CN107447135B - 一种Al-Yb-B导电铝合金及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有优良高温导电性能的铝合金及制备方法和应用，属于电工新材料技术领域。该铝合金包括：B:0.02～0.15wt％、Yb:0.05～0.20wt％，另外，还可添加适量的Sc、Zr、Si等元素。该合金的制备方法包括：取纯度为99.7％以上的工业纯铝锭重熔或者采用电解铝液，加入合金元素，精炼，炉前快速成分分析，保温静置，然后快速冷却铸造获得铝合金锭坯，最后进行热处理。本发明制备的铝合金具备较低的电阻温度系数和较高的高温导电率及残存率，部分还具备突出的耐热性能，可用于母线、电线、电缆或铝电解用阳极导杆。

Description

一种Al-Yb-B导电铝合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种Al-Yb-B导电铝合金，尤其涉及一种具有优良高温导电性能的铝合金及制备方法和应用，属于电工新材料技术领域。
背景技术
当金属受到外加电场作用时，载流子在周期性排列的离子实或晶格原子形成的晶格场中发生定向运动，那些破坏了晶格场周期性的异常离子实或晶格原子，碰撞或阻碍定向运动的载流子而产生电阻和焦耳热。合金元素、杂质、晶体缺陷等均会导致晶格场周期性破坏，缩短导电电子的平均自由程，致使合金的电阻率升高，相应电导率降低。杂质对电导率的影响与杂质元素的种类、含量及在金属中存在的状态紧密相关，工业纯铝中的Ti、V、Cr、Mn等杂质元素对导电性影响较大，特别是较高含量的杂质元素固溶于铝基体时，会大幅降低铝导体的电导率。固溶原子导致晶格畸变而破坏晶格场的周期性，并成为对导电电子的散射中心，固溶原子摩尔浓度越大，相邻散射中心间的距离越小，电子的平均自由程越小，电导率越低。Zr和Sc为过渡族元素，会降低铝导体的导电性能，少量Zr原子和Sc原子固溶于铝基体中便会显著降低合金的电导率，但是，当Zr和Sc以L12结构的第二相存在时，会显著提高合金的耐热性，同时，对电导率的不良影响有所减弱。
电阻及焦耳热会致使导体材料产生较大的温升，通常，传输大电流的导体材料的服役温度可能达到150℃以上(低于200℃)。目前，主要采用20℃测得的电阻率或电导率表征导体材料的导电性能，但是，随着温度升高，电阻率一般会大幅增加，进而导致更大的温升，当温度变化导致相变时，晶格场发生突变，电阻率也会随之发生突变。工程上，常用电阻温度系数α来表征温度对电阻率的影响，某个温度T的电阻率ρ(T)＝ρ(T0)[1+α(T～T0)]，其中ρ(T0)为某个参考温度T0的电阻率。合金的电阻温度系数α越小，其在高温下保持的电导率越高，具有较高的电导率残存率，即具有良好的高温导电性能。
在输电线路建设和增容改造工程中，如果要增大杆塔距离或利用原有线路走廊，必须采用较小截面的导线传导更大的电流，导致较大的热效应和温升，因此，不仅要求导体材料在室温有较高的电导率，还要求其在高温有较高的电导率，某些应用场合还同时要求有较好的热稳定性，在服役温度保持有较高的强度，即耐热性能。电解铝的阳极导杆和阴极母线，在较高温度下服役，所用导电铝合金也必须在高温下有较高的电导率和热稳定性。
CN201610177708.3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，短时耐热温度高达230℃，抗拉强度大于等于170MPa。该铝导线的室温电导率和强度均较高，但是该专利并未涉及高温导电性能。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种Al-Yb-B导电铝合金，具有优良的高温导电性能，随着温度升高，导电率下降的幅度较小，即在高温下具有较高的导电率及残存率。
本发明一种Al-Yb-B导电铝合金，包括下述组分：
B:0.02～0.15wt％；
Yb:0.05～0.20wt％；
Sc:0～0.10wt％；
Zr:0～0.10wt％；
Si:0～0.06％。
作为优选，Sc元素的含量为0.05～0.09wt％。
作为优选，Zr元素的含量为0.04～0.08wt％。
作为优选，Si元素的含量为0.03～0.05wt％。
在本发明中，B的含量为0.02～0.15％，例如0.02wt％、0.03wt％、0.04wt％、0.05wt％、0.06wt％、0.07wt％、0.08wt％、0.09wt％、0.10wt％、0.11wt％、0.12wt％、0.13wt％、0.14wt％、0.15wt％，优选为0.04～0.10wt％，进一步优选为0.04～0.08wt％。在金属晶体中，杂质元素、晶格畸变、晶界等晶体缺陷越少，其导电性越好。固溶体于铝基体中B会对电导率产生非常不利的影响，一般情况下，B容易与铝中的元素反应生成硼化物，反应的优先顺序为：Ti＞V＞(Zr、Fe、Cr、Mn)＞Al。确定B的最佳添加量，主要考虑工业纯铝中Ti、V、Cr、Mn、Fe的含量，B与Ti、V等杂质反应生成比重较大的硼化物，以炉渣的形式被除去，B与杂质Fe结合形成具有导电性的金属型化合物，可避免或减少形成电阻率较高的金属间化合物FeAl3。当B含量小于0.02wt％或大于0.15wt％时，均会影响合金导电性能的改善。
在本发明中，Yb的含量为0.05～0.20wt％，如0.05wt％、0.06wt％、0.07wt％、0.08wt％、0.09wt％、0.10wt％、0.11wt％、0.12wt％、0.13wt％、0.14wt％、0.15wt％、0.16wt％、0.17wt％、0.18wt％、0.19wt％、0.20wt％，优选为0.09～0.20wt％。Yb在铝合金中的最大平衡固溶度低于0.10wt％，适量的Yb在高温下与氢作用形成YbH2化合物，能降低铝液中的含氢量，合金的针孔率和产生晶间裂纹的倾向相应降低，有利于导电性能的改善。与此同时，YbH2的电阻随温度升高而降低，有利于合金在高温下保持较高的导电率。当Yb的含量小于0.05wt％时，难以产生上述作用。当Yb的含量超过0.20wt％时，比如Yb的加入量为0.25wt％，会出现Al3Yb初生相，如图1(a)、(b)所示，出现了粗大的骨骼状Al3Yb初生相，会降低YbH2化合物和细小Al3Yb沉淀相的体积分数，从而影响合金的高温导电性能和耐热性能。
在本发明中，还可以含有Sc元素，其含量不大于0.10wt％，如0.01wt％、0.02wt％、0.03wt％、0.04wt％、0.05wt％、0.06wt％、0.07wt％、0.08wt％、0.09wt％、0.10wt％，优选的，Sc为0.05-0.09wt％。适量Sc有较好的细化晶粒和抑制再结晶的作用，可以改善合金的焊接性能和提高合金的热稳定性。在本发明中，Sc必须与Yb同时加入并产生协同作用，形成细小的Al3(Sc,Yb)复合粒子弥散分布于铝基体中，阻碍位错和晶界运动，使铝合金有较好的热稳定性的同时，对导电性能的影响不大。当Sc含量大于0.10wt％时，会有少量的Sc固溶于铝基体中，对合金的导电性能产生非常不利的影响，进一步增加Sc含量，在凝固过程会形成少量粗大的Al3Sc初生相。图2为只加入0.15％Sc的时效态合金的TEM照片，仅存在少量粗大的第二相粒子。
为了提高导体材料的耐热性能，本发明铝合金中还可以加入Zr，其含量不大于0.10wt％，例如0.01wt％、0.02wt％、0.03wt％、0.04wt％、0.05wt％、0.06wt％、0.07wt％、0.08wt％、0.09wt％、0.10wt％，优选的，Zr为0.04-0.08wt％。当Zr含量大于0.10wt％时，会有少量的Zr固溶于铝基体中，对合金的导电性能产生非常不利的影响，进一步增加Zr含量，在凝固过程会形成少量粗大的Al3Zr初生相。在本发明中，Zr必须与Yb同时加入并产生协同作用，形成细小的Al3(Zr,Yb)复合粒子弥散分布于铝基体中，才会使铝合金有较好的热稳定性且对导电性能影响不大。图3(a)为只加入0.15％Zr的时效态合金的TEM照片，仅存在少量粗大的第二相粒子，图3(b)为只加入0.20％Yb的时效态合金的TEM照片，相比图3(a)，第二相粒子更多，部分粒子更粗大，图3(c)为同时加入0.10％Yb和0.06％Zr的时效态合金的TEM照片，相比图3(a)、(b)，第二相粒子更多、更细小、更弥散分布。
在本发明中，还可同时加入Sc和Zr，进一步提高合金的耐热性。在铝合金中，Zr与Yb的扩散速率大小相差2个数量级，Zr与Sc的扩散速率大小相差1个数量级，Sc与Yb的扩散速率大小也相差1个数量级。Yb在铝合金中具有较高的扩散速率，在较低温度热处理就可能析出Al3Yb粒子，当热处理温度较高时，Sc会依附于Al3Yb粒子析出并抑制Al3Yb粒子的粗化，形成具有核-壳结构的Al3(Yb,Sc)粒子，当热处理温度进一步提高时，Zr依附于Al3(Yb,Sc)粒子析出，如图4(a)所示，形成具有核-双壳结构的纳米粒子Al3(Yb,Sc,Zr)，可大幅度提高合金的热稳定性。当合金中只加入Sc和Zr，而未加入Yb时，如图4(b)所示，析出相数量减少且较粗大。
在本发明中，Si的含量不大于0.06wt％，例如0、0.01wt％、0.02wt％、0.03wt％、0.04wt％、0.05wt％、0.06wt％，优选的，Si的含量为0.03-0.05wt％。除了铝硅铸造合金和以Mg2Si为强化相的6系铝合金外，Si在铝合金中通常被视为杂质元素，本发明却通过适量Si促进纳米沉淀相的析出，使Zr、Sc在合金基体中的固溶程度降到最低，有利于导电性能和耐热性能的提高。
作为优选，本发明不可避免的杂质元素总含量小于等于0.05wt％，余量为Al。
所述不可避免的杂质元素包括Fe、Ti、V、Cr、Mn、Ni、Zn、Ca等。
本发明的另一目的在于提供一种制备所述Al-Yb-B导电铝合金的方法，主要包括下述步骤：
(1)取纯度为99.7％以上的工业纯铝锭重熔，或者采用电解铝液，控制熔炼温度为760℃-780℃；
(2)加入合金元素；
(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；
(6)铸造获得铝合金锭坯；
(7)热处理。
步骤(1)中直接采用电解铝液作为Al元素的来源，省略了铸造成铝锭以及铝锭的重熔工序，有利于生产成本的降低。对于步骤(2)，根据设计的合金元素种类，如设计的合金元素为Yb、B和Sc，则步骤(2)所述的加入合金元素是指加入B、Yb和Sc。
作为优选，步骤(2)所述合金元素B要先于其他合金元素加入。
作为优选，步骤(6)所述铸造为快速冷却铸造，优选的，冷却速率大于等于20℃/s，优选的，采用水冷铸造。
作为优选，步骤(7)所述热处理为单级或双级热处理，所述单级热处理工艺为在250～450℃保温2～8h，所述双级热处理为先在250～350℃保温4～8h，然后将温度提高至400～450℃保温24～36h。经所述热处理后，合金基体中析出适量纳米尺度的、弥散分布的第二相，该析出相为与基体共格且具有L12结构的Al3Yb相，当添加了其他元素，如Sc或/和Zr时，形成Al3(Yb,Sc)相或/和Al3(Yb,Zr)相，或/和Al3(Yb,Sc,Zr)相。
相对于现有技术，本发明的有益技术效果为：
1、由于添加了适量的Yb、B，使合金在保持较高的室温导电率的同时，还拥有较高的高温导电率及残存率，150℃的导电率不低于41.5％IACS，相对于其20℃的导电率的残存率大于68％，200℃的导电率大于38.0％IACS，相对于其20℃的导电率的残存率大于62％，表现出了优良的高温导电性能。
2、Sc、Zr、Si合金元素与Yb发生协同增强作用，促使合金的耐热性能大幅度提高，所述铝合金经热处理后，长期耐热温度不低于200℃，短时耐热温度不低于230℃。
3、本发明所设计的铝合金可用于母线、电线、电缆或铝电解用阳极导杆。所述母线包括电解铝厂、变电站、发电厂、建筑等的大电流输送用母线，特别适用于服役温度较高的铝电解槽用的阴极母线，可大大降低铝电解的吨铝直流电耗。本发明也可用于电线或电缆，特别适用于单位截面积所承载的电流强度较大的输电导线，当服役温度不大于200℃时，不仅可以降低线损，而且能保证供电的安全稳定性。
附图说明
图1(a)(b)分别为对比例2铸态制品的TEM照片及初生相的能谱；
图2为对比例6时效态制品的TEM暗场像；
图3(a)为对比例8时效态制品的TEM暗场像；
图3(b)为实施例3时效态制品的TEM暗场像；
图3(c)为实施例7时效态制品的TEM暗场像；
图4(a)为实施例8时效态制品的TEM暗场像；
图4(b)为对比例11时效态制品的TEM暗场像。
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，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1-13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；加入Al-B中间合金，再根据表1所述相应合金元素的设计方案加入其它合金元素，如实施例6设计的合金元素的种类为Yb、B、Sc，则在加入Al-B中间合金之后再加入Al-Yb中间合金和Al-Sc中间合金；进行精炼、炉前快速成分分析；成分调整，使各元素的含量为表1所述的质量百分比，不可避免的杂质元素总含量小于0.03％，Al为余量；在710-730℃保温静置；直接水冷半连续铸造成铝合金锭。对铝合金锭进行热处理，其中实施例1-6和对比例1-6的热处理工艺为：在350℃保温4h，而除此之外的其他实施例和对比例的热处理工艺为：先在350℃保温4h，然后在450℃保温24h。
表1合金元素的设计表(wt％)
Figure BDA0001393356190000081
Figure BDA0001393356190000091
对经过热处理后的铝合金锭坯进行相关性能测试，表2为实施例1-9和对比例1-13合金的性能测试或计算结果。其中20℃的导电率按照GB/T 12966-2008测试。150℃、200℃的导电率是采用四点法测量，计算出电阻率，再换算为导电率。导电率的残存率为合金在150℃或200℃的导电率与20℃的导电率的比值。采用长期耐热温度和短时耐热温度表征导体材料的耐热性能，在某一温度保温400小时后，其相对于保温前的室温抗拉强度的强度残存率大于90％，则认为这一温度为长期耐热温度，在某一温度保温1小时后，其相对于保温前的室温抗拉强度的强度残存率大于90％，则认为这一温度为短时耐热温度。其中室温抗拉强度按照标准GB/T 228.1-2010测试。
表2测试结果
Figure BDA0001393356190000092
Figure BDA0001393356190000101
由实施例1-3可知，随着Yb含量的增大，合金的高温导电率的残存率呈递增趋势。当Yb的含量低于本申请保护的范围时(对比例1)，Yb的有益效果未发挥出来，其高温导电率及残存率均较低，而当Yb的含量超过0.20wt％(对比例2)，如图1所示，合金中出现了粗大的骨骼状Al3Yb初生相，大幅降低了合金的室温及高温导电率。由此可见，添加适量的Yb才有利于提高合金的高温导电性能。
相对于对比例3、4，实施例2、4、5的室温和高温导电率明显较高，尤其是室温导电率，可见，添加适量的B元素对提高合金导电率的作用非常明显。
由实施例6、7、8可看出，在Yb、B的基础上添加适量Sc或/和Zr，可大幅提高合金的耐热性能，其长期耐热温度不低于200℃，短时耐热温度不低于230℃。但是当其添加量超过本申请所述范围时(对比例5、7)，其耐热性能反而降低。另外，由对比例6、8、9-11可看出，Sc与Yb、Zr与Yb、Sc及Zr与Yb均存在协同作用，与同时添加具有协同作用的元素相比，仅添加这些具有协同作用的元素中的部分元素且增加其添加量，其耐热性能仍然相对较低。由对比例6、8、11还可看出，不添加Yb，而提高Sc、Zr或Sc+Zr的含量，由于没有Yb的协同作用而不能析出细小弥散分布的第二相(如图2、图3(a)、图4(b))，致使合金的高温导电性能大幅度降低。
由实施例8、9可看出，适量Si元素的添加有利于提高合金的导电性能和耐热性能。另外，同时添加Sc、Zr、Yb、Si这四种元素与添加其中三种元素并增加其添加量的方案(对比例12、13)相比，合金的导电性能和耐热性能明显较优，可见，Si元素与Sc、Zr、Yb之间存在协同作用。
总之，本发明通过添加适量的Yb、B，使合金在保持较高的室温导电率的同时，还拥有较高的高温导电率及残存率，表现出了优异的高温导电性能，通过添加其他合金元素如Sc、Zr、Si，和Yb发生协同增强作用，促使合金的耐热性能大幅度提高，尤其适用于服役温度较高的各种应用场合。
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 (11)

1.一种Al-Yb-B导电铝合金，其组成包括：
B:0.02～0.15wt％；
Yb:0.05～0.20wt％；
Sc:0.01～0.10wt％；
Zr:0.01～0.10wt％；
Si:0.01～0.06wt％；
不可避免的杂质元素的总含量小于等于0.05wt％，余量为Al；
所述合金中形成有Al3(Yb,Sc)相、Al3(Yb,Zr)相和Al3(Yb,Sc,Zr)相。
2.如权利要求1所述的Al-Yb-B导电铝合金，其特征在于，Sc的含量为0.05～0.09wt％。
3.如权利要求1所述的Al-Yb-B导电铝合金，其特征在于，Zr的含量为0.04～0.08wt％。
4.如权利要求1所述的Al-Yb-B导电铝合金，其特征在于，Si的含量为0.03～0.05wt％。
5.如权利要求1所述的Al-Yb-B导电铝合金，其特征在于：所述导电铝合金在150℃的导电率不低于41.5％IACS，相对于其20℃的导电率的残存率大于68％，200℃的导电率大于38.0％IACS，相对于其20℃的导电率的残存率大于62％。
6.如权利要求1所述的Al-Yb-B导电铝合金，其特征在于：所述导电铝合金的长期耐热温度不低于150℃，短时耐热温度不低于180℃。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的Al-Yb-B导电铝合金的制备方法，包括下述步骤：
(1)取纯度为99.7％以上的工业纯铝锭重熔，或者采用电解铝液，控制熔炼温度为760℃-780℃；
(2)加入合金元素；
(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；
(6)铸造获得铝合金锭坯；
(7)热处理。
8.如权利要求7所述的Al-Yb-B导电铝合金的制备方法，其特征在于：步骤(7)所述热处理为单级或双级热处理。
9.如权利要求8所述的Al-Yb-B导电铝合金的制备方法，其特征在于，所述单级热处理工艺为在250～450℃保温2～8h。
10.如权利要求8所述的Al-Yb-B导电铝合金的制备方法，其特征在于，所述双级热处理为先在250～350℃保温4～8h，然后将温度提高至400～450℃保温24～36h。
11.如权利要求1-6任意一项所述的Al-Yb-B导电铝合金的应用，其特征在于：用于母线、电线、电缆或铝电解用阳极导杆。
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