CN109295352A - 一种屈服强度高于350MPa的高导电率铝合金及其制备方法 - Google Patents

一种屈服强度高于350MPa的高导电率铝合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种屈服强度高于350MPa的高导电率铝合金及其制备方法，所述铝合金包括以下质量百分比组分：Si：1.05～1.55，Mg：1.25～1.6，Fe：0.30～0.8，Ni：0.30～0.8，Zn：1.1～1.5，B：0.01～0.03，且Ni/Fe质量比为0.98～1.03，并控制杂质元素Cu≤0.05，Ti≤0.05，其他杂质元素单个≤0.03，总和≤0.15。所述制备方法主要是通过高温预时效和中温主时效提高铝合金的强度和导电率。本发明提供的铝合金在没有加工硬化的条件下，室温屈服强度超过350MPa，200℃下的高温抗拉强度超过320MPa，20℃下的导电率不小于48％IACS。该铝合金适用于制作室温和高温强度要求高、耐磨性要求高的导电体。

Description

一种屈服强度高于350MPa的高导电率铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于电工新材料技术领域，尤其涉及一种屈服强度高于350MPa的高导电率铝合金及其制备方法。
背景技术
随着我国特高压线路建设的发展，出现了金具在运行过程中温升异常事故，迫切需要一种耐高温的高强度、高导电率铝合金导体材料以提高金具运行安全性。另外，随着地铁运营里程的增加，亦需要高强高导铝合金代替现役的钢铝复合导电轨以降低线路损耗。
目前铝合金型材导体的抗拉强度一般为200～260MPa，难以满足特高压线路金具、母线及地铁导电轨的强度要求。CN 1052905A(ZL 89109689.2)公开了一种高强度、高导电率铝合金及其管母线的生产方法，其抗拉强度为260MPa。CN107043878(ZL201710325747.8)公开了一种高强度高导电性能的铝合金材料及其生产工艺、导电体，其抗拉强度也仅是不小于260MPa。在6xxx系铝合金中，6101是常用的导体材料，其主要合金元素为Mg和Si，T6态棒材的抗拉强度不小于215MPa，导电率不小于55％IACS。进一步提高Mg含量并将Cu、Cr由杂质元素变为合金元素，使T6态棒材的抗拉强度提高至300MPa以上，但导电率降至49％IACS，如6061-T6合金抗拉强度为308MPa，导电率为48.6％IACS。但在Mg、Si极限溶解度的束缚下，即便最大限度提高Mg、Si含量，提高Mn含量也仅将合金的强度提高至不小于310MPa，但导电率降至46.5％IACS以下，如6082经525℃固溶处理，150℃时效10h后，抗拉强度为350MPa，导电率为46.2％IACS。可见，现有技术启用对导电率有严重损害作用的合金元素如Cr、Mn、Zr、Cu等尽管可以提高铝合金的强度，但严重恶化其导电性，无法满足铝合金导体高强度、高导电率的要求。
发明内容
本发明的目的是解决非线材类铝合金导体强度低、导电率低的问题，消除导体在使用过程中的温升隐患。提供一种室温下屈服强度高于350MPa、200℃下抗拉强度大于320MPa的高导电率铝合金导体材料及其制备方法。
本发明的具体技术方案如下。
一种屈服强度高于350MPa的高导电率铝合金，其特征在于，包括以下质量百分比组分：
Si：1.05～1.55，
Mg：1.25～1.6，
Fe：0.30～0.8，
Ni：0.30～0.8，
Zn：1.1～1.5，
B：0.01～0.03，
其余为铝，且Ni/Fe质量比为0.98～1.03，并控制杂质元素Cu≤0.05，Ti≤0.05，其他杂质元素单个≤0.03，总和≤0.15。
更优选所述铝合金包括以下质量百分比组分：
Si：1.3～1.5，
Mg：1.4～1.6，
Fe：0.5～0.6，
Ni：0.5～0.6，
Zn：1.1～1.3，
B：0.02～0.03，
其余为铝，且Ni/Fe质量比为0.99～1.01，并控制杂质元素Cu≤0.03，Ti≤0.04，其他杂质元素单个≤0.03，总和≤0.15。
上述铝合金导体材料按以下工艺步骤进行制备。
1)熔炼：将Al99.70重熔用铝锭在740～760℃熔化后或满足Al99.70重熔用铝锭成分要求的电解铝液，导入保温炉调整温度至730～750℃后加入Al-18Si、Al-10Fe、Al-10Ni、Al-3B等中间合金锭及Mg9990镁锭和Zn99.5锌锭进行合金化和精炼，精炼剂加入量为0.1％～0.15％；精炼时间25～30min，
2)取样进行成分分析，根据分析结果进一步调整化学成分，搅拌均匀，加覆盖剂并静置30～45min；所述覆盖剂为焙烧后的光卤石。
3)在线处理：采用在线净化装置净化铝液，控制铝液中氢含量不大于0.20ml/100g铝液，采用在流槽中加入Al-Ti-C细化剂，控制铝合金中Ti含量不大于0.05，更优的不大于0.04。采用30～40ppi的泡沫陶瓷过滤板过滤夹杂物；铸造：
4)铝合金锭采用半连续铸造法铸造，铸造铝合金锭时，控制浇注温度为690～710℃，铸造速度85～100mm/min；
5)将铸锭进行均匀化处理，工艺为550～565℃，保温8～12h；
6)挤压：铝合金型材采用传统热挤压法挤压而成，铝合金锭加热温度420～480℃，保温时间1～10h，挤压出口温度450～500℃；
7)将步骤6)所得物进行固溶处理：温度550～575℃，保温0.5～4h；
8)将步骤7)所得物进行时效处理：采用双级人工时效，预时效温度200～230℃，保温2～6h，主时效温度160～180℃，保温8～12h；若固溶处理后需停放3h以上再人工时效，则需固溶后进行低温短时间时效处理以消除室温停放效应，处理工艺为90～110℃时效0.5～1h。更优的时效工艺为预时效温度210～220℃，保温时间2～4h，主时效温度170～180℃，保温时间10～12h。
热处理后即可获得成品铝合金导体。
本发明的有益效果：在多次比较试验的基础上，突破了Mg、Si元素的最大溶解度限制，在合金设计上利用在凝固过程中析出并在热挤压过程中碎化的Al9FeNi相和Mg2Si相提高合金的高温强度，利用Zn元素促进Mg2Si亚稳态第二相析出效应和固溶强化效应，并采用多级时效方式减少对导电率有恶劣影响的GP区数量，增加强化作用好，对导电率影响小的β”相数量提高合金的强度和导电率，进一步限制对导电率有害的杂质元素的数量并通过微合金化方法将其由固溶态转变为析出态，进一步减轻其有害影响，获得了在没有加工硬化的条件下，室温下屈服强度大于350MPa，200℃温度下抗拉强度大于320MPa，20℃导电率不小于48％IACS的高强高导铝合金导体材料。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步详细说明。
实施例1
选用高强度、高导电率铝合金的化学成分质量百分比为：Si：1.3，Mg：1.4，Fe：0.6，Ni：0.6，Zn：1.3，B：0.03，并控制杂质元素Cu：0.03，Ti：0.04，其他杂质元素单个≤0.03，总和≤0.15。按以下工艺步骤进行制备：
(1)所用原料为Al99.7的重溶铝锭、Al-18Si、Al-10Fe、Al-10Ni、Al-3B等中间合金，以及Mg9990镁锭和Zn99.5锌锭。根据上述化学成分质量百分比计算出各合金原料的加入量；
(2)将铝液导入保温炉，并根据化学成分要求加入中间合金锭及镁和锌锭进行合金化，合金化温度750℃；
(3)对上述铝合金液进行精炼，精炼温度750℃，精炼剂加入量为0.15％；精炼时间30min；
(4)取样进行成分分析，根据分析结果进一步调整化学成分，搅拌均匀后加入焙烧的光卤石覆盖剂，静置40min；
(5)采用在线净化装置净化铝液，控制铝液中氢含量0.18ml/100g铝液，在线加入Al-Ti-C细化剂，控制铝锭中Ti含量为0.04％。采用30ppi的泡沫陶瓷过滤板过滤夹杂物；
(6)铸造直径为200mm铝合金锭时，控制浇注温度为690℃，浇注速度100mm/min制成DC铸锭；
(7)对铸锭进行均匀化处理，升温至560℃保温8h；
(8)挤压加工，铝合金锭加热温度450℃，保温时间1h；挤压出口温度500℃；
(9)固溶温度560℃，保温时间1h；
(10)固溶后立即进行双级人工时效，预时效温度210℃，保温时间4h，主时效温度180℃，保温时间10h。热处理后即可获得成品铝合金材料。
时效处理后该铝合金导体材料性能为：室温抗拉强度397MPa，室温屈服强度370MPa，200℃下抗拉强度336MPa，导电率48.1％IACS。伸长率6.0％。
实施例2
选用高强度、高导电率铝合金的化学成分质量百分比为：Si：1.3，Mg：1.4，Fe：0.6，Ni：0.6，Zn：1.3，B：0.03，并控制杂质元素Cu：0.03，Ti：0.04，其他杂质元素单个≤0.03，总和≤0.15。按以下工艺步骤进行制备：
(1)所用原料为Al99.70的重溶铝锭、Al-18Si、Al-10Fe、Al-10Ni、Al-3B等中间合金，以及Mg9990镁锭和Zn99.5锌锭。根据上述化学成分质量百分比计算出各合金原料的加入量；
(2)将铝液导入保温炉，并根据化学成分要求加入中间合金锭及镁和锌锭进行合金化，合金化温度750℃；
(3)对上述铝合金液进行精炼，精炼温度750℃，精炼剂加入量为0.15％；精炼时间30min；
(4)取样进行成分分析，根据分析结果进一步调整化学成分，搅拌均匀后加入焙烧的光卤石覆盖剂，静置40min；
(5)采用在线净化装置净化铝液，控制铝液中氢含量0.18ml/100g铝液，在线加入Al-Ti-C细化剂，控制铝锭中Ti含量为0.04％。采用30ppi的泡沫陶瓷过滤板过滤夹杂物；
(6)铸造直径为200mm铝合金锭时，控制浇注温度为690℃，浇注速度100mm/min制成DC铸锭；
(7)对铸锭进行均匀化处理，升温至560℃保温8h；
(8)挤压加工，铝合金锭加热温度450℃，保温时间1h；挤压出口温度500℃；
(9)固溶温度560℃，保温时间1h；
(10)固溶后进行100℃保温1h的低温时效处理，停放12h后再进行双级人工时效，预时效温度210℃，保温时间4h，主时效温度180℃，保温时间10h。热处理后即可获得成品铝合金材料。
时效处理后该铝合金导体材料性能为：室温抗拉强度395MPa，室温屈服强度365MPa，200℃下抗拉强度335MPa，20℃导电率48.2％IACS。伸长率6.3％。
实施例3
选用高强度、高导电率铝合金的化学成分质量百分比为：Si：1.3，Mg：1.4，Fe：0.6，Ni：0.6，Zn：1.3，B：0.03，并控制杂质元素Cu：0.03，Ti：0.04，其他杂质元素单个≤0.03，总和≤0.15。按以下工艺步骤进行制备：
(1)所用原料为Al99.70的重溶铝锭、Al-18Si、Al-10Fe、Al-10Ni、Al-3B等中间合金，以及Mg9990镁锭和Zn99.5锌锭。根据上述化学成分质量百分比计算出各合金原料的加入量；
(2)将铝液导入保温炉，并根据化学成分要求加入中间合金锭及镁和锌锭进行合金化，合金化温度750℃；
(3)对上述铝合金液进行精炼，精炼温度750℃，精炼剂加入量为0.15％；精炼时间30min；
(4)取样进行成分分析，根据分析结果进一步调整化学成分，搅拌均匀后加入焙烧的光卤石覆盖剂，静置40min；
(5)采用在线净化装置净化铝液，控制铝液中氢含量0.18ml/100g铝液，在线加入Al-Ti-C细化剂，控制铝锭中Ti含量为0.04％。采用30ppi的泡沫陶瓷过滤板过滤夹杂物；
(6)铸造直径为200mm铝合金锭时，控制浇注温度为690℃，浇注速度100mm/min制成DC铸锭；
(7)对铸锭进行均匀化处理，升温至560℃保温8h；
(8)挤压加工，铝合金锭加热温度450℃，保温时间1h；挤压出口温度500℃；
(9)固溶温度560℃，保温时间1h；
(10)固溶后进行100℃保温1h的低温时效处理，停放7天后再进行双级人工时效，预时效温度210℃，保温时间4h，主时效温度180℃，保温时间10h。热处理后即可获得成品铝合金材料。
时效处理后该铝合金导体材料性能为：室温抗拉强度393MPa，室温屈服强度368MPa，200℃下抗拉强度337MPa，导电率48.3％IACS。伸长率6.2％。
上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种屈服强度高于350MPa的高导电率铝合金，其特征在于，包括以下质量百分比组分：
Si：1.05～1.55，
Mg：1.25～1.6，
Fe：0.30～0.8，
Ni：0.30～0.8，
Zn：1.1～1.5，
B：0.01～0.03，
其余为铝，且Ni/Fe质量比为0.98～1.03，并控制杂质元素Cu≤0.05，Ti≤0.05，其他杂质元素单个≤0.03，总和≤0.15。
2.按照权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金包括以下质量百分比组分：
Si：1.3～1.5，
Mg：1.4～1.6，
Fe：0.5～0.6，
Ni：0.5～0.6，
Zn：1.1～1.3，
B：0.02～0.03，
其余为铝，且Ni/Fe质量比为0.99～1.01，并控制杂质元素Cu≤0.03，Ti≤0.04，其他杂质元素单个≤0.03，总和≤0.15。
3.权利要求1或2所述屈服强度高于350MPa的高导电率铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将Al99.70工业纯铝液导入保温炉，铝液温度控制在730～760℃，加入Al-18Si、Al-10Fe、Al-10Ni、Al-3B中间合金锭及Mg9990镁锭，Zn99.5锌锭和精炼剂进行合金化和精炼，所述精炼剂加入量为0.1％～0.15％；精炼时间25～30min，
2)取样分析，根据分析结果进一步调整化学成分，搅拌均匀，加焙烧后的光卤石覆盖剂并静置30～45min；
3)使用在线净化装置净化铝液，控制铝液中氢含量不大于0.20ml/100g；在流槽中加入细化剂细化合金晶粒，控制合金中Ti含量不大于0.05；然后过滤夹杂物；
4)将步骤3)处理好的铝合金液用半连续铸造法铸造铝合金锭，浇注温度690～710℃，铸造速度85～100mm/min；
5)将铸锭进行均匀化处理，工艺为550～565℃，保温8～12h；
6)将步骤5)均匀化处理的铝合金锭加热到420～480℃，保温1～10h，挤压成型为铝合金型材，挤压出口温度450～500℃；
7)将步骤6)所得物进行固溶处理：温度550～575℃，保温0.5～4h；
8)将步骤7)所得物进行时效处理：采用双级人工时效，预时效温度200～230℃，保温时间2～6h，主时效温度160～180℃，保温时间8～12h；
经上述热处理获得成品铝合金导体。
4.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述铝液为使用Al99.70的铝锭在740～760℃重溶所得或满足Al99.70成分要求的电解铝液。
5.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述细化剂为Al-Ti-C，加入量以Ti量计不超过0.04％；所述过滤使用30～40ppi的泡沫陶瓷过滤板。
6.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤8)中所述时效处理，若固溶处理后需要停放3h以上再进行时效处理，则需要固溶后先进行90～110℃保温0.5～1h低温短时预时效处理后再停放。
7.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤8)中所述时效处理，预时效温度210～220℃，保温2～4h，主时效温度170～180℃，保温10～12h。
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