CN113930643B - 基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及有色金属加工的技术领域，公开了基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料及其制备方法，包括以下步骤：合金成分选择、合金熔炼、均匀化处理、热挤压变形、固溶处理、时效处理和搅拌摩擦加工。还公开了一种高性能铝合金导线材料，由0.05～0.08wt.％Sc，0.1～0.2wt.％Zr，0.08～0.12wt.％Er，余量为铝元素成分组成，在室温下的抗拉强度为120－140MPa，延伸率为30－34％，电导率为57－60％，使用温度范围在250－350℃。本发明的基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料的制备方法，其制备的铝合金导线材料的具有强度及延伸率高、电导率高和耐热性好的特点。

Description

基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及有色金属加工的技术领域，特别涉及基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料及其制备方法。
背景技术
铝合金导线由于重量轻、耐腐蚀性好，在架空电力线路中得到广泛应用。近年来电力传输需求不断增加，要求导线承载大电流，这不可避免地导致导线温度升高明显。这种温升可能导致铝导线的机械性能显著下降，从而降低电力线路的可靠性。Al－Mg－Si合金是目前架空电力线路中使用最广泛的铝导线材料之一，但其在230℃下暴露3小时后，其硬度降低约74％。由于耐热性能差，Al－Mg－Si合金在长期运行时的使用温度被限制在90℃，严重阻碍了提高导线载流能力的可行性。Al－Mg－Si合金力学性能的下降主要归因于强化析出相在高温下的粗化和溶解。因此，迫切需要开发热稳定性好的铝合金导线材料，以满足提高导线传输功率能力的要求。
耐热铝合金导线材料已有部分研究，主要通过微合金化提高合金的耐热性。但目前耐热铝合金导线材料，尤其是低合金含量的铝合金材料，存在强度低的问题，制约了其工业化应用。主要由于合金中析出强化的作用有限，需要结合其他强化方式，如细晶强化和位错强化等强化方法，来进一步提高合金的力学性能。而对金属材料而言，强度和电导率通常是此消彼长的关系，提高抗拉强度，常常会导致电导率和延伸率的下降，尤其是有位错或空位引入时。例如，冷变形可产生显著的位错强化提高合金的力学性能，但冷变形过程中引入的位错会加剧电子散射，从而导致电导率降低。因此，找到合适的工艺及方法实现合金力学性能和电导率的协同提高，可推动耐热铝合金导线材料的工业化应用。
发明内容
本发明的目的是：提供一种强度及延伸率高、电导率高和耐热性好的基于搅拌摩擦加工的铝合金导线材料及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供了基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：原料按照重量百分比计量取以下组分：Sc：0.05～0.08wt.％，Zr：0.1～0.2wt.％，Er：0.08～0.12wt.％，余量为铝，合金熔炼温度设置为720－780℃，得到铸锭；
步骤2：将所述铸锭进行均匀化处理，得到均匀化铸锭；
步骤3：将所述均匀化铸锭进行热挤压，得到板材；
步骤4：将所述板材进行固溶处理后进行时效处理，所述固溶处理的温度设置为640－650℃，保温22－25小时，水冷至室温，所述时效处理的为双级时效工艺，其中一级时效温度设置为280－320℃，保温23－26小时后，水冷至室温；二级时效温度设置在380－420℃，保温48－52小时后，水冷至室温，得到时效处理板材；
步骤5：将所述时效处理板材进行搅拌摩擦加工得到搅拌摩擦加工板材，将搅拌摩擦加工板材加工成棒材，对所述棒材进行冷拉拔处理，得到铝合金导线。
作为优选方案，在所述步骤1中，所述熔炼温度设置为720－780℃，所述铝熔化后，加入Al－Zr、Al－Er和Al－Sc中间合金，所述Al－Sc中间合金在熔炼温度为720－740℃作为最后加入。
作为优选方案，在所述步骤1中，所述原料全部熔化形成熔体，将所述熔体静置0.5－1小时。
作为优选方案，在所述步骤1中，将熔体搅拌后浇注于模具，空冷后得到所述铸锭，在浇铸前将所述模具预热至180－220℃。
作为优选方案，在所述步骤2中，将所述均匀化处理温度设置在640－650℃，保温时间设置在22－26小时。
作为优选方案，在所述步骤3中，热挤压温度设置在380－420℃，将所述均匀化铸锭在热挤压前在所述热挤压温度保温2－5小时。
作为优选方案，在所述步骤5中，在所述搅拌摩擦加工中的搅拌头的转速设置在400－1200rpm，行进速度设置在25－200mm/min，搅拌头的倾斜角度设置在2－3°，下压量设置在0.1－0.3mm，所述搅拌头下压后停留3－6秒。
作为优选方案，所述搅拌头的搅拌针的针长小于所述时效处理板材厚度0.1－0.3mm，所述搅拌头为钢质搅拌头，所述搅拌针形状为锥形，所述搅拌针外周壁设有螺纹。
作为优选方案，在所述步骤5中，在所述搅拌摩擦加工过程中采用液氮对加工区域进行冷却；
在所述步骤1中，所述铝为高纯铝；
在所述步骤3中，对所述均匀化铸锭进行热挤压前，去除所述均匀化铸锭表面氧化皮。
为了实现上述目的，本发明提供了一种高性能铝合金导线材料，由0.05～0.08wt.％Sc，0.1～0.2wt.％Zr，0.08～0.12wt.％Er，余量为铝元素的成分组成，在室温下的抗拉强度为120－140MPa，延伸率为30－34％，电导率为57－60％IACS，使用温度范围在250－350℃。
本发明实施例基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料的制备方法与现有技术相比，其有益效果在于：工艺方法简单，操作方便。发明基于多元复合微合金化的成分设计，采用双级时效和搅拌摩擦加工处理方法，保证材料中形成具有显著强化作用且与基体共格的第二相以提高合金强度、电导率和耐热性，同时形成微米级的细小等轴晶粒，提高强度和延伸率的同时不降低材料电导率。本发明制备的铝合金具有热稳定性好、电导率高、强度和延伸率高等综合性能优异的特点，可满足导线增容扩容对铝导线材料的需求，为制备高强耐热铝合金导线材料提供了一种切实可行的方法，具有工业应用潜力。
本发明实施例制备的高性能铝合金导线材料与现有技术制备的材料相比，其有益效果在于：热稳定性好、电导率高、强度和延伸率高等综合性能优异的特点，可满足导线增容扩容对铝导线材料的需求。
附图说明
图1是本发明实施例制备的Al－Sc－Zr－Er合金的晶粒组织图。
图2是常规方法制备的Al－Sc－Zr－Er合金的晶粒组织图。
图3是本发明实施例制备的Al－Sc－Zr－Er合金的透射组织图。
图4是本发明实施例制备的Al－Sc－Zr－Er合金的拉伸性能曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是焊接连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图4所示，本发明实施例优选实施例的基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：原料按照重量百分比计量取以下组分：Sc：0.05～0.08wt.％，Zr：0.1～0.2wt.％，Er：0.08～0.12wt.％，余量为铝，合金熔炼温度设置为720－780℃进行，得到铸锭；铝合金中Sc、Zr和Er微合金化可显著提高合金的耐热性。Al－Sc－Zr－Er合金能在300℃以上长时间使用而不被软化，主要是由于Sc、Zr和Er多元微合金化后合金中析出相具有较高的析出温度和缓慢的粗化动力学并且可以强烈钉扎晶界和位错，能显著提高合金的热稳定性。此外，形成的析出相能强烈钉扎晶界和位错，有效细化晶粒并提供析出强化，提高合金力学性能。具体的，合金熔炼采用感应加热炉，坩埚为石墨坩埚。作为其中的一种实施例，Sc：0.07wt.％，Zr：0.2wt.％，Er：0.11wt.％，余量为Al。
步骤2：将铸锭进行均匀化处理，得到均匀化铸锭；铸锭进行均匀化处理使合金内部的结晶组织得到改善，铸造应力得以减小，偏析消除。
步骤3：将均匀化铸锭进行热挤压，得到板材；对铸锭进行塑性加工挤压成型，以使铸锭的形状更接近于线材的形状，便于后续线材加工。同时，有助于提高后续线材的机械加工的尺寸精度和表面质量。
步骤4：将板材进行固溶处理后进行时效处理，固溶处理的温度设置为640－650℃，保温22－25小时后，水冷至室温，作为优选的，固定处理温度为640℃，保温24小时，以保证板材在热挤压过程中析出的粗大第二相全部回溶。时效处理为双级时效工艺，其中一级时效温度设置为280－320℃，保温23－26小时后，水冷至室温；二级时效温度设置在380－420℃，保温48－52小时后，水冷至室温，得到时效处理板材；作为优选的，一级时效处理的温度设置在300℃，保温25小时后，水冷至室温，随后进行二级时效，二级时效温度设置为400℃，保温50小时后，水冷至室温。在固溶处理后进行时效处理，让合金析出均匀弥散的细小的析出相强化合金。该合金中由于Er，Sc，Zr三种元素的扩散系数大小关系为DEr＞DSc＞DZr且该合金体系中合金元素的析出序列主要受扩散控制，因而会形成以Al3Er为核心，Al3Sc为内壳，Al3Zr为外壳的具有双核壳结构的析出相。时效处理为双级时效处理。由于Zr元素在280－320℃时效时不析出，因此先在280－320℃保温再在380－420℃保温的双级时效工艺可保证280－320℃时Er和Sc优先析出，且不发生明显长大，380－420℃时效时Zr在Al3(Er，Sc)析出相外析出，形成大量的弥散细小且与基体共格的具有双核壳结构的析出相。这样形成的析出相强化效果好，且能有效提高合金的热稳定性。具体的，室温的温度设置在16－25℃。
步骤5：将时效处理板材进行搅拌摩擦加工得到搅拌摩擦加工板材，将搅拌摩擦加工板材加工成棒材后进行冷拉拔处理，得到铝合金导线。通过将旋转的搅拌头插入时效处理板材，搅拌头带动被加工材料发生剧烈塑性变形，使材料的微观结构发生改变，如使组织细化、致密化和均匀化等，从而使其力学性能和其他物理化学性能得到改善。搅拌摩擦加工(FSP)具有环保、高效、不改变工件形状且可以制备大块材料等特点。通过搅拌摩擦加工将时效处理板材晶粒细化，搅拌区材料在摩擦热及剧烈塑性变形的作用下发生动态再结晶，形成等轴细晶。细晶组织能提供细晶强化提高Al－Sc－Zr－Er合金的力学性能，但对合金的电导率影响不大。作为其中一实施例，在进行搅拌摩擦加工前对时效处理板材进行表面打磨及清洗，将处理后的时效处理板材固定在搅拌摩擦焊机机床上进行搅拌摩擦加工，加工6mm厚的时效处理板材，搅拌头的轴肩直径为18mm，搅拌针长为5.8mm。作为优选的，将搅拌摩擦处理后的板材加工成圆柱形棒材，由于圆柱形棒材与铝合金导线的最终形状较为相似，降低加工难度。
如图1和图4所示，其中图1是采用本发明的基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料及其制备方法得到的Al－Sc－Zr－Er合金的晶粒组织与图2常规Al－Sc－Zr－Er合金的晶粒组织的对比。从图1中可看出，该方法得到的材料晶粒为细小的等轴晶粒，晶粒尺寸约为2μm，细小的晶粒有利于合金强度和延伸率的提高，而对合金电导率影响很小。图3是本发明的方法得到的Al－Sc－Zr－Er合金的透射电镜组织，从图中可以看出，材料内有大量弥散细小的析出相形成，析出相尺寸为纳米级，该析出相的形成有利于合金强度和电导率的提高。图4是本发明方法得到的合金的力学性能曲线，可以看到常规方法仅微合金化制备的铝合金导线材料的抗拉强度为120MPa，拉伸应变仅24％，本发明制备的铝合金导线材料的抗拉强度为120－140MPa，延伸率高达30－34％，测量其电导率仍保持较高的水平，高达57－60％IACS，使用温度范围在250－350℃，综合性能优异，得到的合金长时间使用温度不低于250℃。
本发明的基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料的制备方法，工艺方法简单，操作方便。发明基于多元复合微合金化的成分设计，采用双级时效和搅拌摩擦加工处理方法，保证材料中形成具有显著强化作用且与基体共格的第二相以提高合金强度、电导率和耐热性，同时形成微米级的细小等轴晶粒，提高强度的同时不降低材料电导率。本发明制备的铝合金具有热稳定性好、电导率高、强度和延伸率高等综合性能优异的特点，可满足导线增容扩容对铝导线材料的需求，为制备高强耐热铝合金导线材料提供了一种切实可行的方法，具有工业应用潜力。
进一步的，在步骤1中，熔炼温度设置为720－780℃，铝熔化后，加入Al－Zr、Al－Er和Al－Sc中间合金，其中Al－Sc中间合金在熔炼温度为720－740℃作为最后加入，能有效降低熔炼过程中Sc的烧损。作为优选的，Al－Sc中间合金在熔炼温度为720℃时最后加入熔体中，降低Sc的烧损效果更好。
进一步的，在步骤1中，原料全部熔化形成熔体，将熔体静置0.5－1小时，可保证熔体的成分和温度均匀且有效避免铸锭中出现缩松缩孔等缺陷。作为优选的，熔体静止1小时，效果更佳。
进一步的，在步骤1中，将熔体搅拌后浇注于模具，具体的，熔体经过充分搅拌后浇注于模具，空冷后得到铸锭，在浇铸前将模具预热至180－220℃，作为优选的，模具预热至200℃，可有效避免铸锭中出现缩松缩孔等缺陷。
进一步的，在步骤2中，将均匀化处理温度设置在640－650℃，保温时间设置在22－26小时，作为优选的，均匀化处理温度设置在640℃，保温24小时，以保证初生Al3(Sc，Zr，Er)第二相全部回溶到基体中，随后立即水冷至室温，以提高基体的过饱和度。
进一步的，在步骤3中，热挤压温度设置在380－420℃，将均匀化铸锭在热挤压前在热挤压温度保温2－5小时，作为优选的，热挤压温度为420℃，热挤压前保温时间为4小时，以保证挤压前的均匀化铸锭内温度均匀。具体的，保温时间长短视均匀化铸锭的大小而定。更为具体的，在步骤3中得到板材的厚度设置在3－8cm，挤压比设置在14－17。
进一步的，在步骤5中，在搅拌摩擦加工中的搅拌头的转速设置在400－1200rpm，行进速度设置在25－200mm/min，搅拌头的倾斜角度设置在2－3°，下压量设置在0.1－0.3mm，作为优选的，下压量设置在0.2mm，搅拌头下压后停留3－6秒，搅拌头下压后停留，对材料有预热的效果，进而促进材料流动，避免出现缺陷。作为优选的，搅拌头下压后停留5秒，搅拌头对材料的预热效果更佳，促进材料流动的效果更好。
进一步的，搅拌头的针长小于时效处理板材厚度0.1－0.3mm，若搅拌针的长度与下压量的长度和大于板材厚度，板材被压穿，如果搅拌针的长度与下压量的长度和小于板材厚度，板材底部部分区域则得不到搅拌摩擦加工，因此搅拌针的针长与搅拌头下压量的长度之和需与板材的厚度相匹配，从而在保证板材完整的情况下板材的各部分得到充分的搅拌摩擦加工处理。
进一步的，搅拌头为钢质搅拌头，搅拌针形状为锥形，搅拌针外周壁设有螺纹。具体的，钢材为H13钢，搅拌针外周壁设有螺纹，可提高搅拌摩擦加工过程中材料的流动性，避免或减少焊接缺陷。
进一步的，在步骤5中，在搅拌摩擦加工过程中采用液氮对加工区域进行冷却，得到的晶粒组织更细小，性能更佳。
进一步的，在步骤1中，铝为高纯铝(99.99wt.％)，以避免杂质元素对材料性能的影响。原料采用Al－2.24Sc(wt.％)中间合金、Al－10.66Zr(wt.％)中间合金和和Al－10.08Er(wt.％)中间合金；
在步骤1中，采用HGJ－1A铝合金无公害精炼剂精炼除气和扒渣，效果更佳。待原料全部熔化并充分搅拌后静置一段时间，随后浇注到铸铁模具中，空冷，得到铝合金铸锭。
在步骤3中，对均匀化铸锭进行热挤压前，去除均匀化铸锭表面氧化皮，以免影响挤压板材质量。
本发明实施例优选实施例的基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料，由0.05～0.08wt.％Sc，0.1～0.2wt.％Zr，0.08～0.12wt.％Er，余量为铝元素的成分组成，在室温下的抗拉强度为120－140MPa，延伸率为30－34％，电导率为57－60％IACS，使用温度范围在250－350℃。本发明的制备的铝合金导线材料，具有热稳定性好、电导率高、强度和延伸率高等综合性能优异的特点，可满足导线增容扩容对铝导线材料的需求。
综上，本发明实施例提供基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料及其制备方法，工艺方法简单，操作方便。本发明基于多元复合微合金化的成分设计，采用双级时效和搅拌摩擦加工处理方法，保证材料中形成具有显著强化作用且与基体共格的第二相以提高合金强度、电导率和耐热性，同时形成微米级的细小等轴晶粒，同时提高合金强度和延伸率，且不降低材料电导率。本发明制备的铝合金导线具有热稳定性好、电导性高、强度和延伸率高等优点，可满足导线增容扩容对铝导线材料的需求，为制备高强耐热铝合金导线材料提供了一种切实可行的方法，具有工业应用潜力。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：原料按照重量百分比计量取以下组分：Sc：0.05~0.08 wt.%， Zr:0.1~0.2wt.%, Er: 0.08~0.12 wt.%，余量为铝，合金熔炼温度设置为720-780℃，得到铸锭；
步骤2：将所述铸锭进行均匀化处理，得到均匀化铸锭；
步骤3：将所述均匀化铸锭进行热挤压，得到板材；
步骤4：将所述板材进行固溶处理后进行时效处理，所述固溶处理的温度设置为640-650℃，保温22-25小时，水冷至室温，所述时效处理为双级时效工艺，其中一级时效温度设置为280-320℃，保温23-26小时后，水冷至室温；二级时效温度设置为380-420℃，保温48-52小时后，水冷至室温，所述板材形成具有双核壳结构的析出相，得到时效处理板材；
步骤5：将所述时效处理板材进行搅拌摩擦加工得到搅拌摩擦加工板材，将搅拌摩擦加工板材加工成棒材，对所述棒材进行冷拉拔处理，得到铝合金导线。
2.根据权利要求1所述的基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤1中，铝熔化后，加入Al-Zr、Al-Er和Al-Sc中间合金，所述Al-Sc中间合金在熔炼温度为720-740℃作为最后加入。
3.根据权利要求1所述的基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤1中，所述原料全部熔化形成熔体，将所述熔体静置0.5-1小时。
4.根据权利要求3所述的基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤1中，将熔体搅拌后浇注于模具，空冷后得到所述铸锭，在浇铸前将所述模具预热至180-220℃。
5.根据权利要求1所述的基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤2中，将所述均匀化处理温度设置在640-650℃，保温时间设置在22-26小时。
6.根据权利要求1所述的基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤3中，热挤压温度设置在380-420℃，将所述均匀化铸锭在热挤压前在所述热挤压温度保温2-5小时。
7.根据权利要求1所述的基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤5中，在所述搅拌摩擦加工中的搅拌头的转速设置在400-1200rpm，行进速度设置在25-200mm/min，搅拌头的倾斜角度设置在2-3°，下压量设置在0.1-0.3mm，所述搅拌头下压后停留3-6秒。
8.根据权利要求7所述的基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料的制备方法，其特征在于：所述搅拌头的搅拌针的针长小于所述时效处理板材厚度0.1-0.3mm，所述搅拌头为钢质搅拌头，所述搅拌针形状为锥形，所述搅拌针外周壁设有螺纹。
9.根据权利要求1所述的基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤5中，在所述搅拌摩擦加工过程中采用液氮对加工区域进行冷却；
在所述步骤1中，铝为高纯铝；
在所述步骤3中，对所述均匀化铸锭进行热挤压前，去除所述均匀化铸锭表面氧化皮。
10.基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料，其特征在于：采用权利要求1-9任一项所述的基于搅拌摩擦加工的高性能铝合金导线材料的制备方法制备而成，由0.05~0.08wt.%Sc，0.1~0.2wt.%Zr,0.08~0.12wt.%Er，余量为铝元素的成分组成，在室温下的抗拉强度为120-140MPa，延伸率为30-34%，电导率为57-60%IACS，使用温度范围在250-350℃。
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