CN113234966A

CN113234966A - 一种铝合金材料、铝合金导线及其制备方法

Info

Publication number: CN113234966A
Application number: CN202110503882.3A
Authority: CN
Inventors: 缪姚军; 周峰; 缪小林; 徐春建; 洪小红
Original assignee: Shanghai Zhongtian Aluminium Wire Co ltd; Jiangsu Zhongtian Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Zhongtian Aluminium Wire Co ltd; Jiangsu Zhongtian Technology Co Ltd
Priority date: 2021-05-08
Filing date: 2021-05-08
Publication date: 2021-08-10
Also published as: WO2022237073A1; EP4321644A1

Abstract

一种铝合金材料、铝合金导线及其制备方法，涉及铝合金领域。按质量百分比计，铝合金材料包括以下成分：Fe 0.1％‑0.25％，Si 0.01％‑0.05％，Zr 0.02％‑0.3％，M 0.1％‑1％，Y 0.02％‑0.3％，Mn、V、Ti和Cr的总含量控制在≤0.01％，余量为Al，其中，Fe与Si的质量比为2‑8，M由La和Ce组成。铝合金材料通过特定成分的选择以特定配比的选择，在不明显增加成本的基础上，有效兼顾并强化铝合金材料的耐热性能、力学性能以及提高导电性，具有极佳的商业应用价值。

Description

一种铝合金材料、铝合金导线及其制备方法

技术领域

本申请涉及导铝合金领域，具体而言，涉及一种铝合金材料、铝合金导线及其制备方法。

背景技术

耐热铝合金导线是目前线路增容改造常用导线产品，它可以在现有线路走廊及设施条件用来替代常用的老旧钢芯铝绞线，是实现线路增容和降低线损的有效解决方案，但是由于铝合金的导电率与耐热性相互制约，在保证耐热性能的前提下提升铝合金导线的导电率的难度极大。

常见的国、内外工程化应用的耐热铝合金线单线导电性能长期徘徊在60％IACS，国家标准GB/T 30551-2014、欧洲标准BS EN 62004-2009中规定不同耐热温度类型的铝合金导电率见下表1：

表1耐热铝合金导线率

由表1单线性能可见，无论国内的还是国外的耐热铝合金，工业化应用的标准产品均最高导电率为60％IACS。这一方面是由于行业普遍水平，将导电率由60％IACS提升到61％IACS十分困难，另一方面，在实现了61％IACS导电率的技术方案中，普遍添加了系列昂贵中间合金，工艺处理复杂，或处理温度高时间长，实际生产中需要的控制条件复杂、成本高企，因此难以实现工业化生产。

有鉴于此，特此提出本申请。

发明内容

本申请提供了一种铝合金材料、铝合金导线及其制备方法，其能够解决至少一个上述技术问题。

本申请的实施例是这样实现的：

在第一方面，本申请示例提供了一种铝合金材料，按质量百分比计，铝合金材料包括以下成分：

Fe 0.1％-0.25％，Si 0.01％-0.05％，Zr 0.02％-0.3％，M 0.1％-1％，Y0.02％-0.3％，Mn、V、Ti和Cr的总含量控制在≤0.01％，余量为Al。

其中，Fe与Si的质量比为2-8，M由La和Ce组成。

表2为典型的普通耐热合金与本申请提供的铝合金材料的主要成分对比。

表2成分对比

根据表2，可以看出，本申请提供的铝合金材料在普通耐热合金的基础上，适当提升复合稀土元素(M及Y含量)，降低锆含量，同时限定Fe与Si的质量比为2-8，通过特定成分的选择以特定配比的选择，在不明显增加成本的基础上，有效兼顾并强化铝合金材料的耐热性能、力学性能以及提高导电性，具有极佳的商业应用价值。

具体地，基于复合稀土元素(M及Y)在铝中具有极低的固溶度，因此在铝合金凝固的过程中，稀土元素Y会与铝反应生成高熔点的铝-稀土元素金属间化合物，其在基体中的固溶度很小，形成的Al₃Y(D019结构)可作为Al₃Zr时效析出的形核核心，大大降低了Al₃Zr直接析出所需要的界面能，使耐热相析出速率增大，粒子数量密度大，尺寸小，最终形成了第二相的大量弥散析出，并使得合金基体内部Zr元素进一步释放形成有效耐热相，净化基体，减少了晶内的晶格畸变，使得电子通过能力迅速提升，同时钉扎位错，阻滞位错运动，实现了强度、导电性的完美匹配。

相对于普通耐热合金，本申请提供的铝合金材料的锆含量下降及稀土元素的增加的相互作用避免了晶内锆元素的高残留，净化合金基体，提升导电率，同时提高耐热相的析出数量，减小了析出相的尺寸，优化强度及细化晶粒，改善实际制备过程中的热处理裕度，使其具有较佳的导电性。

在第二方面，本申请示例提供了一种铝合金导线的制备方法，其包括如下步骤：

按铝合金导线的配方，获得铝液后，在铝液中加入铁源、硅源、锆源、镧源、铈源以及钇源，熔炼，获得铝合金熔体。

将铝合金熔体净化，连铸连轧，热处理，拉拔，获得铝合金单丝后绞线获得铝合金导线。

其中，按质量百分比计，配方包括以下成分：

其中，Fe与Si的质量比为2-8，M由La和Ce组成。

上述制备方法简单，通过上述制备方法和铝合金导线的配方的配合，能够有效强化铝合金导线的耐热性以及导电性能，使铝合金导线的绞后单线导电率能够到达61％IACS及以上，同时该制备方法生产控制简单，成本上升不大，但可极大减少线路损耗，具有较佳的商业价值。

在第二方面，本申请示例提供了一种铝合金导线，其由本申请第二方面提供的制备方法制得。

其中，铝合金导线的绞后单线导电率≥61％IACS，抗拉强度≥151MPa，在230℃加热1h的强度残存率＞90％。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为实施例1提供的铝合金导线在热处理后的显微组织组成物照片。

具体实施方式

下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

由于铝合金的导电率与耐热性及力学性能相互制约，因此，如何在保证力学性能和耐热性能的前提下提升铝合金材料的导电率的难度极大。

有鉴于此，特此提出本申请。

以下针对本申请实施例的铝合金材料、铝合金导线及其制备方法进行具体说明：

首先，本申请提供一种铝合金材料，其中，此处的铝合金材料可以为铝合金杆材、铝合金拉丝单线或铝合金导线(绞后单线)，还可以为铝合金板材或块材等，在此不做具体的限定。

具体地，按质量百分比计，铝合金材料的成分包括：

Fe 0.1％-0.25％，Si 0.01％-0.05％，Zr 0.02％-0.3％，M 0.1％-1％，Y0.02％-0.3％，Mn、V、Ti和Cr的总含量控制在≤0.01％，余量为Al。其中，Fe与Si的质量比为2-8，M由La和Ce组成。其中，Mn、V、Ti和Cr为不可避免的主要杂质元素。

可选地，按质量百分比计，M由25％-45％的La，以及55％-75％的Ce组成；具体例如，M由25％的La，以及75％的Ce组成，或者M由35％的La，以及65％的Ce组成，或者M由45％的La，以及55％的Ce组成等。

基于上述铝合金材料特定的组分及配比，使得铝合金材料的组织组成物为α-Al基体以及弥散析出的Al-Zr-Y耐热相，钉扎位错运动，有效细化晶粒，强化合金的同时，提高导电性能，并且提供良好的耐热性。也即是，基于上述铝合金材料特定的组分及配比，导致其导电性能佳，且兼顾较佳的耐热以及力学性能，因此，其尤其适用制作导线。

可选地，耐热相的半径为8-20nm，耐热相的密度为(1.8-4.2)*10¹⁸N/m³。通过细小且数量众多的耐热相，在保持耐热性能的同时使得铝合金材料导电率≥61％IACS。

其次，本申请提供一种铝合金导线的制备方法，其包括如下步骤：

S1.按铝合金导线的配方，获得铝液后，在铝液中加入铁源、硅源、锆源、镧源、铈源以及钇源，熔炼，获得铝合金熔体。

其中，获得铝液的方式可为先获得铝锭，然后将铝锭熔化所得，为了避免杂质的引入，铝锭可采用纯度不小于99.7％的铝锭。除此以外，获得铝液的方式还可以为直接采用电解铝液。

其中，按质量百分比计，配方包括以下成分：

其中，Fe与Si的质量比为2-8，M由La和Ce组成。其中，铁源、硅源、锆源、镧源、铈源以及钇源可以采用单质，也可以采用合金，若对应的成分无单质，则直接采用含有上述至少两种成分的合金即可，其中，Mn、V、Ti和Cr为通过上述成分的合金引入的不可避免的主要杂质元素，在此不做限定。

可选地，铝液温度为720-750℃。

其中，步骤S1在炉体内进行，其中炉体可以为保温炉或电阻炉等。

S2.将铝合金熔体净化，连铸连轧，热处理，拉拔，获得铝合金单线后绞线形成导线。

铝合金熔体中的氢含量、夹渣物对于最后铝合金成品的质量影响大，因此可选地，净化后的铝合金熔体中，粒径为10μm及以上的夹渣物的质量百分比不高于3％。通过上述限定，可以有效降低合金晶内畸变，进而有效提升导电率。

可选地，净化后获得的铝合金熔体中，氢含量≤0.15ml/100g AL。通过上述限定，有效避免后续铸锭凝固时形成气孔等，同时避免因含氢导致的易断裂等问题，提高其抗拉强度以及调整其铸态时的具体组织形态。

其中，为了获得上述净化效果，本申请示出的一种可选地净化方案中：

净化的步骤包括：精炼，以及精炼后通过过滤板及电磁净化装置进行多级过滤。

精炼可以采用吸附净化的方式，也可以采用非吸附净化的方式进行。具体地，吸附净化的方式包括喷粉精炼剂或除气精炼剂，进行除渣、除气，非吸附净化的方式包括真空处理或超声波处理等，同样达到除渣、除气的效果。

申请人发现仅仅采用上述精炼步骤是无法使粒径为10μm及以上的夹渣物的含量不高于3％，因此，进一步通过多级过滤，以去除铝合金熔体中的非金属杂质，达到净化铝合金熔体的目的，从而提升产品的组织性能。

其中，电磁净化装置可有效净化非金属杂质，提升产品的组织性能，同时操作工艺简单。过滤板包括但不局限于泡沫陶瓷过滤板，还可以为管式过滤板、床式过滤板等，同样达到过滤除渣的效果，在此不做具体的限定。

具体地，过滤板及电磁净化装置设置在炉外，具体设置在炉子与连铸步骤采用的装置之间的流槽中。

进一步可选地，在多级过滤的步骤之前，净化的步骤还包括：将精炼后获得的铝合金熔体保温静置预设时间，然后搅拌，进行在线除气。通过静置预设时间可进行沉渣，同时沉渣后搅拌，使气体充分溢出，可进一步有效除气，保证除气效果，同时在线除气的工艺避免进一步引入杂质。

其中，在线除气采用在线除气装置进行，其中，在线除气装置的反应室设有旋转喷嘴，旋转喷嘴的数量为一个或多个，且其可以单向旋转，也可以双向选择，同时旋转喷嘴可以由石墨制成，也可由其他材质制得，只要能够达到在线除气的目的炉外在线除气装置均可。

需要说明的是，实际的生产制备的过程中，由于原料本身的误差，可能导致实际熔炼后铝合金熔体与实际的配方配比具有一定的误差，因此可选地，在精炼的步骤之后以及在在线除气的步骤之前，净化的步骤还包括：对铝合金熔体取样并测定成分含量，若每个成分的含量与配方中的含量相同则进行下一步骤，若任一成分的含量与配方中的含量不同，则返回至熔炼步骤并进行调整，直至每个成分的含量与配方中的含量相同，进行下一步骤。

可选地，连铸连轧的步骤中，铝合金熔体在进入连铸机结晶轮时的温度为690℃-710℃；例如进入铸造机时的温度为690℃、695℃、700℃、705℃或710℃等。

可选地，连铸连轧的步骤中，进轧温度为450℃-550℃，例如进轧温度为450℃、500℃、530℃、540℃、545℃或550℃等。通过热轧获得铝合金杆材。

可选地，热处理的温度为160-250℃，例如热处理的温度为160℃、165℃、170℃、180℃、190℃、200℃、220℃、230℃、240℃或250℃等，热处理的时间为10-24h，例如热处理的时间为10h、12h、15h、17h、18h、20h或24h等。通过上述热处理的方式对铝合金杆材进行预处理，可强化耐热相析出，进一步降低铝合金晶内畸变，提升获得的铝合金杆材的机械及电气性能，使其导电率＞61％IACS。

也即是说，本申请第一方面提供的铝合金材料可以为上述热处理后获得的铝合金杆材，其导电率＞61％IACS。

最终，将上述铝合金杆材拉拔绞线后，获得铝合金导线，其中，上述制备方法制得的铝合金导线的绞后单线的导电率≥61％IACS，抗拉强度≥151MPa，在230℃加热1h的强度残存率＞90％。

以下结合实施例对本申请的铝合金材料、铝合金导线及其制备方法作进一步的详细描述。

实施例1

一种铝合金导线，其由以下制备方法制得：

(1)按照表1中实施例1配取原料：作为铁源、硅源、锆源、镧源、铈源以及钇源的中间合金，以及纯度为99.7％的铝锭。

(2)在保温炉内将纯度为99.7％的铝锭进行熔炼，然后精准投入其余原料进行熔炼，使得熔炼获得的铝合金液中，按质量百分比计，Fe 0.166％，Si 0.023％，Zr 0.047％，M0.112％，Y 0.044％，Mn、V、Ti和Cr的总含量控制在≤0.01％，余量为Al；其中，Fe与Si的质量比为7.2。

(3)在保温炉中采用喷粉精炼剂进行除渣、除气，进行炉内净化。

(4)对保温炉中的铝合金液的采样，验证各元素含量合格。

(5)保温炉中铝合金液静置30min。

(6)在保温炉中对铝合金液采用电磁搅拌，再次除气，在线测量氢含量≤0.15ml/100g AL。

(7)在流槽中采用30目泡沫陶瓷过滤板及电磁净化装置进行多级过滤，去除非金属杂质，使得铝合金液中粒径为10μm及以上的夹渣物的含量(质量百分比)不高于3％。

(8)将步骤(7)制得的铝合金液进入连铸连轧生产线，铝合金液经流槽流至钢包浇包口进行自动浇铸，下浇包温度(也即是进入铸造机时的温度)为720℃，获得铸锭，然后在铸锭降温至约500℃时送入连轧机轧制，获得直径为9.5mm的杆材。

(9)在箱式时效炉中对杆材进行热处理，热处理工艺为240℃，16小时。

(10)采用11道模的双头拉丝机对步骤(9)获得的杆材进行拉拔，形成规格为直接4.22mm的单丝，绞线形成铝合金导线。

图1为实施例1的铝合金导线在热处理(步骤(9))后的显微组织组成物照片。可以看出，其在组织组成物为α-Al基体(图中灰白部分)以及弥散析出的Al-Zr-Y耐热相(黑色的点)。其中，本实施例中耐热相的半径为10.7nm，耐热相的密度为2.94*10¹⁸N/m³，基体中Zr含量0.003％。

如表2所示的普通耐热合金，采用本实施例的方法制得导线，绞后单线导电率为60％，且其耐热相为Al-Zr，耐热相的半径为22.38nm，耐热相的密度为1.49*10¹⁸N/m³，同时基体中Zr含量0.065％。

实施例2-5

实施例2-5的制备方式与实施例1相似，不同之处仅在于如表3所示的参数。实施例1-5中M均为35％La和65％Ce(质量百分比)。

表3实施例1-5的参数

其中，实施例1-5的导线在热处理后的组织组成物与实施例1相似，均为α-Al基体以及弥散析出的Al-Zr-Y耐热相。

对于实施例1-5获得的杆材以及铝合金导线的绞后单线，按照GB/T30551-2014进行的导电率及抗拉强度的测试，其中，强度残存率是指通过230℃/1h加热单丝的处理方式，来获得其强度保持率与室温初始测量值的比值(残存率)来表征其耐热性。

结果如表4所示：

表4测定结果

根据表4测定结果，可以看出，本申请提供的杆材以及导线的绞后单线导电率均可达到61％IACS及以上。

对于实施例1-5制得的导线，耐热性试验表明，230℃加热1小时后，抗拉强度残存率在92％以上。

实施例6

其与实施例1的区别仅在于：铝合金导线的成分包括：Fe 0.166％，Si 0.023％，Zr0.047％，M 0.112％，Y 0.044％，Mn、V、Ti和Cr的总含量控制在≤0.1％，余量为Al；其中，Fe与Si的质量比为7.2。按质量百分比计，M由45％La和55％Ce组成。

其中，杆材导电率61.7％IACS，导线导电率为61.3％IACS，导线单线抗拉强度158MPa，230℃加热1h的强度残存率＞92％。

对比例1

其与本申请实施例1相比，区别仅在于：杆材未进行热处理，直接获取使用杆材。

其中，杆材导电率60.7％IACS，导线导电率为59.8％IACS，导线抗拉强度164MPa。

对比例2

其与实施例1相比，区别仅在于：按质量百分比计，铝合金导线的成分包括：Fe0.166％，Si 0.023％，Zr 0.047％，M 1.1％，Y 0.044％，Mn、V、Ti和Cr的总含量控制在≤0.1％，余量为Al；其中，Fe与Si的质量比为7.2。按质量百分比计，M由35％La和65％Ce组成。

其中，导线导电率为59.3％IACS，导线抗拉强度145MPa。

对比例3

其与实施例1相比，区别仅在于：铝合金导线的成分包括：Fe 0.23％，Si 0.023％，Zr 0.047％，M 0.112％，Y 0.044％，Mn、V、Ti和Cr的总含量控制在≤0.1％，余量为Al；其中，Fe与Si的质量比为10，按质量百分比计，M由35％La和65％Ce组成。

其中，导线导电率为58.7％IACS，导线抗拉强度166MPa。

对比例4

其与实施例1相比，区别仅在于，缺乏步骤(6)(7)。

其中，导线导电率为59.6％IACS，导线抗拉强度142MPa。

综上，本申请实施例提供的铝合金材料，通过特定的成分配比，在保证铝合金材料的力学性能和耐热性能的前提下，有效提升铝合金材料的导电率。铝合金导线的制备方法操作可控，利用上述特定的成分配比以及上述特定的制备方法，在保证铝合金导线的力学性能和耐热性能的前提下，进一步有效提升铝合金导线的导电率，使其导电率≥61％IACS。

以上仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种铝合金材料，其特征在于，按质量百分比计，所述铝合金材料的成分包括：

Fe 0.1％-0.25％，Si 0.01％-0.05％，Zr 0.02％-0.3％，M 0.1％-1％，Y 0.02％-0.3％，Mn、V、Ti和Cr的总含量控制在≤0.01％，余量为Al；

其中，所述Fe与所述Si的质量比为2-8，所述M由La和Ce组成。

2.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金材料组织组成物为α-Al基体以及弥散析出的Al-Zr-Y耐热相；

可选地，所述耐热相的半径为8-20nm，所述耐热相的密度为(1.8-4.2)*10¹⁸N/m³。

3.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，按质量百分比计，所述M由25％-45％的La，以及55％-75％的所述Ce组成；

可选地，所述铝合金材料为导线或杆材。

4.一种铝合金导线的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

按铝合金导线的配方，获得铝液后，在所述铝液中加入铁源、硅源、锆源、镧源、铈源以及钇源，熔炼，获得铝合金熔体；

将所述铝合金熔体净化，连铸连轧，热处理，拉拔，获得铝合金单丝后绞线形成铝合金导线；

其中，按质量百分比计，所述配方包括以下成分：

其中，所述Fe与所述Si的质量比为2-8，所述M由La和Ce组成；

可选地，按质量百分比计，所述M由25％-45％的La，以及55％-75％的所述Ce组成。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述热处理的温度为160-250℃，所述热处理的时间为10-24h。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述净化后的铝合金熔体中，粒径为10μm及以上的夹渣物的质量百分比不高于3％。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述净化后铝合金熔体中，氢含量≤0.15ml/100g AL。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述净化的步骤包括：精炼，以及精炼后进行多级过滤；

可选地，所述精炼后，采用过滤板及电磁净化装置的组合进行多级过滤用；

可选地，在多级过滤的步骤之前，所述净化的步骤还包括：将所述精炼后获得的铝合金熔体保温静置预设时间，然后搅拌，进行在线除气。

9.根据权利要求4-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述连铸连轧的步骤中，所述铝合金熔体在进入铸造机时的温度为690℃-750℃；

可选地，所述连铸连轧的步骤中，进轧温度为450℃-550℃。

10.一种铝合金导线，其特征在于，其由权利要求4-9任一项所述的制备方法制得；

其中，所述铝合金导线的绞后单线导电率≥61％IACS，抗拉强度≥151MPa，在230℃加热1h的强度残存率＞90％。