CN112680639A - 一种高导电耐热稀土铝合金线材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高导电耐热稀土铝合金线材及其制备方法，包括如下质量百分比的原料组成：镁2‑5%、铁0.1‑1.0%、硼0.01‑0.05%、碲0.01‑0.03%、铌0.01‑0.03%、稀土元素0.05‑0.20%、石墨烯0.5‑2.0%，余量为铝及不可避免的杂质。本发明提供的铝合金线材在铝、镁、铁等基础原料上，添加了硼、碲、铌、稀土元素和石墨烯，在这些原料的共同作用下，能够改善合金的结晶条件，细化了晶粒和结晶，提高了铝合金的强度，同时能提高铝合金的耐热性、耐腐蚀性和导电性，制备的铝合金能够满足大电容输电工程的要求。经过检测本发明制得的稀土铝合金线材抗压强度达到200MPa以上，伸长率大于2.5%，导电率大于61%，洛氏硬度大于68HRB，在200℃下持续加热1h后强度保持率大于94%。

Description

一种高导电耐热稀土铝合金线材及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金材料技术领域，具体是一种高导电耐热稀土铝合金线材及其制备方法。

背景技术

能源、安全、环保是关系到人类生存和发展的三大关键问题，铝材具有密度小、比强度和比刚度高，耐腐蚀，美观耐用，以成形，可表面处理，可回收再生，可节能储能等一系列优良性能，推广应用铝材是缓解上述三大问题的重要途径。因此铝材越来越受到人们的青睐，其应用已经普及到国民经济各部门和人们生活各方面，在很多场合已经代替了钢材，铜材，木材和塑料，成为人类社会的一种重要基础材料。随着铝合金材料的发展，以铝合金材料作为导体材料和加强材料的导线在国内外业日趋应用广泛，其代表种类为全铝合金绞线、铝合金芯铝绞线，铝合金通讯信号线、铝合金屏蔽线等。

随着国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，对电力的需求急剧增长，输电线路日益向大容量方向发展，这就要求增大导线的输电容量。但目前我国的输电导线主要还是传统的钢芯铝绞线，这种钢芯铝绞线虽然强度高，但电能损耗大，导电率较低，耐热性差，输电容量受到很大的限制。因此，当前需要开发新型的高强度、高导电率、耐热的铝合金线材。

发明内容

本发明针对现有钢芯铝绞线存在的不足，提供一种高导电耐热稀土铝合金线材及其制备方法。本发明制备的铝合金线材具有导电率高、耐热性良好、高强度、耐磨等优点，能够满足大电容输电工程的要求。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高导电耐热稀土铝合金线材，包括如下质量百分比的原料组成：镁2-5%、铁0.1-1.0%、硼0.01-0.05%、碲0.01-0.03%、铌0.01-0.03%、稀土元素0.05-0.20%、石墨烯0.5-2.0%，余量为铝及不可避免的杂质。

优选地，所述稀土元素由如下质量百分比的原料组成：铈30-50%、镱20-40%、钇15-35%。

本发明的另一目的，还提供所述高导电耐热稀土铝合金线材的制备方法，包括如下步骤：

（1）将铝锭熔炼为铝液，再加入分散石墨烯悬浮液混合均匀，再将铝液导入保温炉中，升温至680-750℃，保温1-3h，得石墨烯复合铝液；

（2）将石墨烯复合铝液转移至精炼炉中，按照上述配比加入镁、铁、硼、碲、铌、稀土元素和铝，搅拌均匀，升温至750-800℃，保温30-60min，得稀土铝合金混合液；

（3）由精炼炉底部向精炼炉内喷入精炼剂和氮气对稀土铝合金混合液进行精炼，精炼后加入覆盖剂对稀土铝合金混合液进行覆盖，静置10-30min；

（4）将精炼后的稀土铝合金混合液注入连铸连轧机中进行浇铸和轧制，得到稀土铝合金杆；

（5）将稀土铝合金杆在惰性气体保护下经过放电等离子烧结，再将稀土铝合金杆冷却后经过二次拉拔，拉成所需尺寸的线材。

优选地，所述分散石墨烯悬浮液的制备方法为：将石墨烯分散到乙醇溶液中，再加入椰油酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、环氧化环己烷邻二甲酸二辛酯和稀土铝酸酯偶联剂组成的分散剂，超声分散30-60min，即得分散石墨烯悬浮液。

优选地，所述分散剂的加入量为石墨烯质量的1-3%，椰油酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、环氧化环己烷邻二甲酸二辛酯和稀土铝酸酯偶联剂的质量比为1:1-3:1-3。

优选地，所述连铸连轧机控制转动线速度为10-20m/min，终扎速度为5-10m/min。

优选地，所述放电等离子烧结是在温度为800-900℃、压力为40-60MPa下烧结30-60min。

优选地，所述拉拔控制速度在10-15m/s，变形量控制在10-30%。

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果为：

1、本发明提供的铝合金线材在铝、镁、铁等基础原料上，添加了硼、碲、铌、稀土元素和石墨烯，在这些原料的共同作用下，能够改善合金的结晶条件，细化了晶粒和结晶，提高了铝合金的强度，同时能提高铝合金的耐热性、耐腐蚀性和导电性，制备的铝合金能够满足大电容输电工程的要求。

2、本发明在铝合金的制备方法中先采用椰油酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、环氧化环己烷邻二甲酸二辛酯和稀土铝酸酯偶联剂对石墨烯改性后再加至铝液中，改性后的石墨烯分散性显著提高，解决当前由于石墨烯粉末易发生团聚降低材料性能的问题，同时还可以改烧石墨烯与铝合金基体的界面润湿性，提高各物料之间的界面结合力，在铝合金基体中添加分散石墨烯悬浮液能够很好提高提高铝合金线材的强度、耐热性、导电性和耐腐蚀性。

3、本发明方法还将铝合金杆先经过放电等离子烧结再进行拉拔，放电等离子烧结可以改善铝合金的金相组织，细化晶粒，提高线材的致密度，增强铝合金线材的强度和提高耐磨性能。

4、经过检测本发明制得的稀土铝合金线材抗压强度达到200MPa以上，伸长率大于2.5%，导电率大于61%，洛氏硬度大于68HRB，在200℃下持续加热1h后强度保持率大于94%，制得的铝合金线材具有高强度、导电率高、耐热性好、耐磨性好等优点。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施例1

一种高导电耐热稀土铝合金线材，按照如下质量百分比的原料配制：镁3.2%、铁0.6%、硼0.03%、碲0.03%、铌0.02%、稀土元素0.15%、石墨烯1.8%，余量为铝及不可避免的杂质。所述稀土元素由如下质量百分比的原料组成：铈45%、镱28%、钇27%。

其制备方法，包括如下步骤：

（1）将铝锭(纯度≥99%）熔炼为铝液，再加入分散石墨烯悬浮液混合均匀，再将铝液导入保温炉中，升温至720℃，保2.5h，得石墨烯复合铝液；所述分散石墨烯悬浮液的制备方法为：将石墨烯分散到乙醇溶液中，再加入椰油酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、环氧化环己烷邻二甲酸二辛酯和稀土铝酸酯偶联剂组成的分散剂，超声分散60min，即得分散石墨烯悬浮液。所述分散剂的加入量为石墨烯质量的1.5%，椰油酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、环氧化环己烷邻二甲酸二辛酯和稀土铝酸酯偶联剂的质量比为1:2:3。

（2）将石墨烯复合铝液转移至精炼炉中，按照上述配比加入镁、铁、硼、碲、铌、稀土元素和铝，搅拌均匀，升温至780℃，保温60min，得稀土铝合金混合液；

（3）由精炼炉底部向精炼炉内喷入铝镁合金专用2号精炼剂（市售产品）和氮气，精炼剂的加入量为炉内物料重量的0.2%，在温度为750℃、压力为0.5MPa对稀土铝合金混合液精炼30min，精炼后加入铝镁合金覆盖剂（市售产品）对稀土铝合金混合液进行覆盖，静置20min；

（4）将精炼后的稀土铝合金混合液注入连铸连轧机中进行浇铸和轧制，控制转动线速度为15m/min，终扎速度为8m/min，得到稀土铝合金杆；

（5）将稀土铝合金杆在氮气气体保护下经过放电等离子烧结，所述所述放电等离子烧结是在温度为850℃、压力为50MPa下烧结40min，稀土铝合金杆冷却后在速度在10m/s，变形量在15%下拉拔，拉成直径为2mm的线材。

实施例2

一种高导电耐热稀土铝合金线材，按照如下质量百分比的原料配制：镁4.1%、铁0.3%、硼0.05%、碲0.02%、铌0.01%、稀土元素0.10%、石墨烯1.3%，余量为铝及不可避免的杂质。所述稀土元素由如下质量百分比的原料组成：铈40%、镱35%、钇25%。

其制备方法，包括如下步骤：

（1）将铝锭（纯度为≥99%）熔炼为铝液，再加入分散石墨烯悬浮液混合均匀，再将铝液导入保温炉中，升温至730℃，保2h，得石墨烯复合铝液；所述分散石墨烯悬浮液的制备方法为：将石墨烯分散到乙醇溶液中，再加入椰油酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、环氧化环己烷邻二甲酸二辛酯和稀土铝酸酯偶联剂组成的分散剂，超声分散60min，即得分散石墨烯悬浮液。所述分散剂的加入量为石墨烯质量的2.4%，椰油酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、环氧化环己烷邻二甲酸二辛酯和稀土铝酸酯偶联剂的质量比为1:1:2。

（2）将石墨烯复合铝液转移至精炼炉中，按照上述配比加入镁、铁、硼、碲、铌、稀土元素和铝，搅拌均匀，升温至760℃，保温45min，得稀土铝合金混合液；

（3）由精炼炉底部向精炼炉内喷入铝镁合金专用2号精炼剂（市售产品）和氮气，精炼剂的加入量为炉内物料重量的0.2%，在温度为780℃、压力为0.3MPa对稀土铝合金混合液精炼20min，精炼后加入铝镁合金覆盖剂（市售产品）对稀土铝合金混合液进行覆盖，静置15min；

（4）将精炼后的稀土铝合金混合液注入连铸连轧机中进行浇铸和轧制，控制转动线速度为10m/min，终扎速度为6m/min，得到稀土铝合金杆；

（5）将稀土铝合金杆在氮气气体保护下经过放电等离子烧结，所述所述放电等离子烧结是在温度为800℃、压力为60MPa下烧结30min，稀土铝合金杆冷却后在速度在12m/s，变形量在20%下拉拔，拉成直径为1mm的线材。

实施例3

一种高导电耐热稀土铝合金线材，按照如下质量百分比的原料配制：镁2.5%、铁0.8%、硼0.05%、碲0.02%、铌0.03%、稀土元素0.17%、石墨烯1.4%，余量为铝及不可避免的杂质。所述稀土元素由如下质量百分比的原料组成：铈35%、镱35%、钇30%。

其制备方法，包括如下步骤：

（1）将铝锭（纯度≥99%）熔炼为铝液，再加入分散石墨烯悬浮液混合均匀，再将铝液导入保温炉中，升温至700℃，保3h，得石墨烯复合铝液；所述分散石墨烯悬浮液的制备方法为：将石墨烯分散到乙醇溶液中，再加入椰油酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、环氧化环己烷邻二甲酸二辛酯和稀土铝酸酯偶联剂组成的分散剂，超声分散30min，即得分散石墨烯悬浮液。所述分散剂的加入量为石墨烯质量的2.1%，椰油酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、环氧化环己烷邻二甲酸二辛酯和稀土铝酸酯偶联剂的质量比为1:1:1。

（2）将石墨烯复合铝液转移至精炼炉中，按照上述配比加入镁、铁、硼、碲、铌、稀土元素和铝，搅拌均匀，升温至800℃，保温30min，得稀土铝合金混合液；

（3）由精炼炉底部向精炼炉内喷入铝镁合金专用2号精炼剂（市售产品）和氮气，精炼剂的加入量为炉内物料重量的0.2%，在温度为760℃、压力为0.2MPa对稀土铝合金混合液精炼20min，精炼后加入铝镁合金覆盖剂（市售产品）对稀土铝合金混合液进行覆盖，静置30min；

（4）将精炼后的稀土铝合金混合液注入连铸连轧机中进行浇铸和轧制，控制转动线速度为12m/min，终扎速度为6m/min，得到稀土铝合金杆；

（5）将稀土铝合金杆在氮气气体保护下经过放电等离子烧结，所述所述放电等离子烧结是在温度为880℃、压力为50MPa下烧结45min，稀土铝合金杆冷却后在速度在13m/s，变形量在20%下拉拔，拉成直径为3mm的线材。

实施例4

一种高导电耐热稀土铝合金线材，按照如下质量百分比的原料配制：镁3.7%、铁0.3%、硼0.02%、碲0.02%、铌0.03%、稀土元素0.20%、石墨烯0.8%，余量为铝及不可避免的杂质。所述稀土元素由如下质量百分比的原料组成：铈42%、镱37%、钇21%。

其制备方法，包括如下步骤：

（1）将铝锭（纯度≥99%）熔炼为铝液，再加入分散石墨烯悬浮液混合均匀，再将铝液导入保温炉中，升温至750℃，保温1.5h，得石墨烯复合铝液；所述分散石墨烯悬浮液的制备方法为：将石墨烯分散到乙醇溶液中，再加入椰油酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、环氧化环己烷邻二甲酸二辛酯和稀土铝酸酯偶联剂组成的分散剂，超声分散40min，即得分散石墨烯悬浮液。所述分散剂的加入量为石墨烯质量的1.8%，椰油酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、环氧化环己烷邻二甲酸二辛酯和稀土铝酸酯偶联剂的质量比为1:2:1。

（2）将石墨烯复合铝液转移至精炼炉中，按照上述配比加入镁、铁、硼、碲、铌、稀土元素和铝，搅拌均匀，升温至770℃，保温45min，得稀土铝合金混合液；

（3）由精炼炉底部向精炼炉内喷入铝镁合金专用2号精炼剂（市售产品）和氮气，精炼剂的加入量为炉内物料重量的0.3%，在温度为750℃、压力为0.3MPa对稀土铝合金混合液精炼20min，精炼后加入铝镁合金覆盖剂（市售产品）对稀土铝合金混合液进行覆盖，静置20min；

（4）将精炼后的稀土铝合金混合液注入连铸连轧机中进行浇铸和轧制，控制转动线速度为18m/min，终扎速度为6m/min，得到稀土铝合金杆；

（5）将稀土铝合金杆在氮气气体保护下经过放电等离子烧结，所述所述放电等离子烧结是在温度为850℃、压力为45MPa下烧结60min，稀土铝合金杆冷却后在速度在12m/s，变形量在20%下拉拔，拉成直径为2mm的线材。

对比例1

本例与实施例1的不同之处在于：所用的石墨烯直接添加不经过超声分散处理。

对比例2

本例与实施例1的不同之处在于：稀土铝合金杆不经过放电等离子烧结，直接冷却后经过拉拔。

将本发明实施例及对比例制得的稀土铝合金线材，按照行业常规方法检测线材的抗拉强度、伸长率、导电率、耐热性能、洛氏硬度，测定结果如表1所示。所述耐热性能是将线材在200℃下持续加热1h，冷却至室温，然后测定线材的拉伸强度，用强度保持率来判断线材的耐热性能效果。

表1：本发明稀土铝合金线材的性能测试结果

从上述测试结果得知，本发明制得的稀土铝合金线材抗压强度达到200MPa以上，伸长率大于2.5%，导电率大于61%，洛氏硬度大于68HRB，在200℃下持续加热1h后强度保持率大于94%。从结果得知本发明制得的铝合金线材具有高强度、导电率高、耐热性好、耐磨性好等优点。

以上内容是结合具体的/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的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的前提下，其还可以对这些已描述的实施例做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高导电耐热稀土铝合金线材，其特征在于：包括如下质量百分比的原料组成：镁2-5%、铁0.1-1.0%、硼0.01-0.05%、碲0.01-0.03%、铌0.01-0.03%、稀土元素0.05-0.20%、石墨烯0.5-2.0%，余量为铝及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述高导电耐热稀土铝合金线材，其特征在于：所述稀土元素由如下质量百分比的原料组成：铈30-50%、镱20-40%、钇15-35%。

3.如权利要求1或2所述一种高导电耐热稀土铝合金线材的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）将铝锭熔炼为铝液，再加入分散石墨烯悬浮液混合均匀，再将铝液导入保温炉中，升温至680-750℃，保温1-3h，得石墨烯复合铝液；

（2）将石墨烯复合铝液转移至精炼炉中，按照上述配比加入镁、铁、硼、碲、铌、稀土元素和铝，搅拌均匀，升温至750-800℃，保温30-60min，得稀土铝合金混合液；

（3）由精炼炉底部向精炼炉内喷入精炼剂和氮气对稀土铝合金混合液进行精炼，精炼后加入覆盖剂对稀土铝合金混合液进行覆盖，静置10-30min；

（4）将精炼后的稀土铝合金混合液注入连铸连轧机中进行浇铸和轧制，得到稀土铝合金杆；

（5）将稀土铝合金杆在惰性气体保护下经过放电等离子烧结，稀土铝合金杆冷却后经过拉拔，拉成所需尺寸的线材。

4.根据权利要求3所述高导电耐热稀土铝合金线材的制备方法，其特征在于：所述分散石墨烯悬浮液的制备方法为：将石墨烯分散到乙醇溶液中，再加入椰油酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、环氧化环己烷邻二甲酸二辛酯和稀土铝酸酯偶联剂组成的分散剂，超声分散30-60min，即得分散石墨烯悬浮液。

5.根据权利要求4所述高导电耐热稀土铝合金线材的制备方法，其特征在于：所述分散剂的加入量为石墨烯质量的1-3%，椰油酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、环氧化环己烷邻二甲酸二辛酯和稀土铝酸酯偶联剂的质量比为1:1-3:1-3。

6.根据权利要求3所述高导电耐热稀土铝合金线材的制备方法，其特征在于：所述连铸连轧机控制转动线速度为10-20m/min，终扎速度为5-10m/min。

7.根据权利要求3所述高导电耐热稀土铝合金线材的制备方法，其特征在于：所述放电等离子烧结是在温度为800-900℃、压力为40-60MPa下烧结30-60min。

8.根据权利要求3所述高导电耐热稀土铝合金线材的制备方法，其特征在于：所述拉拔控制速度在10-15m/s，变形量控制在10-30%。