CN106676334B - 高强度高电导率铝钪合金及其制备方法和用途 - Google Patents

高强度高电导率铝钪合金及其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高强度高电导率铝钪合金及其制备方法和用途，该合金的成分含量为：钪Sc的含量为0.2～0.4wt％，锆Zr的含量为0.01～0.15wt％，锰Mn的含量为0.1～0.3wt％，其他杂质元素含量≤0.1％，其余为铝Al。具体制备方法为：以纯Al锭、AlSc中间合金、AlZr中间合金、AlMn中间合金为原料，按比例配置放入熔炼炉中，对熔体搅拌、精炼、净化、除气、扒渣静置处理后浇注成铸锭，然后按挤压比25挤压成铝合金棒材，棒材经过分级热处理，再通过拉丝机拉制成高强铝合金线材。本发明制备的含Sc铝合金导线的电导率≥61％IACS，合金抗拉强度大于240Mpa，屈服强度大于160Mpa，延伸率达8％，长期运行温度可达200℃。

Description

高强度高电导率铝钪合金及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种高强度高电导率铝钪合金及其制备方法和用途，属于铝合金导体材料制造技术领域。
背景技术
铝合金密度低，比强度高，塑性和加工性能佳，无磁性，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，已发展成为在输电线路上最有望代替铜的金属导体材料。我国对电线电缆的需求量巨大，随着铜价格迅猛提升及资源的日益匮乏，近年来铝合金导体的研发和产业化发展备受关注，但其存在的质量问题不容回避。在使用中发现有铝线容易折断，强度、韧性不够高，电导率普遍在60％IACS以下，输电容量小，电能损失大，且具有接口松动问题，容易导致断电和起火等重大事故。因此开发高强高导的铝合金导体材料，具备高强度、高韧性与高电导率的结合，是实现国内“以铝代铜”的迫切途径。根据金属导电理论，晶体缺陷会使得传导电子增加电子散射，固溶强化效应对于铝合金电导率的影响是不利的，因此合金化元素应在铝基体中有尽量小的固溶度，且微量就足以对铝合金起较强的变质作用，以保证显著提高合金的力学性能。
经检索，公开号为103060623A的中国发明专利，该发明涉及一种电缆用高钪含量铝合金导电线芯及其制备方法，其中：“导电线芯的组成按质量百分比构成为：Sc0.4～0.8wt％，Fe0.01～0.1wt％，富铈稀土0.01～0.1wt％，余量为铝。”该线芯的制备方法“其特征在于：所述混料是按配比量将纯度≥99.80％的高纯铝加入竖炉中并升温至750～770℃，加入铁铝中间合金、富铈稀土中间合金和钪铝中间合金，搅拌混合均匀得到合金熔体；向合金熔体中加入精炼剂在氮气气氛中于740～760℃进行精炼，精炼结束后静置15min并扒渣，再经铸造和轧制后得到铝合金杆；将所述铝合金杆于280～290℃保温2～5小时以去除应力，随后冷拔制成铝合金线，再于360～380℃经6～10小时的时效处理即得导电线芯。”该发明铝合金导电线芯的导电率≥60.4％IACS，抗拉强度大于240Mpa，屈服极限为100～116Mpa。该发明技术的缺点在于：添加Sc元素超过其在铝中的最大固溶度，在电导率提高方面起不到最佳贡献效果；熔炼温度过高易导致烧损较大，成分不好控制；此外导线材料的屈服强度较低。
检索中还发现，公开号为102021444A的中国发明专利，该发明提供了一种高导电耐热铝合金导线及其制备方法，其中“导线的化学成分及质量百分比为：Zr：0.1～0.3％，Y：0.02～0.2％，Sc：0.01～0.15％，其余是Al和不可避免的其它杂质元素，所含‘不可避免的其它杂质元素’总量不超过0.15％。”合金导线的制备方法特征在于：“包括：纯铝锭高温熔化、铝溶液的‘硼化’处理及精炼、铝溶液的合金化及二次精炼、耐热铝合金圆杆的连铸、铝合金圆杆的退火、拉制铝合金单线、铝合金单线的稳定化处理。”该发明铝合金导线电导率≥61％IACS，抗拉强度大于167Mpa，延伸率为3％左右。该发明技术的缺点在于：硼化处理增加材料制造工序和时间；添加Sc元素少，对于铝合金变质作用小，强度、延伸率低，铝线易发生脆断。
目前国内铝合金导线材料一般无法达到在保证高强度和高韧性的情况下，将电导率提高到61％IACS以上。Sc是迄今所发现的对铝合金最为有效的合金化元素，我国Sc资源丰富，将其恰当应用于铝合金导体材料中，可使得合金的强度、塑性、导电性、耐腐蚀性等性能全面提高，有助于资源优势转化为技术优势。
发明内容
本发明旨在开发一种高强高电导率的铝钪合金导线材料，并提出其制备方法。所设计的合金成分主要包含Sc、Zr和Mn三种合金化元素，通过铸造和挤压工艺制备铝合金棒材，棒材经过恰当热处理后继而拉拔成铝合金导线。该导线电导率≥61％IACS，抗拉强度大于240MPa，屈服强度大于160MPa，延伸率达8％。
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强度高电导率铝钪合金，其包括按重量百分数计的如下元素：Sc0.2～0.4％，Zr0.01～0.15％，Mn0.1～0.3％，余量为Al和不可避免的杂质元素，其中，所述杂质元素的重量百分数不超过0.1％。
第二方面，本发明还提供了一种如前述的高强度高电导率铝钪合金的制备方法，其包括如下步骤：
制备铝合金铸锭，并对所述铝合金铸锭进行热挤压；
将所述铝合金铸锭在400～450℃下进行保温后，冷却至300～350℃进行保温，得到所述高强度高电导率铝钪合金。
作为优选方案，所述铝合金铸锭的制备方法为：
将铝锭熔化成铝液后，加入铝钪中间合金、铝锆中间合金和铝锰中间合金；
升温至730～740℃进行搅拌、静置后，在720～730℃进行精炼除气、除渣和保温静置后，在700～710℃下浇铸成铝合金铸锭。
作为优选方案，所述铝锭的纯度不低于99.9％；所述铝钪中间合金中，钪的重量百分数为2％；所述铝锆中间合金中，锆的重量百分数为10％；所述铝锰中间合金中，锰的重量百分数为10％。
作为优选方案，所述热挤压的温度为300～350℃，挤压比不低于25。
作为优选方案，所述铝合金铸锭在400～450℃下的保温时间为2min，在300～350℃下的保温时间为2～5h。
第三方面，本发明还提供了一种如前述的高强度高电导率铝钪合金在导线中的用途。
本发明的原理在于：
1、选择在铝熔体中加入0.2～0.4wt％的Sc元素，即在极限固溶度0.35wt％左右，可以保证电导率与纯铝相比，下降幅度不大，即保持较高的电导率，而且通过Sc对铝合金的强烈变质作用，使合金具有良好的力学性能。然而，Sc的含量若高于此范围，会带来很多固溶强化效应，使合金导电率下降明显；Sc的含量若低于此范围，添加量较少则对合金力学性能改善作用不大；
2、Zr与Sc元素的复合加入，可与Al形成共格第二相粒子，成为结晶的核心，使铝合金晶粒显著细化，而且约为Sc含量的1/2的Zr加入后，形成的Al3(Sc1-XZrX)析出相的粒度要比Al3Sc小，即有更多Al3(Sc1-XZrX)粒子脱溶，合金电导率与强化效果都显著增加。但Zr的含量高于0.2wt％时，也会因形成固溶体而导致合金电导率下降。
3、加入Mn元素，可使合金的再结晶温度提高，并提高合金的抗腐蚀性与强度，确保合金具有更高的稳定性；另一作用是能溶解杂质铁，减小铁的有害影响。但Mn元素的含量多于0.3wt％时，会导致合金塑性下降；低于0.1wt％时，对消除Fe元素作用太小。
4、采用分级热处理，首先通过高温短时保温使铝钪固溶体开始以极快的速度进行分解，然后降低温度延长保温时间，在保证析出相粒子不发生明显粗化的情况下，使固溶体分解更加完全。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明制备的高强高导的铝钪合金导线在室温下的电导率≥61％IACS；
2、本发明制备的铝钪合金材料塑性加工性能良好，变形工艺过程进行顺利，成品率高；
3、本发明制备的铝钪合金导线的力学性能优异，抗拉强度大于240Mpa，屈服强度大于160Mpa，延伸率达8％，长期运行温度可达200℃，实现高强度、高韧性与高电导率的结合。
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
该导线材料的组成元素按质量百分比为：Sc0.3wt％，Zr0.1wt％，Mn0.2wt％，Fe、Si等其他杂质元素含量≤0.1％，其余为Al。
按配比量，将纯度≥99.9％的铝锭放在中频感应熔炼炉石墨坩埚中熔化，待其完全熔化后铝液温度为660℃～670℃，在铝熔体中依次加入Al-2％Sc中间合金、Al-10％Zr中间合金、Al-10％Mn中间合金，合金熔化后升温至730℃进行充分搅拌，然后静置20min在720℃进行精炼除气，熔体除渣后静置20min，在700℃将金属液快速浇注成铝合金铸锭；将铸锭表面处理光亮后，对铸锭预热后按挤压比25进行热挤压，挤压温度为300℃；对挤压得到的棒材进行热处理，在400℃保温2min，冷却后在300℃恒温热处理2.5h；对冷却后的棒材在铝合金拉丝机上进行拉丝，经12道拉丝得到直径为Φ3mm的铝线，再绞合成高强高电导率的铝合金导线。其电导率与力学性能表1所示。可见，该合金的室温电导率达到61.4％IACS，屈服强度达到162MPa，抗拉强度240Mpa，延伸率8.3％。研究中还发现，若对挤压后的棒材进行单级热处理，即仅在300℃恒温处理2.5h，而后拉制的导线电导率为60.5％IACS，达不到双级热处理的良好效果。
实施例2
该导线材料的组成元素按质量百分比为：Sc0.35wt％，Zr0.15wt％，Mn0.2wt％，Fe、Si等其他杂质元素含量≤0.1％，其余为Al。
按配比量，将纯度≥99.9％的铝锭放在中频感应熔炼炉石墨坩埚中熔化，待其完全熔化后铝液温度为660℃～670℃，在铝熔体中依次加入Al-2％Sc中间合金、Al-10％Zr中间合金、Al-10％Mn中间合金，合金熔化后升温至730℃进行充分搅拌，然后静置20min在720℃进行精炼除气，熔体除渣后静置20min，在700℃将金属液快速浇注成铝合金铸锭；将铸锭表面处理光亮后，对铸锭预热后按挤压比25进行热挤压，挤压温度为300℃；对挤压得到的棒材进行热处理，在400℃保温2min，冷却后在300℃恒温热处理2.5h；对冷却后的棒材在铝合金拉丝机上进行拉丝，经12道拉丝得到直径为Φ3mm的铝线，再绞合成高强高电导率的铝合金导线。其电导率与力学性能表1所示。可见，该合金的室温电导率达到61.1％IACS，屈服强度达到165MPa，抗拉强度246Mpa，延伸率7.9％。
对比例1
该导线材料的组成元素按质量百分比为：Sc0.15wt％，Zr0.1wt％，Mn0.2wt％，Fe、Si等其他杂质元素含量≤0.1％，其余为Al。
按配比量，将纯度≥99.9％的铝锭放在中频感应熔炼炉石墨坩埚中熔化，待其完全熔化后铝液温度为660℃～670℃，在铝熔体中依次加入Al-2％Sc中间合金、Al-10％Zr中间合金、Al-10％Mn中间合金，合金熔化后升温至730℃进行充分搅拌，然后静置20min在720℃进行精炼除气，熔体除渣后静置20min，在700℃将金属液快速浇注成铝合金铸锭；将铸锭表面处理光亮后，对铸锭预热后按挤压比25进行热挤压，挤压温度为300℃；对挤压得到的棒材进行热处理，在400℃保温2min，冷却后在300℃恒温热处理2.5h；对冷却后的棒材在铝合金拉丝机上进行拉丝，经12道拉丝得到直径为Φ3mm的铝线，再绞合成高强高电导率的铝合金导线。其电导率与力学性能表1所示。可见，该合金的室温电导率达到61.4％IACS，但屈服强度仅为110MPa，抗拉强度181Mpa，延伸率9.6％。
对比例2
该导线材料的组成元素按质量百分比为：Sc0.5wt％，Zr0.2wt％，Mn0.3wt％，Fe、Si等其他杂质元素含量≤0.1％，其余为Al。
按配比量，将纯度≥99.9％的铝锭放在中频感应熔炼炉石墨坩埚中熔化，待其完全熔化后铝液温度为660℃～670℃，在铝熔体中依次加入Al-2％Sc中间合金、Al-10％Zr中间合金、Al-10％Mn中间合金，合金熔化后升温至730℃进行充分搅拌，然后静置20min在720℃进行精炼除气，熔体除渣后静置20min，在700℃将金属液快速浇注成铝合金铸锭；将铸锭表面处理光亮后，对铸锭预热后按挤压比25进行热挤压，挤压温度为300℃；对挤压得到的棒材进行热处理，在400℃保温2min，冷却后在300℃恒温热处理2.5h；对冷却后的棒材在铝合金拉丝机上进行拉丝，经12道拉丝得到直径为Φ3mm的铝线，再绞合成高强高电导率的铝合金导线。其电导率与力学性能表1所示。可见，该合金的室温电导率仅达到55.7％IACS，屈服强度达到170MPa，抗拉强度249Mpa，延伸率5.6％。
表1
材料 电导率(x10<sup>6</sup>S/m) 屈服强度(MPa) 抗拉强度(Mpa) 延伸率(％)
Al-0.3Sc-0.1Zr-0.2Mn 35.6 162 240 8.3
Al-0.35Sc-0.15Zr-0.2Mn 35.4 165 246 7.9
Al-0.15Sc-0.1Zr-0.2Mn 35.6 110 181 9.6
Al-0.5Sc-0.2Zr-0.3Mn 32.3 170 249 5.6
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 (4)

1.一种高强度高电导率铝钪合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
制备铝合金铸锭，并对所述铝合金铸锭进行热挤压；
将所述铝合金铸锭在400～450℃下进行保温后，冷却至300～350℃进行保温，得到所述高强度高电导率铝钪合金；
所述热挤压的温度为300～350℃，挤压比不低于25；
所述铝合金铸锭在400～450℃下的保温时间为2min，在300～350℃下的保温时间为2～5h；
所述高强度高电导率铝钪合金，包括按重量百分数计的如下元素：Sc0.2～0.4％，Zr0.01～0.15％，Mn0.1～0.3％，余量为Al和不可避免的杂质元素，其中，所述杂质元素的重量百分数不超过0.1％。
2.如权利要求1所述的高强度高电导率铝钪合金的制备方法，其特征在于，所述铝合金铸锭的制备方法为：
将铝锭熔化成铝液后，加入铝钪中间合金、铝锆中间合金和铝锰中间合金；
升温至730～740℃进行搅拌、静置后，在720～730℃进行精炼除气、除渣和保温静置后，在700～710℃下浇铸成铝合金铸锭。
3.如权利要求2所述的高强度高电导率铝钪合金的制备方法，其特征在于，所述铝锭的纯度不低于99.9％；所述铝钪中间合金中，钪的重量百分数为2％；所述铝锆中间合金中，锆的重量百分数为10％；所述铝锰中间合金中，锰的重量百分数为10％。
4.一种由权利要求1所述的制备方法得到的高强度高电导率铝钪合金在导线中的用途。
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