CN107419141B - 一种Al-Si-Fe-RE-B合金导体材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Al‑Si‑Fe‑RE‑B合金导体材料及其制备方法，属于冶金材料领域。该铝合金包括下述按质量百分比的元素：Si：0.06～0.15wt％；Fe：0.05～0.10wt％；RE：0.10～0.30wt.％；B：0.05～0.15wt％，其中，Fe与Si两种元素的质量比Fe/Si小于1。制备的铝合金在铸态下的杨氏模量大于等于71GPa，抗拉强度大于等于75MPa，在20℃的电导率大于61％IACS，主要用于制造电解槽用母线、整流站与电解槽间的连接母线、建筑母线、变电站母线、电线和电缆等。

Description

一种Al-Si-Fe-RE-B合金导体材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金导体材料，尤其涉及一种低成本且具有较高弹性模量和强度的Al-Si-Fe-RE-B合金导体材料及其制备方法，属于冶金材料技术领域。
背景技术
铝母线是用铝及其合金制成的截面积较大、能传送较大电流的导电体。铝电解用的阳极母线与软母线及阳极导杆相连，除了传导电流外，主要作用是支撑阳极导杆，要求有一定刚度和强度。构件的刚度取决于材料的弹性模量和构件尺寸，传统阳极铝母线采用工业纯铝，通过增大断面积来保证其刚度，因此被称为大母线，不仅增加了母线的用铝量，而且提高了抬母线操作的难度。近年来，预焙阳极电解槽朝着大型化、高效化、节能化、智能化、环保型方向发展，电流强度已由70年代的100kA发展到了660KA，电解槽的长度不断增加，铝母线的长度也相应增加，为了满足抗弯折的要求，不得不进一步提高母线的截面积。弹性模量取决于原子间结合力，主要受原子序数、键合方式、晶体结构及密排方向、温度及第二相的影响。同一周期的元素，E值随原子序数增加而增大，但是，其中过渡族金属的E值特别高，同一族的元素，E值随原子序数增加而减小。通常，共价键和离子键结合力强，弹性模量较高，而金属键的结合力较弱，弹性模量较低。合金元素大多降低有限固溶体合金的弹性模量，但若形成高熔点、高弹性模量的第二相质点，则可提高弹性模量，复相合金中，二相系统的总模量介于高模量和低模量之间。随着温度升高，原子间距增大，原子间结合力减弱，弹性模量相应降低。
现有技术中，CN105088035A公开了一种高导电中强度非热处理型铝合金导体材料，包括Mg0.10～0.20wt％、Cu0.20～0.30wt％、Fe0.15～0.30wt％、B0.05～0.10wt％，不可避免杂质硅含量小于0.05％，杂质钛、钒、铬、锰的含量总和小于0.01％，铝为余量，其导电率达到59.2％IACS，抗拉强度大于240MPa，延伸率大于2.0％。CN105821253A公开了一种加铁的轻质高导耐热铝导线，其中B0.04～0.10wt.％，Zr0.10～0.15wt.％，Fe0.10～0.20wt.％，La0.05～0.30wt.％，不可避免钛、钒、铬、锰的含量总和小于0.01wt.％，铝为余量，其在20℃的电导率大于62％IACS，短时耐热温度为230℃，抗拉强度大于等于170MPa。这两篇文献中涉及了铝导线的室温电导率和抗拉强度，但是其为加工态或加工后再时效的性能，且并未涉及有关弹性模量方面指标。
基于此，有待开发出一种铝合金导体材料，具有较高的弹性模量、一定的强度和电导率，满足特定应用场合如电解铝母线对合金性能的要求，同时还可用于建筑母线、变电站母线等。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种Al-Si-Fe-RE-B合金导体材料，相比工业纯铝，不仅具有较高的弹性模量，同时兼具较高的电导率和强度，满足特定条件下的使用要求。
本发明一种Al-Si-Fe-RE-B合金导体材料，由下述按质量百分比的元素组成：
Si：0.06～0.15wt％；
Fe：0.05～0.10wt％；
RE：0.10～0.30wt％；
B：0.05～0.15wt％；
其中，Fe与Si两种元素的质量比Fe/Si小于1。
优选的，Ti、V、Cr、Mn杂质元素总含量小于等于0.01wt％，其他不可避免的杂质总含量小于0.01wt％，余量为Al。
在本发明中，控制Fe与Si的质量比小于1，比如为0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1，优选地，Fe/Si还大于0.3，非现有技术中的Fe/Si必须大于1。99.7％的工业纯铝中，本身含有一定量的Si(≤0.10wt.％)和Fe(≤0.20wt.％)，除了有针状硬脆的FeAl3和块状硬脆的Si存在外，还可能形成α(Fe2SiAl8)相或β(FeSiAl5)相，均为脆性化合物，对合金的力学性能、电学性能、可焊性均有不良影响。通常，在熔炼铝合金时，既要控制Fe、Si含量，还要控制Fe/Si大于1，因为，当Fe/Si过小，即Fe含量小于Si含量时，容易形成脆性β(FeSiAl5)相，相比α(Fe2SiAl8)相，对合金的力学性能和焊接性能更不利。但是，我国铝土矿普遍Si含量高，在本发明中，利用Si元素与其他元素之间的协同作用实现导体材料综合性能的提高。
在铝电解生产中，采用熔融钠盐作为电解质，导致原铝中含有较多的钠，本发明加入了一定量的Si，形成NaAlSi化合物，避免Na以游离状态存在而导致钠脆，降低焊接时出现开裂的概率，也降低因为要严格控制Na、Si含量而产生的附加成本。具有尖锐棱角的类针状FeAl3相形成于合金凝固初期，会对合金的流动造成一定的阻碍作用，导致偏析、缩松、缩孔，从而影响合金的力学性能。本发明Si的加入量比Fe多，可以改善合金铸造时的流动性，抑制缩松、缩孔和细化晶粒，使合金的焊接性能变好。同时，Si与Fe、B之间的协同作用，使合金兼具较高的弹性模量、强度和电导率。一方面，Si能取代铝晶格上的部分Al原子，增加铝基体的空位浓度，从而增加过渡族元素Fe的扩散速率，B原子能对Si晶体产生掺杂作用，增加有效载流子的数量，从而提高合金的导电率。另一方面，能形成具有高弹性模量的含Fe、Si的第二相，细小弥散分布于基体中，可提高合金的弹性模量和强度，并改善合金的韧性和焊接性能。
在本发明中，控制Si的含量为0.06-0.15wt％，例如0.06wt％、0.07wt％、0.08wt％、0.09wt％、0.10wt％、0.11wt％、0.12wt％、0.13wt％、0.14wt％或0.15wt％，优选为0.08-0.15wt％。Fe的含量为0.05～0.10wt％，例如0.05wt％、0.06wt％、0.07wt％、0.08wt％、0.09wt％或0.10wt％。B的含量为0.05-0.15wt％，例如0.05wt％、0.06wt％、0.07wt％、0.08wt％、0.09wt％、0.10wt％、0.11wt％、0.12wt％、0.13wt％、0.14wt％或0.15wt％。如果Si的含量小于0.06wt％，或者Fe的含量小于0.05％，或者B的含量小于0.05wt％，均不利于Si、Fe、B的协同作用。如果Si的含量大于0.15wt％，会形成游离硅，对强度和韧性均产生不利影响。如果Fe的含量超过0.10％，形成电阻率较高的金属间化合物FeAl3，如图1所示，会损伤合金的导电性能，也影响合金的强度和韧性。合适的B含量可以大大提高合金的电导率，过量的B则对电导率非常不利。
在本发明中，RE的含量为0.1-0.3wt％，例如0.1wt％、0.13wt％、0.15wt％、0.17wt％、0.20wt％、0.22wt％、0.25wt％、0.28wt％、0.30wt％，RE可以是Ce、La、Nd、Pr、Y、Er、Sc、Mm中的1种、2种或3种。Mm是La、Ce的混合稀土，具体为65％Ce+35％La。RE在高温下极易与氢作用形成REH2化合物，少部分上浮，大部份弥散分布于铝液中，使合金的针孔率和产生晶间裂纹的倾向相应降低，对提高合金的综合性能产生非常有益的影响，同时还能起到改善焊接性能的作用。本发明充分利用各合金元素的协同作用，不仅可以保障较高的电导率和弹性模量，同时也对合金的强韧性产生有益的作用，降低焊接时的开裂概率。
本发明的另一目的在于提供一种Al-Si-Fe-RE-B合金导体材料的制备方法。
本发明一种Al-Si-Fe-RE-B合金导体材料的制备方法，包括下述步骤：
(1)加入工业纯铝锭或电解铝液，控制熔炼温度为760℃～780℃；
(2)加入合金元素RE和B，当所述工业纯铝锭或电解铝液中Fe、Si元素的含量低于相应元素的设计含量时，添加该合金元素；
(3)精炼；
(4)炉前快速成分分析，根据分析结果进行成分调整；
(5)在710℃～730℃保温静置15～20分钟；
(6)快速冷却铸造，获得铝合金坯料。
所述元素的设计含量即为Al-Si-Fe-RE-B合金导体材料中元素的含量。
优选的，所述快速冷却铸造的冷却速度大于等于20℃/s，优选水冷铸造。
本发明的快速冷却铸造有一定抑制粗大初生相形成的作用，使铸坯具有较高过饱和固溶度，为后续热处理析出细小弥散分布的第二相粒子提供驱动力。
优选的，所述铝合金坯料为半连续铸锭或连续铸坯。
优选的，对铝合金坯料进行热处理，热处理温度为300℃～450℃，保温时间为1～24小时，优选为2～8小时，形成细小弥散分布的具有L12结构的纳米复合粒子，如图2所示。
相对现有技术，本发明有下述有益效果：
1、通过控制Fe与Si的质量比小于1，在降低成本的同时还可以利用Si改善合金铸造时的流动性、抑制缩松和缩孔、细化晶粒，特别是利用Si与Fe、B元素发挥的协同作用，提高合金的弹性模量、强度、电导率。制备获得的Al-Si-Fe-RE-B合金导体材料在铸态下的杨氏模量大于等于71GPa，抗拉强度大于等于75MPa，在20℃的电导率大于61％IACS，可用于制作电解槽用母线、整流站与电解槽间的连接母线、建筑母线、变电站母线等。
2、采用重熔用工业纯铝锭或者电解铝液作为原料，将其中不可避免的杂质元素Fe、Si变为有用的微合金化元素，同时也无须刻意控制工业纯铝中的杂质含量，加入较高含量的Si，符合我国高硅铝土矿的资源优势，以较低的成本获得了较好的综合性能。
附图说明
图1为对比例3的TEM照片及粗大含铁相的能谱；
图2为实施例3合金经400℃/24h热处理后的TEM照片。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
设置实施例1-9以及对比例1-10(其中对比例10为99.7％的工业纯铝)的成分如表1所示。采用纯度为99.7％的工业纯铝锭(其中Si为0.05wt％，Fe为0.13wt％，Cu为0.01wt％，Mg为0.01wt％)，在760-780℃熔化工业纯铝后，加入B、RE元素，所述工业纯铝锭或电解铝液中的Si、Fe元素含量低于相应Si、Fe元素的设计含量(同一种元素相比较)时，添加该元素，之后进行精炼、炉前快速成分分析和成分调整，使各合金元素的含量为表1所述设计值，Ti、V、Cr、Mn杂质元素总含量小于等于0.01wt％，其他不可避免的杂质总含量小于0.01wt％，余量为Al。在710-730℃保温静置，然后直接水冷半连续铸造成铝合金锭。
表1合金元素的设计表(wt％)
对实施例1-9以及对比例1-10的合金的杨氏模量、抗拉强度、电导率进行测试，结果如表2所示，其中杨氏模量为采用常规拉伸试验测量的拉伸模量，用来表征材料的弹性模量。
表2测试结果
由表2可知，本发明实施例所述合金材料的杨氏模量、抗拉强度、电导率均高于对比例1-9，和工业纯铝(对比例10)相比，也表现出较好的综合性能。
随着Si含量的增加，电导率有所降低，弹性模量和强度提高(实施例1-3)，Si含量为0.10％时，其综合性能最佳。Si的含量过少，即Fe/Si比过高，或者Si的含量过高，其综合性能均相对较低(对比例1、2)。Fe含量过高(对比例3)，如图1所示，组织中含有粗大含铁相，合金的电导率非常低，Fe含量过少(对比例4)，合金的抗拉强度和弹性模量较低，均体现不出较好的综合性能。
选择B、Si、Fe中的两种元素且增加这两种或其中一种元素的含量(对比例5-9)，其合金性能均低于同时含有Si、B、Fe这三种元素且含量在设计成分范围内合金的性能，Si、B、Fe三种元素之间的协同作用使合金能同时获得优异的弹性模量、抗拉强度、导电性能。
总之，本发明通过控制Fe与Si的质量比小于1，在降低成本的同时还可以利用Si的有益效果，特别是利用Si与Fe、B元素的协同作用，使材料具备优异的综合性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种Al-Si-Fe-RE-B合金导体材料，其特征在于，所述Al-Si-Fe-RE-B合金导体材料由下述元素组成：
Si：0.09～0.15wt％；
Fe：0.05～0.07wt％；
RE：0.10～0.30wt％；
B：0.05～0.15wt％；
其中，Fe与Si两种元素的质量比Fe/Si小于1；
Ti、V、Cr、Mn杂质元素总含量小于等于0.01wt％，其他不可避免的杂质总含量小于0.01wt％，余量为Al。
2.如权利要求1所述的一种Al-Si-Fe-RE-B合金导体材料，其特征在于，Fe与Si两种元素的质量比Fe/Si大于0.3。
3.如权利要求1所述的一种Al-Si-Fe-RE-B合金导体材料，其特征在于，该材料的基体中分布有含Fe、Si的第二相。
4.如权利要求1所述的一种Al-Si-Fe-RE-B合金导体材料，其特征在于，该Al-Si-Fe-RE-B合金导体材料在铸态下的杨氏模量大于等于71GPa，抗拉强度大于等于75MPa，在20℃的电导率大于61％IACS。
5.如权利要求1-4任意一项所述的一种Al-Si-Fe-RE-B合金导体材料的制备方法，包括下述步骤：
(1)加入工业纯铝锭或电解铝液，控制熔炼温度为760℃～780℃；
(2)加入合金元素B和RE，当所述工业纯铝锭或电解铝液中Fe、Si元素的含量低于权利要求1-3任意一项所述相应元素的含量时，添加Fe、Si元素，所有合金元素均以中间合金的形式添加；
(3)精炼；
(4)炉前快速成分分析，根据分析结果进行成分调整；
(5)在710℃～730℃保温静置15～20分钟；
(6)快速冷却铸造，获得铝合金坯料。
6.如权利要求5所述的一种Al-Si-Fe-RE-B合金导体材料的制备方法，其特征在于：步骤(6)所述快速冷却铸造的冷却速率大于等于20℃/s。
7.如权利要求5所述的一种Al-Si-Fe-RE-B合金导体材料的制备方法，其特征在于：步骤(6)所述快速冷却铸造为水冷铸造。
8.如权利要求5所述的一种Al-Si-Fe-RE-B合金导体材料的制备方法，其特征在于：对步骤(6)所述铝合金坯料进行热处理，热处理温度为300℃～450℃，保温时间为1～24小时。
9.如权利要求8所述的一种Al-Si-Fe-RE-B合金导体材料的制备方法，其特征在于：所述热处理的保温时间为2-8小时。
10.如权利要求1-4任意一项所述的一种Al-Si-Fe-RE-B合金导体材料应用于电解槽母线、建筑母线、变电站母线、电线或电缆。
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