CN111826559A - 一种铝-镁-硅-钪-硼合金单丝及制备方法 - Google Patents

一种铝-镁-硅-钪-硼合金单丝及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铝‑镁‑硅‑钪‑硼合金单丝及其制备方法，其包括按质量百分比计的下述组分：铝、镁、硅、钪和硼组分以及铁、钒、钛、铬和锰杂质组分；各组份的质量百分比：镁:0.45～0.65％，硅:0.35～0.50％，钪:0.20～0.40％，硼:0.01～0.02％，铁:0.08～0.15％，(钒+钛+铬+锰)≤0.01％，其余为铝和不可避免的其它杂质。所述方法包括熔炼、精炼、浇铸、固溶、轧制、拔丝和时效。所得铝‑镁‑硅‑钪‑硼合金单丝的导电率为57.2％IACS(20℃)，抗拉强度为303MPa，延伸率为3.1％。

Description

一种铝-镁-硅-钪-硼合金单丝及制备方法
技术领域
本发明涉及一种导电体材料，具体讲涉及一种导电铝合金单丝。
背景技术
随着社会经济建设的快速发展，电力需求逐年攀升。研发与应用高性能导线，充分利用线路走廊及设施尽可能地多输送电量、降低线损，已逐渐成为电力运行部门迫切需要考虑和解决的重要问题。
具有整体直流电阻小、线损小、载流量大，抗拉强度高、质量轻、弧垂特性好、耐蚀性能的高强度铝合金导线可节约大量金属材料和基建投资，尤其适用于需要远距离、大跨越等输电线路，可显著地提高电能输送效率，保障线路安全可靠性，所以深受人们的青睐。
因此，需要一种可以进一步提高高强度铝合金导线的导电性能的技术方案，来满足提升输电线路技术水平、降低输电线路线路损耗的需要。
技术内容：
本发明目的在于以纯度为99.7％的电工铝锭为原材料，制备一种铝-镁-硅-钪-硼高强高导铝合金单丝材料，解决现有的高强铝合金单丝及其导线产品导电率低的弊端。
本发明的目的通过两个方面来实现的，一是加入微量钪、硼元素改善合金的微观组织与综合性能，另一方面是改进相应的制备工艺。
开发出导电率≥57％IACS(20℃)、抗拉强度≥300MPa、延伸率≥3.0％的铝合金单丝。
实施上述目的的技术方案如下：
一种铝-镁-硅-钪-硼合金单丝，其改进之处在于，所述单丝包括按质量百分比计的下述组分：
铝、镁、硅、钪和硼组分以及铁、钒、钛、铬和锰杂质组分；
各组份的质量百分比：镁:0.45～0.65％，硅:0.35～0.50％，钪:0.20～0.40％，硼:0.01～0.02％，铁:0.08～0.15％，(钒+钛+铬+锰)≤0.01％，其余为铝和不可避免的其它杂质。
其中，所述铝-镁-硅-钪-硼合金单丝包括：铝-镁-硅合金；以及0.20～0.40％的钪和0.01～0.02％的硼。
其中，所述单丝的制备方法包括：将纯度大于预设纯度阈值的铝锭在730～750℃炉中熔炼；
于所得的730～740℃的熔炼液加入铝-硼中间合金进行硼化处理；
于硼化处理所得的730～750℃熔炼液中加入镁、铝-硅中间合金和铝-钪中间合金，熔化后搅拌，静置第一时间；
向所述静置后所得的710～730℃下的熔液中吹入压力为0.5～0.8MPa的氮气，静置第二时间后扒渣；
将精炼所得的700～720℃的熔液浇入金属型模具得铸锭；
将铸锭在550～580℃下保温第三时间后水淬；
将铸锭在430～460℃保温第四时间后，轧制或挤压成φ9.5mm的杆后水淬；
将所得φ9.5mm的杆经8～12道次拉拔，得φ3～4mm单丝。
其中，所述第一时间为15～20min；
所述第二时间为20～30min。
其中，搅拌时间和氮气吹入时间均为10～15min。
其中，第三时间为2～4h；第四时间为3～5h。
其中，所述制备方法进一步包括：
将所得单丝在170～190℃下时效第五时间。
其中，第五时间为4～10h。
一种铝-镁-硅-钪-硼合金单丝的制备方法，其改进之处在于，包括：
将纯度大于预设纯度阈值的铝锭在730～750℃炉中熔炼；
于所得的730～740℃的熔炼液加入铝-硼中间合金进行硼化处理；
于硼化处理所得的730～750℃熔炼液中加入镁、铝-硅中间合金和铝-钪中间合金，熔化后搅拌，静置第一时间；
向所述静置后所得的710～730℃下的熔液中吹入压力为0.5～0.8MPa的氮气，静置第二时间后扒渣；
将精炼所得的700～720℃的熔液浇入金属型模具得铸锭；
将铸锭在550～580℃下保温第三时间后水淬；
将铸锭在430～460℃保温第四时间后，轧制或挤压成φ9.5mm的杆后水淬；
将所得φ9.5mm的杆经8～12道次拉拔，得φ3～4mm单丝；所述单丝包括按质量百分比计的下述组分：
铝、镁、硅、钪和硼组分以及铁、钒、钛、铬和锰杂质组分；
各组份的质量百分比：镁:0.45～0.65％，硅:0.35～0.50％，钪:0.20～0.40％，硼:0.01～0.02％，铁:0.08～0.15％，(钒+钛+铬+锰)≤0.01％，其余为铝和不可避免的其它杂质。
其中，将所得单丝在170～190℃下时效第五时间。
和最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
本发明提供的合金中的镁对铝具有明显的强化作用，在其范围内的镁每增加1％，所得产品的抗拉强度便约升高34MPa。镁和硅在铝-镁-硅系合金中，强化了其中的硅化镁强化相；而硅化镁强化相也会对合金的导电性能产生一定的影响：当镁含量较低时，合金的导电率一般较高而强度较低，但适度过量的镁且经热处理会使硅化镁充分沉淀，合金也有高的导电率。
其中作为铝合金的最普通的元素之一的硅由于其在合金中能形成一些化合物，使铝合金可进行热处理强化，所以能提高铝合金的铸造性能及焊接流动性，和有较高的力学性能。
本发明技术方案中的稀土元素钪可有效提高合金的性能，对强度、硬度、耐热性、耐腐蚀性和焊接性等均有明显提高。高温下的钪与铝可生成的Al3Sc弥散相，能在铝-镁-硅系合金时效过程中促进其它沉淀相的形成。
本发明技术方案中的硼化处理是降低铝合金杂质含量的一种有效方法，在铝合金中加入一定量的硼，能够和过渡族杂质元素铬、锰、钒、钛等发生反应，使之由固溶态转变为化合态并沉积于熔体底部，从而提高铝合金的导电性能。
本发明技术方案中的铁一般以粗大的一次晶体出现，或以铝-铁-硅化合物形式存在，这在一定程度上提高了铝的硬度，使铝的塑性降低，对铸造铝的力学性能是有害的。但是，一定含量范围铁可以提高铝导体强度，并不显著降低其导电性，所以本申请的技术方案中注意了对铁含量的控制防止铝导体中的铁过高导致电阻率升高。
本发明技术方案中的钒、锰、铬和钛均为铝合金中的铝合金的导电性能影响较大的杂质元素。固溶态下存在于铝导体中的钛、钒、锰和铬容易吸收导体材料内的自由电子而填充它们不完整的电子层，传导电子数目的减少无疑会导致铝导体导电性的降低。实践表明(铬+钛+锰+钒)的含量每增加1％对导电性能的损害，相当于的每增加1％的硅对铝导电性损害的5倍，所以本发明提供的技术方案中对这几种组分的量进行了严格控制。
本发明提供的技术方案一方面在铝-镁-硅合金中加入稀土元素钪并控制了其他组分的含量，另一方面通过制备工艺的调整，而在铝杆中优先生成Al3Sc弥散相能在后续的时效过程中促进其它沉淀相的形成，这既起到了强化作用，又降低了溶质原子在铝基体中的固溶度，减小了晶格畸变，从而提高了导电性能，由此得到的铝合金单丝抗拉强度≥300MPa、延伸率≥3.0％、导电率≥57％IACS(20℃)。
具体实施例
下面通过具体实施例对本发明提供的技术方案做具体详细说明，另有说明除外，本发明提供的技术方案中的组分均以质量百分比计：
本发明提供的铝-镁-硅-钪-硼合金单丝包括按质量百分比计的下述组分：
铝、镁、硅、钪和硼组分以及铁、钒、钛、铬和锰杂质组分；
各组份的质量百分比：镁:0.45～0.65％，硅:0.35～0.50％，钪:0.20～0.40％，硼:0.01～0.02％，铁:0.08～0.15％，(钒+钛+铬+锰)≤0.01％，其余为铝和不可避免的其它杂质。
所述的一种铝-镁-硅-钪-硼合金单丝，包括：
铝-镁-硅合金；以及
0.20～0.40％的钪和0.01～0.02％的硼。
本发明提供的所述铝-镁-硅-钪-硼合金单丝的其制备工艺包括：
(1)冶炼：
1-1，将纯度≥99.7％的铝锭于730～750℃的熔炼炉熔炼；
1-2，待纯铝完全熔化后，于730～740℃下加入铝-硼中间合金进行硼化处理；
1-3，于730～750℃下加入纯镁、铝-硅中间合金和铝-钪中间合金，完全熔化后搅拌10～15min，静置15～20min。
(2)精炼：向710～730℃下的熔液中吹入压力0.5～0.8MPa的氮气10～15min，静置20～30min后扒渣。
(3)浇铸：将700～720℃的铝合金液浇入金属型模具，获得22×22×200mm的铸锭。
(4)固溶：铸锭在550～580℃下保温2～4h后水淬。
(5)轧制：将水淬的铸锭在430～460℃下保温3～5h后，轧制或挤压成φ9.5mm的铝合金圆杆，然后水淬。
(6)拔丝：φ9.5mm的铝合金圆杆经过8～12道次拉拔，获得φ3～4mm单丝。
(7)时效：将所得单丝在170～190℃下时效4～10h。
应予说明的是，本申请各实施例的导电率是按照GB/T 23308架空绞线用铝-镁-硅合金圆线要求进行性能检测，将TEGAM 1750高精密高速可编程微欧计测量的单丝电阻换算的导电率；抗拉强度用三思CMT6104微机控制电子万能试验机测得的。
实施例1
一种铝-镁-硅-钪-硼合金单丝，组分及其质量百分比为：
元素 镁 硅 钪 硼 铁 钒+钛+铬+锰 铝
质量分数/wt.％ 0.45 0.35 0.40 0.01 0.15 0.01 余量
纯度为99.7％的纯铝锭溶化后进行硼化处理，然后加入纯镁、铝-硅中间合金和铝-钪中间合金，使它们的最终含量如上所示。经过熔炼、铸造后580℃下固溶2h后水淬，430℃下保温5h后轧制或挤压得到φ9.5mm圆铝杆并立即水淬，经过8道次拉拔后得到φ4mm铝合金单丝，在170℃保温10h，所得铝-镁-硅-钪-硼单丝的导电率为57.2％IACS(20℃)，抗拉强度为305MPa，延伸率为3.3％。
实施例2
一种铝-镁-硅-钪-硼合金单丝材料，组分及其质量百分比为：
元素 镁 硅 钪 硼 铁 钒+钛+铬+锰 铝
质量分数/wt.％ 0.65 0.50 0.20 0.02 0.08 0.006 余量
纯度为99.7％的纯铝锭溶化后进行硼化处理，然后加入纯镁、铝-硅中间合金和铝-钪中间合金，使它们的最终含量如上所示。经过熔炼、铸造后570℃下固溶3h后水淬，460℃保温3h后轧制或挤压得到φ9.5mm圆铝杆并立即水淬，经过10道次拉拔后得到φ3.5mm铝合金单丝，在190℃下保温4h，单丝的导电率为57％IACS(20℃)，抗拉强度为315MPa，延伸率为3.0％。
实施例3
一种铝-镁-硅-钪-硼合金单丝材料，组分及其质量百分比为：
元素 镁 硅 钪 硼 铁 钒+钛+铬+锰 铝
质量分数/wt.％ 0.55 0.42 0.30 0.15 0.13 0.008 余量
纯度为99.7％的纯铝锭溶化后硼化处理，然后加入纯镁、铝-硅中间合金和铝-钪中间合金，使它们的最终含量如上所示。经过熔炼、铸造后，560℃下固溶3.5h后水淬，440℃下保温4h后轧制或挤压得到φ9.5mm圆铝杆并立即水淬，经过12道次拉拔后得到φ3.0mm铝合金单丝后在180℃下保温6h，所得铝-镁-硅-钪-硼合金单丝的导电率为57.1％IACS(20℃)，抗拉强度为308MPa，延伸率为3.2％。
实施例4
一种铝-镁-硅-钪-硼合金单丝材料，组分及其质量百分比为：
元素 镁 硅 钪 硼 铁 钒+钛+铬+锰 铝
质量分数/wt.％ 0.50 0.45 0.35 0.17 0.11 0.007 余量
纯度为99.7％的纯铝锭溶化后进行硼化处理，然后加入纯镁、铝-硅中间合金和铝-钪中间合金，使它们的最终含量如上所示。经过熔炼、铸造后575℃下固溶2.5h水淬，450℃下保温3.5h后轧制或挤压得到φ9.5mm圆铝杆并立即水淬，经过10道次拉拔后得到φ3.2mm铝合金单丝后在175℃保温8h，所得铝-镁-硅-钪-硼合金单丝的导电率为57.1％IACS(20℃)，抗拉强度为305MPa，延伸率为3.1％。
实施例5
一种铝-镁-硅-钪-硼合金单丝材料，组分及其质量百分比为：
元素 镁 硅 钪 硼 铁 钒+钛+铬+锰 铝
质量分数/wt.％ 0.60 0.42 0.25 0.12 0.13 0.009 余量
纯度为99.7％的纯铝锭溶化后进行硼化处理，然后加入纯镁、铝-硅中间合金和铝-钪中间合金，使它们的最终含量如上所示。经过熔炼、铸造后565℃下固溶3h进行水淬，455℃下保温3h后轧制或挤压得到φ9.5mm圆铝杆并立即水淬，经过12道次拉拔后得到φ3.8mm铝合金单丝后在185℃保温5h，单丝的导电率为57.2％IACS(20℃)，抗拉强度为303MPa，延伸率为3.1％。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在算机或其他可编程数据处理设备上执行。

Claims (10)

1.一种铝-镁-硅-钪-硼合金单丝，其特征在于，所述单丝包括按质量百分比计的下述组分：
铝、镁、硅、钪和硼组分以及铁、钒、钛、铬和锰杂质组分；
各组份的质量百分比：镁:0.45～0.65％，硅:0.35～0.50％，钪:0.20～0.40％，硼:0.01～0.02％，铁:0.08～0.15％，(钒+钛+铬+锰)≤0.01％，其余为铝和不可避免的其它杂质。
2.根据权利要求1所述的一种铝-镁-硅-钪-硼合金单丝，其特征在于：所述铝-镁-硅-钪-硼合金单丝包括：
铝-镁-硅合金；以及
0.20～0.40％的钪和0.01～0.02％的硼。
3.根据权利要求1所述的一种铝-镁-硅-钪-硼合金单丝，其特征在于，所述单丝的制备方法包括：
将纯度大于预设纯度阈值的铝锭在730～750℃炉中熔炼；
于所得的730～740℃的熔炼液加入铝-硼中间合金进行硼化处理；
于硼化处理所得的730～750℃熔炼液中加入镁、铝-硅中间合金和铝-钪中间合金，熔化后搅拌，静置第一时间；
向所述静置后所得的710～730℃下的熔液中吹入压力为0.5～0.8MPa的氮气，静置第二时间后扒渣；
将精炼所得的700～720℃的熔液浇入金属型模具得铸锭；
将铸锭在550～580℃下保温第三时间后水淬；
将铸锭在430～460℃保温第四时间后，轧制或挤压成φ9.5mm的杆后水淬；
将所得φ9.5mm的杆经8～12道次拉拔，得φ3～4mm单丝。
4.根据权利要求3所述的一种铝-镁-硅-钪-硼合金单丝，其特征在于，
所述第一时间为15～20min；
所述第二时间为20～30min。
5.根据权利要求3所述的一种铝-镁-硅-钪-硼合金单丝，其特征在于，
搅拌时间和氮气吹入时间均为10～15min。
6.根据权利要求3所述的一种铝-镁-硅-钪-硼合金单丝，其特征在于，
第三时间为2～4h；
第四时间为3～5h。
7.根据权利要求3所述的一种铝-镁-硅-钪-硼合金单丝，其特征在于，所述制备方法进一步包括：
将所得单丝在170～190℃下时效第五时间。
8.根据权利要求7所述的一种铝-镁-硅-钪-硼合金单丝，其特征在于，
第五时间为4～10h。
9.一种铝-镁-硅-钪-硼合金单丝的制备方法，其特征在于，包括：
将纯度大于预设纯度阈值的铝锭在730～750℃炉中熔炼；
于所得的730～740℃的熔炼液加入铝-硼中间合金进行硼化处理；
于硼化处理所得的730～750℃熔炼液中加入镁、铝-硅中间合金和铝-钪中间合金，熔化后搅拌，静置第一时间；
向所述静置后所得的710～730℃下的熔液中吹入压力为0.5～0.8MPa的氮气，静置第二时间后扒渣；
将精炼所得的700～720℃的熔液浇入金属型模具得铸锭；
将铸锭在550～580℃下保温第三时间后水淬；
将铸锭在430～460℃保温第四时间后，轧制或挤压成φ9.5mm的杆后水淬；
将所得φ9.5mm的杆经8～12道次拉拔，得φ3～4mm单丝；所述单丝包括按质量百分比计的下述组分：
铝、镁、硅、钪和硼组分以及铁、钒、钛、铬和锰杂质组分；
各组份的质量百分比：镁:0.45～0.65％，硅:0.35～0.50％，钪:0.20～0.40％，硼:0.01～0.02％，铁:0.08～0.15％，(钒+钛+铬+锰)≤0.01％，其余为铝和不可避免的其它杂质。
10.根据权利要求9所述的一种铝-镁-硅-钪-硼合金单丝的制备方法，其特征在于，进一步包括：
将所得单丝在170～190℃下时效第五时间。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114231803A (zh) * 2021-12-23 2022-03-25 江苏中天科技股份有限公司 一种新型高强高导铝合金单丝及其制备方法
CN115386769A (zh) * 2022-08-30 2022-11-25 河南通达电缆股份有限公司 轻量化新能源汽车用铝合金排及其制备方法

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