CN114758839B - 一种高性能铝锆合金导电杆的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高性能铝锆合金导电杆的制备方法，属于铝合金加工制备技术领域。本发明通过合金熔炼，气体辅助连续铸挤，多次低速连续挤压，多次高速连续挤压，低温时效处理等工艺，制备出高性能铝锆合金导电杆。本发明利用气体辅助连续铸挤制备Zr在
Description
技术领域
本发明涉及一种高性能铝锆合金导电杆的制备方法，属于铝合金加工制备技术领域。
背景技术
Al-Zr合金导线具有耐高温、强度高、载流量大等特点，可用作大容量导线、大电流地线和大跨越导线。Al-Zr合金导线的允许使用温度（150-230℃）明显高于普通硬铝线（90℃），因而在不改变铁塔高度和线路走廊的条件下，仅换用Al-Zr导线，便可使线路容量增加60-110％，经济效益和社会效益十分显著。
Zr含量对Al-Zr合金的拉伸性能影响显著，Ichikawa等采用非平衡凝固技术-水冷铜模铸造法制备了系列Al-Zr合金，发现当Zr含量增至0.6 wt.%附近时，时效态（400℃/1h和500℃/1h）合金的抗拉强度会急速上升；同时还发现，Zr含量对时效态合金导电性能的影响很小，如在0.2-1.4 wt.%范围内，经500℃/1h时效后合金的电阻率基本位于同一水平。可见，采用非平衡凝固技术增加铝基体中Zr的含量，并经时效析出后，可在不明显降低导电性能的情况下，显著增加拉伸强度，对提升合金的综合性能十分有利。
然而令人遗憾的是，在平衡凝固时，可固溶于铝基体中的Zr元素很少，仅为0.28wt.%，在采用常规铸造或连铸连轧等技术制备合金时，Zr的添加量受到限制，这严重制约了商用Al-Zr合金导线综合性能的提升；因此，为研发高强度高导电的耐热铝合金导线，急需探索一种高性能铝锆合金导电杆的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能铝锆合金导电杆的制备方法，通过合金熔炼，气体辅助连续铸挤，多次低速连续挤压，多次高速连续挤压，低温时效处理等工艺，生产出铝合金导电杆，具体包括以下步骤：
（1）将纯铝和Al-Zr中间合金进行熔炼，配制成合金熔液，熔液中Zr含量在0.5-2.5wt. %之间。
（2）将步骤（1）的合金熔液经气体辅助连续铸挤获得铝合金杆。
（3）对步骤（2）中的铝合金杆进行多次低速连续挤压，获得Zr元素分布均匀的圆铝杆。
（4）对步骤（3）中的圆铝杆进行多次高速连续挤压后，再进行低温短时时效，获得高性能铝锆合金导电杆。
优选的，本发明步骤（1）的纯铝为高纯铝，纯度≥99.99%，中间合金为Al-5Zr合金按比例混合而成。
优选的，本发明步骤（2）气体辅助连续铸挤具体过程为：在惰性气体保护下，合金熔液从中间包下的导流管自挤压轮最高处流入挤压轮槽，在重力和惰性气体射流的共同作用下，合金熔液沿挤压轮槽铺展开来，随后，在上有惰性气体对流传热、下有挤压轮槽传导传热的双重作用下，合金熔液快速凝固；凝固后形成的合金薄坯随挤压轮槽向前运动，在堵头前受阻后开始堆积并填充挤压型腔；随坯料堆积长度的增加，挤压轮槽作用于坯料的摩擦力不断增大，当摩擦力足够大时，坯料便被推入模腔，随后从模孔挤出，形成铝合金杆。
优选的，本发明步骤（2）的气体为氮气，雾化气体压力为0.05-0.40MPa。
优选的，本发明步骤（3）的低速连续挤压的次数可以根据实际调节3-6次，挤压轮转速<3rpm，单道次坯料等效应变约为4-6。
优选的，本发明步骤（4）的高速连续挤压次数可根据实际调节4-8次，挤压轮转速10-20rpm，单道次坯料等效应变约为4-6。
优选的，本发明步骤（4）的时效温度控制在200-300℃，时间控制在24-72h。
本发明的原理：
本发明通过气体辅助连续铸挤获得Zr元素在-Al中的过饱和固溶体；低速连续挤压过程中形成的大量位错能促进Zr元素由枝晶内部向边缘扩散，使溶质元素分布均匀；高速连续挤压时的热力耦合作用能促进第二相形核，使得过饱和固溶体在随后的低温短时时效过程中分解完全，形成细小、弥散且分布均匀的第二相，最终获得高性能铝锆合金导电杆。
本发明的有益效果：
（1）气体辅助连续铸挤过程中的非平衡凝固可扩展Zr在铝基体中的固溶度，使较多的Zr元素固溶于铝基体，形成过饱和固溶体；低速连续挤压过程中的大塑性变形能形成大量位错，为铝基体中的Zr元素提供快速扩展通道，促进Zr元素在铝基体内分散均匀；高速连续挤压过程中，在变形与热的耦合作用下，空位与位错的形成和湮灭都非常活跃，可将Zr元素转移到析出相的形核位置，利于过饱和固溶体在低温短时时效过程中分解完全，并形成大量细小、弥散且分布均匀的第二相，获得高强高导的耐热铝合金导电杆。
（2）本发明能实现超长尺度高性能耐热铝合金导电杆的连续制备，且生产效率高；此外，Zr元素的添加量可以达到2.5 wt. %，铝合金导电杆具有优异的力学性能和较高的导电率。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种高性能铝锆合金导电杆的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）在熔炼炉内将高纯铝（纯度不低于99.99%）和Al-5Zr中间合金进行熔炼（熔炼温度820℃），配制成Al-0.5Zr合金熔液。
（2）将步骤（1）的合金熔液经由漏斗在惰性气体氮气（0.05MPa）的作用下流入挤压轮槽，由于上方的惰性气体的对流换热和下方挤压轮槽的传导传热迅速铺展成薄坯状，半固态的金属薄坯由于摩擦力的作用，随挤压轮旋转（转速4rpm），经由堵头进入模腔，获得铝合金杆，直径为φ10mm。
（3）将步骤（2）的铝合金杆，在LJ350型连续挤压机上进行多次低速连续挤压，挤压次数3次，挤压轮转速1 rpm，单道次坯料等效应变为4，获得Zr元素分布较均匀的圆铝杆。
（4）将步骤（3）的圆铝杆，在LJ350型连续挤压机上进行多次高速连续挤压，挤压次数4次，挤压轮转速10rpm，单道次坯料等效应变为5，然后放置在电阻炉中进行低温短时时效，时效温度为200℃，时间为24h，完成后获得高性能铝锆合金导电杆。
本实施例获得的铝合金导电杆抗拉强度160MPa，导电率为60.1%IACS。
实施例2
一种高性能铝锆合金导电杆的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）在熔炼炉内将高纯铝（纯度不低于99.99%）和Al-5Zr中间合金进行熔炼（熔炼温度850℃），配制成Al-1.5Zr合金熔液。
（2）将步骤（1）的合金熔液经由漏斗在惰性气体氮气（0.2MPa）的作用下流入挤压轮槽，由于上方的惰性气体的对流换热和下方挤压轮槽的传导传热迅速铺展成薄坯状，半固态的金属薄坯由于摩擦力的作用，随挤压轮旋转（转速4rpm），经由堵头进入模腔，获得铝合金杆，直径为φ10mm。
（3）将步骤（2）的铝合金杆，在LJ350型连续挤压机上进行多次低速连续挤压，挤压次数4次，挤压轮转速2 rpm，单道次坯料等效应变为5，获得Zr元素分布较均匀的圆铝杆。
（4）将步骤（3）的圆铝杆，在LJ350型连续挤压机上进行多次高速连续挤压，挤压次数6次，挤压轮转速15rpm，单道次坯料等效应变为5，然后放置在电阻炉中进行低温短时时效，时效温度为250℃，时间为48h，完成后获得高性能铝锆合金导电杆。
本实施例获得的铝合金导电杆抗拉强度250MPa，导电率为59.3%IACS。
实施例3
一种高性能铝锆合金导电杆的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）在熔炼炉内将高纯铝（纯度不低于99.99%）和Al-5Zr中间合金进行熔炼（熔炼温度900℃），配制成Al-2.5Zr合金熔液。
（2）将步骤（1）的合金熔液经由漏斗在惰性气体氮气（0.4MPa）的作用下流入挤压轮槽，由于上方的惰性气体的对流换热和下方挤压轮槽的传导传热迅速铺展成薄坯状，半固态的金属薄坯由于摩擦力的作用，随挤压轮旋转（转速4rpm），经由堵头进入模腔，获得铝合金杆，直径为φ10mm。
（3）将步骤（2）的铝合金杆，在LJ350型连续挤压机上进行多次低速连续挤压，挤压次数6次，挤压轮转速2 rpm，单道次坯料等效应变为6，获得Zr元素分布较均匀的圆铝杆。
（4）将步骤（3）的圆铝杆，在LJ350型连续挤压机上进行多次高速连续挤压，挤压次数8次，挤压轮转速20rpm，单道次坯料等效应变为6，然后放置在电阻炉中进行低温短时时效，时效温度为300℃，时间为72h，完成后获得高性能铝锆合金导电杆。
本实施例获得的铝合金导电杆抗拉强度310MPa，导电率为58.1%IACS。
对比实施例1
（1）在熔炼炉内将高纯铝（纯度不低于99.99%）和Al-5Zr中间合金进行熔炼（熔炼温度800℃），配制成Al-0.39Zr合金熔液。
（2）步骤（1）的合金熔液经连铸连轧制备成直径为10mm的铝合金杆。
（3）将步骤（2）的铝合金杆进行等温时效，时效温度为375℃，时效时间为60h，获得铝合金导电杆。
本实施例获得的铝合金导电杆抗拉强度95MPa，导电率为58.8%IACS。
通过对比实例1可以看出，在采用常规连铸连轧法制备铝锆合金杆时，由于合金熔液的凝固速率较低，Zr元素的添加量受限，因此合金的强度水平很低，无法获得高性能导电杆。
相比之下，本发明实施例1中采用气体辅助连续铸挤制备铝合金杆时，轮槽的传导传热和惰性气体的对流换热可实现合金熔液的快速凝固，能显著拓宽Zr在铝基体中的固溶度，可制备高锆含量铝合金；低速连续挤压过程中的大塑性变形能形成大量位错，为铝基体中的Zr元素提供快速扩展通道，促进Zr元素在铝基体内分散均匀；高速连续挤压过程中，在变形与热的耦合作用下，空位与位错的形成和湮灭都非常活跃，可将Zr元素转移到析出相的形核位置，利于过饱和固溶体在低温短时时效过程中分解完全，并形成大量细小、弥散且分布均匀的第二相，使材料具备较高的机械性能、良好的导电性能和优异的耐热性能。
Claims (5)
1.一种高性能铝锆合金导电杆的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）将纯铝和Al-Zr中间合金进行熔炼，配制成合金熔液，熔液中Zr含量在0.5-2.5 wt.%之间；
（2）将步骤（1）的合金熔液经气体辅助连续铸挤获得铝合金杆；
（3）对步骤（2）中的铝合金杆进行多次低速连续挤压，获得Zr元素分布均匀的圆铝杆，挤压轮转速<3rpm；
（4）对步骤（3）中的圆铝杆进行多次高速连续挤压后，再进行低温短时时效，获得高性能铝锆合金导电杆，挤压轮转速为10-20rpm；
步骤（2）所述气体辅助连续铸挤具体过程：在惰性气体保护下，合金熔液从中间包下的导流管自挤压轮最高处流入挤压轮槽，在重力和惰性气体射流的共同作用下，合金熔液沿挤压轮槽铺展开来，随后，在上有惰性气体对流传热、下有挤压轮槽传导传热的双重作用下，合金熔液快速凝固；凝固后形成的合金薄坯随挤压轮槽向前运动，在堵头前受阻后开始堆积并填充挤压型腔；随坯料堆积长度的增加，挤压轮槽作用于坯料的摩擦力不断增大，当摩擦力足够大时，坯料便被推入模腔，随后从模孔挤出，形成铝合金杆。
2.根据权利要求1所述高性能铝锆合金导电杆的制备方法，其特征在于：步骤（2）的惰性气体压力为0.05-0.40MPa。
3.根据权利要求1所述高性能铝锆合金导电杆的制备方法，其特征在于：步骤（3）的低速连续挤压的次数可以根据实际调节3-6次，单道次坯料等效应变为4-6。
4.根据权利要求1所述高性能铝锆合金导电杆的制备方法，其特征在于：步骤（4）的高速连续挤压的次数可根据实际调节4-8次，单道次坯料等效应变为4-6。
5.根据权利要求1所述高性能铝锆合金导电杆的制备方法，其特征在于：步骤（4）的时效温度控制在200-300℃，时间控制在24-72h。
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2022
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