CN107513644A - 一种低温度敏感的高导电率的铝合金及制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低温度敏感的高导电率的铝合金及制备方法和应用，属于电工新材料技术领域。所述铝合金以质量百分比计包括下述组分：B:0.02～0.08％、Yb:0.05～0.20％、Sc:0～0.10％，余量为Al和微量不可避免的杂质元素。其制备方法为：熔炼、精炼、炉前快速成分分析，按设计的材料组分配比进行成分调整，保温、静置，快速冷却铸造获得铝合金锭坯，然后在250～450℃稳定化处理2～8h。本发明所设计和制备的铝合金，随着温度升高，其导电率下降的幅度相对较小，可用于制作电解铝用的阴极母线、阳极导杆和/或服役温度较高的电线电缆。

Description

一种低温度敏感的高导电率的铝合金及制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种低温度敏感的高导电率的铝合金及制备方法和应用，属于电工新材料技术领域。
技术背景
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形成的晶格场中发生定向运动而形成电流，那些破坏了晶格场周期性的异常离子实或晶格原子，碰撞或阻碍定向移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。
导体材料的电阻率通常会随温度升高而大幅增加，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(通常为20℃)的电阻率，电阻温度系数α越小，合金的电导率对温度的敏感性越低，在高温下能够保持较高的电导率。
电解铝用的阳极导杆和阴极母线，在较高温度下服役，所用铝合金除了要有较高的常温电导率外，还要有较低的电阻温度系数，即电导率对温度有较低的敏感性。在输电线路的增容改造工程中，如果要利用原有线路走廊，其替代导线的横截面必须小于等于在役导线的截面，不仅要求其有较高的常温电导率，还要求其对温度有较低的敏感性，可在高温下保持较高的电导率。
发明人前期在开发高导耐热铝合金导线方面进行了较多有益的尝试，如专利201610179990.9中公开了一种轻质高导耐热铝导线及其制备方法，该铝导线主要由Al、B、Zr、Er组成，兼具较高的室温导电率和强度，在20℃的导电率大于等于62％IACS，短时耐热温度为230℃，长期耐热温度为210℃，抗拉强度大于等于165MPa。但是，该专利没有涉及高温导电性能，没有掌握其导电率随温度升高的变化规律，难以应用于服役温度较高的场合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低温度敏感的高导电率的铝合金，随着温度提高，导电率下降的幅度较小，可在高温下保持较高的导电率。
本发明一种低温度敏感的高导电率的铝合金，所述铝合金以质量百分比计包括下述组分：
B:0.02～0.08％；
Yb:0.05～0.20％；
Sc:0～0.10％；
Fe、Si杂质元素的总含量小于等于0.01％，Ti、V、Cr、Mn、Ni、Zn、Ca等杂质元素的总含量小于等于0.01％，其余为Al。
本发明中，杂质元素的总含量小于等于0.03wt.％。
在本发明中，B的含量为0.02～0.08wt.％，优选为0.04～0.06wt.％，具体的，如0.04wt.％，0.05wt.％，0.06wt.％。
在本发明中，Sc的含量为0～0.10wt.％，优选为0～0.05wt.％，具体的，如0wt.％，0.01wt.％，0.02wt.％，0.03wt.％，0.04wt.％，0.05wt.％。图1为在合金中只加了0.05wt.％B的铸态组织的金相照片、SEM照片及第二相的能谱图，图2为在此基础上加入了0.10％Sc的铸态组织的金相照片、SEM照片及第二相的能谱图。对比图1和图2可以看出，Sc有较好的细化晶粒作用，可改善合金的焊接性能，但是，单独加入较多的Sc而不加Yb时，铸态组织中出现了较多的条杆状的含Sc、Fe、Si的粗大相(如图2(b)(c))。此外，过量的Sc会对合金的导电性能产生非常不利的影响。
在本发明中，Yb的含量为0.05～0.20wt.％，优选为0.09～0.20wt.％。当然Yb的含量为0.10～0.20wt.％也为本发明所设计组分中Yb含量更进一步的优选方案。具体的，如0.10wt.％，0.11wt.％，0.12wt.％，0.13wt.％，0.14wt.％，0.15wt.％，0.16wt.％，0.17wt.％，0.18wt.％，0.19wt.％，0.20wt.％。适量Yb在高温下与氢作用形成YbH2化合物，少部分上浮，大部份弥散分布于铝液中，使铝液中自由氢的含量降低，从而使合金的针孔率大大降低，这将对合金导电性能的改善产生有益的影响。同时，YbH2的电阻随温度升高而降低，这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，如Yb的加入量为0.25wt.％时，由图3(a)可以看出，出现了Al3Yb初生相，经固溶处理可以重新溶入基体，由图3(b)可以看出，除了晶内点状的含Yb相外，部分晶界存在含Yb的连续相，均为初生相，会降低合金的室温及高温导电性能。
在本发明开发过程中，尝试了加入等量的其他稀土元素替代Yb的方案，如加入0.20wt.％Y，由图4可以看出，合金中存在部分连续网状的第二相，性能测试结果也反映其导电率对温度的敏感性比实施例的导电率对温度的敏感性大。
本发明一种低温度敏感的高导电率的铝合金的制备方法，取纯度为99.7％的工业纯铝锭重熔，或者采用电解铝液作为铝源，控制熔炼温度为760℃-780℃，加入中间合金，精炼，进行炉前快速成分分析，按设计的材料组分配比进行成分调整，在710℃-730℃保温静置，铸造获得铝合金锭坯，然后进行稳定化处理。
本发明一种低温度敏感的高导电率的铝合金的制备方法，所述中间合金包括Al-B中间合金、Al-Yb中间合金，当需要加入Sc时，则所述中间合金还包括Al-Sc中间合金。
本发明一种低温度敏感的高导电率的铝合金的制备方法，所述铸造为快速冷却铸造。所述快速冷却铸造包含但不限于直接水冷铸造。所述锭坯包括铸锭和/或连铸坯。
本发明一种低温度敏感的高导电率的铝合金的制备方法，所述铸造的冷却速率大于等于20℃/s。
本发明一种低温度敏感的高导电率的铝合金的制备方法，所述稳定化处理为在250～450℃保温2～8h，力图析出细小弥散分布的、与基体共格的L12结构的Al3Yb相，如图5所示，析出了适量尺寸较小的、弥散分布的豆瓣状相。
本发明所设计和制备的铝合金，经稳定化处理后，在150℃的导电率高于42％IACS，在200℃的导电率不低于38.5％IACS。
本发明所设计和制备的铝合金，公开了适量Yb的方案，对同类产品的开发有一定的启示作用。
相比现有的导体材料，本发明所设计和制备的铝合金在较高温度下保持有较高的导电率，即导电率对温度有较低的敏感性，可用于铝电解槽的阴极母线、阳极导杆和/或服役温度高的导线。本发明所述服役温度高是指服役温度为40～200℃。当然本发明所设计的和制备的铝合金也可用于其他母线和电线电缆。
本发明所设计和制备的铝合金，用于铝电解槽的阴极母线、阳极导杆时，可大大降低铝电解的吨铝直流电耗。用于电线电缆可保证供电的安全稳定性。
附图说明
图1为对比例2铸态制品的金相照片、SEM照片及第二相的能谱图；
图2为对比例3铸态制品的金相照片、SEM照片及第二相的能谱图；
图3为对比例4铸态制品的XRD谱、SEM照片及初生相的能谱图；
图4为对比例5铸态制品的金相照片、SEM照片及第二相的能谱图；
图5为实施例2所得时效态制品的TEM明场像；
图1由图1(a)、图1(b)、图1(c)组成；从图1可以看出，对比例2所得铸态组织的晶粒较粗大，含铁相在晶界呈连续网状分布。
图2由图2(a)、图2(b)、图2(c)组成；从图2可以看出，Sc有较好的细化晶粒作用，但是，Sc的变质效果有限，其所得产品中仍然存在较多粗大的杆状含铁、硅相。
图3(a)为铸态和固溶态制品的XRD谱，铸态组织中存在的Al3Yb相，经固溶处理后基本溶入基体中；图3(b)(c)为铸态组织的SEM照片及初生相的能谱图，除了晶内点状的含Yb相外，部分晶界存在含Yb的连续相。
图4由图4(a)、图4(b)、图4(c)组成，其中，图4(a)为铸态金相组织，其晶粒较为粗大,图4(b)为铸态制品的SEM照片，图4(c)为铸态组织中连续网状相的能谱图；由图4可以看出，Y可以使连续网状分布的粗大含铁相部分变为点状相，但其细化晶粒效果不如Sc。
由图5可以看出，经适当的稳定化处理后，析出了适量尺寸较小的、弥散分布的豆瓣状相，为Al3Yb相。
具体实施方式
在本发明的实施例和对比例中，导电率为**％IACS，简写为**％。
在本发明的实施例和对比例中，采用纯度≧99.7％的工业纯铝锭，在780℃熔化后，加入中间合金，精炼，进行炉前快速成分分析，按设计的材料组分配比调整各元素的质量百分比，在720℃保温静置15min，然后直接水冷半连续铸造，冷却速率为20℃/s。
在本发明的实施例以及对比例2、3、4、5、6中，所得制品中，Fe、Si杂质元素总含量小于等于0.01wt.％，Ti、V、Cr、Mn、Ni、Zn、Ca等杂质元素总含量小于等于0.01wt.％。
在本发明的对比例1中，Ti、V、Cr、Mn、Ni、Zn、Ca等其它杂质元素总含量小于等于0.01wt.％。
实施例1
设计合金各元素的质量百分比为：B为0.05％，Yb为0.05％，余量为Al和微量不可避免的杂质元素。按设计组分铸造获得锭坯，在20℃测得的导电率为60.9％，经350℃保温4h后，在20℃测得的导电率为61.7％，在150℃测得的导电率为42.4％，在200℃测得的导电率为38.5％。
实施例2
设计合金各元素的质量百分比：B为0.05％，Yb为0.10％，余量为Al和微量不可避免的杂质元素。按设计组分铸造获得锭坯，在20℃测得的导电率为60.7％，在400℃保温3h后，在20℃测得导电率为61.6％，在150℃测得的导电率为42.7％，在200℃测得的导电率为40.0％。
实施例3
设计合金各元素的质量百分比：B为0.05％，Yb为0.20％，余量为Al和微量不可避免的杂质元素。按设计组分铸造获得锭坯，在20℃测得的导电率为60.2％，经400℃保温3h后，在20℃测得的导电率为61.1％，在150℃测得的导电率为42.6％，在200℃测得的导电率为40.1％。
实施例4
设计合金各元素的质量百分比：B为0.05％，Yb为0.10％，Sc为0.05％，余量为Al和微量不可避免的杂质元素。按设计组分铸造获得锭坯，在20℃测得的导电率为60.4％，经450℃保温2h后，在20℃测得的导电率为61.4％，在150℃测得的导电率为42.4％，在200℃测得的导电率为39.5％。
对比例1
设计合金各元素的质量百分比为：Fe为0.13％，Si为0.04％，Mg为0.01％，Cu为0.01％，余量为Al和其他微量杂质元素。按设计组分铸造获得锭坯，在20℃测得的导电率为60.7％，在150℃测得的导电率为39.6％，在200℃测得的导电率为36.0％。
对比例2
设计合金各元素的质量百分比：B为0.05％，余量为Al和微量不可避免的杂质元素。按设计组分铸造获得锭坯，在20℃测得的导电率为61.3％，经350℃保温4h后，在20℃测得的导电率为62.2％，在150℃测得的导电率为41.0％，在200℃测得的导电率为37.7％。
对比例3
设计合金各元素的质量百分比：B为0.05％，Sc为0.10％，余量为Al和微量不可避免的杂质元素。按设计组分铸造获得锭坯，在20℃测得的导电率为59.8％，经450℃保温2h后，在20℃测得的导电率为60.2％，在150℃测得的导电率为39.4％，在200℃测得的导电率为35.7％。
对比例4
设计合金各元素的质量百分比：B为0.05％，Yb为0.25％，余量为Al和微量不可避免的杂质。按设计组分铸造获得锭坯，在20℃测得的导电率为59.0％，在600℃进行8h的固溶处理后，经400℃时效3h，在20℃测得的导电率为59.8％，在150℃测得导电率为40.9％，在200℃测得的导电率为38.0％。通过对比例4和实施例1、2、3可以看出：适量Yb与适量B元素协同产生了意想不到的效果。
对比例5
设计合金各元素的质量百分比：B为0.05％，Y为0.20％，余量为Al和杂质元素。按设计组分铸造获得锭坯，在20℃测得的导电率为60.9％，经400℃保温3h后，在20℃测得的导电率为61.8％，在150℃测得的导电率为40.8％，在200℃测得导电率为37.4％。
对比例6
设计合金各元素的质量百分比：B为0.05％、Yb为0.10％，余量为Al和微量不可避免的杂质元素。按设计组分铸造获得锭坯，在20℃测得的导电率为60.7％，经200℃保温24h后，在20℃测得的导电率为60.9％，在150℃测得的导电率为41.6％在200℃测得的导电率为38.0％。

Claims (8)

1.一种低温度敏感的高导电率的铝合金，其特征在于；所述铝合金以质量百分比计包括下述组分：
B:0.02～0.08％；
Yb:0.05～0.20％；
Sc:0～0.10％；
Fe、Si杂质元素的总含量小于等于0.01％；
Ti、V、Cr、Mn、Ni、Zn、Ca杂质元素的总含量小于等于0.01％，其余为Al。
2.如权利要求1所述的低温度敏感的高导电率的铝合金，其特征在于；所述铝合金以质量百分比计包括下述组分：
B:0.04～0.06％；
Yb:0.05～0.20％；
Sc:0～0.05％；
Fe、Si杂质元素的总含量小于等于0.01％；
Ti、V、Cr、Mn、Ni、Zn、Ca杂质元素的总含量小于等于0.01％，其余为Al。
3.如权利要求1所述的低温度敏感的高导电率的铝合金，其特征在于：所述铝合金在150℃的导电率高于42％IACS，在200℃的导电率不低于38.5％IACS。
4.一种制备如权利要求1-3任意一项所述的低温度敏感的高导电率的铝合金的方法，其特征在于：取纯度为99.7％的工业纯铝锭重熔，或者采用电解铝液作为铝源，控制熔炼温度为760℃-780℃，加入中间合金，精炼，进行炉前快速成分分析，按设计的材料组分配比进行成分调整，在710℃-730℃保温静置，铸造获得铝合金锭坯，然后稳定化处理。
5.如权利要求4所述的低温度敏感的高导电率的铝合金的制备方法，其特征在于：所述铸造为快速冷却铸造；所述锭坯包括铸锭和/或连铸坯。
6.如权利要求5所述的低温度敏感的高导电率的铝合金的制备方法，其特征在于：铸造时的冷却速率大于等于20℃/s。
7.如权利要求4所述的低温度敏感的高导电率的铝合金的制备方法，其特征在于：所述稳定化处理为加热至250～450℃保温2～8h。
8.如权利要求1-3任意一项所述的低温度敏感的高导电率的铝合金的应用，其特征在于：包括将其用于铝电解槽的阴极母线、阳极导杆和/或服役温度较高的导线。
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