CN111378849A - 一种工业纯铝导线的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种工业纯铝导线的制备方法，包含：熔体净化处理、热挤压处理和旋锻处理三步工序，具体为熔体净化处理和热挤压处理后借助低温旋锻处理工序。本发明的制备方法通过在材料中构筑细小的伸长晶粒，其径向尺寸小利于材料强度的提高，轴向尺寸大增加了电子传输距离，降低了晶界对电子的散射作用，提高了材料的电导率，使其力学性能得到进一步的提高，从而获得尺寸精度高，表面光洁度好，具有优异导电性和强度的导电铝合金。

Description

一种工业纯铝导线的制备方法
技术领域
本发明涉及纯铝导电合金制备领域，具体是一种工业纯铝导线的制备方法。
背景技术
铝及铝合金具有密度小、比强度高、导电导热性能好等优点，在汽车制造、电工行业、航空航天等领域得到越来越广泛的应用。近年来，随着电气电工行业的发展，铝及铝合金越来越多地应用于电线电缆、电器开关等领域，以取代目前广泛应用的铜以及铜合金导体。铜以及铜合金导体具有优异的导电性和力学性能，一直在导电材料领域占有很大比例，但是全球铜资源的储量急剧减少，尤其是中国的铜资源严重匮乏，对外依赖度较高，这些均使研究者们逐渐意识到改善或者寻找一种电力输送线路替代材料的重要性和紧迫性。铜价相对较高，考虑到生产电气产品成本和利润问题，国内外众多的大中型制造加工企业纷纷开始寻找铜及铜合金的替代品；而中国的铝资源相对丰富且国内电解铝产能严重过剩，从国家资源战略的角度看，扩大铝合金导电材料在电线电缆产品中的应用范围，“以铝节铜”成为导电材料的一个重要发展趋势，并且对于产业的可持续发展具有重要战略意义。
经对现有技术的文献检索发现，张强等人在《铸造技术》上发表的“硼化处理导电铝Ti、V含量以及性能影响的研究”一文中，介绍了在电解原铝液中加入硼,研究了硼化处理对电导率和力学性能的影响。结果表明,通过适当的硼化处理,可以使铝中的Ti、 V含量降低。硼化处理后铝的电阻率得到降低,伸长率提高,抗拉强度略有降低。硼与 Ti、V等元素反应生成硼化物并由铝液中分离,降低了Ti、V等元素的固溶量,从而影响铝的导电性能和力学性能。但是传统的硼化处理效率较低，使得材料的导电性能无法得到进一步的提高。
进一步文献检索发现，余虹云等人在《轻合金加工技术》上发表的“纯铝线强度和导电率反常制约现象及机制分析”一文中，提到了通过拉拔工艺对工业纯铝进行加工时，晶粒在径向上的细化以及在轴向上的拉长在提高强度的同时也有利于改善其导电率，在拉丝过程中产生的<111>丝织构对强度有贡献且不影响导电率。但是拉拔的总变形量比较有限，强度上的提高较小，且拉拔时机械阻力较大，得到的产品尺寸受到限制，难以满足工业需要。
发明内容
本发明目的针对现有技术存在的不足，提供了一种工业纯铝导线的制备方法。
实现本发明目的通过以下技术方案实现的，一种工业纯铝导线的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对工业纯铝熔体添加工业纯钛、B元素进行净化处理：
步骤2，热挤压变形：将净化处理后得到的工业纯铝铸棒置于热处理炉进行保温，调控挤压比进行热挤压；
步骤3，对热挤压后的工业纯铝杆进行旋锻处理。
熔体净化处理，具体步骤为：
步骤1.1，将工业纯铝置于电阻炉中熔化至720℃～780℃，此时向熔体中添加 50～100ppm的工业纯钛并进行机械搅拌；
步骤1.2，随后添加300～600ppm的B元素处理，对熔体进行15～30min的保温使得杂质元素形成硼化物沉淀到熔体底部，实现杂质元素与熔体的分离；
步骤1.3，保温结束后将工业纯铝液浇铸于不同尺寸的铜模中，形成
Figure BDA0001925584370000021
的铸棒。
进一步的，步骤1.2中，B元素以Al-3B中间合金的形式向熔体中添加。
进一步的，步骤2中，保温温度在200～350℃，挤压比范围为10～58。
进一步的，步骤2中，控制热挤压后的棒材尺寸在
Figure BDA0001925584370000022
进一步的，旋锻处理过程，包括以下步骤：
步骤3.1，首先将热挤压后的纯铝杆置于空气中或液氮中，使其降温至室温或液氮温度；
步骤3.2，将纯铝杆置于旋锻机上进行锻造，调控旋锻工艺参数；
步骤3.3，完成一道次锻造以后，重新降至室温或液氮温度，更换相应的旋锻模具，重复旋锻步骤，直至获得所需尺寸的样品。
进一步的，步骤3.2中，旋锻工艺参数为：旋转方向为逆时针或顺时针，旋转速度为10～30r/min，每次直径减少量为0.1～0.5mm。
本发明相对于现有技术相比具有显著特点：
1.本发明的制备方法采用添加Ti元素辅助硼化处理的净化方法，配以热挤压和旋锻的加工方式获得导电铝合金，具有极大的微观结构设计指向性和灵活性，可根据需求调整合金选择，获得综合性能出色的高强导电铝合金。
2.本发明的制备方法使用Ti元素辅助硼化处理对熔体净化，其中硼化处理以Al-3B 中间合金的形式向熔体中添加B元素，大幅提高了硼化效率，进一步降低了熔体中的杂质含量；同时采用热挤压和旋锻的加工方式调控产品宏观尺寸，减小晶粒尺寸，提高材料强度。
3.本发明的制备方法可制备大尺寸，且尺寸性能可控的导电铝合金，更加能够满足工业应用的需求。
附图说明
图1为本发明的制备方法净化处理示意图。
图2为本发明的制备方法浇铸模具示意图。
图3为本发明的制备方法热挤压示意图。
图4为本发明的制备方法旋锻示意图。
图5为的制备方法晶粒变化示意图，(a)为净化处理浇铸后铸态金相示意图，(b)为最终产品金相示意图。
图6为本发明部分产品实物图。
图7实施例1的工程应力应变曲线图。
图8实施例2的工程应力应变曲线图。
图9实施例3的工程应力应变曲线图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，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不限于下述的实施例。
实施例1
步骤1，熔体净化处理：选择工业纯铝AA1070作为原材料，将工业纯铝置于电阻炉中熔化至720℃此时向熔体中补充50ppm的工业纯钛并进行机械搅拌，随后添加 300ppm的B元素处理，其中B元素以Al-3B中间合金的形式向熔体中添加。对熔体进行15min的保温使得杂质元素形成硼化物沉淀到熔体底部，实现杂质元素与熔体的分离。保温结束后将工业纯铝液浇铸于不同尺寸的铜模中，形成
Figure BDA0001925584370000031
的铸棒。
步骤2，热挤压变形：将净化处理后得到的工业纯铝铸棒置于热处理炉进行保温，保温温度在200℃，通过选取适当的模具调控挤压比，挤压比为20，热挤压后的棒材尺寸为
Figure BDA0001925584370000041
步骤3，旋锻处理：
(1)首先将热挤压后的纯铝杆置于液氮中，使其降温至液氮温度；
(2)将上述工业纯铝杆置于旋锻机上进行锻造，调控旋锻工艺相关参数，旋转方向为逆时针，旋转速度为25r/min，每次直径减少量为0.3mm；
(3)完成一道次锻造以后，由于变形热的产生，需将样品重新降至液氮温度，更换相应的旋锻模具，重复上述(2)(3)旋锻步骤，直至获得尺寸
Figure BDA0001925584370000042
的样品。样品抗拉强度达到85MPa，导电率为60％IACS。
实施例2
步骤1，熔体净化处理：选择工业纯铝AA1070作为原材料，将工业纯铝置于电阻炉中熔化至750℃，此时向熔体中补充75ppm的工业纯钛并进行机械搅拌，随后添加400ppm的B元素处理，其中B元素以Al-3B中间合金的形式向熔体中添加。对熔体进行20min的保温使得杂质元素形成硼化物沉淀到熔体底部，实现杂质元素与熔体的分离。保温结束后将工业纯铝液浇铸于不同尺寸的铜模中，形成
Figure BDA0001925584370000043
的铸棒。
步骤2，热挤压变形：将净化处理后得到的工业纯铝铸棒置于热处理炉进行保温，保温温度在300℃，通过选取适当的模具调控挤压比，挤压比为33，热挤压后的棒材尺寸在
Figure BDA0001925584370000044
步骤3，旋锻处理：
(1)首先将热挤压后的纯铝杆置于液氮中，使其降温至室温；
(2)将上述工业纯铝杆置于旋锻机上进行锻造，调控旋锻工艺相关参数，旋转方向为逆时针，旋转速度为15r/min，每次直径减少量为0.2mm；
(3)完成一道次锻造以后，由于变形热的产生，需将样品重新降至室温，更换相应的旋锻模具，重复上述(2)(3)旋锻步骤，直至获得尺寸
Figure BDA0001925584370000045
的样品。样品抗拉强度达到81MPa，导电率为61％IACS。
实施例3
步骤1，熔体净化处理：选择工业纯铝AA1070作为原材料，将工业纯铝置于电阻炉中熔化至780℃，此时向熔体中补充100ppm的工业纯钛并进行机械搅拌，随后添加600ppm的B元素处理，其中B元素以Al-3B中间合金的形式向熔体中添加。对熔体进行30min的保温使得杂质元素形成硼化物沉淀到熔体底部，实现杂质元素与熔体的分离。保温结束后将工业纯铝液浇铸于不同尺寸的铜模中，形成
Figure BDA0001925584370000051
的铸棒。
步骤2，热挤压变形：将净化处理后得到的工业纯铝铸棒置于热处理炉进行保温，保温温度在350℃，通过选取适当的模具调控挤压比，挤压比范围为58，热挤压后的棒材尺寸在
Figure BDA0001925584370000052
步骤3，旋锻处理：
(1)首先将热挤压后的纯铝杆置于液氮中，使其降温至液氮温度；
(2)将上述工业纯铝杆置于旋锻机上进行锻造，调控旋锻工艺相关参数，旋转方向为逆时针，旋转速度为15r/min，每次直径减少量为0.1mm；
(3)完成一道次锻造以后，由于变形热的产生，需将样品重新降至液氮温度，更换相应的旋锻模具，重复上述(2)(3)旋锻步骤，直至获得尺寸
Figure BDA0001925584370000053
的样品。样品抗拉强度达到70MPa，导电率为65％IACS。
对净化后的工业纯铝进行热挤压处理，并辅以旋锻技术对热挤压后的工业纯铝综合性能进行相应调控。添加Ti元素辅助硼化处理可以显著减少杂质元素在铝中的固溶量，从而得到导电性能较高的工业纯铝；辅以热挤压的加工方法，减小铸态工业纯铝的尺寸并起到细化晶粒的作用，从而提高力学及导电性能；最后采用旋锻的方式进一步细化晶粒，使其力学性能得到进一步的提高，且旋锻后的材料尺寸精度高，表面光洁度好，易于直接投入使用。
本发明基于微量的过渡族金属元素(V、Ti、Cr、Zr)易掺杂到已经形成的硼化物中依附析出以及Ti元素比较容易引入Al熔体中且有辅助晶粒细化的特点，提出了向熔体中添加微量Ti元素辅助硼化的净化方法，促进了工业纯铝熔体中其他过渡族元素的析出，使得合金中的V、Ti、Cr、Zr、Ca等杂质元素较常规硼化处理进一步下降，可使 AA1070Al中的杂质含量降低至AA1090Al的杂质含量。采用热挤压以及旋锻对辅助硼化后的铸棒进行加工，在产品精准成形的同时由于晶粒细化使得产品的强度得到相应的提高，且由于旋锻的加工方式给晶粒带来的是径向的细化和轴向的拉长，在提高强度的同时并不会显著降低产品的导电率，因而通过本发明提到的添加Ti元素辅助硼化处理配合热挤压及旋锻的制备方法可获得高强度高导电率的工业纯铝导线。

Claims (7)

1.一种工业纯铝导线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对工业纯铝熔体添加工业纯钛、B元素进行净化处理：
步骤2，热挤压变形：将净化处理后得到的工业纯铝铸棒置于热处理炉进行保温，调控挤压比进行热挤压；
步骤3，对热挤压后的工业纯铝杆进行旋锻处理。
2.根据权利要求1所述的工业纯铝导线的制备方法，其特征在于，熔体净化处理，具体步骤为：
步骤1.1，将工业纯铝置于电阻炉中熔化至720℃～780℃，此时向熔体中添加50～100ppm的工业纯钛并进行机械搅拌；
步骤1.2，随后添加300～600ppm的B元素处理，对熔体进行15～30min的保温使得杂质元素形成硼化物沉淀到熔体底部，实现杂质元素与熔体的分离；
步骤1.3，保温结束后将工业纯铝液浇铸于不同尺寸的铜模中，形成
Figure FDA0001925584360000011
的铸棒。
3.根据权利要求2所述的工业纯铝导线的制备方法，其特征在于，步骤1.2中，B元素以Al-3B中间合金的形式向熔体中添加。
4.根据权利要求1所述的工业纯铝导线的制备方法，其特征在于，步骤2中，保温温度在200～350℃，挤压比范围为10～58。
5.根据权利要求1所述的工业纯铝导线的制备方法，其特征在于，步骤2中，控制热挤压后的棒材尺寸在
Figure FDA0001925584360000012
6.根据权利要求2所述的工业纯铝导线的制备方法，其特征在于，旋锻处理过程，包括以下步骤：
步骤3.1，首先将热挤压后的纯铝杆置于空气中或液氮中，使其降温至室温或液氮温度；
步骤3.2，将纯铝杆置于旋锻机上进行锻造，调控旋锻工艺参数；
步骤3.3，完成一道次锻造以后,重新降至室温或液氮温度，更换相应的旋锻模具，重复旋锻步骤，直至获得所需尺寸的样品。
7.根据权利要求6所述的工业纯铝导线的制备方法，其特征在于，步骤3.2中，旋锻工艺参数为：旋转方向为逆时针或顺时针，旋转速度为10～30r/min，每次直径减少量为0.1～0.5mm。
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