CN105908031B

CN105908031B - 高导电率的铝合金材料及其制备方法

Info

Publication number: CN105908031B
Application number: CN201610315638.3A
Authority: CN
Inventors: 钟澄; 顾月坤; 邓意达; 韩晓鹏; 胡文彬
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Chongqing Xinshen Shiji New Material Technology Co ltd
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2018-01-19
Anticipated expiration: 2036-05-12
Also published as: CN105908031A

Abstract

本发明提供了一种高导电率的铝合金材料及其制备方法，该铝合金包括按一定重量百分数配比的如下元素：铜、稀土元素，余量为铝。该制备方法为：将铝盐、铜盐、钙盐、钠盐、稀土元素盐类混合均匀后，得到混合粉末；将所述混合粉末通过电化学还原法制备出所述高导电率的铝合金材料。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：采用本发明提出的方法，铝合金材料的制备温度大幅低于基于熔炉熔炼生产方式的制备温度，可有效节约能耗；本发明是基于电化学还原的方法制备铝合金材料，具有产物纯度高，制备过程中无需除渣等优点；由于铝合金中含有铜和稀土元素，对提高其导电率具有重要意义。

Description

高导电率的铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高导电率的铝合金材料及其制备方法，属于金属材料技术领域。

背景技术

由于铝合金具有轻质高强、耐蚀性能良好等突出优点，因此近年来以铝合金为代表的轻金属受到了产业界和学术界的广泛关注。目前铝合金种类繁多，随着科技的进步，人们对其功能要求也越来越高，兼具综合优良力学和功能特性的新型铝合金有待研发。尤为值得一提的是，具有高导电率的铝合金材料在高压架空输电线路、设备用导线和防雷接地等领域具有十分重要的潜在应用价值。

公告号CN102978491B的中国专利《电缆用高导电铝合金导体材料及其制造方法》、导线》、公开号CN105087969A的中国专利《一种高导电铝合金线材》、公告号CN103014424B的中国专利《一种高导电铝合金线材及其制备方法》、公开号CN105316548A的中国专利《一种高导电率的铝合金导线》、公告号CN103276261B的中国专利《一种高导电率铝合金的制备方法》、公开号CN104538116A的中国专利《一种高强度、高导电率铝合金导线的生产方法》、公告号CN102903415B的中国专利《一种异型耐氧化高导电率铝合金碳纤维导线及制造方法》、公告号CN103667801B的中国专利《用于电力输送系统的超高导电率铝合金导线的制备方法》、公开号CN105154723A的中国专利《用于铝合金电缆接线端子的高导电率抗蠕变铝合金材料》、公开号CN104805334A的中国专利《中强度高导电率铝合金材料》、公告号CN101423908B的中国专利《高导电性高强度耐热铝合金导线及其制造方法》、公告号CN101770828B的中国专利《一种高导电非热处理型稀土耐热铝合金导体材料》、公告号CN103045915B的中国专利《一种高导电率中强耐热铝合金单丝及其制备方法》等记载了高导电率铝合金材料的制备方法。以上专利所记载的铝合金材料的制备都是采用在熔炼炉中向铝液中添加合金元素的方式来实现的，往往存在杂质难分离、成分偏析、微观组织不均匀等缺陷，而且熔炉熔炼的生产方式所需温度很高、会消耗大量能源、降低能源利用率。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高导电率的铝合金材料及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种高导电率的铝合金材料，其包括按重量百分数计的如下元素：铜：1～5％、稀土元素：0.01～0.05％，余量为铝和不可避免的杂质。若铜和稀土的含量低于所述范围，将对提高铝合金材料的导电率无明显贡献；若铜和稀土的含量高于所述范围，将对铝合金材料的其他性能如强度等有不利影响。

第二方面，本发明还提供了一种如前述的高导电率的铝合金材料的制备方法，其包括如下步骤：

将铝盐、铜盐、钙盐、钠盐、稀土元素盐类混合均匀后，得到混合粉末；

将所述混合粉末通过电化学还原法制备出所述高导电率的铝合金材料。

作为优选方案，所述电化学还原法具体包括如下操作：

将石墨沉积槽置于坩埚底部，将所述混合粉末倒入坩埚内，并使混合粉末覆盖石墨沉积槽；

将石墨棒置于坩埚内，使所述石墨棒与混合粉末充分接触，且避免石墨棒与石墨沉积槽相接触；

将坩埚放入加热炉中，以石墨棒作为阳极、石墨沉积槽作为阴极，与直流电源连接形成回路；

将坩埚加热至250～450℃，并通直流电，进行保温后，即在石墨沉积槽表面得到所述高电导率的铝合金材料。

作为优选方案，所述坩埚的材质为耐高温的不导电材料，如陶瓷、氧化铝等。

作为优选方案，所述直流电的电流密度为10～15A/dm²。若电流密度高于15A/dm²，将会使得制备的铝合金材料表面出现严重的枝晶，降低其表面质量；若电流密度低于10A/dm²，由于电化学还原反应动力学速度过慢，会使得铝合金材料的制备效率过低。

作为优选方案，所述保温的时间为6～10小时。

作为优选方案，所述铝盐为氯化铝，所述铜盐为氯化铜，所述钙盐为氯化钙，所述钠盐为氯化钠，所述稀土元素盐类包括氯化镧和氯化铈中的至少一种。

作为优选方案，所述氯化铝的摩尔百分数为25～40％，所述氯化铜的摩尔百分数为2～5％，所述稀土元素盐类的摩尔百分数占1～6％，所述氯化钙的摩尔百分数为25～35％，所述氯化钠的摩尔百分数为25～35％。

作为进一步优选方案，所述稀土元素盐类为氯化铈或氯化镧时，其摩尔百分数为1～3％；所述稀土元素盐类为氯化铈和氯化镧的混合物时，其摩尔百分数为2～6％。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、采用本发明提出的方法，铝合金材料的制备温度大幅低于基于熔炉熔炼生产方式的制备温度，可有效节约能耗；

2、本发明是基于电化学还原的方法制备铝合金材料，即直接将熔融盐中的铝元素、铜元素和稀土元素以合金的形式沉积到石墨沉积槽表面，具有产物纯度高，制备过程中无需除渣等优点；

3、所得合金材料的晶粒较细，可达1微米至10微米；

4、由于铝合金中含有铜和稀土元素，对提高其导电率具有重要意义；

5、此外，铝合金中的铜和稀土的含量可通过改变混合粉末的配方来调节。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

配制含有摩尔百分数为27％的氯化铝、摩尔百分数为2％的氯化铜、摩尔百分数为1％的三氯化镧、摩尔百分数为35％的氯化钙、摩尔百分数为35％的氯化钠组成的混合物粉末。将石墨沉积槽放置于陶瓷坩埚底部，将已配置的混合物粉末倒入陶瓷坩埚中并覆盖沉积槽。将一根石墨棒插入坩埚中，并充分接触混合粉末，同时避免石墨棒与石墨沉积槽接触。将坩埚放入加热炉中，将石墨棒作为阳极、石墨沉积槽作为阴极与直流电源连接形成回路。将坩埚加热至250℃，打开直流电源开关，调节电流密度至15A/dm²，保温10小时。依次关闭直流电源和加热炉，冷却至室温，将坩埚从炉内取出，将石墨沉积槽从坩埚中取出，即可在石墨沉积槽表面获得铝铜稀土合金材料。

实施效果：经检测，本实施例制得的铝铜稀土合金材料中的铝、铜、镧的质量分数分别为98.99％、1％、0.01％，其中，铝含有不可避免的杂质。制得的铝铜稀土材料的导电率为63.2％IACS。

实施例2

配制含有摩尔百分数为25％的氯化铝、摩尔百分数为5％的氯化铜、摩尔百分数为2％的三氯化铈、摩尔百分数为34％的氯化钙、摩尔百分数为34％的氯化钠组成的混合物粉末。将石墨沉积槽放置于氧化铝坩埚底部，将已配置的混合物粉末倒入陶瓷坩埚中并覆盖沉积槽。将一根石墨棒插入坩埚中，并充分接触混合粉末，同时避免石墨棒与石墨沉积槽接触。将坩埚放入加热炉中，将石墨棒作为阳极、石墨沉积槽作为阴极与直流电源连接形成回路。将坩埚加热至300℃，打开直流电源开关，调节电流密度至12A/dm²，保温8小时。依次关闭直流电源和加热炉，冷却至室温，将坩埚从炉内取出，将石墨沉积槽从坩埚中取出，即可在石墨沉积槽表面获得铝铜稀土合金材料。

实施效果：经检测，本实施例制得的铝铜稀土合金材料中的铝、铜、铈的质量分数分别为94.97％、5％、0.03％，其中，铝含有不可避免的杂质。制得的铝铜稀土材料的导电率为63.9％IACS。

实施例3

配制含有摩尔百分数为40％的氯化铝、摩尔百分数为5％的氯化铜、摩尔百分数为2％的三氯化镧、摩尔百分数为3％的氯化铈、摩尔百分数为25％的氯化钙、摩尔百分数为25％的氯化钠组成的混合物粉末。将石墨沉积槽放置于氧化铝坩埚底部，将已配置的混合物粉末倒入氧化铝坩埚中并覆盖沉积槽。将一根石墨棒插入坩埚中，并充分接触混合粉末，同时避免石墨棒与石墨沉积槽接触。将坩埚放入加热炉中，将石墨棒作为阳极、石墨沉积槽作为阴极与直流电源连接形成回路。将坩埚加热至450℃，打开直流电源开关，调节电流密度至10A/dm²，保温6小时。依次关闭直流电源和加热炉，冷却至室温，将坩埚从炉内取出，将石墨沉积槽从坩埚中取出，即可在石墨沉积槽表面获得铝铜稀土合金材料。

实施效果：经检测，本实施例制得的铝铜稀土合金材料中的铝、铜、镧、铈的质量分数分别为96.95％、3％、0.02％、0.03％，其中，铝含有不可避免的杂质。制得的铝铜稀土材料的导电率为63.6％IACS。

实施例4

配制含有摩尔百分数为41.5％的氯化铝、摩尔百分数为3.5％的氯化铜、摩尔百分数为2％的三氯化镧、摩尔百分数为3％的氯化铈、摩尔百分数为25％的氯化钙、摩尔百分数为25％的氯化钠组成的混合物粉末。将石墨沉积槽放置于氧化铝坩埚底部，将已配置的混合物粉末倒入氧化铝坩埚中并覆盖沉积槽。将一根石墨棒插入坩埚中，并充分接触混合粉末，同时避免石墨棒与石墨沉积槽接触。将坩埚放入加热炉中，将石墨棒作为阳极、石墨沉积槽作为阴极与直流电源连接形成回路。将坩埚加热至450℃，打开直流电源开关，调节电流密度至10A/dm²，保温6小时。依次关闭直流电源和加热炉，冷却至室温，将坩埚从炉内取出，将石墨沉积槽从坩埚中取出，即可在石墨沉积槽表面获得铝铜稀土合金材料。

实施效果：经检测，本实施例制得的铝铜稀土合金材料中的铝、铜、镧、铈的质量分数分别为97.96％、2％、0.02％、0.02％，其中，铝含有不可避免的杂质。制得的铝铜稀土材料的导电率为63.6％IACS。

对比例1

本对比例涉及一种高导电非热处理型稀土耐热铝合金导体材料，该高导电非热处理型稀土耐热铝合金导体材料主要由以下六种元素组成：铝、锆、铒、钇、铁和钛，各种元素的质量百分比如下：锆为0.03％，铒为0.18％，钇为0.15％，铁为0.12％，钛为0.03％，杂质元素硅为0.06％，其他杂质含量为0.072％(杂质为镓、镁、锌、铜、锰，铬)，其余为铝。

本对比例中的高导电非热处理型稀土耐热铝合金导体材料，可采用如下工艺制备：先将纯度为99.7wt％的铝锭放在熔炉中溶化，铝液温度为730℃，进行炉前化学分析，杂质元素硅≤0.06％，其他杂质含量≤0.10％，然后在保温炉温度为750℃时添加铝锆合金、铝铒合金、铝钇合金、铝铁合金以及铝钛合金，使元素锆、铒、钇、铁、钛分别占熔体总质量的0.03％、0.18％、0.15％、0.12％、0.03％，再保温50min，然后浇铸轧制成型，得高导电非热处理型稀土耐热铝合金导体材料。

实施效果：所制的高导电非热处理型稀土耐热铝合金导体材料，导电率60.3％IACS。

综上所述，本发明的优点在于：

采用本发明提出的方法，铝合金材料的制备温度大幅低于基于熔炉熔炼生产方式的制备温度，可有效节约能耗；基于电化学还原的方法制备铝合金材料，即直接将熔融盐中的铝元素、铜元素和稀土元素以合金的形式沉积到石墨沉积槽表面，具有产物纯度高，制备过程中无需除渣等优点；所得合金材料的晶粒较细，可达1微米至10微米；由于铝合金中含有铜和稀土元素，对提高其导电率具有重要意义；此外，铝合金中的铜和稀土的含量可通过改变混合粉末的配方来调节。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种高导电率的铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将所述混合粉末通过电化学还原法制备出所述高导电率的铝合金材料；

所述电化学还原法具体包括如下操作：

将坩埚加热至250～450℃，并通直流电，进行保温后，即在石墨沉积槽表面得到所述高电导率的铝合金；

所述高导电率的铝合金材料包括按重量百分数计的如下元素：铜：1～5％、稀土元素：0.01～0.05％，余量为铝和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的高导电率的铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述直流电的电流密度为10～15A/dm²。

3.如权利要求1所述的高导电率的铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述保温的时间为6～10小时。

4.如权利要求1所述的高导电率的铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述铝盐为氯化铝，所述铜盐为氯化铜，所述钙盐为氯化钙，所述钠盐为氯化钠，所述稀土元素盐类包括氯化镧和氯化铈中的至少一种。

5.如权利要求4所述的高导电率的铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述氯化铝的摩尔百分数为25～40％，所述氯化铜的摩尔百分数为2～5％，所述稀土元素盐类的摩尔百分数占1～6％，所述氯化钙的摩尔百分数为25～35％，所述氯化钠的摩尔百分数为25～35％。

6.如权利要求5所述的高导电率的铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述稀土元素盐类为氯化铈或氯化镧时，其摩尔百分数为1～3％；所述稀土元素盐类为氯化铈和氯化镧的混合物时，其摩尔百分数为2～6％。