CN112126833A - 一种高导电铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高导电铝合金，以质量百分比计，其组成为：Mg：0.52‑0.83%；Si：0.3‑0.48%；Fe：0.07‑0.1%；Cu：0.06‑0.2%；Zn：0.02‑0.04%；Cr：0.06‑0.08%；B4C：0.09‑0.12%；Ta：0.05‑0.1%；Ho：0.01‑0.02%；Pm：0.02‑0.03%；至少一种改性剂；至少一种晶粒细化元素,其余为Al和其他不可避免的杂质元素，铝合金还包括有表面处理工序，所述表面处理为磷酸阳极化处理；所述高导电铝合金是经过熔炼、均匀化处理、热挤压等步骤制成的。本发明制得的高导电铝合金屈服强度达到了306.6MPa以上，抗拉强度达到了338.7MPa以上，导电率达到了66.1%IACS以上，比现有技术制得的铝合金性能均有所显著提高。
Description
技术领域
本发明属于铝合金生产技术领域，具体涉及一种高导电铝合金及其制备方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展，电力系统的大发展、大规模的基础建设，我国对电线电缆的需求量快速增长。目前我国电线电缆的导体材料大部分采用铜导体，但是由于我国铜资源紧张，铜价居高不下，铜导体材料占据铜电线电缆成本的70%以上，导致制造铜电线电缆的成本太大；若使用纯铝导体材料，经过我国长时间的使用发现纯铝导体材料长期运行或电流过载后会发生较大的蠕变，导致接触电阻增大，易引起事故，且弯曲性能不好，易开裂或折断，同样易引起事故。因此，铝合金导体材料的研究势在必行。
中国专利申请文献“一种高导电铝合金及其热处理工艺（申请公布号：CN111575557A）”公开了一种高导电铝合金，所述高导电铝合金包括以下成分：0.34-0.45%Si、Fe≤0.12%、0.08-0.18%Cu、0.54-0.76%Mg、Zn≤0.05%、Cr≤0.05%、余量为Al和其他不可避免的杂质元素组成；所述Mg和Si总成分含量≤1.05%，Mg/Si质量比：1.6-1.7；所述Cu和Zn总成分含量0.12-0.18%，2.8≤Cu/Zn≤3.4。该发明在普通元素的基础上，对元素比例含量进行优选，同时配合热处理方法，在提高导电性能的同时，保证了力学性能不会大幅下降，具有应用化前景。但是存在着屈服强度、拉伸强度较差，导电率低，无法满足应用需求的问题。
发明内容
本发明提供一种高导电铝合金及其制备方法，以解决传统的铝合金抗屈服强度、拉伸强度较差，导电率低的技术问题。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种高导电铝合金，以质量百分比计，其组成为：Mg：0.52-0.83%；Si：0.3-0.48%；Fe：0.07-0.1%；Cu：0.06-0.2%；Zn：0.02-0.04%；Cr：0.06-0.08%；B4C：0.09-0.12%；Ta：0.05-0.1%；Ho：0.01-0.02%；Pm：0.02-0.03%；至少一种改性剂；至少一种晶粒细化元素,其余为Al和其他不可避免的杂质元素，铝合金还包括有表面处理工序，所述表面处理为磷酸阳极化处理。
进一步地，所述的高导电铝合金，以质量百分比计，其组成为：Mg：0.74%；Si：0.42%；Fe：0.08%；Cu：0.13%；Zn：0.03%；Cr：0.07%；B4C：0.1%；Ta：0.08%；Ho：0.02%；Pm：0.02%；其余为Al和其他不可避免的杂质元素。
改性剂为Si改性剂，且以小于或等于0.02wt％的量包含在上述的合金组合物中，晶粒细化元素为二硼化钛或碳化钛。
本发明还提供一种高导电铝合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）将Si、Fe、Cu、Zn、Cr铸造成对应的中间合金，将中间合金、Mg锭、B4C锭、Ta锭、Ho锭、Pm锭、改性剂依次加入到熔炼炉中，然后将炉气温度升温至中间合金及Mg锭、B4C锭、Ta锭、Ho锭、Pm锭全部熔化后，再将炉气温度提升，加入Al锭、晶粒细化元素，保温0.8-1.3h至Al锭完全熔化后得到合金溶液，将合金熔液的温度降低，加入精炼剂，接着进行精炼，接着进行静置、扒渣和铸造，具体工艺包括：静置合金溶液温度达到728±5℃，铸造，铸造开始前铸盘预热充分，铸造时过滤箱出口温度在696-720℃，采用热顶铸造，铸造稳定后，铸盘冷端盘尾熔体温度达到678-690℃，铸造前需要在除气箱加入Al-5Ti-1B细化剂，过滤箱加入铝钛硼丝，得到铸锭；
（2）将步骤（1）制得的铸锭进行均匀化处理，空冷，得到均匀化后的铸锭；
（3）对步骤（2）制得的均匀化后的铸锭进行热挤压：控制热挤压出口温度，在线淬火，随后型材拉伸，拉伸后进行人工时处理，制得高导电铝合金。
进一步地，步骤（1）中再将炉气温度提升32-35℃。
进一步地，步骤（1）中将合金熔液的温度降低至728-740℃。
进一步地，步骤（1）中所述精炼剂，以重量份为单位，包括以下原料：氯化钠20-30份、氟化铝钠12-18份、硫化钙16-27份、冰晶石9-15份。
进一步地，步骤（1）中细化剂Al-5Ti-1B加入量为1.6-2.3kg/吨。
进一步地，步骤（2）中铸锭进行均匀化处理的条件：558-576℃/4-6h。
进一步地，步骤（3）中控制热挤压出口温度为512-525℃。
进一步地，步骤（3）中拉伸后进行人工时处理，工艺为183-198℃/5-8h。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明的B4C、Ta、Ho、Pm在生产高导电铝合金中起到了协同作用，协同提高了高导电铝合金的抗屈服强度、拉伸强度。
（2）在除气箱加入Al-5Ti-1B细化剂，细化剂Al-5Ti-1B加入量为1.6-2.3kg/吨，过滤箱加入铝钛硼丝，能够有效除气和去除杂质。
（3）本发明通过对铝合金的组分、熔炼、均匀化处理、热挤压工艺参数进行了优化，提高了产品的性能指标，使得本发明制得的高导电铝合金屈服强度达到了306.6MPa以上，抗拉强度达到了338.7MPa以上，导电率达到了66.1%IACS以上，比对比例5（现有技术）制得的铝合金的屈服强度、拉伸强度、热导率和导电率显著提高。
（4）本发明在铝合金中使用Si改性剂和晶粒细化元素提高了协同作用，进一步调高了屈服强度、拉伸强度等参数。
具体实施方式
为便于更好地理解本发明，通过以下实例加以说明，这些实例属于本发明的保护范围，但不限制本发明的保护范围。
在实施例中，所述高导电铝合金，以质量百分比计，其组成为：Mg：0.52-0.83%；Si：0.3-0.48%；Fe：0.07-0.1%；Cu：0.06-0.2%；Zn：0.02-0.04%；Cr：0.06-0.08%；B4C：0.09-0.12%；Ta：0.05-0.1%；Ho：0.01-0.02%；Pm：0.02-0.03%；至少一种改性剂；至少一种晶粒细化元素,其余为Al和其他不可避免的杂质元素，铝合金还包括有表面处理工序，所述表面处理为磷酸阳极化处理，以提升表面自由能；
改性剂为Si改性剂，且以小于或等于0.02wt％的量包含在上述的合金组合物中，晶粒细化元素为二硼化钛或碳化钛。
铝铸造合金具有Mg浓度，其在硅的存在下增加临界断裂应变（CFS）。尽管硅通过促进铸造合金中的高流动性和低收缩来增加可铸性，但是增加的硅含量导致硅颗粒的形成，导致铸造的主体具有低的拉伸强度。在一个实施方案中，选择本发明的Mg浓度以在金属溶液中产生适当比例的Mg 2 Si沉淀物，而在晶界处没有形成过多的沉淀物，从而提供当经受沉淀硬化时产生拉伸的铸造合金。
临界断裂应变（CFS）可以源自工程应力与应变曲线，该应变曲线是从被测合金样品产生的。应力和应变曲线可以使用准静态自由弯曲测试（ASTME190），准静态压碎测试，准静态轴向压碎或准静态三点弯曲来确定。本发明的合金组合物可进一步包括Si改性剂和晶粒细化剂。在一个实例中，Si改性剂可以以小于或等于0.02wt％的量包含在上述合金组合物中。在一个实例中，晶粒细化剂可包括二硼化钛TiB 2或碳化钛TiC。如果使用二硼化钛作为晶粒细化剂，则合金中硼的浓度可以在0.0025wt％的范围内。同样，如果使用碳化钛作为晶粒细化剂，则合金中碳的浓度可以在0.0025wt％的范围内。
所述的高导电铝合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）将Si、Fe、Cu、Zn、Cr铸造成对应的中间合金，将中间合金、Mg锭、B4C锭、Ta锭、Ho锭、Pm锭、改性剂依次加入到熔炼炉中，然后将炉气温度升温至中间合金及Mg锭、B4C锭、Ta锭、Ho锭、Pm锭全部熔化后，再将炉气温度提升32-35℃，加入Al锭、晶粒细化元素，保温0.8-1.3h至Al锭完全熔化后得到合金溶液，将合金熔液的温度降低至728-740℃，加入精炼剂，所述精炼剂，以重量份为单位，包括以下原料：氯化钠20-30份、氟化铝钠12-18份、硫化钙16-27份、冰晶石9-15份，接着进行精炼，接着进行静置、扒渣和铸造，具体工艺包括：静置合金溶液温度达到728±5℃，铸造，铸造开始前铸盘预热充分，铸造时过滤箱出口温度在696-720℃，采用热顶铸造，铸造稳定后，铸盘冷端盘尾熔体温度达到678-690℃，铸造前需要在除气箱加入Al-5Ti-1B细化剂，细化剂Al-5Ti-1B加入量为1.6-2.3kg/吨，过滤箱加入铝钛硼丝，得到铸锭；
（2）将步骤（1）制得的铸锭进行均匀化处理，558-576℃/4-6h，空冷，得到均匀化后的铸锭；
（3）对步骤（2）制得的均匀化后的铸锭进行热挤压：热挤压出口温度控制为512-525℃，在线淬火，随后型材拉伸，拉伸后进行人工时处理，工艺为183-198℃/5-8h，制得高导电铝合金；
（4）对步骤（3）制得的高导电铝合金进行表面处理工序，所述表面处理为磷酸阳极化处理。
下面通过更具体实施例对本发明进行说明。
实施例1
一种高导电铝合金，以质量百分比计，其组成为：Mg：0.55%；Si：0.32%；Fe：0.07%；Cu：0.08%；Zn：0.02%；Cr：0.06%；B4C：0.09%；Ta：0.06%；Ho：0.01%；Pm：0.02%；至少一种改性剂；至少一种晶粒细化元素,其余为Al和其他不可避免的杂质元素，铝合金还包括有表面处理工序，所述表面处理为磷酸阳极化处理，以提升表面自由能；
所述的高导电铝合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）将Si、Fe、Cu、Zn、Cr铸造成对应的中间合金，将中间合金、Mg锭、B4C锭、Ta锭、Ho锭、Pm锭、改性剂依次加入到熔炼炉中，然后将炉气温度升温至中间合金及Mg锭、B4C锭、Ta锭、Ho锭、Pm锭全部熔化后，再将炉气温度提升33℃，加入Al锭、晶粒细化元素，保温1.3h至Al锭完全熔化后得到合金溶液，将合金熔液的温度降低至730℃，加入精炼剂，所述精炼剂，以重量份为单位，包括以下原料：氯化钠21份、氟化铝钠13-18份、硫化钙18份、冰晶石10份，接着进行精炼，接着进行静置、扒渣和铸造，具体工艺包括：静置合金溶液温度达到728±3℃，铸造，铸造开始前铸盘预热充分，铸造时过滤箱出口温度在700℃，采用热顶铸造，铸造稳定后，铸盘冷端盘尾熔体温度达到681℃，铸造前需要在除气箱加入Al-5Ti-1B细化剂，细化剂Al-5Ti-1B加入量为1.8kg/吨，过滤箱加入铝钛硼丝，得到铸锭；
（2）将步骤（1）制得的铸锭进行均匀化处理，560℃/5.8h，空冷，得到均匀化后的铸锭；
（3）对步骤（2）制得的均匀化后的铸锭进行热挤压：热挤压出口温度控制为515℃，在线淬火，随后型材拉伸，拉伸后进行人工时处理，工艺为185℃/7.5h，制得高导电铝合金；
（4）对步骤（3）制得的高导电铝合金进行表面处理工序，所述表面处理为磷酸阳极化处理。
实施例2
一种高导电铝合金，以质量百分比计，其组成为：Mg：0.8%；Si：0.45%；Fe：0.1%；Cu：0.18%；Zn：0.04%；Cr：0.08%；B4C：0.12%；Ta：0.09%；Ho：0.02%；Pm：0.03%；至少一种改性剂；至少一种晶粒细化元素,其余为Al和其他不可避免的杂质元素，铝合金还包括有表面处理工序，所述表面处理为磷酸阳极化处理，以提升表面自由能；
所述的高导电铝合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）将Si、Fe、Cu、Zn、Cr铸造成对应的中间合金，将中间合金、Mg锭、B4C锭、Ta锭、Ho锭、Pm锭、改性剂依次加入到熔炼炉中，然后将炉气温度升温至中间合金及Mg锭、B4C锭、Ta锭、Ho锭、Pm锭全部熔化后，再将炉气温度提升35℃，加入Al锭、晶粒细化元素，保温0.8h至Al锭完全熔化后得到合金溶液，将合金熔液的温度降低至740℃，加入精炼剂，所述精炼剂，以重量份为单位，包括以下原料：氯化钠28份、氟化铝钠17份、硫化钙25份、冰晶石15份，接着进行精炼，接着进行静置、扒渣和铸造，具体工艺包括：静置合金溶液温度达到728±5℃，铸造，铸造开始前铸盘预热充分，铸造时过滤箱出口温度在715℃，采用热顶铸造，铸造稳定后，铸盘冷端盘尾熔体温度达到690℃，铸造前需要在除气箱加入Al-5Ti-1B细化剂，细化剂Al-5Ti-1B加入量为2.3kg/吨，过滤箱加入铝钛硼丝，得到铸锭；
（2）将步骤（1）制得的铸锭进行均匀化处理，572℃/4.5h，空冷，得到均匀化后的铸锭；
（3）对步骤（2）制得的均匀化后的铸锭进行热挤压：热挤压出口温度控制为525℃，在线淬火，随后型材拉伸，拉伸后进行人工时处理，工艺为195℃/7h，制得高导电铝合金；
（4）对步骤（3）制得的高导电铝合金进行表面处理工序，所述表面处理为磷酸阳极化处理。
实施例3
一种高导电铝合金，以质量百分比计，其组成为：Mg：0.74%；Si：0.42%；Fe：0.08%；Cu：0.13%；Zn：0.03%；Cr：0.07%；B4C：0.1%；Ta：0.08%；Ho：0.02%；Pm：0.02%；至少一种改性剂；至少一种晶粒细化元素,其余为Al和其他不可避免的杂质元素，铝合金还包括有表面处理工序，所述表面处理为磷酸阳极化处理，以提升表面自由能；
所述的高导电铝合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）将Si、Fe、Cu、Zn、Cr铸造成对应的中间合金，将中间合金、Mg锭、B4C锭、Ta锭、Ho锭、Pm锭、改性剂依次加入到熔炼炉中，然后将炉气温度升温至中间合金及Mg锭、B4C锭、Ta锭、Ho锭、Pm锭全部熔化后，再将炉气温度提升34℃，加入Al锭、晶粒细化元素，保温1.1h至Al锭完全熔化后得到合金溶液，将合金熔液的温度降低至736℃，加入精炼剂，所述精炼剂，以重量份为单位，包括以下原料：氯化钠26份、氟化铝钠15份、硫化钙23份、冰晶石12份，接着进行精炼，接着进行静置、扒渣和铸造，具体工艺包括：静置合金溶液温度达到728±4℃，铸造，铸造开始前铸盘预热充分，铸造时过滤箱出口温度在710℃，采用热顶铸造，铸造稳定后，铸盘冷端盘尾熔体温度达到682℃，铸造前需要在除气箱加入Al-5Ti-1B细化剂，细化剂Al-5Ti-1B加入量为2kg/吨，过滤箱加入铝钛硼丝，得到铸锭；
（2）将步骤（1）制得的铸锭进行均匀化处理，565℃/5h，空冷，得到均匀化后的铸锭；
（3）对步骤（2）制得的均匀化后的铸锭进行热挤压：热挤压出口温度控制为520℃，在线淬火，随后型材拉伸，拉伸后进行人工时处理，工艺为190℃/6.5h，制得高导电铝合金；
（4）对步骤（3）制得的高导电铝合金进行表面处理工序，所述表面处理为磷酸阳极化处理。
对比例1
与实施例3的制备方法基本相同，唯有不同的是生产高导电铝合金的原料中缺少B4C、Ta、Ho、Pm。
对比例2
与实施例3的制备方法基本相同，唯有不同的是生产高导电铝合金的原料中缺少B4C。
对比例3
与实施例3的制备方法基本相同，唯有不同的是生产高导电铝合金的原料中缺少Ta。
对比例4
与实施例3的制备方法基本相同，唯有不同的是生产高导电铝合金的原料中缺少Ho、Pm。
对比例5
与实施例3的制备方法基本相同，唯有不同的是生产高导电铝合金的原料中缺少改性剂、晶粒细化元素,且没有表面处理工序。
对实施例1-3和对比例1-5制得的合金制成合金单丝，合金单丝的直径为0.2mm，进行测定屈服强度和拉伸强度；将对实施例1-3和对比例1-5制得的合金制成标准样品大小，测定导电率，测定结果如下表所示。
| 实验项目 | 屈服强度（MPa） | 抗拉强度（MPa） | 导电率 |
| 实施例1 | 306.6 | 338.7 | 68.2%IACS |
| 实施例2 | 313.1 | 345.8 | 66.1%IACS |
| 实施例3 | 320.9 | 352.2 | 67.5%IACS |
| 对比例1 | 237.1 | 260.4 | - |
| 对比例2 | 304.8 | 334.5 | - |
| 对比例3 | 296.7 | 327.6 | - |
| 对比例4 | 290.5 | 319.4 | - |
| 对比例5 | 233.2 | 251.3 | 64.2%IACS |
由上表可知：（1）综合实施例1-3的数据可见，实施例3为最优实施例，制得的高导电铝合金屈服强度达到了320.9MPa，抗拉强度达到了352.2MPa，导电率达到了67.5%IACS。
（2）由实施例3和对比例1-4的数据计算可见，B4C、Ta、Ho、Pm在生产高导电铝合金中起到了协同作用，协同提高了高导电铝合金的抗屈服强度、拉伸强度，这是因为：由于Ta与B4C中的碳的亲和力极强，能阻碍Cr等金属由固熔体向碳化物转移，避免了固熔体中Cr的贫化，提高稳定基体组织和强化效果的目的，进而提高高导电铝合金的屈服强度、拉伸强度。另外，Ta能使高导电铝合金的晶粒细化，在高温下还能够保持较高的抗蠕变能力和强度，进而提高高导电铝合金的强度、硬度和韧性。Ho、Pm具有强烈的细化晶粒作用效果，能够抑制铝合金再结晶，增加合金的延展性；此外，Ho、Pm可与铝合金中的Mg、Si、Fe、Cu、Zn等形成细小弥散分布的强化相，进而提高高导电铝合金的抗屈服强度、拉伸强度。在B4C、Ta、Ho、Pm的配合使用下，协同提高了高导电铝合金的屈服强度和拉伸强度。
（3）由实施例1-3的数据可见，本发明制得的高导电铝合金屈服强度达到了306.6MPa以上，抗拉强度达到了338.7MPa以上，导电率达到了66.1%IACS以上。
（4）由实施例3和对比例5可知实施例3的屈服强度、拉伸强度、热导率和导电率显著提高。
以上内容不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (10)
1.一种高导电铝合金，其特征在于，以质量百分比计，其组成为：Mg：0.52-0.83%；Si：0.3-0.48%；Fe：0.07-0.1%；Cu：0.06-0.2%；Zn：0.02-0.04%；Cr：0.06-0.08%；B4C：0.09-0.12%；Ta：0.05-0.1%；Ho：0.01-0.02%；Pm：0.02-0.03%；至少一种改性剂；至少一种晶粒细化元素,其余为Al和其他不可避免的杂质元素，铝合金还包括有表面处理工序，所述表面处理为磷酸阳极化处理。
2.根据权利要求1所述的高导电铝合金，其特征在于，改性剂为Si改性剂，且以小于或等于0.02wt％的量包含在上述的合金组合物中，晶粒细化元素为二硼化钛或碳化钛 。
3.根据权利要求1或2所述的高导电铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将Si、Fe、Cu、Zn、Cr铸造成对应的中间合金，将中间合金、Mg锭、B4C锭、Ta锭、Ho锭、Pm锭、改性剂依次加入到熔炼炉中，然后将炉气温度升温至中间合金及Mg锭、B4C锭、Ta锭、Ho锭、Pm锭全部熔化后，再将炉气温度提升，加入Al锭、晶粒细化元素，保温0.8-1.3h至Al锭完全熔化后得到合金溶液，将合金熔液的温度降低，加入精炼剂，接着进行精炼，接着进行静置、扒渣和铸造，具体工艺包括：静置合金溶液温度达到728±5℃，铸造，铸造开始前铸盘预热充分，铸造时过滤箱出口温度在696-720℃，采用热顶铸造，铸造稳定后，铸盘冷端盘尾熔体温度达到678-690℃，铸造前需要在除气箱加入Al-5Ti-1B细化剂，过滤箱加入铝钛硼丝，得到铸锭；
（2）将步骤（1）制得的铸锭进行均匀化处理，空冷，得到均匀化后的铸锭；
（3）对步骤（2）制得的均匀化后的铸锭进行热挤压：控制热挤压出口温度，在线淬火，随后型材拉伸，拉伸后进行人工时处理，制得高导电铝合金。
4.根据权利要求3所述的高导电铝合金的制备方法，其特征在于，步骤（1）中再将炉气温度提升32-35℃。
5.根据权利要求3所述的高导电铝合金的制备方法，其特征在于，步骤（1）中将合金熔液的温度降低至728-740℃。
6.根据权利要求3所述的高导电铝合金的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述精炼剂，以重量份为单位，包括以下原料：氯化钠20-30份、氟化铝钠12-18份、硫化钙16-27份、冰晶石9-15份。
7.根据权利要求3所述的高导电铝合金的制备方法，其特征在于，步骤（1）中细化剂Al-5Ti-1B加入量为1.6-2.3kg/吨。
8.根据权利要求3所述的高导电铝合金的制备方法，其特征在于，步骤（2）中铸锭进行均匀化处理的条件：558-576℃/4-6h。
9.根据权利要求3所述的高导电铝合金的制备方法，其特征在于，步骤（3）中控制热挤压出口温度为512-525℃。
10.根据权利要求3所述的高导电铝合金的制备方法，其特征在于，步骤（3）中拉伸后进行人工时处理，工艺为183-198℃/5-8h。
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