CN108531754B - 一种高电导率铸造铝合金 - Google Patents

一种高电导率铸造铝合金 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高电导率铸造铝合金，包括以下重量百分比的成分，Si：4.5‑6.5％、Mg：0.35‑0.45％、B：0.005‑0.015％、La：0.08‑0.15％、Sr：0.008‑0.02、AI：余量；杂质元素重量百分比为，Fe：≤0.15％、Ga：≤0.03％、Zn：≤0.03％、V：≤0.007％、Cr：≤0.005％，其他杂质≤0.01％、其他杂质总和≤0.1％。所述高电导率铸造铝合金的制备工艺流程为：配料‑熔铝‑铝液纯化‑转移铝液‑第一次合金化‑除渣精炼‑第二次合金化‑除气精炼‑成分调整‑浇铸‑热处理。采用本发明所述的高电导率铸造铝合金及其制备方法生产的铸造铝合金产品常温下导电率为46.5‑50.7％IACS(27‑29.4MS/m)，抗拉强度＞260MPa，屈服强度＞210MPa、延伸率＞5％、硬度值达到62HBS以上。

Description

一种高电导率铸造铝合金
技术领域
本发明属于有色金属合金材料制备技术领域，尤其涉及一种导电和综合力学性能优良的铸造铝合金新材料及其制备方法。
背景技术
电力电气行业中如电力金具、电气控制、开关等一些结构部件的材料选型，不仅对材料有导电性能要求，还有力学性能、抗腐蚀能力的要求，架空部分还有重量约束的要求；对生产企业而言，更有成型工艺简单、加工成本低廉的要求。目前，还有相当一部分部件选用铁磁材料。调查统计表明，配电网中由铁磁材料产生的磁滞损耗和涡流损耗约占输电容量的0.01％-0.03％。
铝合金和铁磁材料相比，具有导电性好、比强度高、耐蚀性好，不仅可以消除磁滞损耗，还可以极大地降低涡流损耗的优势，在力学性能满足的条件下是铁磁材料的理想替代材料。以我国目前配电线路长度约为2000万千米计算，铝合金金具使用率达到10％，年节电量可达60亿千瓦时。
铝合金的力学性能和电导率，主要取决于它们的合金成分和金相组织。但合金强化和提高电导率是相互矛盾的两个目标。固溶强化、沉淀强化、弥散强化、细晶强化等提高合金抗拉强度的工艺方法，都会降低电导率。因为对合金来讲，晶体缺陷越多，晶格的畸变越大，位错阻力越大，强度越高；但晶体缺陷越多，电子的散射也越大，电导率越低。
目前，国内外的铸造铝合金标准中，电导率一般在25MS/m(43％IACS)以下，不能满足顾客提出的更高的电导率要求，制约了铸造铝合金在高电导率电力电气结构件上的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种导电和综合力学性能优良的铸造铝合金新材料，解决铸造铝合金电导率低的问题，本发明的另一个目的是提供一种综合优化铸造铝合金材料及其零部件导电性和力学性能的工艺方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种高电导率铸造铝合金，包括以下重量百分比的成分，Si：4.5-6.5％、Mg：0.35-0.45％、B：0.005-0.015％、La：0.08-0.15％、Sr：0.008-0.02％、Al：余量；杂质元素重量百分比为，Fe：≤0.15％、Ga：≤0.03％、Zn：≤0.03％、V：≤0.007％、Cr：≤0.005％，其他杂质元素≤0.01％、其他杂质元素总和≤0.1％。
优选的，所述Si的重量百分比为4.6-6.4％。
优选的，所述Mg的重量百分比为0.37-0.43％。
优选的，所述B的重量百分比为0.006-0.014％。
优选的，所述La的重量百分比为0.08-0.14％。
优选的，所述Sr的重量百分比为0.008-0.018％。
相应的，本发明还提供一种上述高电导率铸造铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)初始配料，除Ti、V、Cr含量的初始配料值可以不符合配方要求外，其他元素应符合配方要求；
(2)铝熔化，将配料好的铝锭在710-750℃温度下进行熔化；
(3)铝液纯化，加入硼，硼总量为铝液中(Ti+V+Cr)含量总和的2-3倍，熔解、搅拌均匀后静置40-60min，然后加入重量百分比为投料总量0.08-0.15％的稀土镧，熔解后轻微搅拌均匀，静置15-30min，取样检测直至Ti、V、Cr、B元素含量符合配方要求；
(4)转移铝液，将纯化后的铝液转移至另一个坩埚熔炉内，出液口设计应能保证被分离后的Ti、V、Cr等杂质不被移出；
(5)第一次合金化，将称量、配制好的硅加入铝液中，进行铝硅合金化，合金化温度不高于780℃，检测并调整Si元素成分至要求含量；
(6)除渣精炼，采用无公害盐类精炼剂除渣精炼，扒渣；
(7)第二次合金化，将称量、配制好的镁和锶加入铝液中，进行第二次合金化；
(8)除气精炼，在铝液中通入氮气或氩气精炼，至少达到下述条件之一：
针孔达到JB/T7946.3二级及以上标准，
或真空条件下凝固密度＞2.59g/cm3，
或密度当量(((常压条件下凝固密度-真空条件下凝固密度之差)/常压条件下凝固密度)×100％)＜3，
或铝液氢含量＜0.20mL/100gAl；
(9)成分调整和检测，检测并调整合金成分，使其符合配方要求；
(10)浇铸，将铝合金液浇铸成锭、棒或直接浇铸成零部件；
(11)热处理，将浇铸完成的合金锭、棒或者零部件进行固溶处理，固溶温度为540±5℃，固溶时间为2-8小时，固溶处理后在223±5℃下进行时效，时效时间为3-7小时。
进一步的，所述高电导率铸造铝合金常温下导电率为46.5-50.7％IACS(27-29.4MS/m)。
进一步的，所述高电导率铸造铝合金常温抗拉强度＞260MPa，屈服强度＞210MPa、延伸率＞5％、硬度值达到62HBS以上。
本发明创造具有的优点和积极效果是：通过合理调整Si、Mg元素配比，加入B和La元素对合金熔液进行净化，降低合金中的杂质含量，采用正交试验优化合金元素的成分和含量；进一步通过合理的热处理工艺，控制合金中的金相组织形态，使合金获的良好的综合力学性能和导电性能。本发明为电力金具、电气控制、开关等一些结构部件的生产工艺和材料选型提供了更好的选择。
具体实施方式
下面详细的说明本发明所述方案的原理。
根据金属电阻率的马基申定则，ρ＝ρ(T)+ρ(0)，ρ为金属电阻率，ρ(T)为金属的基本电阻，ρ(0)为金属的残余电阻；在合金研发过程中提高材料导电性能的主要方法是控制杂质和各种组织缺陷的产生，降低残余电阻率ρ(0)。
Si可以提高合金的流动性，保障铸造充型能力和铸件的气密性。但Si是半导体，在合金中基本上以单质存在，粗大的板片状共晶硅，不仅割裂α(Al)机体的连续性，形成应力裂纹源，降低合金力学性能，而且对电子流形成散射甚至阻挡逆流，降低电导率。随着Si含量的升高，共晶硅含量增多，铝基体的有效导电截面积减少，也会降低合金的电导率。为了获得良好的综合性能，Si元素重量百分比为4.5-6.5％，优选为4.6-6.4％。
Mg与Si能够形成Mg2Si相，铸态下形成α(Al)+Si+Mg2Si三元共晶。Mg2Si相固溶于α(Al)中，能够产生晶格畸变，提高合金的抗拉强度，但会降低电导率。Mg2Si相越多，畸变程度越大，抗拉强度越高，导电率越低。为了提高铸造铝合金的综合性能，所述Mg元素的重量百分比为0.35-0.45％，优选为0.37-0.43％。
Sr可以将共晶硅从粗大的板片状转变为细小的球状、点状、短棒状，避免粗大的板片状共晶硅对合金力学性能和电导率的不利影响。但是Sr能够使铸锭(部件)产生针孔缺陷的倾向加剧，在合金中添加一定量的La，不仅能够降低铸锭(部件)的针孔缺陷倾向，而且可以与Sr一起对共晶硅进行复合变质，提高共晶硅的变质效果。
在基体材料铝中，杂质元素除Fe和Si以外，V、Ga等较为常见，这些元素因为含量很低，大部分固溶在α(Al)中，产生晶格畸变，降低了电导率，而对合金抗拉强度的提高作用不大。如果采用更高品位的电解铝，杂质元素会降低，但成本会增加很多，性价比差。B元素具有净化铝液的作用，本发明在液态铝液中加入B元素，并优化硼净化工艺，有效的纯化合金材料，提高电阻率和综合力学性能。B元素添加量较少时，净化工艺时间很长，不适于工业生产，加入量太大，过量的B也会降低合金的电导率，而添加La后，发现可以加速B对Cr、Ti、V的析出净化，当加入的硼总量为铝液中(Ti+V+Cr)含量总和的2-3倍时，综合效果最好。最终B元素的重量百分比为0.005-0.015％，优选为0.006-0.014％。
在合金熔炼和铸造过程中，不可避免的会形成氧化夹杂物和针孔缺陷，这些缺陷不仅产生电子散射、减少有效导电面积，降低电导率，而且也会降低合金的力学性能，因此必须选择合适的制备方法，控制氧化夹杂物和针孔缺陷的产生。此外，Si相形貌以及Mg2Si的存在方式也会影响合金的力学性能和导电性能，对铸锭(部件)进行适当的热处理，不仅可以进一步球化共晶硅，而且可以控制Mg2Si相有序析出，形成第二相沉淀弥散强化，在改善合金力学性能的同时，将晶格畸变产生的散射转变为杂质点产生的散射，降低散射率，提高电导率。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明有限实施方案进行描述，但是需要说明的是，以下实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
实施例一
(1)初始配料：除Ti、V、Cr含量的初始配料值可以不符合配方要求外，其他元素应符合配方要求；这是因为后续熔炼过程中在铝液中加入B元素，B元素能与Ti、V、Cr等杂质元素反应，能够除去铝液中的Ti、V、Cr等杂质元素，因此，初始配料时Ti、V、Cr杂质元素的含量可以不符合配方要求。本实施例中Ti、V、Cr初始配料值重量百分比为Ti：0.006％、V：0.025％、Cr：0.004％。
(2)铝熔化：将配料好的铝锭等铝原料在725℃温度下熔化。
(3)铝液纯化：在铝液中加入质量为配料总量0.08％的硼，硼以中间合金的形式加入，熔解、搅拌均匀后静置45min；然后加入质量为配料总量0.14％的稀土镧，镧也以中间合金的形式加入，熔解后轻微搅拌均匀，搅拌时工具尽量避免刮碰炉(坩埚)底部，避免沉降后的杂质再次卷入金属液中，静置20min，取样检测，直到Ti、V、Cr、B元素含量符合配方要求。
(4)转移铝液：将纯化的铝液转移至另一个熔炉(坩埚)内，出液口设计应能保证被分离后的Ti、V、Cr等杂质不被移出，这也是保证铝液纯净度的关键。
(5)第一次合金化：将称量、配制好的硅加入铝液中，进行铝硅合金化，合金化温度为775℃，检测并调整Si元素成分至要求含量。
(6)除渣精炼：采用无公害盐类精炼剂除渣精炼，扒渣。
(7)第二次合金化：将称量、配制好的镁和锶加入铝液中，进行第二次合金化。
(8)除气精炼：通入氮气精炼，针孔检测达到JB/T7946.3二级标准。
(9)取样检测、并进行成分调整，使各元素含量符合配方的要求。检测结果：Si：4.8％、Mg：0.37％、B：0.009％、La：0.14％、Sr：0.012％、Fe：0.12％、Ga：0.015％、Zn：0.009％、V：0.0004％、Cr：0.0005％、其他杂质元素≤0.01％、其他杂质元素总和≤0.1％、Al：余量，符合配方要求。
(10)浇铸，将合金液浇铸到经过预热和刷涂过涂料的金属型模具内，铸造成6Kg铝合金锭。
(11)热处理，将冷却后的铝合金锭重新加热到540±5℃，并保温4小时，进行固溶处理；将固溶处理后的铝合金锭在223±5℃的条件下进行时效处理，时效时间为5小时。
对经过热处理的铝合金锭进行取样检测，常温下导电率为50％IACS(29MS/m)，抗拉强度为288MPa，屈服强度为244MPa，延伸率为10％，硬度值为67HBS。
实施例二
本实施例与实施例一制备方法相同，不同之处在于：
①初始配料：Ti、V、Cr初始配料值重量百分比为Ti：0.018％、V：0.012％、Cr：0.005％，其他元素符合配方要求。
②铝熔化：铝原料的熔化温度为738℃。
③铝纯化：在铝液中加入质量为配料总量0.08％的硼，熔解、搅拌均匀后静置50min；然后加入质量为配料总量0.14％的稀土镧，熔解后轻微搅拌均匀，静置25min。
④第一次合金化：铝硅合金化温度为760℃。
⑤除气精炼：通入氩气精炼，检测真空条件下凝固密度为2.62g/cm3，密度当量为2.2。
⑥最终铝合金液中各元素重量百分比为Si：6.2％、Mg：0.40％、B：0.012％、La：0.13％、Sr：0.018％、Fe：0.10％、Ga：0.023％、Zn：0.016％、V：0.006％、Cr：0.004％、其他杂质元素≤0.01％、其他杂质元素总和≤0.1％、Al：余量，符合配方要求。
⑦浇铸，将合金液采用热顶半连续铸造工艺，铸造成
Figure GDA0002336442680000091
铝合金棒。
⑧热处理，将冷却后的铝合金棒重新加热到540±5℃，并保温6小时，进行固溶处理；将固溶处理后的铝合金锭在223±5℃的条件下进行时效处理，时效时间为6小时。
对经过热处理的铝合金棒进行取样检测，常温下导电率为47％IACS(27.3MS/m)，抗拉强度为292MPa，屈服强度为251MPa，延伸率为8％，硬度值为71HBS。
实施例三
本实施例与实施例一制备方法相同，不同之处在于：
①初始配料：Ti、V、Cr初始配料值重量百分比为Ti：0.009％、V：0.010％、Cr：0.017％，其他符合配方要求。
②铝熔化：铝原料的熔化温度为738℃。
③铝纯化：在铝液中加入质量为配料总量0.08％的硼，熔解、搅拌均匀后静置55min；然后加入质量为配料总量0.09％的稀土镧，熔解后轻微搅拌均匀，静置25min。
④第一次合金化：铝硅合金化温度为760℃。
⑤除气精炼：通入氩气精炼，检测铝液氢含量为0.18mL/100gAl。
⑥最终铝合金液中各元素重量百分比为Si：5.5％、Mg：0.43％、B：0.006％、La：0.09％、Sr：0.010％、Fe：0.14％、Ga：0.018％、Zn：0.022％、V：0.003％、Cr：0.002％、其他杂质元素≤0.01％、其他杂质元素总和≤0.1％、Al：余量，符合配方要求。
⑦浇铸，将合金液浇铸到经过预热和刷涂过涂料的金属型模具内，铸造成结构部件。
⑧热处理，将冷却后的结构部件重新加热到540±5℃，并保温4.5小时，进行固溶处理；将固溶处理后的铝合金锭在223±5℃的条件下进行时效处理，时效时间为5.5小时。
对经过热处理的铝合金棒进行取样检测，常温下导电率为48.6％IACS(28.2MS/m)，抗拉强度为309MPa，屈服强度为257MPa、延伸率为6.5％、硬度值为74HBS。
实施例四
本实施例与实施例一制备方法相同，不同之处在于：
①初始配料：Ti、V、Cr初始配料值重量百分比为Ti：0.005％、V：0.033％、Cr：0.004％，其他符合配方要求。
②铝熔化：铝原料的熔化温度为720℃。
③铝纯化：在铝液中加入质量为配料总量0.09％的硼，熔解、搅拌均匀后静置50min；然后加入质量为配料总量0.10％的稀土镧，熔解后轻微搅拌均匀，静置20min。
④第一次合金化：铝硅合金化温度为755℃。
⑤除气精炼：通入氮气精炼，检测真空条件下凝固密度为2.63g/cm3，密度当量为1.9。
⑥最终铝合金液中各元素重量百分比为Si：5.8％、Mg：0.39％、B：0.007％、La：0.10％、Sr：0.015％、Fe：0.11％、Ga：0.025％、Zn：0.019％、V：0.005％、Cr：0.002％、其他杂质元素≤0.01％、其他杂质元素总和≤0.1％、Al：余量，符合配方要求。
⑦浇铸，将合金液浇铸到经过预热和刷涂过涂料的金属型模具内，铸造成6Kg铝合金锭。
⑧热处理，将冷却后的结构部件重新加热到540±5℃，并保温3小时，进行固溶处理；将固溶处理后的铝合金锭在223±5℃的条件下进行时效处理，时效时间为4小时。
对经过热处理的铝合金棒进行取样检测，常温下导电率为49.3％IACS(28.5MS/m)抗拉强度为276MPa，屈服强度为230MPa、延伸率为8.5％、硬度值为69HBS。
实施例五
本实施例与实施例一制备方法相同，不同之处在于：
①初始配料：Ti、V、Cr初始配料值重量百分比为Ti：0.006％、V：0.019％、Cr：0.003％，其他符合配方要求。
②铝熔化：铝原料的熔化温度为745℃。
③铝纯化：在铝液中加入质量为配料总量0.08％的硼，熔解、搅拌均匀后静置60min；然后加入质量为配料总量0.12％的稀土镧，熔解后轻微搅拌均匀，静置15min。
④第一次合金化：铝硅合金化温度为770℃。
⑤除气精炼：通入氮气精炼，检测真空条件下凝固密度为2.60g/cm3，密度当量为2.8。
⑥最终铝合金液中各元素重量百分比为Si：5.1％、Mg：0.42％、B：0.008％、La：0.12％、Sr：0.009％、Fe：0.12％、Ga：0.020％、Zn：0.008％、V：0.004％、Cr：0.001％、其他杂质元素≤0.01％、其他杂质元素总和≤0.1％、Al：余量，符合配方要求。
⑦浇铸，将合金液采用热顶半连续铸造工艺，铸造成
Figure GDA0002336442680000131
铝合金棒。
⑧热处理，将冷却后的结构部件重新加热到540±5℃，并保温7小时，进行固溶处理；将固溶处理后的铝合金锭在223±5℃的条件下进行时效处理，时效时间为3.5小时。
对经过热处理的铝合金棒进行取样检测，常温下导电率为48.1％IACS(27.9MS/m)，抗拉强度为281MPa，屈服强度为235MPa、延伸率为7.3％、硬度值为72HBS。
实施例六
本实施例与实施例一制备方法相同，不同之处在于：
①初始配料：Ti、V、Cr初始配料值重量百分比为Ti：0.005％、V：0.022％、Cr：0.002％，其他符合配方要求。
②铝熔化：铝原料的熔化温度为730℃。
③铝纯化：在铝液中加入质量为配料总量0.06％的硼，熔解、搅拌均匀后静置40min；然后加入质量为配料总量0.13％的稀土镧，熔解后轻微搅拌均匀，静置30min。
④第一次合金化：铝硅合金化温度为750℃。
⑤除气精炼：通入氮气精炼，针孔检测达到JB/T7946.3一级标准。
⑥最终铝合金液中各元素重量百分比为Si：4.6％、Mg：0.40％、B：0.013％、La：0.13％、Sr：0.016％、Fe：0.13％、Ga：0.022％、Zn：0.012％、V：0.002％、Cr：0.001％、其他杂质元素≤0.01％、其他杂质元素总和≤0.1％、Al：余量，符合配方要求。
⑦浇铸，将合金液浇铸到经过预热和刷涂过涂料的金属型模具内，铸造成6Kg铝合金锭。
⑧热处理，将冷却后的结构部件重新加热到540±5℃，并保温5小时，进行固溶处理；将固溶处理后的铝合金锭在223±5℃的条件下进行时效处理，时效时间为6.5小时。
对经过热处理的铝合金棒进行取样检测，常温下导电率为50.7％IACS(29.4MS/m)，抗拉强度为271MPa，屈服强度为228MPa、延伸率为9.2％、硬度值为65HBS。
如需进一步的提高铸造铝合金的电导率，可以在本发明所述的热处理方案的基础上进一步提高时效温度或/和时间。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种高电导率铸造铝合金，其特征在于：包括以下重量百分比的成分，Si：4.5-6.5％、Mg：0.35-0.45％、B：0.005-0.015％、La：0.08-0.15％、Sr：0.008-0.02％、Al：余量；杂质元素重量百分比为，Fe：≤0.15％、Ga：≤0.03％、Zn：≤0.03％、V：≤0.007％、Cr：≤0.005％，其他杂质元素≤0.01％、其他杂质元素总和≤0.1％；
上述高电导率铸造铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)初始配料，除Ti、V、Cr含量的初始配料值可以不符合配方要求外，其他元素应符合配方要求；
(2)铝熔化，将配料好的铝锭在710-750℃温度下进行熔化；
(3)铝液纯化，加入硼，硼总量为铝液中(Ti+V+Cr)含量总和的2-3倍，熔解、搅拌均匀后静置40-60min，然后加入重量百分比为投料总量0.08-0.15％的稀土镧，熔解后轻微搅拌均匀，静置15-30min，取样检测直至Ti、V、Cr、B符合配方要求；
(4)转移铝液，将纯化后的铝液转移至另一个坩埚熔炉内，出液口设计应能保证被分离后的Ti、V、Cr等杂质不被移出；
(5)第一次合金化，将称量、配制好的硅加入铝液中，进行铝硅合金化，合金化温度不高于780℃，调整Si元素成分至要求含量；
(6)除渣精炼，采用无公害盐类精炼剂除渣精炼，扒渣；
(7)第二次合金化，将称量、配制好的镁和锶加入铝液中，进行第二次合金化；
(8)除气精炼，在铝液中通入氮气或氩气精炼，至少达到下述条件之一：
针孔达到JB/T7946.3二级及以上标准，
或真空条件下凝固密度＞2.59g/cm3，
或密度当量(((常压条件下凝固密度-真空条件下凝固密度)/常压条件下凝固密度)×100％)＜3，
或铝液氢含量＜0.20mL/100gAl；
(9)成分调整和检测，检测并调整合金成分，使其符合配方要求；
(10)浇铸，将铝合金液浇铸成锭、棒或直接浇铸成零部件；
(11)热处理，将浇铸完成的合金锭、棒或者零部件进行固溶处理，固溶温度为540±5℃，固溶时间为2-8小时，固溶处理后在223±5℃下进行时效，时效时间为3-7小时。
2.根据权利要求1所述的一种高电导率铸造铝合金，其特征在于：所述Si的重量百分比为4.6-6.4％。
3.根据权利要求1所述的一种高电导率铸造铝合金，其特征在于：所述Mg的重量百分比为0.37-0.43％。
4.根据权利要求1所述的一种高电导率铸造铝合金，其特征在于：所述B的重量百分比为0.006-0.014％。
5.根据权利要求1所述的一种高电导率铸造铝合金，其特征在于：所述La的重量百分比为0.08-0.14％。
6.根据权利要求1所述的一种高电导率铸造铝合金，其特征在于：所述Sr的重量百分比为0.008-0.018％。
7.根据权利要求1所述的一种高电导率铸造铝合金，其特征在于：所述高电导率铸造铝合金常温下导电率为46.5-50.7％IACS。
8.根据权利要求1所述的一种高电导率铸造铝合金，其特征在于：所述高电导率铸造铝合金常温抗拉强度＞260MPa，屈服强度＞210MPa、延伸率＞5％、硬度值达到62HBS以上。
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