CN112002457B - 一种高导电率铜包稀土铝合金覆合线材及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高导电率铜包稀土铝合金覆合线材及其制备工艺，该覆合线材包括：稀土铝合金芯杆和包覆在所述稀土铝合金芯杆外层的铜层；所述铜层通过采用无氧铜带或者脱氧铜带在所述稀土铝合金芯杆外层连续包覆并经氩弧焊接工艺制备而成；所述铜层的体积占比≥40％，其质量占比≥70％；所述覆合线材的导电率≥80％IACS。本发明的高导电率铜包稀土铝合金覆合线材导电率可达到纯铜的80％以上，电阻率到达了0.02084Ω/mm²*m，物理参数以及使用寿命均与纯铜相当(硬态的所述覆合线材的抗拉强度≥288MPa)，成本低于纯铜线材，可作为纯铜线材的替代品，可节约我国稀缺的铜资源，显著减小制造成本。

Description

一种高导电率铜包稀土铝合金覆合线材及其制备工艺

技术领域

本发明涉及电缆技术领域，特别涉及一种高导电率铜包稀土铝合金覆合线材及其制备工艺。

背景技术

目前，电线电缆工业快速发展，电线电缆芯导体材料主要使用的是铜与铝，基于原材料价格、资源特性等因素，铝电缆发展迅速，大有“铝进铜退”之势，其中的重要原因是铜与铝的价格差异，我国铜资源稀缺，铜价格不断攀升，使纯铜电缆成本不断增加，相比之下，铝资源更加丰富，价格较低，可降低成本。但纯铝线缆存在诸多问题，例如：机械强度差；容易发生蠕变；导电性能差等。铝合金导体材料与纯铝相比，通过引入其他元素，能显著改善线缆的机械性能和导电性能。

按照行业标准中国标准(SJ/T 11223-2000)，现在的铜包铝线缆中按铜层体积比通常分为四类：10A—铜层体积比为10％的软态铜包铝线；10H—铜层体积比为10％的硬态铜包铝线；15A—铜层体积比为15％的软态铜包铝线； 15H—铜层体积比为15％的硬态铜包铝线。目前对于铜包铝合金线缆，我国已进行了大量研究，并获得了性能比较优异的铜包铝合金线缆。例如，中国专利CN106756259B-一种铜包铝合金导线，其中铜层体积占比约15％，获得的线缆电阻率为0.02586Ω/mm²*m；虽然均达到了行业标准要求，但其相当于纯铜的导电率分别只有66.7％，仍然有较大的上升空间。而国内很多电线电缆生产企业由于工艺技术落后，对铝合金导体材料以及电缆制备工艺的缺乏深入研究，导致生产的铝合金电线电缆机械性能和导电性还到不到国家标准。由于电阻率的降低能大大减小线路上电能的损耗，提高线缆的导电率及机械性能，具有显著的经济效益和社会效益。所以，现在还需要研制具有更加优异的性能的铜包铝线缆，以逐渐代替纯铜线缆，应用于社会的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高导电率铜包稀土铝合金覆合线材及其制备工艺。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高导电率铜包稀土铝合金覆合线材，包括：稀土铝合金芯杆和包覆在所述稀土铝合金芯杆外层的铜层；所述铜层通过采用无氧铜带或者脱氧铜带在所述稀土铝合金芯杆外层连续包覆并经氩弧焊接工艺制备而成；

所述无氧铜带或者脱氧铜带的电阻率≤0.01710Ω/mm²*m，所述稀土铝合金芯杆的电阻率≤0.0281Ω/mm²*m；

所述铜层的体积占比≥40％，其质量占比≥70％；所述覆合线材的导电率≥80％IACS。

优选的是，所述覆合线材的密度为5.14-5.34g/m³；

软态的所述覆合线材的电阻率≤0.02084Ω/mm²*m、抗拉强度≥230MPa；

硬态的所述覆合线材的电阻率≤0.02149Ω/mm²*m、抗拉强度≥288MPa。

优选的是，所述覆合线材的密度为5.24g/m³。

优选的是，所述无氧铜带或者脱氧铜带的厚度为1mm～1.08mm、宽度为 30～35mm；

所述稀土铝合金芯杆为圆形线材，其直径为7.0～7.5mm。

优选的是，所述稀土铝合金芯杆中各组分的质量百分比为：镧 0.01-0.05％、硅0.05-0.25％、铜0.05-0.35％、铁0.3-0.8％、锌0.03-0.1％、镁 0.03-0.1％、硼0.005-0.02％，余量为铝以及不可避免的杂质。

优选的是，所述稀土铝合金芯杆中各组分的质量百分比为：镧0.02％、硅0.1％、铜0.15％、铁0.6％、锌0.05％、镁0.05％、硼0.01％，余量为铝以及不可避免的杂质。

优选的是，所述稀土铝合金芯杆中的组分还包括与镧的质量比为3:1的铈。

优选的是，所述稀土铝合金芯杆中的组分按质量百分比还包括钨铼合金 0.02-0.08％、铒0.04-0.1％、钪0.01-0.05％、钇0.005-0.02％；

所述钨铼合金中铼的质量比为30-38％。

本发明还提供一种高导电率铜包稀土铝合金覆合线材的制备工艺，其包括以下步骤：

1)制备稀土铝合金芯杆；

2)将所述无氧铜带或者脱氧铜带连续包覆在所述稀土铝合金芯杆外层，并采用氩弧焊接工艺焊接；

3)采用氩气冷却；

4)采用收卷装置收卷。

优选的是，所述步骤2)中焊接电流为：290A～350A；所述步骤4)中，收卷速度为6～15m/min；

所述步骤3)中，氩气冷却工艺中需保证焊接后的所述覆合线材的温度在10s时间内下降到400℃以下。

本发明的有益效果是：

本发明的高导电率铜包稀土铝合金覆合线材导电率可达到纯铜的80％以上(导电率≥80％IACS)，电阻率到达了0.02084Ω/mm²*m，物理参数以及使用寿命均与纯铜相当(硬态的所述覆合线材的抗拉强度≥288MPa)，成本低于纯铜线材，可作为纯铜线材的替代品，应用在电机，电器，通讯等行业场景，无需改变原设备的结构尺寸，可节约我国稀缺的铜资源，显著减小制造成本；

本发明的另一些实施例中，通过在大量试验的基础上，结合深入研究分析，引入了其他混合稀土并优化配比，获得了综合性能进一步提高的高导电率铜包稀土铝合金覆合线材。

附图说明

图1为本发明的实施例2中的试验结果；

图2-4为本发明的实施例3中的试验结果；

图5a、5b、5c、5d为本发明的实施例4中的试验结果；

图6a、6b、6c、6d、6e、6f为本发明的实施例5中的试验结果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本实施例的一种高导电率铜包稀土铝合金覆合线材，包括：稀土铝合金芯杆和包覆在所述稀土铝合金芯杆外层的铜层；所述铜层通过采用无氧铜带或者脱氧铜带在所述稀土铝合金芯杆外层连续包覆并经氩弧焊接工艺制备而成；

所述无氧铜带或者脱氧铜带的电阻率≤0.01710Ω/mm²*m，所述稀土铝合金芯杆的电阻率≤0.0281Ω/mm²*m；

所述铜层的体积占比≥40％，其质量占比≥70％；所述覆合线材的导电率≥80％IACS。

其中，所述覆合线材的密度为5.14-5.34g/m³；

软态的所述覆合线材的电阻率≤0.02084Ω/mm²*m、抗拉强度≥230MPa；

硬态的所述覆合线材的电阻率≤0.02149Ω/mm²*m、抗拉强度≥288MPa。

进一步优选的实施例中，所述无氧铜带或者脱氧铜带的厚度为 1mm～1.08mm、宽度为30～35mm；所述稀土铝合金芯杆为圆形线材，其直径为7.0～7.5mm。铜带宽度和厚度太大会导致焊接难度过大，铜带宽度太小会导致卷边弯曲难度增大，生产效率也会降低；以上参数是在大量试验以及理论分析的基础上，综合了生产工艺难度、生产效率、成本等因素选择的较优组合。

在优选的实施例中，所述稀土铝合金芯杆中各组分的质量百分比为：镧 0.01-0.05％、硅0.05-0.25％、铜0.05-0.35％、铁0.3-0.8％、锌0.03-0.1％、镁 0.03-0.1％、硼0.005-0.02％，余量为铝以及不可避免的杂质。

本发明获得的高导电率铜包稀土铝合金覆合线材，导电率可达到纯铜的 80％以上(导电率≥80％IACS)，物理参数以及使用寿命均与纯铜相当(硬态的所述覆合线材的抗拉强度≥288MPa)，成本低于纯铜线材，可作为纯铜线材的替代品，应用在电机，电器，通讯等行业场景，无需改变原设备的结构尺寸，可节约我国稀缺的铜资源，显著减小制造成本。

为获得到达上述参数的金覆合线材，本发明提供的配套制备工艺为：

1)制备稀土铝合金芯杆；

2)将所述无氧铜带或者脱氧铜带连续包覆在所述稀土铝合金芯杆外层，并采用氩弧焊接工艺焊接；

3)采用氩气冷却；

4)采用收卷装置收卷。

其中，所述步骤2)中焊接电流为：290A～350A；所述步骤4)中，收卷速度为6～15m/min。铜带包覆稀土铝合金芯杆时，铜带对接纵缝处需要焊接牢固。由于铜的熔点和稀土铝合金的熔点差距较大，其两者物理参数也不同，若焊接温度过高会导致稀土铝合金因“过烧”使稀土合金晶粒变粗，机械性能相应恶化，使铜包稀土合金金覆合线材的强度和塑性均下降，从而在拉拔过程中易断丝；若焊接温度过低，会导致铜带焊接不完全，使得线材在后续的拉拔过程中铜带焊接处容易开裂。因此铜带包覆稀土铝合金芯杆的对接纵缝处焊接时，其焊接电流和收卷速度的有机配合至关重要，需使铜带熔池能穿透铜带致使焊接牢固又不会破坏稀土合金芯杆的晶体不受破坏，以免影响强度和塑性，因此焊接工艺参数与收卷速度的配合非常重要。本发明通过大量实验并结合理论分析确定了上述焊接电流和收卷速度范围，在此参数条件下，既能保证铜带焊接完全、牢固，又不会破坏稀土合金芯杆的晶体，从而能获得性能满足要求的金覆合线材产品。

其中，所述步骤3)中，氩气冷却工艺中需保证焊接后的所述覆合线材的温度在10s时间内下降到400℃以下。为了使铜包稀土铝合金在高温下不会破坏稀土合金芯杆的晶体(过烧现象)，在焊接出口到收卷之间需增加冷却装置(本发明中采用氩气冷却装置)，通过快速冷却能使得覆合线材保持原有强度和塑性。

以上为本发明的总体构思，以下在其基础上提供进一步的实施例，以对本发明作出更为详细的说明。

实施例1

一种高导电率铜包稀土铝合金覆合线材，包括：稀土铝合金芯杆和包覆在所述稀土铝合金芯杆外层的铜层；所述铜层通过采用无氧铜带带在所述稀土铝合金芯杆外层连续包覆并经氩弧焊接工艺制备而成。

其中，所述无氧铜带的电阻率＝0.01710Ω/mm²*m，所述稀土铝合金芯杆的电阻率＝0.0281Ω/mm²*m；

其中，所述铜层的体积占比＝40％，铜层的质量占比＝70％；

其中，所述无氧铜带或者脱氧铜带的厚度为1mm、宽度为30.8mm；所述稀土铝合金芯杆为圆形线材，其直径为7.3mm。

其中，所述稀土铝合金芯杆中各组分的质量百分比为：镧0.02％、硅0.1％、铜0.15％、铁0.6％、锌0.05％、镁0.05％、硼0.01％，余量为铝以及不可避免的杂质。

本实施例提供的高导电率铜包稀土铝合金覆合线材的制备工艺包括以下步骤：

1)制备稀土铝合金芯杆；

将各组分按重量比加入，冶炼抽丝、得到毛坯芯杆；经精整、拉伸等工艺得到稀土铝合金芯杆；

2)对稀土铝合金芯杆和铜带分别进行预处理(包括清洗、烘干、打磨等)，再将所述铜带连续包覆在所述稀土铝合金芯杆外层，并采用氩弧焊接工艺焊接，焊接中氩气作为保护气；焊接电流为320A；所述步骤4)中，收卷速度为6～15m/min；

3)焊接后的覆合线材采用氩气冷却，且保证焊接后的所述覆合线材的温度在10s时间内下降到400℃以下；

4)采用收卷装置收卷，收卷速度控制在6.5m/min；

5)后续对得到的覆合线材线坯进行多次拉拔，并根据需求选择是否进行退火处理，最终制得高导电率铜包稀土铝合金覆合线材成品。其中，未退火处理得到硬态覆合线材，退火处理得到软态覆合线材。

本实施例中，还对制得的硬态覆合线材和软态覆合线材的性能进行了检测，并与市售的优质铜包铝线材(能满足行业标准的线材，中国标准SJ/T 11223-2000或美国标准ASTM-B 566-1993)进行了比较，详细结果见表1。

表1实施例1的覆合线材与市售的优质铜包铝线材的物理特性对比

上表中，铜包铝CCA-10中，铜体积占比为10％，铜质量占比为27％；铜包铝CCA-15中，铜体积占比为15％，铜质量占比为40％；铜包稀土铝合金CCJA-40中，铜体积占比为40％，铜质量占比为70％。

以上为按照标准：中华人民共和国电子行业标准(SJ/T 11223-2000)对上述几种铜包铝线进行检测的结果，从以上检测结果可以看出，本实施例制备得到的高导电率铜包稀土铝合金覆合线材软态的电阻率到达了 0.02084Ω/mm²*m(导电率到达了80.23IACS％)，硬态的到达了 0.02149Ω/mm²*m(导电率到达了82.73IACS％)，软态抗拉强度到达了 230MPa，硬态抗拉强度到达了288MPa。

所以本实施例的覆合线材的导电性、抗拉强度、断裂伸长性能均显著优于市售的优质铜包铝线材，且高于行业标准所规定的值。本实施例的覆合线材导电率可达到纯铜的80％以上，物理参数以及使用寿命均与纯铜相当，而成本低于纯铜线材，可作为纯铜线材的替代品，可节约我国稀缺的铜资源，显著减小制造成本。

本发明中，突破了铜包铝线缆行业标准中铜层体积占比限于10-15％的偏见，将铜层体积占比提高至了40％以上；并通过大量的试验结合理论分析，对制备工艺以及使用的材料进行改进，通过综合优化制备得到了导电率可达到纯铜的80％以上、物理性能与纯铜相当，而成本低于纯铜线材的高导电率铜包稀土铝合金覆合线材产品，从而可作为纯铜线材的替代品。

以下实施例2和3中还对铜层体积占比参数对制得的线材性能的影响进行了详细研究优化。

实施例2铜层体积占比参数的研究优化

本实施例与实施例1的区别仅在于铜层体积占比不同，本实施例中，按不同的铜层体积占比制备得到了多组高导电率铜包稀土铝合金覆合线材(硬态)，并对其电阻率、抗拉强度进行了检测，检测结果如表2和图1所示。

表2铜层体积占比参数的研究优化结果

覆合线材编号	铜层体积占比％	电阻率Ω/mm<sup>2</sup>*m	抗拉强度MPa
				2-1	10	0.02415	327
2-2	15	0.02343	315
				2-3	20	0.02279	305
2-4	25	0.02231	297
				2-5	30	0.02195	292
2-6	35	0.02168	290
				2-7	40	0.02149	288
2-8	45	0.02137	282
				2-9	50	0.02129	273

参照表2和图1可知，随铜层体积占比的增加，电阻率和抗拉强度整体均为下降趋势。对于电阻率的变化趋势原因为：本发明中，纯铜电阻率低于稀土铝合金芯杆，所以随纯铜量增加，覆合线材的电阻率呈下降趋势。对于抗拉强度的变化趋势原因为：本发明中，纯铜的抗拉强度为220MPa左右，而本发明中的稀土铝合金芯杆的抗拉强度为300-420MPa，所以随纯铜量增加，覆合线材的抗拉强度呈下降趋势。且可以看出，电阻率的下降趋势呈逐渐放缓状态，抗拉强度先下降较快，在铜层的体积占比为35-45％左右下降较缓，之后又加速下降。通过分析铜层的体积占比对电阻率和抗拉强度的影响，结合成本因素考虑，铜层的体积占比并非越大越好，而是需要通过具体数据结合分析选择一个平衡点，使得综合效果最佳。本实施例中优选铜层的体积占比为40％，此时获得的电阻率很低，抗拉强度较好，成本也较低。

实施例3

本实施例中，对稀土铝合金芯杆的具体组分进行了详细研究，通过大量试验结合理论分析确认了稀土铝合金芯杆中各组分的选择和配比的优选方案。

通常来说，铝合金导线的导电性与力学性能/耐热性能，呈现出对立的趋势，金属材料纯度越高，导电性越好，99.996％的高纯率，导电率为65.5％IACS，但力学性能很差，抗拉强度在80-100MPa。为了提高铝合金的力学性能/耐热性需要加入其他元素，通过晶粒细化等作用提高耐热性和强度。由于合金元素的加入降低了铝纯度，破坏了铝晶格的正常结构，使晶格产生畸变，增加了流动电子与畸变的晶格原子间的相互作用，造成多余电子衍射，使铝合金导体材料的电阻率增大。且通常，晶格力度越小，形成的点、线、面缺陷越多，电阻率越大。

经过国内外通过大量研究后，添加铝合金导体材料中的主要添加元素基本相同，所以通过添加其他元素提高铝合金导体材料综合性能的关键是在于添加元素的含量、特定元素之间的比例以及某些特殊元素的选择。

由于铝合金导体材料的导电性与力学性能/耐热性能往往呈现出对立的趋势，因此解决问题的关键在于从矛盾体重寻找一个平衡点：即通过添加的元素的种类的选择与配比(尤其某些特殊元素的选择)、添加量的控制、以及元素间的交互作用的有机配合，从而使得在提高力学性能/耐热性能的同时，基本不增加电阻率，甚至还能降低电阻率。解决该问题并非单单通过大量试验就可实现，还需要结合深入的分析，并对试验进行合理的规划。

铁在铝合金材料中通常以粗大的一次晶体或赝一次晶体出现，或者以 Al-Fe-Si化合物形式存在，能提高合金的抗拉强度，但会降低导电率和断裂延伸率；所以铁的量需要严格控制。

硅容易形成Al-Fe-Si化合物，过量时，当过量的硅以游离态形式存在，形成过剩相。不管何种形式存在，都会提高合金的抗拉强度，但会降低导电率和断裂延伸率，硅的量需要控制。

镧能与杂质元素(特别是钛、钒、锰等)反应，生成密度大的难溶物，沉入铝熔体底部，净化滤液，提高导电率；过量时，会形成新的杂质，降低导电率，且镧能细化晶粒，晶界增多导致导电能力下降。所以镧的量需要严格控制。

另外，铜、锌、镁、硼作为常见的添加元素，均能起到一定的作用，但用量需要严格控制。特别注意的是，钛(Ti)、锰(Mn)、钒(V)、铬(Cr)、锂(Li)、镐(Zr)对导电率影响很大，杂质元素固溶于铝合金材料中除了造成晶格畸变导致电子散热几率提高外，还容易吸收铝合金材料中的自由电子来充实他们不完整的电子层，导致导电率降低，需要尽量避免。

所以本实施例中确定的组分为：镧、硅、铜、铁、锌、镁、硼、铝。铜、锌、镁、硼的量根据前期研究分别确定为：铜0.15％、锌0.05％、镁0.05％、硼0.01％，本实施例中，在前期试验确定的基本范围的基础上，还对其中的镧、硅、铁的含量进行了进一步的研究分析，以确定其在本发明中的优选配比。本实施例的以下试验中均采用与实施例1相同的方案制备高导电率铜包稀土铝合金覆合线材，然后采用相同的检测标准(中华人民共和国电子行业标准SJ/T 11223-2000)对产品(硬态)的性能进行了检测，以研究相关成分对产品性能的影响，从而获得优选方案，以下仅列出不同部分(即相关元素的比例)。

1、镧含量确定，试验结果参照表3和图2：

表3镧含量试验结果

从表3和图2的结果可以看出，随镧含量的增加，电阻率先降低后增高，而抗拉强度保持增高的趋势。这是因为：镧能与杂质元素(特别是钛、钒、锰等)反应，生成密度大的难溶物，沉入铝熔体底部，净化滤液，提高导电率；过量时，会形成新的杂质，降低导电率，且镧能细化晶粒，晶界增多导致导电能力下降。所以优选确定镧的含量为0.02％。

2、铁含量确定，试验结果参照表4和图3：

表4铁含量试验结果

从表4和图3的结果可以看出，随铁含量的增加，电阻率逐渐升高，而抗拉强度也逐渐增高。这是因为：铁在铝合金材料中通常以粗大的一次晶体或赝一次晶体出现，或者以Al-Fe-Si化合物形式存在，能提高合金的抗拉强度，但会降低导电率。通过上述结果发现：越过铁含量为0.6％的点后，电阻率的增势变快，而抗拉强度的增势变缓。且当铁含量为0.6％时，导电性能和抗拉强度均到达了很好的水平，综合分析考虑，确定铁含量优选值为0.6％。

3、硅含量确定，试验结果参照表5和图4：

表5硅含量试验结果

从表5和图4的结果可以看出，随硅含量的增加，电阻率和抗拉强度均逐渐升高，而抗拉强度也逐渐增高。这是因为：硅容易形成Al-Fe-Si化合物，过量时，当过量的硅以游离态形式存在，形成过剩相。不管何种形式存在，都会提高合金的抗拉强度，但会降低导电率。通过上述结果发现：越过硅含量为0.10％的点后，电阻率的增势基本不变，而抗拉强度的增势变缓。且硅含量为0.10％时，导电性能和抗拉强度均到达了很好的水平，综合分析考虑，确定硅含量优选值为0.10％。

本实施例中，通过大量的试验结合理论分析，优选确定出了与本发明的总体工艺条件相匹配的稀土铝合金芯杆中各组分的选择和配比的优选方案，一方面获得了高导电率(电阻率0.02149Ω/mm²*m)、高强度(抗拉强度 288MPa)的铜包稀土铝合金覆合线材，另一方面对多种元素对最终线材的性能影响进行了深入分析，从而可为后续进一步提升产品性能提供基础与参考。

即本实施例3确定的方案为：稀土铝合金芯杆中各组分的质量百分比为镧0.02％、硅0.1％、铜0.15％、铁0.6％、锌0.05％、镁0.05％、硼0.01％。在此条件下获得的产品的性能为：电阻率0.02149Ω/mm²*m、抗拉强度 288MPa。

实施例4

为进一步提升铜包稀土铝合金覆合线材的综合性能(强度、导电性等)，在大量试验与分析的前提下，本实施例在实施例1的基础上进一步在稀土铝合金芯杆的原料组分中引入了与镧的质量比为3:1的铈。

铝合金中加入铈元素后，铝合金的断裂延伸率受到铈元素固溶强化作用与细化晶粒作用的双重影响，固溶强化作用后的固溶体断裂延伸率低于溶质和溶剂的断裂延伸率平均值，即降低了铝合金的延伸性能；细化晶粒作用由于使晶粒得到细化，改善了铝合金的延伸性，使断裂延伸率提高。铈元素处于不同含量时，固溶强化与细化晶粒中的某一种会成为主要作用，所以铈的含量多少对产品性能的影响显著。

铈的加入能改善铝中杂质铁、硅的分布规律，使晶界上Al+FeAl₃共晶组织消失，同时铁、硅由固溶态变为析出态的Al-Fe-Ce、Ce-Si化合物，从而提高导电率；铈还具有脱硫效果，能净化铝基体和晶界，从而提高导电率。但过量的铈，因为晶粒细化作用过于增强，晶界增多，电子散射概率增大，导致电阻率升高。

另外，铈在铝中固溶度小，偏聚在相界、晶界和枝晶界处的稀土增加了变形阻力，当稀土加入量足以形成金属间化合物时，与合金中的元素形成新相，大部分韩稀土的第二相都出现离子化、球化和细化特征，这些弥散分布的高熔点化合物具有很高的热稳定性，从而使得最终产品的强度能得到显著提高。

所以，铈对覆合线材的导电性、强度、断裂延伸的性能的影响是多方面的，同时也是波动的趋势(并非越多越好或是越少越好)，在某一些点或范围能达到一个平衡，使产品具有很好的综合性能，而寻找这种平衡的点或范围则是解决问题的关键所在。另一方面，本实施例中通过试验还发现，铈和镧在铝合金中能产生交互作用，两者对产品的力学性能和导电性能的影响以及影响程度不一样，铈和镧各自添加量以及两者的配比对最终的性能具有较大影响。本实施例确定了铈和镧配合添加的含量的优选方案，并对各个方案按实施例1的方法，获得的铜包稀土铝合金覆合线材产品(硬态))的性能进行了检测，具体结果参照表6-1和图5a、5b。

表6-1铈和镧的比例试验结果

从表6-1和图5a、5b的结果可以看出，与实施例1相比，加入铈后，导电性能、抗拉强度、断裂伸长率均有所提升，可以说明铈的添加对产品综合性能的增强作用。且随着铈含量：镧含量的比值的增加，电阻率和抗拉强度均呈现上升趋势，断裂伸长率呈现下降趋势。可以说明铈对抗拉强度的增强效果强于镧，而镧对导电性能和断裂伸长性能的增强效果强于铈，通过铈和镧配比的优化，利用两者的交互作用，使获得的铜包稀土铝合金覆合线材产品的综合性能得到了进一步提高。

以下还提供了对比试验，与上述试验的不同之处仅在于：只添加铈而不添加镧，试验结果如表6-2和图5c、5d所示。

表6-2铈含量试验结果

通过表6-2和图5c的结果可以看出，铈的添加能改善抗拉强度和断裂伸长性能，通过铈含量的控制能实现电阻率的降低，提升导电性能。

更重要的是，通过表6-2和图5c的结果，与表6-1和图5a、5b的结果、实施例3的结果的对比可以得出以下结论：铈和镧单独使用时，通过含量的控制均能实现导电性能、抗拉强度和断裂伸长性能的综合改善；且铈和镧单独使用时获得的改善效果均显著差于铈和镧复配使用时的效果，且优选比例为铈：镧＝3:1。这主要是因为铈和镧在铝合金中能产生交互作用，通过特定配比后，两者共同作用，使获得的产品的综合性能得以提升。

即本实施例中，在添加铈含量为0.06％、镧为0.02％的方案下，获得的产品性能为：电阻率0.02138Ω/mm²*m、抗拉强度322MPa、断裂伸长率4.6。

实施例5

为更进一步提升铜包稀土铝合金覆合线材的综合性能(强度、导电性等)，在大量试验与分析的前提下，本实施例在实施例4的基础上(按照铈含量为 0.06的方案)进一步在稀土铝合金芯杆的原料组分中引入了其他的混合稀土：钨铼合金、铒、钪和钇，具体的，本实施例中，所述稀土铝合金芯杆中的组分按质量百分比还包括钨铼合金0.02-0.08％、铒0.04-0.1％、、钪0.01-0.05％、钇0.005-0.02％；且所述钨铼合金中铼的质量比为30-38％。本实施例与实施例4的不同之处仅在于还添加了上述混合稀土，以下试验中仅列出不同部分。

更为优选的实施例中，通过大量试验与分析，确定了优选配比为：钨铼合金为0.06％、铒为0.08％、钪0.01％、钇0.03％，且钨铼合金中铼的质量比为35％。经检测，此条件下获得的产品的性能为：电阻率0.02139Ω/mm²*m、抗拉强度367MPa、断裂伸长率5.5％。

1、钨铼合金含量试验

试验结果如下表7-1和图6a、6b所示。

表7-1钨铼合金含量试验结果

参照表7-1和图6a、6b的结果可以看出，加入钨铼合金后，抗拉强度和断裂伸长率都得到了显著提升，但电阻率也有一定的增加。主要原因为：铼能与铁、硅等杂志生成温度的金属间化合物(ReFe₅\ReSi)，起到强化基体的作用，还能与铜、锰形成化合物，耐热性好，熔点高，呈弥散分布的第二相Re化合物(Al₈Cu₄Re等)，成为结晶核心，能提高形核率，细化晶粒，提高抗拉强度和塑韧性。且钨-铼合金还能增强抵御电弧腐蚀的性能。另外，纯钨性脆，再结晶温度很低；纯铼加工性能很差，价格昂贵。以钨-铼合金形式使用，不仅能赋予产品良好的塑性，还具有高硬度、高强度和耐高温等特性。由于铼价格昂贵，钨-铼合金形式使用同时降低了成本，另外在保证对力学性能提高的基础上降低了对导电性的负面影响。

2、钨铼合金中铼的含量试验

试验结果如下表7-2和图6c、6d所示，以下试验中，钨铼合金总含量为 0.06％。

表7-2钨铼合金中铼的含量试验

传统钨铼合金中，一般铼的含量在3％-26％之间，但本实施例中，克服了传统技术的偏见，铼含量控制在30％-38％(质量百分数)之间(采用常规工艺制作即可)，发现在该范围内，对抗拉强度和断裂伸长率具有显著的增强效果，且对导电性能的负面效果在可接受的范围内。更进一步优选为35％，获得的产品在抗拉强度和断裂伸长率上具有很好的结果。

4、钇含量试验

钨-铼合金仍然会对导电性能造成一定的负面影响，为进一步保证导电性能，本实施例通过添加钇元素，与钨-铼合金配合使用，通过交互作用，使得最终获得的产品在提高了力学性能的前提下不降低或基本不降低导电率。钇含量试验结果参照下表7-3和图6e、6f。以下试验中，钨铼合金总含量为0.06％，且钨铼合金中，铼含量为35％。

表7-3钇含量试验

参照表7-3和图6e、6f的结果可以看出，加入钇后，电阻率显著下降，基本抵消了因钨-铼合金的加入而造成的导电性能的破坏，而抗拉强度和断裂伸长率基本无影响。且随钇含量的增加，电阻率先降低后升高，其主要原因为：钇对铝合金的组织细化晶粒效果明显，能细化合金的二次枝晶组织，减小共晶化合物尺寸，使导电率增加；同时还能降低其他元素的最大固溶度，而形成更多析出态，提高导电率；一定范围内导电率总体表现上升，钇过量时，钇对导电性的影响与杂质相似，在基体和晶界都有富集，增加了杂质散射和晶格散射几率，导致导电性严重下降，所以，钇的含量需要严格控制。另外钇与其他元素形成的第二相造成衔接边界性质不连续，容易导致合金的力学性能下降，所以钇需要与其他元素组合使用，取长补短。本实施例中，钇与钨-铼合金配合正好能弥补钇对力学性能的负面影响，和钨-铼合金对导电性的负面影响，而充分利用两者的优势，形成互补增强的效果，使得导电性基本不下降的前提下，力学性性能得到了进一步增强。

5、铒、钪含量试验

Sc(钪)原子半径为0.1641，铝0.143，钪与铝原子半径相差小，与铝的电负性差小，利于在铝中的固溶和形成稳定的化合物Al₃Sc，提高强度。Sc 是铝合金强有力的晶粒细化剂和有效的再结晶抑制剂，析出的Al₃Sc对铝合金有很好的弥散强化作用。所以Sc可现在提供铝合金的力学性能，但价格较贵。

Er与Sc具有类似作用，还能提高热稳定性，价格便宜。Er能改善合金微观组织，提高综合力学性能、热稳定性。Er与铝形成Al₃Er相，该相与铝的空间结构类似，晶格参数与Al接近，能与铝基体共格，作为非均质形核核心，提高形核率，阻碍枝晶生长，促进晶核繁殖，从而能有效细化晶粒；由于Er在铝中可形成过饱和固溶体，在后续热处理和加工过程中从基体中析出次生的Al₃Er相，该相细小且弥散分布，可显著提高合金强度和再结晶温度。改善塑性、热稳定性。

杂质元素在铝基体中以固溶体存在时，对电阻率的增大作用远远大约析出状态，仅是固溶态的几分之一到几十分之一。而一些添加元素无论处于固溶态还是析出状态，对力学性能/耐热性能的提升都基本相同。任何元素在铝中都有一固溶度极限，当添加元素量大于固溶度极限时，则以第二相析出。通过提升析出状态比例可降低对导电性的损害。

本实施例中，将Er与Sc组合使用，首先是能用绝大部分的Er代替Sc，起到基本相同的力学性能增强效果，但成本大大降低；且Er还能起到改善塑性、热稳定性的功能，另一方面，Er加入后，改善了贵的存在状态和分布规律，可优先与硅形成Er₅Si₃相析出，Er与铝形成Al₃Er相，且Al₃Er相在铝中的固溶度很小，部分Al₃Er相析出，从而降低了电阻率。虽然有一部分Er溶于Al晶格中，但由于Er的固溶度极小(0.1％)，所以固溶态的Er引起的电阻率的增加非常有限，使得Er的除杂引起的电阻率的降低的影响大于Er固溶引起的电阻率的增加，故表现为导电率增加。而Sc固溶度(0.4％)大于 Er，固溶态的Sc引起的电阻率的增加比Er显著，所以表现为能显著提升力学性能时的Sc的添加量使导电率降低。Er对力学性能的增加差于Sc，但能弥补Sc会造成电阻率增大的缺陷。所以，本实施例中，Er与Sc组合使用

通过Er对导电率的提升，能抵消Sc的添加带来的不可避免的导电率下降的缺陷，通过Sc又能显著提高力学性能，两者相互补充，进行交互增强，从而能在基本不降低导电性能的前提下提升力学性能和热稳定性能。

试验结果如表7-4所示。

表7-4铒、钪含量试验

从表中结果可以看出，铒和钪的一块添加能同时改善力学性能和导电性能，且效果优于任意一种单独使用的结果，同时，铒为0.08％、钪为0.01％，能到达导电性能、抗拉强度、断裂伸长率均优的一个平衡点，使产品能获得优异的综合性能。

本发明的实施例1-3，通过工艺优化，获得了高导电率铜包稀土铝合金覆合线材，导电率可达到纯铜的80％以上(导电率≥80％IACS)，物理参数以及使用寿命均与纯铜相当(硬态的所述覆合线材的抗拉强度≥288MPa)。并对多种工艺参数、稀土铝合金芯杆的组分进行了深入研究分析。本发明的实施例4-5，通过对稀土铝合金芯杆的组分的进一步研究分析，引入其他混合稀土，并优化配比，获得了综合性能进一步提高的高导电率铜包稀土铝合金覆合线材。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (8)

1.一种高导电率铜包稀土铝合金覆合线材，其特征在于，包括：稀土铝合金芯杆和包覆在所述稀土铝合金芯杆外层的铜层；所述铜层通过采用无氧铜带或者脱氧铜带在所述稀土铝合金芯杆外层连续包覆并经氩弧焊接工艺制备而成；

所述无氧铜带或者脱氧铜带的电阻率≤0.01710Ω/mm²*m，所述稀土铝合金芯杆的电阻率≤0.0281Ω/mm²*m；

所述铜层的体积占比≥40％，其质量占比≥70％；所述覆合线材的导电率≥80％IACS；

所述稀土铝合金芯杆中各组分的质量百分比为：镧0.01-0.05％、硅0.05-0.25％、铜0.05-0.35％、铁0.3-0.8％、锌0.03-0.1％、镁0.03-0.1％、硼0.005-0.02％、钨铼合金0.02-0.08％、铒0.04-0.1％、钪0.01-0.05％、钇0.005-0.02％，余量为铝以及不可避免的杂质；

所述钨铼合金中铼的质量比为30-38％。

2.根据权利要求1所述的高导电率铜包稀土铝合金覆合线材，其特征在于，所述覆合线材的密度为5.14-5.34g/m³；

软态的所述覆合线材的电阻率≤0.02084Ω/mm²*m、抗拉强度≥230MPa；

硬态的所述覆合线材的电阻率≤0.02149Ω/mm²*m、抗拉强度≥288MPa。

3.根据权利要求2所述的高导电率铜包稀土铝合金覆合线材，其特征在于，所述覆合线材的密度为5.24g/m³。

4.根据权利要求2所述的高导电率铜包稀土铝合金覆合线材，其特征在于，所述无氧铜带或者脱氧铜带的厚度为1mm～1.08mm、宽度为30～35mm；

所述稀土铝合金芯杆为圆形线材，其直径为7.0～7.5mm。

5.根据权利要求4所述的高导电率铜包稀土铝合金覆合线材，其特征在于，所述稀土铝合金芯杆中各组分的质量百分比为：镧0.02％、硅0.1％、铜0.15％、铁0.6％、锌0.05％、镁0.05％、硼0.01％，余量为铝以及不可避免的杂质。

6.根据权利要求4所述的高导电率铜包稀土铝合金覆合线材，其特征在于，所述稀土铝合金芯杆中的组分还包括与镧的质量比为3:1的铈。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的高导电率铜包稀土铝合金覆合线材的制备工艺，其包括以下步骤：

1)制备稀土铝合金芯杆；

2)将所述无氧铜带或者脱氧铜带连续包覆在所述稀土铝合金芯杆外层，并采用氩弧焊接工艺焊接；

3)采用氩气冷却；

4)采用收卷装置收卷。

8.根据权利要求7所述的高导电率铜包稀土铝合金覆合线材的制备工艺，其特征在于，所述步骤2)中焊接电流为：290A～350A；所述步骤4)中，收卷速度为6～15m/min；

所述步骤3)中，氩气冷却工艺中需保证焊接后的所述覆合线材的温度在10s时间内下降到400℃以下。

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