CN112941376A - 一种合金导体材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及导体技术领域，公开了一种合金导体材料及其制备方法和应用，该合金导体材料包含Al，按重量百分数计，还包括如下组分：5.5～6.5wt％Si、0.25～0.45wt％Mg、杂质元素Fe≤0.15wt％。本发明合金导体材料基于Al、Si、Mg、Fe元素的合理配比和协同作用，在满足导电率的前提下，同时具有良好的力学性能；在20℃时，本发明合金导体材料的抗拉强度≥310Mpa，导电率≥43.0％IACS。本发明制备方法简单，流程短，造价低廉且易实现产业化批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及导体技术领域，特别涉及一种合金导体材料及其制备方法和应用。
背景技术
合金导体材料是目前电气工业的重要基础材料之一。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、航空航天等领域得到广泛应用。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及铜合金导体。
目前，保持合金导体材料组成元素含量在低水平下可保证其导电率达到使用要求，但力学性能很难得到大幅度提升；提高合金导体材料组成元素的含量易导致导电率迅速降低，从而很难满足合金导体材料有效传输电流的目的，增加电能损耗。
发明内容
本发明目的在于提供一种合金导体材料，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
为解决上述技术问题所采用的技术方案：
一种合金导体材料，包含Al，按重量百分数计，还包括如下组分：5.5～6.5wt％Si、0.25～0.45wt％Mg、杂质元素Fe≤0.15wt％。
优选地，包含Al，按重量百分数计，还包括如下组分：5.8～6.5wt％Si、0.3～0.45wt％Mg、杂质元素Fe≤0.11wt％。
优选地，还包括其它不可避免的杂质元素，所述其它不可避免的杂质元素的总含量≤0.01wt％。其它不可避免的杂质元素包括Cr、Mn、Ti等。
本发明的第二个目的在于提供上述合金导体材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将铝锭熔化并加热至700～730℃，然后加入镁材和硅进行熔炼，完全熔化后得到合金熔体；
S2、将所述合金熔体进行熔体处理，所述熔体处理依次包括除气、除渣、细化和变质处理；具体的，向所述合金熔体中通入惰性气体，如通入氩气或氦气进行除气，然后加入无钠精炼清渣剂进行除渣，再加入细化剂(铝钛硼中间合金)和变质剂(铝锶中间合金)，进行细化和变质处理；
S3、将经过所述熔体处理后的合金熔体进行浇注成型、固溶和时效处理，得到所述合金导体材料。
本发明熔体处理通过除气、除渣、细化和变质处理在一道工序中完成，熔体处理总时间为8～13min，与传统的熔体处理工艺相比，传统的熔体处理工艺是先加入细化剂搅拌均匀后加入变质剂，然后除渣，最后通入惰性气体除气，一次熔体处理的时间至少需要20min，本发明提高了熔体处理的效率，缩短了流程。
优选地，S1中，所述铝锭为纯度≥99.7的高纯铝锭，所述镁材为纯度≥99.7的高纯镁材，所述硅为纯度≥99.8的高纯硅。
优选地，S3中，所述浇注成型采用低压浇注方式，通过水冷对模具进行降温处理，所述低压浇注的温度为700～730℃，保压压力为0.6～0.8bar，保压时间为360～480min。
优选地，S3中，所述固溶处理的温度为540～545℃，保温时间为8～10h，淬火水温为30～80℃。
优选地，S3中，所述时效处理的温度为200～220℃，保温时间为6～8h。
优选地，S3中，所述浇注成型后，还包括利用高速带锯对铸件进行去除浇口处理。
本发明的第三个目的在于提供上述合金导体材料在高压开关中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明合金导体材料基于Al、Si、Mg、Fe元素的合理配比和协同作用，在满足导电率的前提下，同时具有良好的力学性能；在20℃时，本发明合金导体材料的抗拉强度≥310Mpa，导电率≥43.0％IACS。
2、本发明制备方法简单，流程短，造价低廉且易实现产业化批量生产。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
一种合金导体材料，包含Al，按重量百分数计，还包括如下组分：5.5wt％Si、0.25wt％Mg、0.05wt％杂质元素Fe。
上述合金导体材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将纯度为99.7的高纯铝锭熔化并加热至730℃，然后加入纯度为99.7的高纯镁材和纯度为99.8的高纯硅进行熔炼，完全熔化后得到合金熔体；
S2、向所述合金熔体中通入氩气进行除气，然后加入无钠精炼清渣剂进行除渣，再加入铝钛硼中间合金和铝锶中间合金进行细化和变质处理；
S3、将经过所述熔体处理后的合金熔体采用低压浇注方式进行浇注成型，通过水冷对模具进行降温处理，浇注成型后，利用高速带锯对铸件进行去除浇口处理，然后进行固溶和时效处理，得到所述合金导体材料。其中，低压浇注的温度为700℃，保压压力为0.6bar，保压时间为360min；固溶处理的温度为540℃，保温时间为8h，淬火水温为30℃；时效处理的温度为200℃，保温时间为6h。
对本发明实施例制备的合金导体材料进行材料性能测试，测试结果为：抗拉强度为310MPa，导电率为45.1％IACS。
实施例2
一种合金导体材料，包含Al，按重量百分数计，还包括如下组分：6.5wt％Si、0.45wt％Mg、0.13wt％杂质元素Fe。
上述合金导体材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将纯度为99.8的高纯铝锭熔化并加热至720℃，然后加入纯度为99.8的高纯镁材和纯度为99.8的高纯硅进行熔炼，完全熔化后得到合金熔体；
S2、向所述合金熔体中通入氩气或氦气进行除气，然后加入无钠精炼清渣剂进行除渣，再加入铝钛硼中间合金和铝锶中间合金进行细化和变质处理；
S3、将经过所述熔体处理后的合金熔体采用低压浇注方式进行浇注成型，通过水冷对模具进行降温处理，浇注成型后，利用高速带锯对铸件进行去除浇口处理，然后进行固溶和时效处理，得到所述合金导体材料。其中，低压浇注的温度为710℃，保压压力为0.8bar，保压时间为480min；固溶处理的温度为545℃，保温时间为10h，淬火水温为80℃；时效处理的温度为220℃，保温时间为8h。
对本发明实施例制备的合金导体材料进行材料性能测试，测试结果为：抗拉强度为330MPa，导电率为43.1％IACS。
实施例3
一种合金导体材料，包含Al，按重量百分数计，还包括如下组分：6wt％Si、0.3wt％Mg、0.12wt％杂质元素Fe。
上述合金导体材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将纯度为99.8的高纯铝锭熔化并加热至700℃，然后加入纯度为99.7的高纯镁材和纯度为99.9的高纯硅进行熔炼，完全熔化后得到合金熔体；
S2、向所述合金熔体中通入氩气或氦气进行除气，然后加入无钠精炼清渣剂进行除渣，再加入铝钛硼中间合金和铝锶中间合金进行细化和变质处理；
S3、将经过所述熔体处理后的合金熔体采用低压浇注方式进行浇注成型，通过水冷对模具进行降温处理，浇注成型后，利用高速带锯对铸件进行去除浇口处理，然后进行固溶和时效处理，得到所述合金导体材料。其中，低压浇注的温度为700℃，保压压力为0.7bar，保压时间为400min；固溶处理的温度为542℃，保温时间为9h，淬火水温为50℃；时效处理的温度为210℃，保温时间为7h。
对本发明实施例制备的合金导体材料进行材料性能测试，测试结果为：抗拉强度为320MPa，导电率为44.0％IACS。
实施例4
一种合金导体材料，包含Al，按重量百分数计，还包括如下组分：5.8wt％Si、0.3wt％Mg、0.11wt％杂质元素Fe。
上述合金导体材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将纯度为99.7的高纯铝锭熔化并加热至730℃，然后加入纯度为99.7的高纯镁材和纯度为99.9的高纯硅进行熔炼，完全熔化后得到合金熔体；
S2、向所述合金熔体中通入氩气或氦气进行除气，然后加入无钠精炼清渣剂进行除渣，再加入铝钛硼中间合金和铝锶中间合金进行细化和变质处理；
S3、将经过所述熔体处理后的合金熔体采用低压浇注方式进行浇注成型，通过水冷对模具进行降温处理，浇注成型后，利用高速带锯对铸件进行去除浇口处理，然后进行固溶和时效处理，得到所述合金导体材料。其中，低压浇注的温度为700℃，保压压力为0.6bar，保压时间为360min；固溶处理的温度为540℃，保温时间为8h，淬火水温为40℃；时效处理的温度为200℃，保温时间为6h。
对本发明实施例制备的合金导体材料进行材料性能测试，测试结果为：抗拉强度为318MPa，导电率为43.6％IACS。
实施例5
一种合金导体材料，包含Al，按重量百分数计，还包括如下组分：6.3wt％Si、0.38wt％Mg、0.06wt％杂质元素Fe。
上述合金导体材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将纯度为99.7的高纯铝锭熔化并加热至730℃，然后加入纯度为99.7的高纯镁材和纯度为99.8的高纯硅进行熔炼，完全熔化后得到合金熔体；
S2、向所述合金熔体中通入氩气或氦气进行除气，然后加入无钠精炼清渣剂进行除渣，再加入铝钛硼中间合金和铝锶中间合金进行细化和变质处理；
S3、将经过所述熔体处理后的合金熔体采用低压浇注方式进行浇注成型，通过水冷对模具进行降温处理，浇注成型后，利用高速带锯对铸件进行去除浇口处理，然后进行固溶和时效处理，得到所述合金导体材料。其中，低压浇注的温度为710℃，保压压力为0.8bar，保压时间为480min；固溶处理的温度为545℃，保温时间为10h，淬火水温为60℃；时效处理的温度为220℃，保温时间为8h。
对本发明实施例制备的合金导体材料进行材料性能测试，测试结果为：抗拉强度为325MPa，导电率为43.3％IACS。
对比例1
一种合金导体材料，包含Al，按重量百分数计，还包括如下组分：7wt％Si、0.25wt％Mg、0.15wt％杂质元素Fe。
上述合金导体材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将纯度为99.7的高纯铝锭熔化并加热至730℃，然后加入纯度为99.7的高纯镁材和纯度为99.8的高纯硅进行熔炼，完全熔化后得到合金熔体；
S2、向所述合金熔体中通入氩气进行除气，然后加入无钠精炼清渣剂进行除渣，再加入铝钛硼中间合金和铝锶中间合金进行细化和变质处理；
S3、将经过所述熔体处理后的合金熔体采用低压浇注方式进行浇注成型，通过水冷对模具进行降温处理，浇注成型后，利用高速带锯对铸件进行去除浇口处理，然后进行固溶和时效处理，得到所述合金导体材料。其中，低压浇注的温度为700℃，保压压力为0.6bar，保压时间为360min；固溶处理的温度为540℃，保温时间为8h，淬火水温为30℃；时效处理的温度为200℃，保温时间为6h。
对本发明实施例制备的合金导体材料进行材料性能测试，测试结果为：抗拉强度为327MPa，导电率为36.2％IACS。
对比例2
一种合金导体材料，包含Al，按重量百分数计，还包括如下组分：5.5wt％Si、0.25wt％Mg、0.2wt％杂质元素Fe。
上述合金导体材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将纯度为99.7的高纯铝锭熔化并加热至730℃，然后加入纯度为99.7的高纯镁材和纯度为99.8的高纯硅进行熔炼，完全熔化后得到合金熔体；
S2、向所述合金熔体中通入氩气进行除气，然后加入无钠精炼清渣剂进行除渣，再加入铝钛硼中间合金和铝锶中间合金进行细化和变质处理；
S3、将经过所述熔体处理后的合金熔体采用低压浇注方式进行浇注成型，通过水冷对模具进行降温处理，浇注成型后，利用高速带锯对铸件进行去除浇口处理，然后进行固溶和时效处理，得到所述合金导体材料。其中，低压浇注的温度为700℃，保压压力为0.6bar，保压时间为360min；固溶处理的温度为540℃，保温时间为8h，淬火水温为30℃；时效处理的温度为200℃，保温时间为6h。
对本发明实施例制备的合金导体材料进行材料性能测试，测试结果为：抗拉强度为316MPa，导电率为37.2％IACS。
对比例3
一种合金导体材料，包含Al，按重量百分数计，还包括如下组分：5.5wt％Si、0.2wt％Mg、0.15wt％杂质元素Fe。
上述合金导体材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将纯度为99.7的高纯铝锭熔化并加热至730℃，然后加入纯度为99.7的高纯镁材和纯度为99.8的高纯硅进行熔炼，完全熔化后得到合金熔体；
S2、向所述合金熔体中通入氩气进行除气，然后加入无钠精炼清渣剂进行除渣，再加入铝钛硼中间合金和铝锶中间合金进行细化和变质处理；
S3、将经过所述熔体处理后的合金熔体采用低压浇注方式进行浇注成型，通过水冷对模具进行降温处理，浇注成型后，利用高速带锯对铸件进行去除浇口处理，然后进行固溶和时效处理，得到所述合金导体材料。其中，低压浇注的温度为700℃，保压压力为0.6bar，保压时间为360min；固溶处理的温度为540℃，保温时间为8h，淬火水温为30℃；时效处理的温度为200℃，保温时间为6h。
对本发明实施例制备的合金导体材料进行材料性能测试，测试结果为：抗拉强度为286MPa，导电率为42.9％IACS。
对比例4
一种合金导体材料，包含Al，按重量百分数计，还包括如下组分：5wt％Si、0.25wt％Mg、0.15wt％杂质元素Fe。
上述合金导体材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将纯度为99.7的高纯铝锭熔化并加热至730℃，然后加入纯度为99.7的高纯镁材和纯度为99.8的高纯硅进行熔炼，完全熔化后得到合金熔体；
S2、向所述合金熔体中通入氩气进行除气，然后加入无钠精炼清渣剂进行除渣，再加入铝钛硼中间合金和铝锶中间合金进行细化和变质处理；
S3、将经过所述熔体处理后的合金熔体采用低压浇注方式进行浇注成型，通过水冷对模具进行降温处理，浇注成型后，利用高速带锯对铸件进行去除浇口处理，然后进行固溶和时效处理，得到所述合金导体材料。其中，低压浇注的温度为700℃，保压压力为0.6bar，保压时间为360min；固溶处理的温度为540℃，保温时间为8h，淬火水温为30℃；时效处理的温度为200℃，保温时间为6h。
对本发明实施例制备的合金导体材料进行材料性能测试，测试结果为：抗拉强度为295MPa，导电率为42.4％IACS。
从对比例1-4可看出，Si、Mg、Fe含量超出设计成分范围的上限或下限，使得抗拉强度和导电率难以维持平衡，抗拉强度提高或降低，而导电率则均有所下降。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种合金导体材料，其特征在于，包含Al，按重量百分数计，还包括如下组分：5.5～6.5wt％Si、0.25～0.45wt％Mg、杂质元素Fe≤0.15wt％。
2.根据权利要求1所述的合金导体材料，其特征在于，包含Al，按重量百分数计，还包括如下组分：5.8～6.5wt％Si、0.3～0.45wt％Mg、杂质元素Fe≤0.11wt％。
3.根据权利要求2所述的合金导体材料，其特征在于，还包括其它不可避免的杂质元素，所述其它不可避免的杂质元素的总含量≤0.01wt％。
4.权利要求1-3任一项所述的合金导体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将铝锭加热，然后加入镁材和硅进行熔炼，完全熔化后得到合金熔体；
S2、将所述合金熔体进行熔体处理，所述熔体处理依次包括除气、除渣、细化和变质处理；
S3、将经过所述熔体处理后的合金熔体进行浇注成型、固溶和时效处理，得到所述合金导体材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，S1中，所述铝锭为纯度≥99.7的高纯铝锭，所述镁材为纯度≥99.7的高纯镁材，所述硅为纯度≥99.8的高纯硅。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，S3中，所述浇注成型采用低压浇注，所述低压浇注的温度为700～730℃，保压压力为0.6～0.8bar，保压时间为360～480min。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，S3中，所述固溶处理的温度为540～545℃，保温时间为8～10h，淬火水温为30～80℃。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，S3中，所述时效处理的温度为200～220℃，保温时间为6～8h。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，S3中，所述浇注成型后，还包括去除浇口处理。
10.权利要求1-3任一项所述的合金导体材料在电器设备中的应用。
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