CN107267820B - Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种Al‑Si‑Mg‑Fe‑Cu导电合金杆及其制备方法。所述导电合金杆以质量百分比计，其元素组成为，Si：3.8‑4.0％，Mg：0.5‑0.8％，Fe：0.1‑0.3％，Cu：0.08‑0.1％，B：0.05‑0.1％，Sr：0.01‑0.04％，其余为Al。本发明在合金熔炼过程中中加入B和Sr进行硼化及变质复合处理，浇铸成铸件后，利用挤压变形，固溶、时效热处理改变共晶Si、AlFeSi、Mg2Si等第二相的颗粒尺寸和分布，使其呈现细小颗粒状、弥散分布。本发明导电合金杆具有优异的力学性能，良好的导电率，且成本低、工艺简单、成品率高。
Description
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆及其制备方法。
背景技术
铝合金导电材料是目前电气工业的重要基础材料之一。铝及铝合金具有密度小、比强度高、导电导热性能好等优点，在汽车制造、航空航天等领域得到广泛应用。近年来，随着电气电工行业的发展，铝及铝合金越来越多地应用于电线电缆、电器开关等领域，以取代目前广泛应用的铜及铜合金导体。从国家资源战略的角度，扩大铝合金导电材料在电线电缆产品中的应用范围，“以铝节铜”成为导电材料的一个重要发展趋势并且对于产业的可持续发展具有重要战略意义。
目前，铝合金导电材料广泛应用于架空输电线、大跨度电线、电力电缆和通信电缆等领域。其中，架空输电线要求铝合金材料具有低密度、低线损、高强度、抗蠕变、耐高温、耐腐蚀等特性，尤其是要求其抗拉强度不低于300MPa，导电率高于53.0％IACS。亚共晶Al-Si合金具有流动性好、导电导热性好、力学性能优异等特性，常用于制作架空输电线，其应用可加大杆塔档距、减少杆塔用量、减少线路损耗、降低项目总成本等。但是，亚共晶Al-Si合金的导电性与力学性能兼顾性差，很难同时满足架空输电线的性能需求，成为限制其推广应用的瓶颈问题。
中国专利CN103397226A公开一种元素组成含有Al、Si、Mg、Fe、Cu、Zn及B的铝合金杆材，其组成元素的含量极低，特别是Si元素含量仅为0.08％-0.1％，相应合金导电率仅为59.5％-60％，且未提及该材料的力学性能。中国专利CN104805335A公开一种低电阻率铝合金杆，其组成元素含量均较低，其中Si元素含量0.04％-0.06％且含有稀土元素，其目的是仅利用稀土来提高合金的导电率。
现有技术中，导电铝合金的组成元素含量较低，获得的铝合金杆强度不高，属于中强度铝合金，废品率较高，而废品产生的主要原因是由于中强度铝合金杆工艺性能波动引起断线，以及电性能波动引起电阻率超标，如此高的废品率不仅降低了中强度铝合金杆的生产效率，而且加大了中强度铝合金杆的生产成本。通常条件下，保持合金组成元素含量在低水平下可保证其导电率达到使用要求，但力学性能很难得到大幅度提升；提高铝合金组成元素的含量易导致铝合金导电率的迅速降低，从而很难满足铝合金有效传输电流的目的，增加电能损耗，故铝合金的导电率和力学性能的匹配性成为限制铝合金杆发展的瓶颈问题。
基于以上问题的存在，亟需研发一种既能保证良好的电导率又能满足力学性能的铝合金材料的制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强、高导、高合金化的Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆；本发明同时提供其制备方法。
本发明所述的Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆，以质量百分比计，其元素组成为：Si：3.8-4.0％，Mg：0.5-0.8％，Fe：0.1-0.3％，Cu：0.08-0.1％，B：0.05-0.1％，Sr：0.01-0.04％，其余为Al。
本发明所述的Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆的制备方法为：先向熔化后的Al中加入Si、Al-Fe中间合金、Al-Cu中间合金、Mg，得到合金熔体，再向合金熔体中加入Al-B-Sr中间合金进行硼化与变质复合处理，浇铸成铸件后，将其进行均匀化热处理、热挤压，最后再进行固溶、时效热处理，得到Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆；
具体步骤如下：
(1)将Al熔化并升温，依次加入Si、Al-Fe中间合金、Al-Cu中间合金、Mg，搅拌均匀后保温，形成合金熔体；
(2)向步骤(1)得到的合金熔体中加入Al-B-Sr中间合金，进行硼化与变质复合处理，搅拌后除渣，保温；
(3)浇铸得到铸件；
(4)将步骤(3)所得的铸件进行均匀化热处理、热挤压，得到挤压杆；
(5)将步骤(4)中的挤压杆进行固溶、时效热处理，改善其微观组织并优化其综合性能，得到Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆。
其中：
所述的Al的纯度≥99.7％，Si的纯度≥99.9％，Mg的纯度≥99.9％。
所述的Al-Fe中间合金中Fe的质量百分含量为：4-7％，其余为Al。
所述的Al-Cu中间合金中Cu的质量百分含量为：4-7％，其余为Al。
所述的Al-B-Sr中间合金中各元素的质量百分含量为B：2-4％，Sr：4-6％，其余为Al，优选B：3％，Sr：5％。
步骤(1)中升温至720-750℃，保温时间为5-10min。
步骤(2)中保温温度为720-750℃，保温时间为15-20min。
步骤(3)中铸件可以为铸棒、铸锭等，当铸件为铸棒时，其直径为75-85mm，高度为0.4-0.6m，优选直径80mm，高度0.5m。
步骤(4)中均匀化热处理的温度为540-560℃；热挤压参数为：挤压力1000-1200N、挤压速度2-5mm/s、挤压温度和模具预热温度400-420℃。
步骤(5)中固溶温度为510-530℃，固溶时间为3-6h；时效温度为200-220℃，时效时间为12-18h。
所述的Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆的室温极限拉伸强度≥350MPa，延伸率≥10％，导电率≥60％IACS。
本发明制备的Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆组成元素含量较高，即合金化程度高，其中Si含量可达到3.8％-4.0％，Mg含量0.5-0.8％，一方面大大提高合金的力学性能，另一方面可改善熔体粘度、流动性，提高合金杆的成品率；另外，本发明在熔体处理过程中加入了硼和锶进行硼化、变质处理，利用B与熔体中V、Ti、Cr、Zr等杂质元素的反应，降低杂质元素含量，有利于提高合金的导电率，通过Sr变质改善共晶Si形貌，使其由板片状\针条状变为珊瑚状，减少对导电率和力学性能的损害；而且剩余的B和Sr以SrB6形式存在于合金中，起到颗粒增强的作用；最后利用挤压变形，固溶、时效热处理改变共晶Si、AlFeSi、Mg2Si等第二相的颗粒尺寸和分布，使其呈现细小颗粒状、弥散分布，在保证合金杆优异力学性能的同时使其具有良好的导电率。
本发明Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆制备过程中，主要组成元素Si、Fe、Cu、Mg的添加顺序对合金杆综合性能的影响至关重要，先添加元素Si能明显改善熔体的流动性，减少熔体中气泡杂质的卷入；再添加Fe至熔体中优先形成AlFeSi三元相，一方面减少了Si、Fe在Al中的固溶，有利于提高合金杆导电率，另一方面可以明显改善Fe的形貌，减小针条状Fe对合金力学性能的损害作用；然后依次加入Cu最后添加Mg，有利于Cu的充分溶解且减少Mg的烧损，保证合金主要组成元素的正常配比和对合金微观组织的改善。
以Al-B-Sr中间合金形式引入B和Sr，该中间合金的主要物相组成是α-Al、AlSrB6、AlB2、Al4Sr，引入Al熔体后AlB2、Al4Sr以及部分亚微米级别的SrB6受熔体环境影响而发生分解释放部分B和Sr，从而能够同时发挥硼化及Sr变质的作用，使得合金强度增大、导电率提高，另外剩余的B和Sr以SrB6形式存在于合金中。由于SrB6是一种高熔点、高硬度的硼化物颗粒，可作为本合金中的颗粒增强相来提高其力学性能。如果先添加B后添加Sr，则B与熔体中的V、Ti、Cr、Zr等杂质元素反应后，剩余的B优先与后添加的Sr反应生成SrB6，而削弱Sr对共晶Si的变质作用，损害合金的力学性能；如果先添加Sr后添加B，会由于Sr变质处理后引入B而发生“中毒反应”，导致Sr变质效果减弱的同时也大大减少了B与熔体中的V、Ti、Cr、Zr等杂质元素反应的充分性而降低硼化处理效率，最终使合金导电性和力学性能同时降低。因此，在Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆制备过程中，以Al-B-Sr中间合金形式引入B和Sr，确保合金杆优异力学性能的同时使其具有良好的导电率。
本发明的有益效果如下：
与现有技术相比，本发明在合金熔炼过程中向铝熔体中添加适量合金化元素并进行硼化及变质复合处理调整合金成分，浇铸成铸件后，进行热挤压变形及热处理，改善其微观组织并优化其综合性能，获得一种高强、高导、高合金化的Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆。该Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆中元素组成含量较高，同时具有优异的力学性能和良好的导电性，其室温极限拉伸强度≥350MPa，延伸率≥10％，导电率≥60％IACS，满足架空输电线的实际性能需求，其制备工艺简单、造价低廉且易实现产业化批量生产。
附图说明
图1是实施例1制备的合金杆制成金相试样的场发射扫描电子显微镜图。
图2是实施例1制备的铸棒和挤压杆的图片。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
(1)根据Al-4Si-0.5Mg-0.3Fe-0.1Cu导电合金杆中各元素的质量百分比准备其原料：纯度为99.7％的纯Al、纯度为99.91％的纯Si、纯度为99.90％的纯Mg、Al-5Fe中间合金及Al-5Cu中间合金、Al-3B-5Sr中间合金；
(2)将准备好的纯铝熔化并升温至725℃，然后按照成分配比依次向熔体中加入纯Si，Al-5Fe中间合金，Al-5Cu中间合金，纯Mg机械搅拌均匀后保温6min，形成合金熔体；
(3)向步骤(2)得到的合金熔体中加入Al-3B-5Sr中间合金进行硼化与变质复合处理，充分搅拌后用漏瓢除去杂质熔渣，在725℃保温16min；
(4)浇铸，获得直径80mm、高度0.5m的铸棒，如图2所示；
(5)将步骤(4)所得铸棒放入热处理炉中在550℃条件下进行均匀化热处理然后利用热挤压机将上述铸棒进行热挤压，获得直径为10.5mm的挤压杆，如图2所示，其中，挤压力1100N、挤压速度3mm/s、挤压温度和模具预热温度为410℃；
(6)将步骤(5)中的挤压杆在520℃条件下固溶热处理5h、210℃条件下时效热处理15h，优化其力学及电学性能，最终获得高强、高导、高合金化的Al-4Si-0.5Mg-0.3Fe-0.1Cu导电合金杆。其中，以质量百分比计，其元素组成为：Si：4.0％，Mg：0.5％，Fe：0.3％，Cu：0.1％，B：0.08％，Sr：0.04％，其余为Al。
实施例2
(1)根据Al-4Si-0.6Mg-0.2Fe-0.1Cu导电合金杆中各元素的质量百分比准备其原料：纯度为99.80％的纯Al、纯度为99.93％的纯Si、纯度为99.91％的纯Mg、Al-6Fe中间合金及Al-6Cu中间合金、Al-3B-5Sr中间合金；
(2)将准备好的纯铝熔化并升温至735℃，然后按照成分配比依次向熔体中加入纯Si，Al-6Fe中间合金，Al-6Cu中间合金，纯Mg机械搅拌均匀后保温8min，形成合金熔体；
(3)向步骤(2)得到的合金熔体中加入Al-3B-5Sr中间合金进行硼化与变质复合处理，充分搅拌后用漏瓢除去杂质熔渣，在735℃保温18min；
(4)浇铸，获得直径80mm、高度0.5m的铸棒；
(5)将步骤(4)所得铸棒放入热处理炉中在540℃条件下进行均匀化热处理然后利用热挤压机将上述铸棒进行热挤压，获得直径为10.5mm的挤压杆，其中，挤压力1000N、挤压速度4mm/s、挤压温度和模具预热温度为400℃；
(6)将步骤(5)中的挤压杆在510℃条件下固溶热处理4h、200℃条件下时效热处理13h，优化其力学及电学性能，最终获得高强、高导、高合金化的Al-4Si-0.6Mg-0.2Fe-0.1Cu导电合金杆。其中，以质量百分比计，其元素组成为：Si：4.0％，Mg：0.6％，Fe：0.2％，Cu：0.1％，B：0.05％，Sr：0.03％，其余为Al。
实施例3
(1)根据Al-4Si-0.8Mg-0.1Fe-0.1Cu导电合金杆中各元素的质量百分比准备其原料：纯度为99.90％的纯Al、纯度为99.90％的纯Si、纯度为99.90％的纯Mg、Al-5Fe中间合金及Al-7Cu中间合金、Al-3B-5Sr中间合金。
(2)将准备好的纯铝熔化并升温至745℃，然后按照成分配比依次向熔体中加入纯Si，Al-5Fe中间合金，Al-7Cu中间合金，纯Mg机械搅拌均匀后保温10min，形成合金熔体；
(3)向步骤(2)得到的合金熔体中加入Al-3B-5Sr中间合金进行硼化与变质复合处理，充分搅拌后用漏瓢除去杂质熔渣，在745℃保温20min；
(4)浇铸，获得直径80mm、高度0.5m的铸棒；
(5)将步骤(4)所得铸棒放入热处理炉中在560℃条件下进行均匀化热处理然后利用热挤压机将上述铸棒进行热挤压，获得直径为10.5mm的挤压杆，其中，挤压力1200N、挤压速度5mm/s、挤压温度和模具预热温度为420℃；
(6)将步骤(5)中的挤压杆在530℃条件下固溶热处理6h、220℃条件下时效热处理17h，优化其力学及电学性能，最终获得高强、高导、高合金化的Al-4Si-0.8Mg-0.1Fe-0.1Cu导电合金杆。其中，以质量百分比计，其元素组成为：Si：4.0％，Mg：0.8％，Fe：0.1％，Cu：0.1％，B：0.08％，Sr：0.04％，其余为Al。
本发明中利用B与合金熔体中V、Ti、Cr、Zr等杂质元素的反应，降低杂质元素含量，有利于提高合金的导电率；通过Sr变质改善共晶Si形貌，使其由板片状\针条状变为珊瑚状，减少对导电率和力学性能的损害。
对比例1
将实施例1中向熔体中加入纯Si、Al-5Fe中间合金、Al-5Cu中间合金、纯Mg的顺序变为Al-5Fe中间合金、Al-5Cu中间合金、纯Mg，纯Si，其它步骤不变。
对比例2
将实施例1中向熔体中加入纯S、Al-5Fe中间合金、Al-5Cu中间合金、纯Mg的顺序变为纯Si、纯Mg、Al-5Fe中间合金、Al-5Cu中间合金，其它步骤不变。
对比例3
将实施例1中向熔体中加入纯Si、Al-5Fe中间合金、Al-5Cu中间合金、纯Mg的顺序变为Al-5Fe中间合金、纯Si、纯Mg、Al-5Cu中间合金，其它步骤不变。
对比例4
将实施例1中的Al-3B-5Sr中间合金改为Al-3B中间合金和Al-5Sr中间合金，先加入Al-3B中间合金，再加入Al-5Sr中间合金，其它步骤不变。
具体是：向步骤(2)得到的合金熔体中先加入Al-3B中间合金，再加入Al-5Sr中间合金，进行硼化与变质复合处理，充分搅拌后用漏瓢除去杂质熔渣，在725℃保温16min。
对比例5
将实施例1中的Al-3B-5Sr中间合金改为Al-3B中间合金和Al-5Sr中间合金，先加入Al-5Sr中间合金，再加入Al-3B中间合金，其它步骤不变。
具体是：向步骤(2)得到的合金熔体中先加入Al-5Sr中间合金，再加入Al-3B中间合金，进行硼化与变质复合处理，充分搅拌后用漏瓢除去杂质熔渣，在725℃保温16min。
对实施例1-3和对比例1-5中的合金杆、纯铝进行性能测试，利用万能试验机测试合金杆的室温极限拉伸强度和延伸率，利用四电极法测试合金杆的导电率，此外，还测试了合金杆的热导率、布氏硬度等，数据如表1。
表1合金杆的性能测试数据表
由表1可知，实施例1-3中的导电合金杆的室温极限拉伸强度≥350MPa，延伸率≥10％，导电率≥60％IACS。此外，导电合金杆的导电率与纯铝相近，而力学性能明显优于纯铝。对比例1-5中合金杆的导电率和力学性能均低于实施例1-3中的导电合金杆。
将实施例1中的Al-4Si-0.5Mg-0.3Fe-0.1Cu导电合金杆制成金相试样，并利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)分析其微观组织，如图1所示，合金中的共晶Si、Mg2Si及AlFeSi等第二相呈细小颗粒状、弥散分布在铝基体上，相比于粗大板片状或针条状的第二相，颗粒状的第二相对电子流散射作用明显减小，对铝基体的割裂作用也明显减小，故导电合金杆的导电率和力学性能均较高。
综合分析得知，本发明制备的Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆具有优异的力学性能，良好的导电率，可满足目前架空输电线高强、高导的性能需求。
Claims (7)
1.一种Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆的制备方法，其特征在于：先向熔化后的Al中加入Si、Al-Fe中间合金、Al-Cu中间合金、Mg，得到合金熔体，再向合金熔体中加入Al-B-Sr中间合金进行硼化与变质复合处理，浇铸成铸件后，将其进行均匀化热处理、热挤压，最后再进行固溶、时效热处理，得到Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆；
包括以下步骤：
（1）将Al熔化并升温，依次加入Si、Al-Fe中间合金、Al-Cu中间合金、Mg，搅拌均匀后保温，形成合金熔体；
（2）向步骤（1）得到的合金熔体中加入Al-B-Sr中间合金，进行硼化与变质复合处理，搅拌后除渣，保温；
（3）浇铸得到铸件；
（4）将步骤（3）所得的铸件进行均匀化热处理、热挤压，得到挤压杆；均匀化热处理的温度为540-560℃；热挤压参数为：挤压力1000-1200N、挤压速度2-5 mm/s、挤压温度和模具预热温度为400-420℃；
（5）将步骤（4）中的挤压杆进行固溶、时效热处理，得到Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆；
Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆以质量百分比计，其元素组成为：Si：3.8-4.0%，Mg：0.5-0.8%，Fe：0.1-0.3%，Cu：0.08-0.1%，B：0.05-0.1%，Sr：0.01-0.04%，其余为Al。
2.根据权利要求1所述的Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆的制备方法，其特征在于：所述的Al的纯度≥99.7%，Si的纯度≥99.9%，Mg的纯度≥99.9%。
3.根据权利要求1所述的Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆的制备方法，其特征在于：所述的Al-Fe中间合金中Fe的质量百分含量为4-7%，其余为Al；Al-Cu中间合金中Cu的质量百分含量为4-7%，其余为Al；Al-B-Sr中间合金中各元素的质量百分含量为B：2-4%，Sr：4-6%，其余为Al。
4.根据权利要求1所述的Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆的制备方法，其特征在于：步骤（1）中升温至720-750℃，保温时间为5-10min。
5.根据权利要求1所述的Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆的制备方法，其特征在于：步骤（2）中保温温度为720-750℃，保温时间为15-20min。
6.根据权利要求1所述的Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆的制备方法，其特征在于：步骤（5）中固溶温度为510-530℃，固溶时间为3-6h；时效温度为200-220℃，时效时间为12-18h。
7.根据权利要求1所述的Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆的制备方法，其特征在于： Al-Si-Mg-Fe-Cu导电合金杆的室温极限拉伸强度≥350MPa，延伸率≥10%，导电率≥60%IACS。
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