国电力行业节能约束性指标。
架空输电导线是国家电网的重要组成部分，是从发电端到受电端输送电流的必要载体。我国电力资源分布并不均衡，大型煤电基地大部分都集中在中西部和北部，主要用电工业城市、工商业中心却集中在东部沿海地区。面对这样不平衡的电力生产和消费分布特点，必须通过长距离输电线路来实现电力的输出和供给，解决电力生产和消费不平衡问题。长距离输电产生的能耗不容小觑，因而降低长距离输电损耗是实现节能环保的重要措施。
考核架空导线用铝-镁-硅系合金线(包括铝合金芯铝绞线用高强铝合金线和全铝合金绞线用中强铝合金线)性能的关键指标是抗拉强度和导电率。实现铝-镁-硅系合金线强度和导电率同步提升对导线安全服役和实现节能减排将有重大贡献。该领域必须面对一个重大的基础科学问题是强度和导电率相互制约，即提升铝-镁-硅系合金线的强度往往会造成导电率地损失。反之，亦然。如果单独追求导电率的提升，导线的强度就无法达到令人满意，面临全球异常气候带来的风载、冰载等环境因素的影响，其断线的风险会极大的增加，同时在建设过程中需要增加塔杆数量并降低档距，致线路建设使成本上升。铝-镁-硅系合金线强度和导电率相互制约是获得高强高导铝-镁-硅系合金线所面临的关键技术障碍。因此，通过导线加工工艺的改进或变革，同步提升铝-镁-硅系合金导线的强度和导电率成为急待解决的关键技术难题。
目前广泛应用的架空导线主要有三类：钢芯铝绞线、铝合金芯铝绞线和全铝合金绞线。这三类架空导线主要用到三类铝或铝合金线，包括工业纯铝线、高强铝合金线和中强铝合金线。这三类线用到的导体材料主要是工业纯铝(铝含量≥99.60％)和Al-Mg-Si合金以及部分采用La/Ce混合稀土进行改性的Al-Mg-Si合金(混合稀土含量0-1.0wt.％)。根据GB/T 23308-2009和JB/T 8134-1997规定：铝合金芯铝绞线用高强铝合金线(≤Φ3.5mm)，强度：≥300MPa；导电率：≥52.0％IACS。在行业中，全铝合金绞线用中强铝合金线(直径≤Φ3.5mm)，强度：≥240MPa；导电率：≥58.5％IACS。
表1高强铝合金线和中强铝合金线技术参数
铝线名称 直径/mm 抗拉强度/MPa 导电率/％IACS
高强铝合金线 ≤3.50 315 52.5
中强铝合金线 ≤3.50 240 58.5
世界上广泛采用的传统铝合金导线加工工艺主要包括：铝合金熔炼、铝合金棒料锻造、铝合金棒固溶处理、铝杆轧制、铝线拉丝和后时效热处理六个主要工艺环节。最终生产出满足GB/T 23308-2009或JB/T 8134-1997要求的铝-镁-硅系合金线。
文献中针对当前世界上较传统的生产工艺进行了报道，工艺流程图如图2所示。当前世界上普遍采用的铝-镁-硅系合金线生产工艺中铝合金线的强化方式是固溶强化，其中一个非常重要的环节是对铝棒进行560℃/6h固溶处理。固溶处理可以显著提高最终道次铝-镁-硅合金线的抗拉强度。固溶强化的科学原理是：大量原子扩散进入铝基体晶格中，引起晶格畸变，晶格畸变直接影响变形过程中的位错运动，增加了位错运动阻力，从而提高了铝-镁-硅合金的强度，但是这种晶格畸变会导致铝-镁-硅合金导电率的下降，因为晶格畸变会造成电子散射，增加电子的弛豫时间，从而提高了材料的电阻率。技术缺陷：在铝-镁-硅系合金线生产工艺中采用固溶强化无法打破铝-镁-硅系合金线强度和导电率的制约关系，无法进一步提高铝-镁-硅系合金线的强度和导电率。
传统生产工艺中的技术难点为，因强度和导电率相互制约无法同步提高铝-镁-硅系合金线的强度和导电率：传统的生产工艺中铝-镁-硅系合金线采用固溶强化的方法提高线材的强度，在生产工艺中具体措施是对铝棒进行560℃/6h固溶处理。固溶处理会导致铝基体晶格发生严重畸变，给位错运动带来阻力，抑制滑移，起到了提高铝-镁-硅系合金线强度的效果，但是这一强化方式会导致铝-镁-硅系合金线导电率的下降。采用传统工艺生产的高强铝-镁-硅系合金线强度和导电率能够达到：315MPa和52.5％IACS(GB/T 23308-2009)，但进一步提高强度和导电率难度较大，同时强度和导电率也不稳定(时高时低)。由于固溶强化导致铝-镁-硅系合金线强度和导电率的相互制约，因而它已成为进一步提高铝-镁-硅系合金线的强度和导电率的技术障碍。
综上所述，实现长距离输电线路的节能降耗，需要制备出兼具高强度和高导电率的铝合金线。获得兼具高强度和高导电率铝合金线的前提是从技术上突破铝合金线在制备过程中面临的强度和导电率相互制约关系问题。经过长期的基础理论研究，通过理论计算，最终找到了突破铝合金线强度和导电率制约关系的理论基础并指导开发出了一种新的工艺，实现了兼具高强度和高导电性能铝-镁-硅系合金线生产工艺的突破。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种含纳米强化相的高强高导铝-镁-硅系合金线的制备方法。本发明的铝-镁-硅系合金线是一种新型架空输电导线单线，用于生产铝合金芯铝绞线和全铝合金绞线，所述的两种绞线是长距离架空输电线路常用的电流传输载体。
本发明的制备方法：在制备工艺上改进铝-镁-硅系合金线的强化方式，基于新的强化机理发明一种新的铝-镁-硅系合金线生产工艺，打破铝合金导线强度和导电率的制约关系，制备出兼具高强度和高导电率的铝合金线，进一步提高铝-镁-硅合金的强度和导电率。
本发明的含纳米相的铝-镁-硅系合金线的制备方法，技术方案的理论基础为，纳米析出相沉淀强化：
(1)传统生产工艺中铝-镁-硅系合金线的强化理论依据：在传统铝合金线制备过程中一个非常重要的环节是铝合金棒料的固溶处理。固溶处理是指将合金加热至第二相能全部或最大限度地溶入固溶体的温度，保温一段时间后，以快于第二相从固溶体中析出的速度冷却，获得过饱和固溶体的过程。合金原子固溶到铝基体中后会导致晶格发生畸变，晶格的畸变有利于增大位错运动阻力，抑制变形过程中滑移的进行，从而提高金属的强度。固溶过程是原子扩散到基体中的过程，它因引起晶格畸变阻碍位错运动实现金属基体强化，但是晶格畸变带来基体强化的同时却破坏了原子排列的有序性，在电子传输过程中，晶格畸变引起电子散射，增加电子的弛豫时间，这会增加金属的电阻率。
(2)本发明制备方法中铝-镁-硅系合金线的强化理论依据：铝-镁-硅系合金线中合金原子以析出相的形式析出后，因原子固溶造成的晶格畸变会恢复。原子从基体中以第二相的形式析出会直接带来晶体的净化，从而改善金属材料的导电性能，降低电阻率，但却存在导致金属基体强度下降的可能。合金原子以沉淀相形式析出能否强化基体成为新工艺的关键。经过理论计算发现：当析出相半径小于临界值rcritical时，铝-镁-硅合金的强度随着析出相尺寸的增加而增加，强化效果不断提升；当析出相半径大于临界值rcritical时，铝-镁-硅合金的强度随着析出相尺寸的增加而减小，强化效果下降。计算结果还表明：析出相的临界半径rcritical≈0.8nm，即合金元素以纳米相析出不但可以提高铝-镁-硅系合金线的强度，同时还可以提高铝-镁-硅系合金线的导电率，纳米析出相的颗粒半径对铝-镁-硅系合金线的强度和导电率的影响曲线如图1所示，图中横坐标为铝-镁-硅合金线中析出的纳米相颗粒尺寸，左侧纵坐标为导电率，右侧纵坐标为抗拉强度。铝-镁-硅合金线的强度随着纳米相颗粒尺寸的增大先上升后下降；铝-镁-硅合金线导电率随着纳米相颗粒尺寸的增加而增加。在纳米颗粒对铝-镁-硅合金线强度影响方面，纳米相颗粒尺寸存在临界值，纳米相颗粒尺寸在临界值以下铝-镁-硅合金线强度随着纳米相颗粒尺寸增加而增加，纳米相颗粒尺寸在临界值以上铝-镁-硅合金线的强度随着纳米相颗粒尺寸的增加而下降。在纳米相颗粒尺寸小于临界值时，随着纳米相颗粒尺寸的增加铝-镁-硅合金线的强度和导电率同步提高；在纳米相颗粒尺寸大于临界值时，铝-镁-硅合金线强度和导电率呈现出制约关系，铝-镁-硅合金线强度下降导电率提高。
本发明的含纳米相的铝-镁-硅系合金线的制备方法，是将铝-镁-硅合金棒材，进行固溶处理后轧制；再进行时效处理，拉丝后热处理制得成品；其中，固溶处理的方法为：在400～500℃范围内梯度升温，每个梯度保温3～15分钟，在500～580℃保温0.5～8.0小时后，立即冷水淬火处理；时效处理的方法为：在100～160℃范围内，梯度升温，每个梯度保温5～15分钟，在160～190℃范围内人工时效处理，保温0.3～36小时后，立即冷水淬火处理；其中，时效处理之前进行理论计算，确定铝-镁-硅系合金线中纳米相的尺寸范围。
具体包括如下步骤：
步骤1，合金熔炼：
熔炼，得到铝-镁-硅合金液；
步骤2，铸造：
采用立式圆棒连铸机，680～720℃连铸，制得铝-镁-硅合金棒材；
步骤3，固溶处理，使合金元素均匀化分布：
(1)将铝-镁-硅合金棒材加热，升温至400～450℃，保温3～15分钟；
(2)升温至460～500℃，保温5～15分钟；
(3)升温至500～580℃，保温0.5～6小时；
(4)固溶结束后，将铝-镁-硅合金棒材，在5～10分钟内水冷至室温；
步骤4，轧制：
(1)将铝-镁-硅合金棒材，轧制得到铝-镁-硅合金杆，其中，铝-镁-硅合金棒材的横截面积由30000～75000mm2下降至33～500mm2；
(2)将铝-镁-硅合金杆，水冷至20～60℃；
步骤5，时效热处理，获得弥散分布的纳米相颗粒：
(1)将铝-镁-硅合金杆，加热至90～100℃，保温5～15分钟；
(2)继续升温至140～160℃，保温时间5～15分钟；
(3)继续升温至160～190℃，保温0.3～36小时；
(4)时效结束后，将铝-镁-硅合金杆，在5～10分钟内水冷至室温；
步骤6，拉丝：
将铝-镁-硅合金杆，拉丝，得到铝-镁-硅合金线；其中，铝-镁-硅合金杆横截面积由33～500mm2下降至3～20mm2；
步骤7，时效热处理：
将铝-镁-硅合金线，在160～190℃，保温2～24小时，空冷至室温。
其中：
所述的铝-镁-硅系合金线，为6系铝合金线；铝-镁-硅系合金线为圆线或梯形线；
所述的步骤1中，合金熔炼的方法为：采用中频感应炉，将铝锭置于坩埚中，将炉温度升至700～750℃，待铝锭熔化后，采用铝箔包覆的方法将合金元素投入铝液中，加入合金质量的1.0％的Ti作为晶粒细化剂，保温10～50分钟，采用纯度为99.9％的N2除气；
所述的步骤3中，采用箱式炉梯度升温进行固溶处理；
所述的步骤4(1)中，轧制的方法为：将铝-镁-硅合金棒材加热至360±10℃后进行轧制；所述的步骤5中，时效热处理，控制铝-镁-硅合金中纳米相的尺寸为0.5～150nm；其中，确定纳米相尺寸的方法为：
铝-镁-硅合金的强度增量和沉淀相半径关系(I)以及导电率和沉淀相半径关系(II)：
其中：
Δσor，拉伸强度增量，MPa；G，基体剪切模量，GPa；b，基体Burgers矢量，nm；r，沉淀粒子半径，nm；f，是沉淀粒子的体积分数；
其中：ρAl，纯铝的导电率，Ω·m；ρeq，具有无限半径的沉淀相的导电率，Ω·m；γ，表面能，J/mm2；r，沉淀相半径，nm；VM，摩尔体积，mm3/mol；R，摩尔气体常数，J/℃/mol；T，温度，℃；
如图1所示，铝-镁-硅合金的强度增量，随着沉淀相半径关系的逐渐增大，呈现先上升再下降的趋势，曲线平缓，在沉淀相半径为0.8nm时，强度增量值最高；铝-镁-硅合金的导电率，随着沉淀相半径关系的逐渐增大，呈现先上升再下降的趋势，曲线坡度大，在沉淀相半径为0.8nm时，导电率最高；因此，兼顾强度增量和导电率，确定铝-镁-硅合金的纳米相尺寸为0.5～150nm；
所述的步骤6中，拉丝的方法为：在室温下进行10～15道次拉丝，出线速率5～30m/min；
所述步骤3(4)、步骤4(2)和步骤5(4)中，水冷时水的温度为20±5℃；
所述的棒材为圆棒或梯形棒；当为铝-镁-硅合金圆棒时，圆棒直径为50.0～200.0mm，制得的铝-镁-硅合金线的直径为2.0～5.0mm；
本发明制备的含纳米相的铝-镁-硅系合金线，纳米相颗粒的密度：30～500个/μm2。
本发明的含纳米相的铝-镁-硅系合金线的制备方法，利用工艺控制实现Mg-Si相在铝-镁-硅合金中以纳米相的形式析出，达到同时提高铝Al-Mg-Si合金强度和导电率的目的。令强化相(Mg-Si相)以纳米颗粒的形式析出是该制备方法的关键，成功解决于了合金原子析出可能带来的金属基体软化问题；用固溶处理+时效热处理的方法使铝-镁-硅合金中固溶在铝基体里的镁、硅等合金原子以纳米相析出。
本发明的含纳米相的铝-镁-硅系合金线的制备方法，与现有技术相比，有益效果为：
(1)本发明制备出的含纳米相的铝-镁-硅系合金线的强度和导电率同步提升：评价架空导线用铝-镁-硅系合金线性能的两个关键指标是强度和导电率。本发明通过改进传统铝-镁-硅合金线的生产工艺，控制纳米相的尺寸，解决了强度和导电率制约的关键技术难题，实现了铝-镁-硅系合金线强度和导电率同步提升。
(2)采用本发明制备出含纳米相的铝-镁-硅系合金线能耗显著降低同时提高了可靠性，铝-镁-硅系合金线在铝合金芯铝绞线和全铝合金绞线中有大量应用，未来在国家电网中用量会进一步增加，同步提升铝-镁-硅合金线的强度和导电率，不仅有利于提高导线的安全特性，降低风载和冰载带来的断线风险，同时提高导电率还有利于降低线路损耗，实现节能减排。在环境问题日益突出的今天，在铝-镁-硅系合金线制备技术上的改进带来的导电率提升对节能减排的贡献是巨大的。
(3)本发明制备方法操作简单，效果显著；本发明的固溶处理+时效处理，目的是为了获得纳米强化相，在工艺上非常便于执行，难度低，成本并不高，所以便于推广。相比于关键工艺环节带来的强度和导电率提升创造的价值，新增加工艺环节的成本微不足道。
附图说明
图1纳米相颗粒尺寸对Al-Mg-Si合金导线强度和导电率的函数关系曲线；
图2传统工艺铝合金线的生产工艺流程图；
图3本发明实施例的含纳米相的铝-镁-硅系合金线的制备方法的生产工艺流程图；
图4本发明实施例的含纳米相的铝-镁-硅合金棒的固溶处理工艺路线图；
图5本发明实施例的铝-镁-硅合金杆的时效热处理工艺路线图；
图6本发明实施例1制备的含纳米相的6201铝合金线和对比例6201铝合金线的微观组织形貌，其中，(a)对比例传统工艺制备出的6201铝合金线的微观组织形貌，(b)实施例1制备出的6201铝合金线的微观组织形貌；
图7本发明实施例2制备的含纳米相的6101铝合金线和对比例6101铝合金线的微观组织形貌，其中，(a)对比例传统工艺制备出的6101铝合金线的微观组织形貌，(b)实施例2制备出的6101铝合金线的微观组织形貌。
具体实施例方式
以下实施例，采用透射电镜观察了合金线的微观组织形貌。
实施例1
含纳米相的铝-镁-硅系合金线的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，合金熔炼：
(1)按6201铝合金成分称取配料；
(2)采用中频感应炉，将铝锭置于坩埚中，将炉温度升至730℃，待铝锭熔化后，采用铝箔将其他合金元素包裹后投入铝液中，加入合金质量的1％的Ti作为晶粒细化剂，保温30分钟，采用纯度为99.9％的N2除气，得到6201铝合金液；
步骤2，铸造：
采用立式圆棒连铸机，制得直径为100mm长度为6m的6201铝合金圆棒；
取样分析其化学成分，6201铝合金，成分按质量百分比为：Si：0.50％，Fe：0.20％，Mg：0.67％，RE(La/Ce)：0.12％，Cu＜0.05％，Mn＜0.03％，Cr＜0.03％，Zn＜0.05％，余量为Al。
步骤3，固溶处理，使合金元素均匀化分布，工艺路线见图4：
(1)将6201铝合金圆棒，于箱式炉中，在400±10℃，保温10分钟；
(2)升温至500±10℃，保温10分钟；
(3)升温至560±5℃，保温6小时；
(4)将6201铝合金圆棒，10分钟内水冷至室温，其中，水的温度为20±5℃；
步骤4，轧制：
(1)将6201铝合金圆棒，加热至360±10℃，进行轧制，得到直径为9.5mm的铝-镁-硅合金杆；
(2)将6201铝合金杆，10分钟内水冷至室温；其中，水的温度为20±5℃；
步骤5，时效热处理，获得弥散分布的纳米相颗粒：
确定纳米相尺寸：
如图1所示，根据公式(I)和公式(II)，铝-镁-硅合金的强度增量，随着沉淀相半径关系的逐渐增大，呈现先上升再下降的趋势，曲线平缓，在沉淀相半径为0.8nm时，强度增量值最高；铝-镁-硅合金的导电率，随着沉淀相半径关系的逐渐增大，呈现先上升再下降的趋势，曲线坡度大，在沉淀相半径为0.8nm时，导电率最高；因此，兼顾强度增量和导电率，确定铝-镁-硅合金的纳米相尺寸为0.5～150nm；
工艺路线见图5：
(1)将6201铝合金杆，在95±2℃，保温5分钟；
(2)升温至165±5℃，保温时间5分钟；
(3)升温至175±5℃，保温6小时；
(4)将6201铝合金杆，10分钟内水冷至室温，其中，水的温度为20±5℃；
步骤6，拉丝：
将6201铝合金杆，在室温下进行10道次拉丝，减径过程为9.5mm-8.35mm-8.27mm-7.07mm-5.91mm-5.13mm-4.53mm-4.13mm-3.81mm-3.41mm-3.25mm，拉丝出线速度为25m/min，得到直径为3.25mm的6201铝合金线；
步骤7，时效热处理：
将铝-镁-硅合金线，在175℃，保温4小时，空冷至室温。
本实施例的含纳米相的铝-镁-硅系合金线的制备方法的生产工艺流程图见图3。
对比例
传统工艺制备6201铝合金线：工艺步骤为：实施例1的步骤1；步骤2；将6201铝合金圆棒升温至550±10℃，保温6小时；步骤4；步骤6和步骤7。
传统工艺中，固溶处理的目的主要是使合金元素均匀固溶在基体中，实现铝-镁-硅合金线的固溶强化。
本实施例1和传统工艺制备的6201铝合金线的微观组织形貌见图6，如图所示，(a)对应对比例，(b)对应实施例1，图(b)中本实施例的6201铝合金线微观组织中，在基体中出现大量纳米相颗粒，纳米相的粒径为2～5nm，如图中箭头所指，而对比例的合金线基体中也有纳米相颗粒，但数量远远小于时效后的铝-镁-硅合金线中的纳米相颗粒数量。
本实施例1制得的6201铝合金线，固溶的合金原子以纳米相的形式析出，相比于对比例，本实施例1制得的6201铝合金线实现了强度和导电率的同步提升，它的主要理论依据是纳米析出相沉淀强化。抗拉强度(σb)和导电率(C)的测试结果见表2。
表2实施例1和对比例6201合金线的抗拉强度和导电率测试结果
可见，经过本实施例的6201铝合金线的强度和导电率都有了明显提升，尤其，与对比例相比，其导电率提升了6.7％IACS。与此同时，拉伸强度提高了10MPa。
综上，实施例1的制备方法可以使均匀固溶在铝基体中的镁、硅等合金原子以纳米相形式析出。实施例1的制备方法基于第二相沉淀强化理论改变了传统工艺的强化思想，通过固溶处理+时效热处理调节铝-镁-硅合金线的微观组织，实现Mg、Si等合金原子以纳米相的形式沉淀析出。本实施例制备方法解决了合金原子析出可能带来的基体软化，通过将析出相的尺寸控制在纳米尺度范围内，真正实现铝-镁-硅系合金线强度和导电率的同步提高。
对本实施例1和对比例的合金线，进行了节能计算：
根据焦耳定律：Q＝I2Rt。式中，Q，发热量，单位焦尔；I，电流，单位安培；R，电阻，单位欧姆；t，时间，单位秒。节能计算结果表明：本实施例制备的6201合金线能耗下降11.1％，结果列于表3。本实施例制备的6201合金线能耗显著降低同时提高了可靠性。
表3实施例1和对比例6201合金线的节能效果
线名称 铝-镁-硅系合金线对比例 铝-镁-硅系合金线实施例1 能耗降低/％
电阻率，Ω·m 0.0310893 0.0349716 11.1％
实施例2
含纳米相的铝-镁-硅系合金线的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，合金熔炼：
(1)按选架空导线常用的6101铝合金成分称取配料；
(2)采用中频感应炉，将铝锭置于坩埚中，将炉温度升至720℃，待铝锭熔化后，采用铝箔将其他合金元素包裹后投入铝液中，加入合金质量的1％的Ti作为晶粒细化剂，保温30分钟，采用纯度为99.9％的N2除气，得到6101铝合金液；
步骤2，铸造：
采用立式圆棒连铸机，制得直径为100mm长度为6m的6101铝合金圆棒；
取样分析其化学成分，6101铝合金，成分按质量百分比为：Si：0.31，Fe：0.12，Mg：0.39，RE(La/Ce)：0.08，Cu＜0.05，Mn＜0.03，Cr＜0.03，Zn＜0.05。
步骤3，固溶处理，使合金元素均匀化分布：
(1)将6101铝合金圆棒，于箱式炉中，在430±10℃，保温15分钟；
(2)升温至485±5℃，保温5分钟；
(3)升温至550±10℃，保温4小时；
(4)将6101铝合金圆棒，5分钟内水冷至室温，其中，水的温度为20±5℃；
步骤4，轧制：
(1)将6101铝合金圆棒，加热至360±10℃，进行轧制，得到直径为9.5mm的铝-镁-硅合金杆；
(2)将6101铝合金杆，5分钟内水冷至室温；其中，水的温度为20±5℃；
步骤5，时效热处理，获得弥散分布的纳米相颗粒：
确定纳米相尺寸：
如图1所示，根据公式(I)和公式(II)，铝-镁-硅合金的强度增量，随着沉淀相半径关系的逐渐增大，呈现先上升再下降的趋势，曲线平缓，在沉淀相半径为0.8nm时，强度增量值最高；铝-镁-硅合金的导电率，随着沉淀相半径关系的逐渐增大，呈现先上升再下降的趋势，曲线坡度大，在沉淀相半径为0.8nm时，导电率最高；因此，兼顾强度增量和导电率，确定铝-镁-硅合金的纳米相尺寸为0.5～150nm；
(1)将6201铝合金杆，在92±2℃，保温15分钟；
(2)升温至160±2℃，保温时间15分钟；
(3)升温至175±2℃，保温4小时；
(4)将6101铝合金杆，5分钟内水冷至室温，其中，水的温度为20±5℃；
步骤6，拉丝：
将6101铝合金杆，在室温下进行10道次拉丝，减径过程为9.5mm-8.25mm-8.29mm-7.05mm-5.80mm-5.12mm-4.45mm-4.11mm-3.96mm-3.68mm-3.5mm，拉丝出线速度为15m/min，得到直径为3.5mm的6101铝合金线；
步骤7，时效热处理：
将铝-镁-硅合金线，在170℃，保温6小时，空冷至室温。
对比例
传统工艺制备6101铝合金线：工艺步骤为：实施例1的步骤1；步骤2；将6101铝合金圆棒升温至550℃，保温4小时；步骤4；步骤6和步骤7。
采用传统工艺和本实施例2制备的6101铝合金线的性能测试结果与对比，两种工艺生产的6101铝合金线抗拉强度和导电率结果列于表4。
经过本实施例固溶处理+时效处理的铝-镁-硅合金线强度和导电率都有了明显提升，见表4，尤其，与对比例传统工艺制备的铝-镁-硅系合金线相比，其导电率提升了3.5％IACS；与此同时，拉伸强度提高了24MPa，真正实现了铝-镁-硅合金线拉伸强度和导电率的同步提升。
表4对比例和实施例2的铝-镁-硅合金线的抗拉强度和导电率测试结果
导线名称 抗拉强度，σb/MPa 导电率，C/％IACS
6101铝合金线对比例 269 53.6
6101铝合金线实施2 293 57.1
对比例和本实施例2制备的6101铝合金线的微观组织，采用透射电子显微镜观察了铝镁硅合金线的微观组织，见图7，图(a)对应对比例，图(b)对应实施例2，微观组织分析发现，本实施例制备的6101铝镁硅合金线中存在大量纳米相，如图7(b)所示，纳米相粒径为5～20nm。

Claims (8)

1.一种含纳米相的铝-镁-硅系合金线的制备方法，其特征在于，所述方法是将铝-镁-硅合金棒材，进行固溶处理后轧制；再进行时效处理，拉丝后热处理制得成品；其中，固溶处理的方法为：在400～500℃范围内梯度升温，每个梯度保温3～15分钟，在500～580℃保温0.5～8.0小时后，立即冷水淬火处理；时效处理的方法为：在100～160℃范围内，梯度升温，每个梯度保温5～15分钟，在160～190℃范围内人工时效处理，保温0.3～36小时后，立即冷水淬火处理；包括如下步骤：
步骤1，合金熔炼：
熔炼，得到铝-镁-硅合金液；
步骤2，铸造：
采用立式圆棒连铸机，680～720℃连铸，制得铝-镁-硅合金棒材；
步骤3，固溶处理，使合金元素均匀化分布：
(1)将铝-镁-硅合金棒材加热，升温至400～450℃，保温3～15分钟；
(2)升温至460～500℃，保温5～15分钟；
(3)升温至500～580℃，保温0.5～6小时；
(4)固溶结束后，将铝-镁-硅合金棒材，在5～10分钟内水冷至室温；
步骤4，轧制：
(1)将铝-镁-硅合金棒材，轧制得到铝-镁-硅合金杆，其中，铝-镁-硅合金棒材的横截面积由30000～75000mm2下降至33～500mm2；
(2)将铝-镁-硅合金杆，水冷至20～60℃；
步骤5，时效热处理，获得弥散分布的纳米相颗粒：
(1)将铝-镁-硅合金杆，加热至90～100℃，保温5～15分钟；
(2)继续升温至140～160℃，保温时间5～15分钟；
(3)继续升温至160～190℃，保温0.3～36小时；
(4)时效结束后，将铝-镁-硅合金杆，在5～10分钟内水冷至室温；
步骤6，拉丝：
将铝-镁-硅合金杆，拉丝，得到铝-镁-硅合金线；其中，铝-镁-硅合金杆横截面积由33～500mm2下降至3～20mm2；
步骤7，时效热处理：
将铝-镁-硅合金线，在160～190℃，保温2～24小时，空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的含纳米相的铝-镁-硅系合金线的制备方法，其特征在于，所述的铝-镁-硅系合金线材质为6系铝合金；铝-镁-硅系合金线为圆线或梯形线。
3.根据权利要求1所述的含纳米相的铝-镁-硅系合金线的制备方法，其特征在于，所述的步骤4(1)中，轧制的方法为：将铝-镁-硅合金棒材加热至360±10℃后进行轧制。
4.根据权利要求1所述的含纳米相的铝-镁-硅系合金线的制备方法，其特征在于，所述的步骤5中，时效热处理，控制铝-镁-硅合金中纳米相的尺寸为0.5～150nm；其中，确定纳米相尺寸的方法为：
铝-镁-硅合金的强度增量和沉淀相半径关系(I)以及导电率和沉淀相半径关系(Π)：
其中：
Δσor，拉伸强度增量，MPa；G，基体剪切模量，GPa；b，基体Burgers矢量，nm；r，沉淀粒子半径，nm；f，是沉淀粒子的体积分数；
其中：ρAl，纯铝的导电率，Ω·m；ρeq，具有无限半径的沉淀相的导电率，Ω·m；γ，表面能，J/mm2；r，沉淀相半径，nm；VM，摩尔体积，mm3/mol；R，摩尔气体常数，J/℃/mol；T，温度，℃；
兼顾强度增量和导电率，确定铝-镁-硅合金的纳米相尺寸为0.5～150nm。
5.根据权利要求1所述的含纳米相的铝-镁-硅系合金线的制备方法，其特征在于，所述的步骤6中，拉丝的方法为：在室温下进行10～15道次拉丝，出线速率5～30m/min。
6.根据权利要求1所述的含纳米相的铝-镁-硅系合金线的制备方法，其特征在于，所述步骤3(4)、步骤4(2)和步骤5(4)中，水冷时水的温度为20±5℃。
7.根据权利要求1所述的含纳米相的铝-镁-硅系合金线的制备方法，其特征在于，所述的棒材为圆棒或梯形棒；当为铝-镁-硅合金圆棒时，圆棒直径为50.0～200.0mm，制得的铝-镁-硅合金线的直径为2.0～5.0mm。
8.根据权利要求1所述的含纳米相的铝-镁-硅系合金线的制备方法，其特征在于，制备出的含纳米相的铝-镁-硅系合金线，纳米相颗粒的密度：30～500个/μm2。
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