CN112981153B - 一种高强度高导电性铝/铝合金复合板及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高强度高导电性铝/铝合金复合板及制备方法，涉及以下步骤：将铸态6201铝合金进行预处理后与1060纯铝板进行轧制复合，再经过退火处理，即得高强度高导电性1060Al/6201Al合金复合板。采用固溶、时效预处理，轧制复合与退火工艺相结合的方法，使6201铝合金的制备与1060纯铝的轧制合二为一，且制得的复合板强度高、导电性好，解决了铝合金强度和导电性互为矛盾、不可兼得的问题。本发明制备的1060Al/6201Al合金复合板抗拉强度高达366.73MPa、电导率达55.89％IACS，综合性能优异、工艺简单，实现了轻质高强度高导电性铝合金导电材料的低成本制备。

Description

一种高强度高导电性铝/铝合金复合板及制备方法
技术领域
本发明涉及金属复合板领域，特别是涉及一种高强度高导电性铝/铝合金复合板及其制备方法。
背景技术
我国电力需求的高速增长以及铜资源的严重匮乏，在电力输送及高速轨道交通领域迫切需要轻质高强度、高导电、耐腐蚀性铝合金导体材料。纯铝的密度为铜的1/3，纯度为99.9％的纯铝电导率可达64.94％IACS，导电性仅次于银和铜，同时导热性、抗腐蚀性能优良，被大量用作铜导电元件的替代品。6XXX系Al-Mg-Si合金属于亚共晶型可热处理强化合金，以Mg2Si为主要强化相，具有比强度高、导电性良好等优点，广泛应用于高压输电导线领域，特别是要求导电性好、强度高、轻质、抗腐蚀和抗氧化等兼具的架空输电导线。
现阶段对全铝合金导线材料的主要通过：添加微量合金元素如Zr、RE、Sc等和进行热机械加工来提高强度和导电性。我国高LHA1型高强度铝合金线(直径d≤3.5mm)的抗拉强度≥325MPa，伸长率≥3％，电导率≥52.5％IACS。一般地，6XXX系铝合金的抗拉强度为255-325MPa、电导率为57.5％IACS-52.5％IACS。如Jiani Fu等(Fu J,et al.Influence of Zraddition on precipitation evolution and performance of Al-Mg-Si alloyconductor[J].Materials Characterization,159.)通过给Al-Mg-Si铝合金中添加0.13wt％Zr，使得抗拉强度和导电性能分别为198MPa和34.44MS/m。此外，采用异种双金属复合或绞合可提高复合导体的强度和导电性，如铝包钢线、铜包钢线、铜包铝线、钢芯铝绞线等，但存在比重大、成本高、电导率不高以及异种金属间的电化学腐蚀、高温易形成界面金属间化合物(如CuAl2，0.5mm细线更需注意)而恶化强度和导电性等问题。中国专利CN108198646A公开了一种铝包铝合金线及其制备方法，通过真空熔炼炉制备圆筒状纯铝铸锭和圆柱状铝合金铸锭，制成铝包铝合金坯锭，再经锻造、轧制和冷拉扒等制备的直径为3.15mm铝包铝合金线抗拉强度为226.5MPa、电导率为58.17％IACS，解决了双金属复合导体异种金属间的界面化合物问题，但力学性能仍需提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度高导电性铝/铝合金复合板的制备方法，以同时获得纯铝的高导电性和铝合金的高强度，采用铝/铝合金复合的方式，将1060纯铝作为外侧的导电性增强体，6201铝合金作为内侧的强度增强体，将纯铝与铝合金轧制成形，纯铝与铝合金之间达到无缺陷的原子级冶金结合，得到兼具纯铝优良导电性与铝合金优异力学性能的1060Al/6201Al合金复合板。
为实现上述技术目的，本发明提供如下技术方案：
一种高强度高导电性铝铝合金复合板的制备方法，包括以下步骤：
将Al-Mg-Si合金(Al-0.54Mg-0.59Si)进行预处理后与纯铝板进行轧制复合，再经过退火处理，冷却，即得高强度高导电性铝/铝合金复合板。
作为本发明的进一步改进，所述Al-Mg-Si合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)将纯铝置于740-760℃条件下保温10-20min直至熔化，在得到的铝液表面添加覆盖剂，再通入氩气进行保护；
(2)除去步骤(1)铝液表面浮渣后，加入纯镁和Al-Si中间合金，在得到的混合物表面添加覆盖剂，通入氩气，继续在740-760℃条件下保温10-20min；
(3)除去步骤(2)混合物表面浮渣后加入精炼剂，在氩气气氛下，在740-760℃条件下精炼3-5min，精炼剂熔化后降温至720-730℃，保温10-20min，取出浇铸，即得Al-Mg-Si合金。
作为本发明的进一步改进，所述覆盖剂为KCl、CaCl2、BaCl2、NaCl按质量比49：24：14：2混合而成，用量为5g/次。
作为本发明的进一步改进，所述精炼剂为覆盖剂和CaF2按质量比7:1混合而成，用量为7g/次。
作为本发明的进一步改进，所述预处理包括以下步骤：
将Al-Mg-Si合金置于500-550℃条件下进行固溶处理1-2h，水淬至室温；再置于180-200℃条件下进行时效处理2-3h，空冷至室温。
作为本发明的进一步改进，所述轧制复合包括以下步骤：
将Al-Mg-Si合金切割后与纯铝板固定，第一道次冷轧，压下量50-60％；中间退火，第二道次热轧，压下量45-50％；第三道次冷轧，压下量45-50％。
作为本发明的进一步改进，将所述Al-Mg-Si合金按照长宽厚分别为50×20×4mm3规格切割。
作为本发明的进一步改进，所述固定方式为将切割后的Al-Mg-Si合金和纯铝板结合面进行打磨去除表面的氧化物层，然后用酒精清洗、吹干，用铁丝或铝丝捆绑固定。
作为本发明的进一步改进，所述捆绑固定的Al-Mg-Si合金和纯铝板总厚度为6mm。
作为本发明的进一步改进，所述轧制复合选用250mm二辊轧机。
作为本发明的进一步改进，所述轧制速度为5mm/s。
作为本发明的进一步改进，所述中间退火温度为250-450℃，中间退火时间为10-30min。
作为本发明的进一步改进，所述退火温度为170-190℃，退火时间为0.5-1.5h。
作为本发明的进一步改进，将捆绑固定的Al-Mg-Si合金和纯铝板放入轧机进行轧制，为防止变形弯曲后造成折断，将Al-Mg-Si合金与上辊接触，纯铝板与下辊接触放置。所述轧制复合过程中纯铝与Al-Mg-Si合金界面之间的结合达到冶金结合水平。
作为本发明的进一步改进，所述冷却的方式为空冷。
本发明还提供了一种采用上述制备方法制备的高强度高导电性铝/铝合金复合板。
本发明的原理为：
采用铝合金铸锭切成板料，经固溶水淬、时效处理后，直接与轧制纯铝板进行组合，在室温下进行大压下量轧制进行复合以避免高温氧化。复合板经中间退火热处理消除应变硬化、细化铝基体晶粒；第二道次热轧提高界面扩散速率、进一步提高界面结合强度，同时促进铝合金动态再结晶、调控析出相。第三道次冷轧再次细化组织、促进界面结合。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明将铸态Al-Mg-Si合金进行固溶水淬处理，熔解细化凝固过程中晶界处形成的粗大Mg2Si相及杂质组分颗粒相，得到成分均匀的溶质原子和空位在铝基体中的过饱和固溶体；再经时效处理后，合金中析出高密度均匀弥散分布的Mg2Si纳米析出相，为后续轧制复合过程中实现铝合金板的均匀塑性变形、快速晶粒细化做好准备。预处理铝合金板与纯铝板组坯后，经大压下量冷轧轧制复合以避免常规热轧过程中两侧界面因高温氧化而难以复合；中间退火热处理旨在消除应变硬化、细化铝基体晶粒，随后立即进行第二道次热轧以提高界面处原子扩散速率、进一步提高界面结合强度，同时促进铝合金动态再结晶、调控析出相，第三道次冷轧再次细化组织、促进界面结合；最后再经退火处理以调控位错、析出相，细化晶粒，消除残余应力，提高复合板的强度和导电性综合性能。
本发明制备的复合板将铝合金的制备与纯铝板的复合合二为一，具有工艺简单、生产流程短，制造成本低廉的特点。同时，复合板的厚度仅为0.8mm，但抗拉强度为366.73MPa、电导率为55.89％IACS，综合力学性能和导电性能优于现有技术，具有显著的优越性。
附图说明
图1为本发明高强度高导电性铝/铝合金复合板制备流程图；
图2为本发明实施例1制备的复合板厚度OM图；
图3为本发明实施例1制备的复合板界面OM组织图；
图4为本发明实施例1制备的复合板界面SEM组织图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明制备的Al-Mg-Si合金中Mg：0.5-0.9wt％，Si：0.5-0.9wt％。
本发明捆绑固定的Al-Mg-Si合金和纯铝板的厚度比2:1。
本发明所用Al-Mg-Si合金为牌号6201铝合金。
本发明所用纯铝板为1060纯铝，(标准：GB/T3190-2008)按质量百分比计，原料成分包括：99.60％Al，0.25％Si，0.05％Cu，0.03％Mg，0.05％Zn，0.03％Mn，0.03％Ti，0.05％V，0.35％Fe。
本发明制备高强度高导电性铝/铝合金复合板的流程图如图1所示。
以下实施例所用覆盖剂为：KCl、CaCl2、BaCl2、NaCl按质量比49：24：14：2混合而成，用量为5g/次。
所用精炼剂为：覆盖剂和CaF2按质量比7:1混合而成，用量为7g/次。
实施例1
(一)Al-0.59Mg-0.54Si合金的制备
(1)将纯铝块置于750℃条件下保温15min直至熔化，在得到的铝液表面平铺一层覆盖剂，再通入氩气进行保护；
(2)除去步骤(1)铝液表面浮渣后加入纯镁和Al-12Si中间合金，在得到的混合物表面再次平铺一层覆盖剂，通入氩气，继续在750℃条件下保温15min；
(3)除去步骤(2)混合物表面浮渣后加入精炼剂，在氩气气氛下，在750℃条件下精炼4分钟，精炼剂熔化后降温至730℃，保温15min，取出浇铸在预热的金属模具中，即得Al-Mg-Si合金；
(二)预处理
(1)将Al-Mg-Si合金置于525℃条件下进行固溶处理1.5h，水淬至室温；再置于190℃条件下进行时效处理2.5h，空冷至室温；用400目砂纸进行打磨，磨至两面光滑，得到Al-Mg-Si合金样品；
(2)将样品Al-Mg-Si合金切割成长宽厚分别为50×20×4mm3，将纯铝板切割成长宽厚分别为50×20×2mm3，样品Al-Mg-Si合金和纯铝板结合面用毛刷打磨，制造一定的粗糙度，去除表面的氧化物层后，用酒精清洗表面残渣，吹干，用铝丝捆绑固定；
(三)轧制复合
选用直径为250mm的二辊轧机，轧制速度为5mm/s进行轧制，第一道次冷轧，压下量为56％；经350℃中间退火20min后进行第二道次热轧，压下量为48％；第三道次冷轧48％；轧制复合板最终厚度为0.8mm，总压下量为86％；
(四)退火
对轧制复合板采用180℃条件下退火处理1h，并空冷至室温，即得高强度高导电性铝/铝合金复合板。
采用光学显微镜(OM)对实施例1制备的复合板相对厚度进行观察(如图2)，可以看出，复合板中Al-Mg-Si合金和纯铝板厚度占比为3:1，则复合板的导电性能根据如下混合定律得到：
Figure BDA0002941474340000061
式中P—材料性能；
Figure BDA0002941474340000062
—材料体积分数；
下角标c、m、f分别为复合板、基体和增强体(或功能体)。
经检测，1060纯铝侧与6201铝合金侧的电导率分别为60.26％IACS和53.7％IACS，经计算复合板电导率为55.89％IACS。
采用光学显微镜(OM)对实施例1制备的复合板界面附近组织进行观察(如图3)，结果发现界面结合良好，没有空隙或氧化层的出现，而且铝合金基体中均匀弥散分布着大量细小的Mg2Si析出相颗粒。
对实施例1制备的复合板界面进行SEM检测(如图4)所示，可以看出，纯铝板与Al-Mg-Si合金界面之间紧密结合，达到冶金结合水平。
经检测，实施例1制备的复合板抗拉强度366.73MPa，由上述公式计算得出复合板的电导率55.89％IACS。
实施例2
(一)Al-0.59Mg-0.54Si合金的制备
(1)将纯铝块置于740℃条件下保温20min直至熔化，在得到的铝液表面平铺一层覆盖剂，再通入氩气进行保护；
(2)除去步骤(1)铝液表面浮渣后加入纯镁和Al-12Si中间合金，在得到的混合物表面再次平铺一层覆盖剂，通入氩气，继续在740℃条件下保温20min；
(3)除去步骤(2)混合物表面浮渣后加入精炼剂，在氩气气氛下，在740℃条件下精炼5分钟，精炼剂熔化后降温至720℃，保温20min，取出浇铸在预热的金属模具中，即得Al-Mg-Si合金；
(二)预处理
(1)将Al-Mg-Si合金置于550℃条件下进行固溶处理2h，水淬至室温；再置于200℃条件下进行时效处理3h，空冷至室温；用400目砂纸进行打磨，磨至两面光滑，得到Al-Mg-Si合金样品；
(2)将样品Al-Mg-Si合金切割成长宽厚分别为50×20×4mm3，将纯铝板切割成长宽厚分别为50×20×2mm3，样品Al-Mg-Si合金和纯铝板结合面用毛刷打磨，制造一定的粗糙度，去除表面的氧化物层后，用酒精清洗表面残渣后，吹干，用铝丝捆绑固定；
(三)轧制复合
选用直径为250mm的二辊轧机，轧制速度为5mm/s进行轧制，第一道次冷轧，压下量为60％；经300℃中间退火30min后进行第二道次热轧，压下量为50％；第三道次冷轧50％；轧制复合板最终厚度为0.8mm，总压下量为87％；
(四)退火
对轧制复合板采用190℃条件下退火处理1.5h，并空冷至室温，即得高强度高导电性铝/铝合金复合板。
经检测，实施例2制备的复合板抗拉强度334.56MPa，电导率51％IACS。
实施例3
(一)Al-0.59Mg-0.54Si合金的制备
(1)将纯铝块置于760℃条件下保温10min直至熔化，在得到的铝液表面平铺一层覆盖剂，再通入氩气进行保护；
(2)除去步骤(1)铝液表面浮渣后加入纯镁和Al-12Si中间合金，在得到的混合物表面再次平铺一层覆盖剂，通入氩气，继续在760℃条件下保温10min；
(3)除去步骤(2)混合物表面浮渣后加入精炼剂，在氩气气氛下，在760℃条件下精炼3分钟，精炼剂熔化后降温至725℃，保温10min，取出浇铸在预热的金属模具中，即得Al-Mg-Si合金；
(二)预处理
(1)将Al-Mg-Si合金置于500℃条件下进行固溶处理1h，水淬至室温；再置于180℃条件下进行时效处理2h，空冷至室温；用400目砂纸进行打磨，磨至两面光滑，得到Al-Mg-Si合金样品；
(2)将样品Al-Mg-Si合金切割成长宽厚分别为50×20×4mm3，将纯铝板切割成长宽厚分别为50×20×2mm3，样品Al-Mg-Si合金和纯铝板结合面用毛刷打磨，制造一定的粗糙度，去除表面的氧化物层后，用酒精清洗表面残渣后，吹干，用铝丝捆绑固定；
(三)轧制复合
选用直径为250mm的二辊轧机，轧制速度为5mm/s进行轧制，第一道次冷轧，压下量为50％；经250℃中间退火10min后进行第二道次热轧，压下量为45％；第三道次冷轧45％；轧制复合板最终厚度为0.8mm，总压下量为85％；
(四)退火
对轧制复合板采用170℃条件下退火处理0.5h，并空冷至室温，即得高强度高导电性铝-铝合金复合板。
经检测，实施例3制备的复合板抗拉强度342.58MPa，电导率54％IACS。
实施例4
同实施例1，区别在于，不进行中间退火处理。
结果发现，不用中间退火处理直接冷轧变形，所得复合板界面没结合，性能极差。
对比例1
同实施例1，区别在于，不做固溶水淬处理。
结果发现，制备的Al-Mg-Si合金第二相颗粒尺寸粗大且分布不均，基体晶粒粗大，导致其与纯铝板轧制复合后界面结合性能差，抗拉强度仅为273.30MPa，电导率52％IACS。
对比例2
同实施例1，区别在于，不进行时效处理。
结果发现，制备的复合板抗拉强度为250.67MPa，电导率53％IACS。
对比例3
同实施例1，区别在于，轧制复合过程中不进行中间退火。
结果发现，制备的复合板边缘部位有少量裂纹，抗拉强度为261.23MPa，电导率49％IACS。
对比例4
同实施例1，区别在于，轧制复合过程中不进行第二次冷轧。
结果发现，制备的复合板抗拉强度为255.37MPa，电导率50％IACS。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高强度高导电性铝/铝合金复合板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将Al-Mg-Si合金进行预处理后与纯铝板进行轧制复合，再经过退火处理，冷却，即得高强度高导电性铝/铝合金复合板；
所述Al-Mg-Si合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)将纯铝置于740-760℃条件下保温10-20min直至熔化，在得到的铝液表面添加覆盖剂，再通入氩气进行保护；
(2)除去步骤(1)铝液表面浮渣后，加入纯镁和Al-Si中间合金，在得到的混合物表面添加覆盖剂，通入氩气，继续在740-760℃条件下保温10-20min；
(3)除去步骤(2)混合物表面浮渣后加入精炼剂，在氩气气氛下，在740-760℃条件下精炼3-5min，精炼剂熔化后降温至720-730℃，保温10-20min，取出浇铸，即得Al-Mg-Si合金；
将Al-Mg-Si合金置于500-550℃条件下进行固溶处理1-2h，水淬至室温；再置于180-200℃条件下进行时效处理2-3h，空冷至室温；
所述轧制复合包括以下步骤：将Al-Mg-Si合金切割后与纯铝板固定，第一道次冷轧，压下量50-60％；中间退火，第二道次热轧，压下量45-50％；第三道次冷轧，压下量45-50％；
所述退火温度为170-190℃，退火时间为0.5-1.5h；
所述中间退火温度为250-450℃，中间退火时间为10-30min；
所述Al-Mg-Si合金中Mg：0.5-0.9wt％，Si：0.5-0.9wt％；
所述Al-Mg-Si合金和纯铝板的厚度比2:1；
所述Al-Mg-Si合金为牌号6201铝合金；
所述纯铝板为1060纯铝，按质量百分比计，原料成分包括：99.60％Al，0.25％Si，0.05％Cu，0.03％Mg，0.05％Zn，0.03％Mn，0.03％Ti，0.05％V，0.35％Fe。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述覆盖剂为KCl、CaCl2、BaCl2、NaCl按质量比49：24：14：2混合而成，用量为5g/次。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述精炼剂为覆盖剂和CaF2按质量比7:1混合而成，用量为7g/次。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷却的方式为空冷。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的制备方法制备的高强度高导电性铝/铝合金复合板。
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