CN109295346B - 一种高导电率的柔软铝合金及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高导电率的柔软铝合金及其制备方法和应用。该铝合金主要由Al、Pr、Nd、B、Fe、Si及其他不可避免的杂质元素组成。其采用工业纯铝、Al‑B、Al‑Pr、Al‑Nd中间合金作为原料,经熔炼、炉前成分快速分析、成分调整、静置、铸造获得铝合金锭坯,随后轧制成板材或拉拔成线材并进行退火。本发明设计和制备的产品的性能指标为:HV0.2<20,杨氏模量<63GPa,延伸率>45%,在20℃测得的导电率≥62%IACS、在75℃测得的导电率≥51%IACS。本发明制备的板材可用于铝电解槽的软母线,亦可用做建筑、电气工程用母线材料,制备的线材可用于碳纤维复合芯软铝绞线。

Description

一种高导电率的柔软铝合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种导电材料,具体是指一种高导电率、高延伸率、低弹性模量、低硬度、易焊接的铝合金及其制备方法和应用,属于电工新材料技术领域。
背景技术
铝电解需要消耗大量的直流电能,电流由地沟母线、立柱母线和软母线、阳极大母线及导杆,进入第一台电解槽的阳极,流经电解质和铝液到阴极,再通过阴极母线导入下一台电解槽。软母线承担着连接阳极大母线与立柱母线、串联各个电解槽的作用,通常采用多层1mm厚度的薄片叠焊在母线上,要随阳极大母线上下移动,除了需要有较高的导电率外,还要有较大的柔软度,包括较大的拉伸柔量(杨氏模量的倒数)和延伸率、较低的硬度,并且对焊接接头有一定要求。
为了提高输电线路的输送容量,电力领域相继开发出了耐热铝合金导线、殷钢芯或铝包殷钢芯导线、钢芯软铝导线、碳纤维复合芯铝绞线。碳纤维复合芯铝绞线是以一根直径为 9.5mm的碳纤维复合芯棒作为加强芯,外部同心层绞2层梯形软铝导线,由于有加强芯支撑,对铝导线的强度要求不高,但要求有较高的导电率和一定的柔软度。
发明内容
本发明提供一种组分配比合理、高导电率、高延伸率、高柔量、低硬度、易焊接的铝合金及其制备方法和应用。所获线材和/或板材经热处理后的性能指标为:在20℃测得的导电率≥62%IACS,在75℃测得的导电率≥51%IACS,延伸率>45%,杨氏模量<63GPa,HV0.2 <20,且产生焊接裂纹的概率<2%。
本发明一种高导电率的柔软铝合金,包括下述按质量百分比的元素组成:
B:0.02~0.15wt%,
Nd:0.10~0.20wt%,Pr:0.10~0.30wt%,Nd、Pr的质量比为0.50~0.80:1,
Fe<0.10wt%,Si<0.05wt%,Fe、Si的质量比大于2,
Ti、V、Cr、Mn杂质含量的总和小于0.01wt%,其他不可避免杂质的总含量小于0.01wt%, Al为余量。
本发明所用工业纯铝中的主要杂质为Fe和Si,对铝的危害主要表现为降低导电性、塑性及产生焊接裂纹,本发明将Fe/Si比值控制为大于2,在其他组分的协同作用下,其产生焊接裂纹的概率在2%以下,远远低于现有技术中焊接裂纹的产生概率。
在本发明中,B的含量为0.02~0.15wt%。优选方案为0.04~0.08wt%,比如0.04wt%,0.05 wt%,0.06wt%,0.07wt%,0.08wt%。
在本发明中,Nd的含量为0.10~0.20wt%。优选方案为0.10~0.15wt%,比如0.10wt%, 0.11wt%,0.12wt%,0.13wt%,0.14wt%,0.15wt%。
在本发明中,Pr的含量为0.10~0.30wt%。优选方案为0.15~0.20wt%,比如0.15wt%, 0.16wt%,0.17wt%,0.18wt%,0.19wt%,0.20wt%。
稀土金属Pr、Nd为双C‐密排六方结构,其塑性并不如面心立方结构的铝基体,常温电阻率比Al高1个数量级,一般不会被用来改善铝合金的塑性和导电性。本发明反其道而行之,通过控制二者的用量和比例,在其他组分的协同作用下,取得了意料不到的效果,获得了一种高导电率、高柔软度的导体材料。本发明对比例1为工业纯铝,如图1所示,其铸态晶粒粗大、树枝晶明显,热处理后的再结晶晶粒较为粗大。本发明实施例2所设计的合金中,Pr、Nd含量在合理的成分范围,如图2所示,铸态晶粒显著细化,热处理后的再结晶晶粒明显比对比例1合金的细小、均匀,这是该导体材料具备高柔软度和高延伸率的保证。由图 3可以看出,对比例1合金晶界处存在连续分布的第二相。当加入适量和适当比例的Pr、Nd 后,所加入的Pr、Nd与Fe、Si产生交互作用,生成复杂的(AlFeSiPrNd)化合物,该化合物为含稀土的低Fe、低Si组成相,是韧性化合物,且倾向于在晶内呈球状分布,如图4所示,晶界处连续分布的粗大含Fe、Si的脆性相明显减少,此外,由于固溶在基体中杂质Fe、Si 含量也得以减少,这不仅大大改善了合金的塑韧性,而且还提高了合金的导电性。当Pr、 Nd的加入量或配比不合理时,如图5所示,过量加入Pr、Nd导致铸态组织出现偏聚的富 Pr、Nd相,同时仍存在晶界连续相。只加Nd而未加Pr时,如图6所示,铸态组织中出现粗大的含(NdSiFe)化合物,只加Pr而未加Nd时,如图7所示,铸态组织中出现粗大的含 (PrSiFe)化合物。
本发明一种高导电率的柔软铝合金的制备方法,其方案为:
采用纯度大于等于99.7%的工业纯铝锭或电解铝原液作为Al源,在760℃~780℃熔化或混合后,按设计组分加入Al‐B、Al‐Pr、Al‐Nd中间合金,待中间合金完全熔化后,经搅拌、精炼、炉前成分快速分析、成分调整、静置,在720℃~740℃半连续铸造或连续铸造得到锭坯;随后经塑性变形得到板材或线材;所述塑性变形包括轧制、挤压、拉拔中的至少一种。在本发明中,所述线材包括单丝。
本发明一种高导电率的柔软铝合金的制备方法,所述铸造包括快速冷却铸造;所述快速铸造包含但不限于水冷铸造。所述水冷铸造的冷却速率大于等于20℃/s。所述锭坯包括铸锭和/或连铸坯。
本发明一种高导电率的柔软铝合金的制备方法,所述轧制包括平辊轧制和/或孔型轧制;所述平辊轧制分多道次进行,包括热轧和/或冷轧,其中热轧开轧温度≥450℃,终轧温度≥400℃,热轧变形量≥60%,冷轧变形量≥80%,最后获得厚度为1~2mm的板材;所述孔型轧制为多机架连续轧制,获得等效直径为4~6mm的梯形软铝型线或直径为9.5mm的圆铝杆,所述等效直径为与同截面圆线直径等效。
本发明一种高导电率的柔软铝合金的制备方法,所述挤压为连续挤压。所述连续挤压为:用直径为9.5mm的圆铝杆直接挤压出线材;所述线材可以是圆断面,也可以是异型断面。作为优选方案,所述连续挤压为:用直径为9.5mm的圆铝杆挤压出等效直径为4~6mm的异型软铝线。
本发明一种高导电率的柔软铝合金的制备方法,所述拉拔为多道次拉丝;所述多道次拉丝是用直径为9.5mm的圆铝杆多道次拉拔成单丝,道次延伸系数为1.2~1.5,累积总延伸系数为5.5~10.5。
本发明一种高导电率的柔软铝合金的制备方法,可根据成品的性能要求采用或不采用热处理,所述热处理的温度为350℃~500℃,保温时间为2~8h。
本发明一种高导电率的柔软铝合金的制备方法,所获线材和/或轧板经热处理后的性能指标为:在20℃测得的导电率≥62%IACS,在75℃测得的导电率≥51%IACS,延伸率>45%,杨氏模量<63GPa,HV0.2<20,且产生焊接裂纹的概率<2%。上述性能使得本发明的产品在应用时具有优势。
本发明一种高导电率的柔软铝合金的应用,所述应用包括将其用做软铝母线和/或软铝绞线。所述软铝母线包括但不限于电解槽用软铝母线、建筑和电气工程所用软铝母线。所述软铝绞线包括但不限于碳纤维复合芯的软铝绞线。
当然,本发明所设计和制备的高导电率、高柔量和高延伸率的导体材料,在其它领域也有广阔的应用前景。
附图说明
图1为对比例1的金相照片,其中(a)为对比例1的铸态的金相照片、(b)为对比例1
的热处理态的金相照片。
图2为实施例2的金相照片,其中(a)为实施例2的铸态的金相照片、(b)为实施例2
的热处理态的金相照片。
图3为对比例1铸态合金的SEM照片及第二相的能谱图,其中(a)为对比例1铸态合金的SEM照片、(b)为对比例1铸态合金的第二相的能谱图。
图4为实施例2铸态合金的SEM照片及第二相的能谱图,其中(a)为实施例2铸态合金的SEM照片、(b)为实施例2铸态合金的第二相的能谱图。
图5为对比例3铸态合金的SEM照片及第二相的能谱图,其中(a)为对比例3铸态合金的SEM照片、(b)为对比例3铸态合金的第二相的能谱图。
图6为对比例4铸态合金的SEM照片及第二相的能谱图,其中(a)为对比例4铸态合金的SEM照片、(b)为对比例4铸态合金的第二相的能谱图。
图7为对比例5铸态合金的SEM照片及第二相的能谱图,其中(a)为对比例5铸态合金的SEM照片、(b)为对比例5铸态合金的第二相的能谱图。
比较图1(a)和图2(a)可以看出,对比例1合金的铸态组织晶粒粗大、树枝晶明显,实施例2合金中的铸态晶粒得到显著细化。比较图1(b)和图2(b)可以看出,实施例2热处理态组织的再结晶晶粒明显比对比例1中的细小、均匀。
比较图3和图4可以看出,对比例1合金晶界处存在连续分布的第二相,而实施例2合金晶界处的连续分布的第二相非常少,第二相主要以点状分布,Pr、Nd与Al中的杂质Fe、Si产生交互作用,生成复杂的(AlFeSiPrNd)化合物。
从图5可以看出,铸态组织中出现了偏聚的富Pr、Nd相,同时仍存在晶界连续相。
从图6可以看出,铸态组织中出现粗大的含(NdSiFe)化合物。
从图7可以看出,铸态组织中出现粗大的含(PrSiFe)化合物。
具体实施方式
在本发明的实施例和对比例中,均以纯度大于等于99.7%的工业纯铝锭作为Al源,在 780℃熔化或混合后,按设计组分加入Al‐B、Al‐Pr、Al‐Nd中间合金,待中间合金完全熔化后,经搅拌、精炼、炉前成分快速分析、成分调整、静置,在740℃半连续铸造和/或连续铸造,得到半连续铸锭和/或连铸坯。半连续铸锭经平辊轧制成厚度为1.5mm的板材,连铸坯经孔型轧制成直径为9.5mm的杆坯,所得直径为9.5mm的杆坯经连续挤压成等效直径为5mm的单丝。
本发明的实施例和对比例所得制品中,Ti、V、Cr、Mn杂质含量的总和小于0.01wt%,其他不可避免杂质的总含量小于0.01wt%。
实施例1
设计合金各元素的质量百分比为:B为0.06%,Nd为0.10%,Pr为0.15%,Fe为0.09%, Si为0.04%,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,通过塑性变形得到板材和/或单丝,经450℃退火4小时后,对板材和/或单丝进行性能测试,平均结果如表1所示。
表1实施例1所获制品的综合性能指标
实施例2
设计合金各元素的质量百分比为:B为0.06%,Nd为0.15%,Pr为0.20%,Fe为0.09%, Si为0.04%,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,通过塑性变形得到板材和/或单丝,经500℃退火2小时后,对板材和/或单丝进行性能测试,平均结果如表2所示。
表2实施例2所获制品的综合性能指标
实施例3
设计合金各元素的质量百分比为:B为0.04%,Nd为0.10%,Pr为0.15%,Fe为0.05%, Si为0.02%,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,通过塑性变形得到板材和/或单丝,经450℃退火4小时后,对板材和/或单丝进行性能测试,平均结果如表3所示。
表3实施例3所获制品的综合性能指标
对比例1
设计合金各元素的质量百分比为:Fe为0.13wt.%,Si为0.04wt.%,Mg为0.01%,Cu 为0.01wt.%,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,通过塑性变形得到板材和/或单丝,经450℃退火4小时后,对板材和/或单丝进行性能测试,平均结果如表4所示。
表4对比例1所获制品的综合性能指标
对比例2
设计合金各元素的质量百分比为:B为0.06%,Nd为0.05%,Pr为0.10%,Fe为0.09%,Si为0.04%,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,通过塑性变形得到板材和/或单丝,经450℃退火4小时后,对板材和/或单丝进行性能测试,平均结果如表5所示。
表5对比例2所获制品的综合性能指标
对比例3
设计合金各元素的质量百分比为:B为0.06%,Nd为0.22%,Pr为0.32%,Fe为0.09%, Si为0.04%,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,通过塑性变形得到板材和/或单丝,经450℃退火4小时后,对板材和/或单丝进行性能测试,平均结果如表6所示。
表6对比例3所获制品的综合性能指标
对比例4
设计合金各元素的质量百分比为:硼为0.06%,钕为0.20%,铁为0.09%,硅为0.04%,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,通过塑性变形得到板材和/或单丝,经450℃退火4小时后,对板材和/或单丝进行性能测试,平均结果如表7所示。
表7对比例4所获制品的综合性能指标
对比例5
设计合金各元素的质量百分比为:B为0.06%,Pr为0.30%,Fe为0.09%,Si为0.04%,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,通过塑性变形得到板材和/或单丝,经450℃退火4小时后,对板材和/或单丝进行性能测试,平均结果如表8所示。
表8对比例5所获制品的综合性能指标
对比例6
设计合金各元素的质量百分比为:硼为0.06%,钕为0.20%,镨为0.20%,铁为0.09%,硅为0.04%,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,通过塑性变形得到板材和/或单丝,经450℃退火4小时后,对板材和/或单丝进行性能测试,平均结果如表9所示。
表9对比例6所获制品的综合性能指标
对比例7
设计合金各元素的质量百分比为:B为0.06%,Nd为0.20%,Pr为0.20%,Fe为0.09%,Si为0.04%,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,通过塑性变形得到板材和/或单丝,经300℃退火4小时后,对板材和/或单丝进行性能测试,平均结果如表10所示。
表10对比例7所获制品的综合性能指标
通过实施例和对比例可以看出,本发明通过各组分的协同作用,在适当工艺的配合下,取得意料不到的效果。

Claims (9)

1.一种高导电率的柔软铝合金,其特征在于:包括下述按质量百分比的元素组成:
B: 0.02~0.15wt%,
Nd :0.10~0.15wt%,
Pr :0.10~0.30wt%,
Nd、Pr的质量比为0.50~0.80:1;
Fe<0.10 wt%,
Si<0.05 wt%,
Fe、Si的质量比大于2,
Ti、V、Cr、Mn杂质含量的总和小于0.01 wt%,其他不可避免的杂质总含量小于0.01wt%,Al为余量。
2.一种制备如权利要求1所述的高导电率的柔软铝合金的方法,其特征在于:
采用纯度大于等于99.7%的工业纯铝锭或电解铝原液作为Al源,在760℃~780℃熔化或混合后,按设计组分加入Al-B、Al-Pr、Al-Nd中间合金,待中间合金完全熔化后,经搅拌、精炼、炉前成分快速分析、成分调整、静置,在720℃~740℃进行半连续铸造或连续铸造得到锭坯,随后经塑性变形得到板材或线材;所述塑性变形包括轧制、挤压、拉拔中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的一种高导电率的柔软铝合金的制备方法,其特征在于: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;所述锭坯包括铸锭和/或连铸坯。
4.根据权利要求2所述的一种高导电率的柔软铝合金的制备方法,其特征在于:所述轧制包括平辊轧制和/或孔型轧制;所述平辊轧制分多道次进行,包括热轧和/或冷轧,其中热轧开轧温度≥450℃,终轧温度≥400℃,热轧变形量≥60%,冷轧变形量≥80%;所述孔型轧制为多机架连续轧制,获得等效直径为4~6mm的软铝型线或直径为9.5mm的圆铝杆;所述等效直径为与同截面圆线的直径等效。
5.根据权利要求2所述的一种高导电率的柔软铝合金的制备方法,其特征在于:所述挤压包括连续挤压,所述连续挤压是用直径为9.5mm的圆铝杆直接挤压出单丝;所述单丝可以是圆断面,也可以是异型断面。
6.根据权利要求2所述的一种高导电率的柔软铝合金的制备方法,其特征在于:所述拉拔为多道次拉丝;所述多道次拉丝是用直径为9.5mm的圆铝杆多道次拉拔成单丝,道次延伸系数为1.2~1.5,累积总延伸系数为5.5~10.5。
7.根据权利要求2所述的一种高导电率的柔软铝合金的制备方法,其特征在于:塑性变形后通过热处理调整合金的柔软度;所述热处理的温度为350℃~500℃,保温时间为2~8h。
8.根据权利要求2-7任意一项所述的一种高导电率的柔软铝合金的制备方法,其特征在于;所获线材和/或板材经热处理后的性能指标为:在20℃测得的导电率≥62% IACS,在75℃测得的导电率≥51% IACS,延伸率>45%,杨氏模量<63GPa,HV0.2<20,且产生焊接裂纹的概率<2%。
9.一种如权利要求1所述高导电率的柔软铝合金的应用,其特征在于:所述应用包括将其用做软铝母线和/或软铝绞线。
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