CN108603273A - 由耐热性铝基合金制造棒线材的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及冶金学，可以用于提供被配置为在高温下运行的电气产品。提供一种由耐热性铝基合金制造棒线材的方法，所述耐热性铝基合金含有0.20重量％‑0.52重量％的锆作为主要掺杂元素，所述方法包括：制备熔体，通过使熔体结晶而产生不定长的铸坯，通过铸坯的热变形提供不定长的棒线材，将棒线材卷绕成定长线圈，通过加热并保持在预定温度而对棒线材线圈进行热处理。在比合金液相线温度高5℃的温度下进行熔体结晶，热变形后的棒线材最大温度不超过300℃，棒线材线圈的热处理在最大加热温度415℃下进行不超过144小时，其中，线圈在300℃‑400℃的温度范围内的加热速率不超过15℃/小时。技术效果是实现铝基合金的耐热性提高并提供所要求的电导率，这无需在热处理过程中长期临时保持即可获得。
Description
技术领域
本发明涉及冶金学，并且旨在提供被配置为在高温下运行的电气产品，特别是用于高压电力线(PL)、车载线、油气设备线的线材。
背景技术
由于其高电导率和高耐腐蚀性，商用铝及其低合金(1хxх和8хxх系列的合金)广泛用于电气产品中。特别是由商用铝(1350级)制造的线材在高压架空电力线用线材的制造中具有广泛的适用性。通常而言，棒线材是用于由商用铝制造线材的原坯件，并且为了提供它们而进行以下主要操作：准备熔体，将熔体结晶成不定长的坯料，将坯料热变形成为棒线材，将棒线材卷绕成固定长度的线圈。棒线材是指通常通过在多辊轧机上进行热轧而制造的条状的金属，并且其是用于进一步的线材制造的坯料。在大多数情况下，线材制造的最终操作是拉伸。经过硬拉，该线材提供了强度性质和电阻率的完美结合。然而，商用铝的低耐热性(通常不超过90℃)使得可以在高于100℃～150℃的温度下长时间使用该材料，在高于150℃下短时间使用该材料，这是由于回收和再结晶过程引起的其显著弱化所致。
Al-Mg-Si合金(6хxх系列)具有较高的强度性能，特别是6101型合金广泛用于生产自支撑绝缘线。然而，与未掺杂的铝类似，6хxх系列合金具有相对较低的热稳定性(通常不超过90℃)，这是由加热中发生的以下过程引起的：
1)在Mg2Si的亚稳态强化相(包括向稳定相的转化)粗化；和
2)恢复过程。
6хxх系列合金的两个其它缺点包括：
1)与商用铝相比电导率较低(约10％)；
2)在进一步的线材时效处理操作时需要对棒线圈进行水淬以进行析出硬化。
实现提供耐热性和导电性组合的一种方法是在具有高共晶体积分数的合金中进行。因此，对于Al-Ce合金实现了热稳定性(高达300℃)的显著提高(V.I.Dobatkin,V.I.Elagin,V.M.Fedorov,Bystrozakristallizovannye Alyuminievye Splavy(Moscow:VILS:1995)，其中，共晶成分(Al+Al4Ce)的量增加通过Al4Ce相在加热过程中的热稳定性而提供了高热稳定性，在铝溶体中的低铈溶解性的组合提供了令人满意的电导率。
铈浓度(4重量％～7重量％)提高的合金的缺点包括在露天中的高铈活性(氧化)，这在所述合金的制造(铸造)过程中引起问题，此外，铝溶体的相对较低的体积分数(与商用铝相比)使得不可能实现低于31μOhm/mm的电阻率。
提供所述合金的另一实例是在US3830635(Southwire)中公开的铝-镍合金和制造产品的方法。该材料的特征在于电导率为57％IACS，并且包含(重量％)0.20～1.60的镍、0.30～1.30的钴，其余为铝和杂质。根据一个具体实施方式，该材料可以包含0.001％～1.0％的铁和镁。制造产品的方法包括以下主要操作：从旋转辊之间的熔体连续供给坯料，在多辊轧机中将坯料热轧成棒线材并将其拉伸。根据一个具体实施方式，用于制造熔体的方法包括引入其他成分(重量％)，特别是混合稀土、铌、钽和锆。
该方法的缺点包括相对较低的电导率(57％IACS)和相对较高的钴成本，这限制了材料在批量生产中的使用，例如用于高压架空电力线。
通过添加少量过渡金属、特别是锆和其他过渡金属，实现了高温下热稳定性的显著提高，且无严重的铝线电导率下降(不超过3％)。在这种情况下，由含Zr合金制造具有最小电阻率的耐热性线材的方法通常包括以下操作：通过连续或半连续方法形成铸坯，将铸坯成形为棒线材，对棒线材进行热处理以及将棒线材拉成线材。
WO2013057415A1(Nexans)公开了一种制造用于电气工程的产品的方法。该制造方法涉及一种包含250ppm～1200ppm钪的材料，其余部分为杂质。根据具体实施方式，合金可以包含至多0.1重量％的锆。该方法包括以下步骤：制备含有铝、钪和不可避免的杂质的熔体，由熔体产生铸坯，轧制坯料，将线材拉伸，而无需稳定退火。
该方法的缺点包括由钪含量和其资源有限造成的较高的成品最终成本。此外，说明书丝毫未提及由含Sc的铝合金制成的线材的绝对强度性质。
US 4402763A(Sumitomo Electric Industries,Ltd)是与该方法最接近的类似方法，并且公开了包括以下步骤的方法：提供主要包含0.23重量％～0.35重量％Zr、其余部分主要是铝的合金Al-Zr熔体，将合金铸造成坯料，在至少530℃的初始温度下热轧，对轧制合金进行冷加工以及在310℃～390℃的温度范围进一步时效处理50小时～400小时。根据具体实施方式，热轧后的冷加工可以不小于30％。
该方法的缺点包括：
1)热处理的持续时间可以达到数百小时；
2)该方法包括对热轧坯料进行额外冷加工，这使制造过程和要实现的要求特性复杂化；
3)该方法允许实现不低于58％IACS的电导率，这有时是不够的。
发明内容
本发明的目的是提供一种由包含锆作为主要掺杂元素的耐热性铝基合金制造棒线材的新方法，该方法同时实现高电导率(不低于60％IACS)和改善的机械性质，包括在加热至300℃的高温后具有初始性质的90％的机械性质。
技术效果是实现铝基合金的耐热性提高并提供所要求的电导率，这无需在热处理过程中长期临时保持即可获得。
技术效果可以通过由耐热性铝基合金制造棒线材的方法而实现，所述耐热性铝基合金的特征在于电导率不低于60％IACS，含有0.20重量％～0.52重量％的锆和不可避免的杂质，所述方法包括：制备熔体，通过使熔体结晶而产生不定长的铸坯，通过铸坯的热变形提供不定长的棒线材，将棒线材卷绕成定长线圈，通过加热并保持在预定温度而对棒线材线圈进行热处理。在比合金液相线温度高5℃的温度下进行熔体结晶，热变形后的棒线材最大温度不超过300℃，棒线材线圈在最大加热温度415℃下进行热处理不超过144小时，其中，在300℃～400℃的温度范围内的加热速率不超过15℃/小时。
具体而言，棒线材线圈的热处理如下进行：
-在最大加热温度370℃下不超过96小时，在300℃～370℃温度范围内的加热速率不超过10℃/小时。
-在最大加热温度350℃下不超过36小时，在300℃～350℃温度范围内的加热速率不超过5℃/小时。
具体实施方式
为了同时提供高电导率(不小于60％IACS)和改善的机械性质(包括在高温加热后的机械性质)，导电材料结构应为其中分布有具有L12结构的20nm的含Zr相二次析出物的未掺杂铝溶体的形式。通过铝溶体中的锆浓度降低和形成含Zr相二次析出物来实现电导率提高。在这种情况下，高耐热性的效果是通过耐高温加热的锆相二次析出物的有益影响而实现的。通过尺寸为20nm的锆相的均匀分解而实现呈现要求的特性所需的热处理时间的减少，所述锆相的析出之前是在受控加热期间发生的“预析出”。
为了形成具有L12晶体结构的Al3(Zr)亚稳相的二次析出物，锆的所需量为0.20重量％～0.52重量％。通常，锆在铝溶体和L12型Al3(Zr)亚稳相的二次析出物之间重新分布，后者的最大含量为0.31重量％～0.91重量％。
铝溶体中锆含量超过0.52％导致热导率低并且电导率低于60％IACS。大于0.52％的锆含量会要求铸造温度高于800℃(图1)，这在工业规模上难以实施，否则在初晶内可能出现具有D023结构的相。由于不能提供所需的耐热性，所以不允许存在具有D023结构的Zr颗粒，另外，在细线拉伸过程中加工性可能降低。
在合金内的锆浓度低于0.20％时，具有L12结构的Al3Zr亚稳相的二次析出物的量将不足以实现预定的强度性质和耐热性。
由铝合金制造线状的参数如下。
熔融温度降低至低于合金液相线温度可导致在结晶过程中形成Al3Zr相的粗大初晶和在铝固溶体中锆浓度的降低。因此，最终结构内的Zr相二次析出物的量将降低，这将导致强度性质和耐热性劣化。
在加热速率超过15℃/小时的情况下，含有具有L12结构的Al3Zr相二次析出物的铝溶体的不均匀分解可能对机械性质、耐热性造成负面影响，并且热处理时间增加。
如果在高于410℃的温度下对棒线材进行热处理，则含Zr的二次析出物的尺寸可能超过20nm，因此对强度性能造成负面影响，并且铝溶体内的残余锆溶解性将增加，对电导率造成负面影响(图2)。
棒线材热处理的温度低于300℃不能提供在工业规模上在适当时间形成Zr相二次析出物。
热变形后的棒线材最高温度增加至不超过300℃可导致含有具有L12结构的Al3Zr相二次析出物的铝溶体的不均匀分解，对机械性质和耐热性造成负面影响。
该方法可用于包含诸如Sc或Cr等过渡金属作为主要掺杂元素的耐热性材料。耐热性铝基合金可以是包含锆和至少一种选自由铁和镍组成的组中的元素的合金。
实施例
实施例1
在不同铸造温度下，由包含0.20重量％～0.52重量％Zr的合金制造铸坯(具有1256mm2的横截面)。坯料的铸造温度在浇铸到模具中之前即刻测定，提供40K/s的结晶速率。
合金的化学组成、铸造温度和其结构参数示于表1。
通过扫描电子显微镜分析显微结构中Al3Zr D023相的初晶的有无。
表1.实验合金的化学组成、铸造和液相线温度以及结构参数
Tc是铸造温度；
Tliq是液相线温度；
ΔT是高于液相线温度(Tliq)的熔体过热；其被定义为Tc与Tliq之差；
"+"是在结构中存在Al3Zr D023相；
"-"是在结构中不存在Al3Zr D023相。
表1显示，当铸造时的冷却速率为40℃/秒，并且在熔体过热不小于5℃的情况下，形成不具有Al3Zr D023相的初晶的固溶体类结构。
通常，铸坯结构代表锆和其它元素的铝固溶体，以及一些含铁的共晶相
该铸坯结构对于进一步的变形加工和热处理是可接受的
实施例2
在连续铸轧机上由具有组成3的合金(表1)制造棒线材。然后，棒线材以不同的加热速率在炉中进行热处理。此外，由棒线材制造线材。
成功结果的量度是实现28.5μOhm·mm的期望电阻率(ρ)和在400℃下1小时退火之后线材强度性质的损失(Δσ)不超过10％。
表2显示，只有在350℃～450℃的温度范围内的加热速率小于15℃/小时的情况下，才能提供所要求的棒线材的导电率和线材热稳定性。
加热速率增加至高于15℃/小时会导致电阻率增加。
表2.棒线材热处理的参数
实施例3
以10℃/小时的恒定加热速率和96小时的恒定退火时间对来自具有组成3的合金(表1)的棒线材的线圈进行热处理。
表3.电阻率-棒线材退火温度
| 退火温度，℃ | ρ，μOhm·mm | σв，MPa |
| 330 | 28.15 | 128 |
| 350 | 28.22 | 126 |
| 370 | 28.28 | - |
| 390 | 28.33 | 124 |
| 410 | 28.41 | - |
| 415 | 28.44 | 120 |
| 420 | 28.57 | 115 |
表3显示，仅在低于415℃的退火温度下才提供所需的电导率。将退火温度增加至高于415℃，由于铝溶体中锆溶解性增加，改善了电导率。
此外，当退火温度增加时，拉伸强度降低到低于120MPa。
实施例4
以不同的最终温度由具有组成3的合金(表1)制造棒线材。然后将棒线材以10℃/小时的预定加热速率加热至390℃并退火144小时。
该量度是由棒线材制造的线材的热稳定性(强度性质的降低率(Δσ))。
表4轧制后的棒线材温度值和线材耐热性
| 轧制后的棒线材温度，℃ | Δσ，％ |
| 250 | 4 |
| 300 | 6 |
| 330 | 11 |
| 350 | 14 |
表4显示，仅在棒线材的变形后温度低于300℃时才提供期望水平的线材耐热性。温度升高至超过300℃会导致铝固溶体的非平衡分解，这不能提供所需耐热性。
Claims (4)
1.一种由耐热性铝基合金制造棒线材的方法，所述耐热性铝基合金含有0.20重量％～0.52重量％的锆作为主要掺杂元素，所述方法包括：制备熔体，通过使所述熔体结晶而产生不定长的铸坯，通过所述铸坯的热变形提供不定长的棒线材，将棒线材卷绕成定长线圈，通过加热并保持在预定温度而对棒线材线圈进行热处理，在比所述合金液相线温度高5℃的温度下进行熔体结晶，热变形后的所述棒线材最大温度不超过300℃，所述棒线材线圈的热处理在最大加热温度415℃下进行不超过144小时，其中，所述线圈在300～400℃的温度范围内的加热速率不超过15℃/小时。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述棒线材线圈的热处理在最大加热温度370℃下进行不超过96小时，在300～370℃的温度范围内的加热速率不超过10℃/小时。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述棒线材线圈的热处理在最大加热温度350℃下进行不超过36小时，在300～350℃的温度范围内的加热速率不超过5℃/小时。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述铝基合金包含锆和至少一种选自由铁和镍组成的组中的元素。
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