CN114507797B

CN114507797B - 一种高强高导电铝合金材料及其制备方法

Info

Publication number: CN114507797B
Application number: CN202011284865.7A
Authority: CN
Inventors: 江鸿翔; 赵九洲; 何杰; 张丽丽
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2020-11-17
Filing date: 2020-11-17
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2040-11-17
Also published as: CN114507797A

Abstract

本发明涉及一种高强高导电铝合金材料及其制备方法，属于铝合金制备加工领域。按重量百分比计，铝合金材料包括以下组分：镁0.6～0.7％，硅0.5～0.8％，铁0～0.26％，稀土元素0.04～0.1％，硼0～0.04％，余量为铝。将铝锭熔化→加入除镁和稀土元素之外的其他合金元素并分搅拌熔体→将镁和稀土元素用铝箔包裹后分别压入合金熔体内→对合金熔体进行净化处理→将合金熔体浇入模具之中形成铝合金铸锭→对铝合金铸锭进行淬火处理→对淬火处理后的合金进行变形处理→对变形后的合金进行时效处理。本发明制得的铝合金材料具有较高的强度和导电性能，其导电率≥56.7％IACS，抗拉强度≥330MPa。

Description

一种高强高导电铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种导电率≥56.7％IACS、抗拉强度≥330MPa的高强高导电铝合金材料及其制备方法，属于铝合金制备加工领域。

背景技术

本世纪初期，我国提出了建设智能电网的发展规划，我国的经济发展阶段和能源集中分布的特点决定了我国智能电网建设以特高压电网为骨干网架。在特高压骨架网中，导线材料是电能传输的载体，其综合性能的优劣直接影响着电力传输的安全性和能源的可持续发展。为保证长距离输送中的线路安全，降低输送损耗，智能电网用特高压输电导线要求具备高强度、高导电性能。目前，我国现有长距离输电线路的导线主要为铝导线绞合钢丝线加工而成的钢芯铝绞线，这种钢芯铝绞线输电线路的电能损耗较大，电能利用率较低。为了降低输电线路的电能损耗，提高电能利用效率，迫切需要开发高强度、高导电率的铝合金导线来制备全铝合金架空绞线，以代替传统的钢芯铝绞线。

作为一种可热处理强化变形铝合金，Al-Mg-Si系铝合金是目前国内外制造高强高导电铝合金导线的主体材料。迄今为止，欧美等国开发出了不同牌号的高强高导电铝合金产品，其抗拉强度通常在255～330MPa左右，电导率约为52.5％IACS～57.5％IACS。我国使用的全铝导线主要有LHA1和LHA2两种，其强度在300MPa左右，但电导率分别仅为52.5％IACS和53％IACS，输电过程中电能损失较大。因此，研发新型高强高导电铝合金材料及其制备技术意义重大。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强高导电铝合金材料及其制备方法，以满足工业生产中对高强高导电铝合金材料的需求。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种高强高导电铝合金材料，按重量百分比计，其配方比例如下：镁0.6～0.7％，硅0.5～0.8％，铁0～0.26％，稀土元素0.04～0.1％，硼0～0.04％，余量为铝。

所述的高强高导电铝合金材料，高强高导电率铝合金材料具有优异的力学性能和导电性能，其导电率≥56.7％IACS，抗拉强度≥330MPa。

所述的高强高导电铝合金材料，高强高导电铝合金材料中稀土元素为镧。

所述的高强高导电铝合金材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

(1)将纯铝放入熔炼炉熔化，调节熔体温度至730℃～760℃，加入除了镁和稀土元素之外的其他合金元素，对合金熔体进行搅拌；

(2)调节合金熔体温度至700℃～720℃，将镁和稀土元素用铝箔包裹后分别压入合金熔体内并保温10～30min；

(3)将合金熔体温度调节至730℃～760℃，以高纯氮气对合金熔体进行净化处理；

(4)去除铝合金熔体表面的浮渣，并将铝合金熔体浇入模具之中形成铝合金铸锭；

(5)对铝合金铸锭在510℃～530℃下保温90～180min后进行淬火处理；

(6)对淬火处理后的合金进行轧制变形处理，变形量为80％～90％；

(7)对变形后的合金在170℃～180℃下保温2～4小时进行时效处理。

所述的高强高导电铝合金材料的制备方法，在铝合金熔炼过程中，严格控制铝合金熔体中氢含量，将稀土金属加入铝合金熔体前，铝合金熔体中氢含量在0.3ml/100g Al以下。

所述的高强高导电铝合金材料的制备方法，稀土元素以纯稀土镧或铝镧中间合金的方式加入。

所述的高强高导电铝合金材料的制备方法，纯稀土或铝镧中间合金中杂质元素含量≤0.5wt％。

本发明的原理如下：

本发明铝合金材料中加入了稀土元素(镧0.04～0.1％)，可通过以下几方面来提高合金的性能。1)净化铝合金熔体，去除熔体中氢和部分杂质，从而提高铝合金的导电率；2)细化基体晶粒，稀土元素加入到铝合金中后能降低α-Al与Al熔体间的界面能，提高α-Al的形核率，从而起到细化晶粒、提高材料的力学性能的作用；3)降低镁、硅等元素在基体中的固溶度，从而减少溶质原子固溶引起的晶格畸变和对电子的散射作用，起到提到导电率的效果。

另外，本发明高强高导电铝合金材料中，还添加了：镁0.6～0.7％，硅0.5～0.8％，铁0～0.26％，硼0～0.04％，其协同作用机理如下：1)部分镁、硅固溶于铝基体，对基体起到固溶强化的作用；2)部分镁、硅元素在时效过程中析出形成(Mg,Si)相，其弥散相强化的作用；3)铁在铝中固溶度极低，其对合金电导率的影响较小，但对合金强度有提升作用；4)硼的加入能够与铝熔体中极少量的杂质元素Ti、V等反应，减弱杂质元素对材料电导率的损害，从而增加材料的导电性能。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明制得的铝合金材料具有优异的导电性能和力学性能，其导电率≥56.7％IACS，抗拉强度≥330MPa，该高强高导电铝合金材料在电力运输方面，尤其是高压、特高压输电方面具有很大的应用前景。

附图说明

图1为按实施例1方法制备的铝合金材料的晶粒形貌。

图2为按对比例所述方法制备的铝合金材料的晶粒形貌。

图3为按实施例1方法制备的铝合金中析出相的形貌。

图4为按对比例所述方法制备的铝合金中析出相的形貌。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明的高强高导电铝合金材料由以下重量百分比的元素组成：镁0.6～0.7％，硅0.5～0.8％，铁0～0.26％(优选为0.1～0.26％)，稀土元素镧0.04～0.1％(优选为0.06～0.1％)，硼0～0.04％(优选为0.02～0.04％)，余量为铝。其制备方法为：将铝锭熔化→调节熔体温度至730℃～760℃→加入除镁和稀土元素(镧)之外的其他合金元素并分搅拌熔体→调节熔体温度至700℃～720℃→将镁和稀土元素用铝箔包裹后分别压入合金熔体内并保温10～30min→升温至730℃～760℃后对合金熔体进行净化处理→将合金熔体浇入模具之中形成铝合金铸锭→对铝合金铸锭在510℃～530℃下保温90～180min后进行淬火处理→对淬火处理后的合金进行轧制变形处理，变形量为80％～90％→对变形后的合金在170℃～180℃下保温2～4小时进行时效处理。

以下结合附图及实施例详述本发明，但本发明的保护范围和应用范围不限于以下实施例。

实施例1

本实施例中，按重量百分比计，高强高导电铝合金材料的配方比例如下：镁0.6％，硅0.6％，稀土元素镧0.08％，余量为铝。

本实施例中，高强高导电铝合金材料的制备方法，其步骤如下：

(1)将纯铝放入熔炼炉熔化，调节熔体温度至750℃，加入除了镁和稀土元素镧之外的其他合金元素，对合金熔体进行搅拌。

(2)调节合金熔体温度至720℃，将镁和稀土元素镧用铝箔包裹后分别压入合金熔体内并保温30min。添加稀土元素镧为纯稀土，其纯度为99.5wt％。

(3)将合金熔体温度调节至760℃，以高纯氮气(体积纯度99.999％)对合金熔体进行净化处理；

(5)对铝合金铸锭在520℃下保温1.5小时后进行淬火处理；

(6)对淬火处理后的合金进行轧制变形处理，变形量为85％；

(7)对变形后的合金在175℃下保温2小时空冷至室温。

在铝合金熔炼过程中，控制铝合金熔体中氢含量，将稀土金属加入铝合金熔体前，铝合金熔体中氢含量为0.2ml/100g Al。

本实施例中，高强高导电铝合金材料的导电率57.8％IACS，抗拉强度361MPa。

实施例2

本实施例中，按重量百分比计，高强高导电铝合金材料的配方比例如下：镁0.6％，硅0.5％，铁0.26％，稀土元素镧0.04％，硼0.02％，余量为铝。

(1)将纯铝放入熔炼炉熔化，调节熔体温度至730℃，加入除了镁和稀土元素镧之外的其他合金元素，对合金熔体进行搅拌。

(2)调节合金熔体温度至700℃，将镁和稀土元素镧用铝箔包裹后分别压入合金熔体内并保温10min。添加稀土元素镧为纯稀土，其纯度为99.5wt％。

(3)将合金熔体温度调节至730℃，以高纯氮气(体积纯度99.999％)对合金熔体进行净化处理；

(5)对铝合金铸锭在520℃下保温2小时后进行淬火处理；

(6)对淬火处理后的合金进行轧制变形处理，变形量为80％；

(7)对变形后的合金在175℃下保温2小时空冷至室温。

本实施例中，高强高导电铝合金材料的导电率56.7％IACS，抗拉强度330MPa。

实施例3

本实施例中，按重量百分比计，高强高导电铝合金材料的配方比例如下：镁0.7％，硅0.8％，稀土元素镧0.1％，硼0.04％，余量为铝。

(1)将纯铝放入熔炼炉熔化，调节熔体温度至760℃，加入除了镁和稀土元素镧之外的其他合金元素，对合金熔体进行搅拌。

(2)调节合金熔体温度至720℃，将镁和稀土元素镧用铝箔包裹后分别压入合金熔体内并保温30min。添加稀土元素镧为铝镧中间合金，其纯度为99.5wt％。

(5)对铝合金铸锭在530℃下保温3小时后进行淬火处理；

(6)对淬火处理后的合金进行轧制变形处理，变形量为90％；

(7)对变形后的合金在175℃下保温4小时空冷至室温。

在铝合金熔炼过程中，控制铝合金熔体中氢含量，将稀土金属加入铝合金熔体前，铝合金熔体中氢含量为0.15ml/100g Al。

本实施例中，高强高导电铝合金材料的导电率57.3％IACS，抗拉强度380MPa。

对比例

本对比例中，按重量百分比计，高强高导电铝合金材料的配方比例如下：镁0.6％，硅0.6％，硼0.04％，余量为铝。

本对比例中，不含稀土元素的铝合金材料的制备方法，其步骤如下：

(1)将纯铝放入熔炼炉熔化，调节熔体温度至750℃，加入除了镁之外的其他合金元素，对合金熔体进行搅拌。

(2)调节合金熔体温度至720℃，将镁用铝箔包裹后分别压入合金熔体内并保温30min。

(5)对铝合金铸锭在520℃下保温1.5小时后进行淬火处理；

(6)对淬火处理后的合金进行轧制变形处理，变形量为85％；

(7)对变形后的合金在175℃下保温2小时空冷至室温。

在铝合金熔炼过程中，控制铝合金熔体中氢含量，铝合金熔体中氢含量为0.2ml/100g Al。

本对比例中，不含稀土元素铝合金材料的导电率56.9％IACS，抗拉强度310MPa。

如图1和图2所示，分别给出了按实施例1和对比例制备的铝合金材料的晶粒形貌，可见：实施例1所制备的铝合金连铸锭的晶粒尺寸更小，即适当稀土元素镧的添加能起到晶粒细化作用。

如图3和图4所示，分别给出了按实施例1和对比例制备的铝合金中析出相的形貌，可见：实施例1制备的合金中析出相数量密度更高、颗粒更细小、体积分数更高，即适当稀土元素镧的添加能细化析出相、促使镁、硅元素固溶度的降低。

Claims

1.一种高强高导电铝合金材料，其特征在于，按重量百分比计，其配方比例如下：镁0.6~0.7%，硅0.5~0.8%，铁0~0.26%，稀土元素镧0.06~0.1%，硼0~0.04%，余量为铝；

高强高导电率铝合金材料具有优异的力学性能和导电性能，其导电率≥57.3%IACS，抗拉强度≥361 MPa；

(1) 将纯铝放入熔炼炉熔化，调节熔体温度至730℃~760℃，加入除了镁和稀土元素之外的其他合金元素，对合金熔体进行搅拌；

(2) 调节合金熔体温度至700℃~720℃，将镁和稀土元素用铝箔包裹后分别压入合金熔体内并保温10~30min；

(3) 将合金熔体温度调节至730℃~760℃，以高纯氮气对合金熔体进行净化处理；

(4) 去除铝合金熔体表面的浮渣，并将铝合金熔体浇入模具之中形成铝合金铸锭；

(5) 对铝合金铸锭在510℃~530℃下保温90~180 min后进行淬火处理；

(6) 对淬火处理后的合金进行轧制变形处理，变形量为80%~90%；

(7) 对变形后的合金在170℃~180℃下保温2~4小时进行时效处理。

2.按照权利要求1所述的高强高导电铝合金材料，其特征在于，在铝合金熔炼过程中，严格控制铝合金熔体中氢含量，将稀土金属加入铝合金熔体前，铝合金熔体中氢含量在0.3ml/100g Al以下。

3.按照权利要求1所述的高强高导电铝合金材料，其特征在于，稀土元素以纯稀土镧或铝镧中间合金的方式加入。

4.按照权利要求3所述的高强高导电铝合金材料，其特征在于，纯稀土或铝镧中间合金中杂质元素含量≤0.5wt%。