CN107557618A

CN107557618A - 一种低电阻温度敏感的高导耐热铝合金及其制备工艺和应用

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Publication number: CN107557618A
Application number: CN201710760344.6A
Authority: CN
Inventors: 李红英; 赵守鑫
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2017-08-30
Filing date: 2017-08-30
Publication date: 2018-01-09
Anticipated expiration: 2037-08-30
Also published as: CN107557618B

Abstract

本发明公开了一种低电阻温度敏感的高导耐热铝导体及其制备工艺和应用，属于电工新材料技术领域。该导体主要由Al、Fe、Zr、Hf、Yb及不可避免的杂质元素组成，其原料由纯度为99.70％的工业纯铝和含相应合金元素的中间合金组成，经过熔炼、精炼、铸造，再对其进行热处理获得相应的铝合金坯料。所获铝合金坯料在20℃的导电率大于60％IACS，在150℃的导电率大于40％IACS，在200℃的导电率大于36％IACS，抗拉强度大于70MPa。所获铝合金坯料经过80％冷变形后，长期(400h)耐热温度不低于200℃，短时(1h)耐热温度不低于250℃。所获铝合金可用作导杆、母线、导线中的至少一种。

Description

一种低电阻温度敏感的高导耐热铝合金及其制备工艺和应用

技术领域

本发明涉及一种经过复合微合金化及复合热处理的低电阻温度敏感的高导耐热铝合金及其制备工艺和应用，属于电工新材料技术领域。

背景技术

铝具有较好的导电性能，作为导体材料在输电线路、变电站、铝电解、建筑等领域得以广泛应用。纯铝虽然具有较高的电导率，但是强度不高、耐热性较差，微合金化可以改善其耐热性和强度，但是，会对其导电性能产生非常不利的影响。

导体在载流过程中会由于欧姆效应产生热量，而使导体产生温升，导致其强度和电导率下降。针对电工铝，国家标准《GB/T 30552-2014》提出了电导率和强度的要求，并且要求其在服役温度的强度残存率大于90％。但是，温度对电导率的影响是不能忽视的，对于在较高温度服役的导体材料，除了应要求其保持足够强度外，还应要求其保持一定的电导率，即电阻率随温度升高而上升的幅度不大。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，电阻率对温度的敏感性越低，在一定温度能保持较高的电导率，可以减小其在高温服役时的电能损耗。

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CN201610177708.3中公开了一种加铁的轻质高导耐热铝导线，该铝导线主要由Al、B、Zr、Fe、La组成，兼具较高的室温电导率和强度，短时耐热温度达到了230℃，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。

本发明通过Yb、Zr、Hf等元素的复合微合金化，配合复合热处理制度，对合金的导电性和耐热性进行综合调控，获得了低电阻温度敏感的高导耐热铝合金，在较高温度下能保持一定的电导率和强度，即具有较好的高温导电性能和耐热性能。本发明所开发和设计的铝合金，在较高温度使用时，由于电导率下降的幅度相对较小，能显著减少电能损耗，这对于节能减排具有重要意义。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种组分配比合理、高导耐热且电阻温度敏感性较低的铝合金及其制备工艺和应用。

本发明一种低电阻温度敏感的高导耐热铝合金，所述铝合金以质量百分比计包括下述合金元素：

Zr：0.01～0.10％；

Hf：0.01～0.10％；

Yb：0.05～0.20％；

Fe：0.05～0.15％；

Yb与Zr元素的质量之比大于1，Zr和Hf元素的含量总和小于等于0.15％，杂质Si的含量小于0.05％，杂质Ti、V、Cr、Mn等的含量总和小于0.01％。杂质元素含量的总和小于0.06％。

作为优选方案，所述铝合金按质量百分比计，包括下述组分：

Zr：0.05～0.10％；

Hf：0.01～0.05％；

Yb：0.10～0.20％；

Fe：0.08～0.15％；

Yb与Zr元素的质量之比大于1，Zr和Hf元素的含量总和小于等于0.15％，杂质Si的含量小于0.05％，杂质Ti、V、Cr、Mn等的含量总和小于0.01％，Al为余量。

作为进一步的优选方案，所述铝合金按质量百分比计，包括下述组分：

Zr：0.05～0.10％；

Hf：0.01～0.03％；

Yb：0.10～0.20％；

Fe：0.09～0.12％；

Yb与Zr元素的质量之比大于1，Zr和Hf元素的含量总和小于等于0.13％，杂质Si的含量小于0.05％，杂质Ti、V、Cr、Mn等的含量总和小于0.01％，Al为余量。

Zr、Hf、Fe均为对合金的电导率损伤很大的过渡族元素，特别是当其以固溶态存在时。本发明通过微量合金元素的复合添加并辅以特殊的双级时效工艺，充分发挥Yb、Zr、Hf、Fe元素的协同作用，产生了意想不到的效果。

在本发明中，Zr和Hf的总含量在0.06～0.15wt％范围，优选为0.06～013wt％；Yb和Zr 的质量之比大于1，优选为大于等于1.5，进一步优选为1.5-5，更进一步优选为1.5-2。通过合理控制Yb与Zr的比值及Zr和Hf的总含量，结合先低温后高温的双级时效工艺，充分发挥元素间的诱导脱溶和抑制粗化作用，如图1(a)-图1(c)所示，形成粒径小于50nm 的Al₃(Hf、Zr、Yb)复合粒子，其内核为Al₃Yb相，Zr、Hf元素富集在Al₃Yb相外层。 Yb在铝合金中具有较高的扩散速率，在较低的温度范围进行热处理时，可析出细小弥散分布的Al₃Yb相，在随后的高温时效过程中成为Al₃(Hf、Zr、Yb)复合粒子的核心，扩散速率较低的Zr、Hf元素富集在Al₃Yb相外层。Al₃Yb促进Zr、Hf元素脱溶，使Zr、Hf在合金基体中的固溶程度降到最低，从而达到提高合金电导率的目的，Zr、Hf抑制Al₃Yb粒子粗化，进而达到改善合金耐热性能的目的。此外，通过适量的Hf元素配合适量的Zr元素，利用Hf更低的扩散速率和更小的原子半径，减少溶质原子在铝基体中引起的晶格畸变以及析出相界面上的错配度，在温度升高时，可以有效抑制析出相粗化，并降低原子热振动导致的电阻升高效应，改善合金的高温导电性能。

本发明一种低电阻温度敏感的高导耐热铝合金的制备工艺，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，在760℃-780℃熔炼，加入中间合金，待中间合金熔化后，搅拌、精炼、炉前成分快速分析，按设计的材料组分配比进行成分调整，在710℃-730℃保温静置，然后铸造、热处理，获得铝合金锭坯。

在本发明中，所用铝源为工业纯铝。作为优选方案，本发明一种低电阻温度敏感的高导耐热铝合金的制备工艺，按所用工业纯铝总质量的0.02～0.10％配取B元素，所述B元素以Al-B中间合金的形式且先于其他中间合金加入，搅拌、静置之后再加入Al-Zr、Al-Hf、Al-Yb。当所述工业纯铝中Fe元素的含量低于其设计含量时，添加Al-Fe中间合金。由图 2(a)(b)可以看出，相比熔炼时加了Al-B中间合金的实施例1的合金，未加B元素的对比例 6合金中含有较多可见质点且晶粒较粗大。

本发明一种低电阻温度敏感的高导耐热铝合金的制备工艺，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水冷铸造；所述快速冷却铸造的冷却速度为20-100℃/min；所述锭坯包括半连续铸锭和/或连铸坯。

本发明一种低电阻温度敏感的高导耐热铝合金的制备工艺，所述热处理为双级时效，所述双级时效的第一级时效温度为250～350℃，保温时间为4～8h，所述双级时效的第二级时效温度为400℃～450℃，保温时间为24～48h。

对比图1(a)和图3可以看出，未采用双级时效的合金的析出相大小极其不均匀，并且有粗化现象，析出相粒径大于50nm。

本发明所设计和制备的低电阻温度敏感的高导耐热铝合金，其抗拉强度大于70MPa，在20℃的导电率大于60％IACS，在150℃的导电率大于40％IACS，在200℃的导电率大于 36％IACS。

本发明所设计和制备的低电阻温度敏感的高导耐热铝合金，经过80％变形量的冷变形，在200℃保温400h后的强度残存率不低于90％，即长时耐热温度不低于200℃，在250℃保温1h后的强度残存率不低于90％，即短时耐热温度不低于250℃。

本发明所设计和制备的低电阻温度敏感的高导耐热铝合金的应用，所述应用包括将其用作导杆、母线、导线中的至少一种；所述导杆为铝电解槽用的阳极导杆。

附图说明

附图1(a)为实施例2合金的TEM明场照片，附图1(b)为实施例2合金的第二相的能谱图，附图1(c)为实施例2合金的TEM暗场照片；

附图2(a)、附图2(b)分别为对比例6、实施例1的金相照片；

附图3为对比例5的TEM照片；

由图1(a)所示的TEM明场像可以看出，实施例2合金中析出了大量细小弥散分布的第二相粒子，由图1(b)所示的能谱可以看出，弥散分布的第二相粒子为含Al、Hf、Zr、 Yb的复合相，由图1(c)所示的TEM暗场像可以看出，形成了具有内外层衬度的Al₃(Hf、 Zr、Yb)复合粒子，其粒径小于50nm。

由图2(a)、图2(b)可以看出，相比熔炼时加了Al-B中间合金的实施例1的合金，未加 B元素的对比例6合金含有较多可见质点且晶粒较粗大。

由图3可以看出，未采用双级时效的合金的析出相大小极其不均匀，并且有粗化现象，析出相粒径大于50nm。

具体实施方式

在实施例和对比例中，以纯度大于99.7％的工业纯铝锭、Al-2.5％B中间合金、Al-5％ Zr中间合金、Al-5％Hf中间合金、Al-10％Yb中间合金、Al-9.3％Fe中间合金为原料。其制备工艺为：将工业纯铝在780℃熔化后，冷却至740℃保温，加入铝硼中间合金，经过搅拌、静置后，加入铝锆中间合金、铝铪中间合金、铝镱中间合金，当所述工业纯铝中的Fe元素含量低于其设计含量时，添加铝铁中间合金，待中间合金完全熔化后，进行搅拌、精炼、炉前成分快速分析和成分调整，在720℃保温静置10～15min后，以30℃/min的冷却速度水冷铸造。

在实施例1-3和对比例1-5中，冶炼过程中，B元素的加入量为所用工业纯铝质量的0.06％。

在实施例和对比例的综合性能评价表中，所述抗拉强度为铸态合金经过热处理后测得；所述耐热温度是热处理坯料经过80％变形量的冷变形后测得；所述20℃的导电率根据GB/T 12966-2008测试，所述高于20℃的导电率采用四点法测量，将试样加热至测试温度，测量和计算出电阻率并换算成导电率。

本发明实施例和对比例1-5中所得制品中，杂质Si的含量小于0.05wt％，杂质Ti、V、 Cr、Mn的等含量总和小于0.01wt％。杂质元素含量的总和小于0.06wt％。

实施例1

成分调整后各元素的质量百分比为：锆为0.10％，铪为0.03％，镱为0.20％，铁为0.11％，余量为Al和不可避免的杂质元素，快速冷却铸造后，在250℃保温8h后升温到400℃保温48h，获得铝合金坯料，测得综合性能如表1所示。

表1实施例1综合性能评价表

实施例2

成分调整后各元素的质量百分比为：锆为0.05％，铪为0.02％，镱为0.20％，铁为0.11％，余量为Al和不可避免的杂质元素，快速冷却铸造后，在250℃保温8h后升温到450℃保温 24h，获得铝合金坯料，测得综合性能如表2所示。

表2实施例2综合性能评价表

实施例3

成分调整后各元素的质量百分比为：锆为0.05％，铪为0.01％，镱为0.10％，铁为0.11％，余量为Al和不可避免的杂质元素，快速冷却铸造后，在250℃保温8h后升温到450℃保温 24h，获得铝合金坯料，测得综合性能如表3所示。

表3实施例3综合性能评价表

对比例1

成分调整后各元素的质量百分比为：锆为0.18％，铪为0.02％，镱为0.20％，铁为0.11％，余量为Al和不可避免的杂质元素，获得铝合金坯料，在250℃保温8h后升温到450℃保温 24h，测得综合性能如表4所示。

表4对比例1综合性能评价表

对比例2

成分调整后各元素的质量百分比为：锆为0.05％，铪为0.15％，镱为0.20％，铁为0.11％，余量为Al和不可避免的杂质元素，获得铝合金坯料，在250℃保温8h后升温到450℃保温 24h，测得综合性能如表5所示。

表5对比例2综合性能评价表

由对比例1和对比例2可以看出，与实施例2相比，锆、铪组元中任意一个不在本发明保护范围内时，所得铝合金的导电率显著下降，这大大超出了预计。

对比例3

成分调整后各元素的质量百分比为：锆为0.10％，铪为0.10％，镱为0.20％，铁为0.11％，余量为Al和不可避免的杂质元素，快速冷却铸造后，在250℃保温8h后升温到400℃保温 48h，获得铝合金坯料，测得综合性能如表6所示。

表6对比例3综合性能评价表

与实施例1相比，当锆和铪的总含量大于0.15％时，所得铝合金的导电率显著下降。

对比例4

成分调整后各元素的质量百分比为：锆为0.05％，铪为0.02％，镱为0.05％，铁为0.11％，余量为Al和不可避免的杂质元素，快速冷却铸造后，在250℃保温8h后升温到450℃保温 24h，获得铝合金坯料，测得综合性能如表7所示。

表7对比例4综合性能评价表

当镱、锆质量比不大于1时，所得铝合金的强度和导电率均低于实施例2。

对比例5

成分调整后各元素的质量百分比为：锆为0.05％，铪为0.02％，镱为0.20％，铁为0.11％，余量为Al和不可避免杂质，快速冷却铸造后，进行350℃退火72h，获得铝合金坯料，测得综合性能如表8所示。

表8对比例5综合性能评价表

与实施例2相比，不采用双级热处理会降低合金的导电率和耐热温度。

对比例6

熔炼过程中，不加铝硼中间合金，成分调整后各元素的质量百分比为：锆为0.05％，铪为0.02％，镱为0.20％，铁为0.11％，余量为Al和不可避免杂质，快速冷却铸造后，在250℃保温8h后升温到450℃保温24h，获得铝合金坯料，测得综合性能如表9所示。

表9对比例6综合性能评价表

与实施例2相比，在熔炼过程中不添加铝硼中间合金，对强度和耐热性能影响不大，但会降低导电率。

Claims

1.一种低电阻温度敏感的高导耐热铝合金，其特征在于；所述铝合金以质量百分比计包括下述合金元素：

Zr：0.01～0.10％；

Hf：0.01～0.10％；

Yb：0.05～0.20％；

Fe：0.05～0.15％；

所述铝合金中，Yb与Zr元素的质量之比大于1，Zr和Hf元素的含量总和小于等于0.15％，杂质Si的含量小于0.05％，杂质Ti、V、Cr、Mn的含量总和小于0.01％。

2.如权利要求1所述的一种低电阻温度敏感的高导耐热铝合金，其特征在于：所述铝合金中，Yb与Zr元素的质量之比为1.5～5:1。

3.如权利要求1所述的一种低电阻温度敏感的高导耐热铝合金，其特征在于：

所述铝合金按质量百分比计，包括下述组分：

Zr：0.05～0.10％；

Hf：0.01～0.05％；

Yb：0.10～0.20％；

Fe：0.08～0.15％；

杂质Si的含量小于0.05％；

杂质Ti、V、Cr、Mn的含量总和小于0.01％；

Al为余量。

4.如权利要求1所述的一种低电阻温度敏感的高导耐热铝合金，其特征在于：所述铝合金中含有Al₃(Hf、Zr、Yb)复合粒子；所述Al₃(Hf、Zr、Yb)复合粒子的内核为Al₃Yb，Zr、Hf元素富集在Al₃Yb粒子外层；所述Al₃(Hf、Zr、Yb)复合粒子的粒径小于50nm。

5.一种制备如权利要求1-4任意一项所述的低电阻温度敏感的高导耐热铝合金的工艺，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，待中间合金熔化后，搅拌、精炼、炉前成分快速分析，按设计的材料组分配比进行成分调整，在710℃-730℃保温静置，然后铸造、热处理，获得铝合金坯料。

6.如权利要求5所述的低电阻温度敏感的高导耐热铝合金的制备工艺，其特征在于：按所用工业纯铝总质量的0.02～0.10％配取B元素，所述B元素以Al-B中间合金的形式并先于其他中间合金加入，搅拌、静置之后再加入Al-Zr、Al-Hf、Al-Yb，当所述工业纯铝锭或电解铝液中Fe元素的含量低于其设计含量时，添加Al-Fe中间合金。

7.如权利要求5所述的低电阻温度敏感的高导耐热铝合金的制备工艺，其特征在于：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水冷铸造；所述锭坯包括半连续铸锭和/或连铸坯。

8.如权利要求5所述的低电阻温度敏感的高导耐热铝合金的制备工艺，其特征在于：所述热处理为双级时效；所述双级时效的第一级时效温度为250～350℃，保温时间为4～8h，所述双级时效的第二级时效温度为400℃～450℃，保温时间为24～48h。

9.如权利要求8所述的低电阻温度敏感的高导耐热铝合金的制备工艺，其特征在于：所制备的铝合金在20℃的导电率大于60％IACS，在150℃的导电率大于40％IACS，在200℃的导电率大于36％IACS，长时耐热温度不低于200℃，短时耐热温度不低于250℃。

10.一种如权利要求1-4任意一项所述的低电阻温度敏感的高导耐热铝合金的应用，其特征在于：所述应用包括将其用作导杆、母线、导线中的至少一种；所述导杆为铝电解槽用的阳极导杆。