CN115011848B - 一种高纯铝合金导线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高纯铝合金导线及其制备方法，属于铝合金导线技术领域；其由以下质量百分比的合金元素组成：Mg 0.7‑1.2％，Si 0.2‑0.5％，余量为Al以及其它不可避免的杂质元素，杂质元素总含量小于0.05％。该铝合金导线的制备方法包括：通过半连续铸造或重力铸造，多级固溶，有异于普通轧制工艺的多步热轧，大变形增加析出相冷轧处理后进行高温时效热处理，从而获得无固溶溶质新型高导电铝合金。本发明工艺和成分的高纯铝合金导电率可达到导电率60％IACS以上，接近纯铝水平，同时其强度可达150MPa以上，接近常用5000、6000系铝合金水平。

Description

一种高纯铝合金导线及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金导线技术领域，特别是指一种高纯铝合金导线及其制备方法。
背景技术
目前铝导线类型主要有钢芯铝导线、钢芯铝合金导线、全铝合金导线等，其中钢芯铝导线(钢芯承重、铝线载流)生产技术最成熟，应用最广泛。近些年来，全铝合金导线由于其载流量大、较高的比强度、表面硬度高、工程安装便捷以及经济效益高等优点得到各个国家的重视。
Al-Mg-Si系铝合金作为一种可热处理强化铝合金，由于其比强度高，导电性能，耐蚀性以及耐氧化性能好，被广泛应用于国内外的电力工业。Al-Mg-Si系合金在热处理过程中的沉淀析出序列为：过饱和固溶体→团簇→G.P.区→β″(Mg5Si6)→β′→β(Mg2Si)，其中β″相为主要的析出强化相。在铝合金导线的研发中，强度和导电性作为铝合金导线的两个重要性能，与安全性和节能性密切相关。但是传统提高铝合金强度的方法比如合金化、变形强化、固溶强化等会导致导电性能的降低，两种性能的互相矛盾限制了铝合金导线在电工领域的发展。因此在不降低导电性能的基础上最大能力提高铝合金的强度成为国内外学者研究的重点。
CN 109295346A公开了一种高导电率的柔软铝合金及其制备方法，该铝合金主要包含Al、Pr、Nd、B、Fe和Si，其添加元素过多，经热处理后虽然导电率可达62％IACS，但是硬度却小于20HV。
CN 113182380A公开了一种铝合金导线的制作方法，合金成分为Al-0.14Sc-0.18Zr(wt.％)，该合金添加了较为昂贵的Sc和Zr元素，且时效时间需要达到数百小时，最终合金的性能也并未得到明显的提升。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有高导电率的高纯铝合金导线及其制备方法。本发明提供的铝合金导线在保证导电率的同时提高合金强度，且未加入稀土元素等微合金化元素，采用工艺均为传统变形处理以及热处理工艺，制备方法简单，无需特殊设备，成本较低。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
第一方面，提供一种高纯铝合金导线，其由以下质量百分比的合金元素组成：Mg0.7-1.2％，Si 0.2-0.5％，余量为Al以及其它不可避免的杂质元素，杂质元素总含量小于0.05％。
优选地，其由以下质量百分比的合金元素组成：Mg 0.9-1.1％，Si 0.3-0.35％，余量为Al以及其它不可避免的杂质元素，杂质元素总含量小于0.05％。
更优选地，其由以下质量百分比合金元素组成：Mg 1.01％，Si 0.3％，余量为Al以及其它不可避免的杂质元素，所述不可避免的杂质元素的总量小于0.05％。
其中，优选地，所述高纯铝合金导线满足：导电率为55.37-60.59％IACS，硬度为55.1-61.9HV，抗拉强度为146.5-158.4MPa。
第二方面，提供第一方面所述的高纯铝合金导线的制备方法，包括如下步骤：
S1、原料准备和熔炼铸造；
S2、多级固溶处理：将S1得到的铝合金铸件先在430-470℃下保温3-6小时，在510-550℃下保温2-4小时后进行水淬，得到固溶后的铝合金；
S3、多级热轧：将S2得到的固溶后的铝合金在480-520℃下保温20-40min后进行热轧，开轧温度为480-520℃，进行多道次轧制，热轧总变形量大于60％，得到热轧板材；
S4、冷轧：将S3得到的热轧板材进行冷轧处理，冷轧变形量控制在30％以内，最终得到铝合金板材；
S5、时效热处理；将S4得到的铝合金板材在100-140℃下保温2-5小时，200-240℃下保温1-8小时，即得到高纯铝合金导线。
其中，优选地，所述多级热轧和冷轧中总轧制变形量大于70％，轧制速度为1-1.5m/s。
本发明优选地，S1中所述原料准备包括：按需进行合金的配料，分别称取纯铝、Al-Si中间合金和Al-Mg中间合金，其中Mg元素需要考虑9-11％的烧损。
其中，更优选地，所述纯铝的纯度不低于99.99wt％。
其中，更优选地，所述Al-Si中间合金和Al-Mg中间合金的质量百分含量成分为：Al-20 Si，Al-50 Mg，且按Mg元素10％的烧损，调整Al-50 Mg中间合金的配比。
其中，更优选地，S1中在所述熔炼铸造之前还包括预处理步骤：将S1准备好的材料，以及所需浇注模具和坩埚在180-220℃进行预热1-2h。
更优选地，S1中所述熔炼铸造可以在熔炼后采用半连续铸造或重力铸造的方式，优选包括：将所述预处理后的纯铝加热到710-750℃，然后依次加入经所述预处理后的Al-Si中间合金和Al-Mg合金进行熔炼，搅拌混合，待完全熔化后得到熔体，加入除渣剂和精炼剂，在710-750℃下继续保温20-30min，扒渣，浇注，铸造，得到铝合金铸件。
优选地，所述铸造的过程包括：在730-740℃的温度下，以80～100mm/min的铸造速度进行铸造，在空气中自然冷却。
优选地，S4中所得铝合金板材的厚度为2-2.5mm。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
1.本发明得到的高导电率的高纯铝合金导线，导电率为55.37～60.59％IACS，硬度为55.1～61.9HV，抗拉强度为146.5～158.4MPa。
2.本发明的高纯铝合金导线，在能保证高导电率的同时，尽可能地提高铝合金导线的力学性能。
3.本发明高纯铝合金导线的制备方法简单，不需要添加过多的合金元素，从而获得相对比较净化的α-Al基体，减少了杂质元素对导电率的损耗，不需要稀土元素，采用特定含量的常规合金成分组合，也不需要额外的特殊设备即可获得较好的综合性能，操作方便，易于工业化生产。
本发明的制备方法中采用多级固溶、多级热轧和冷轧，有异于普通轧制工艺的多步热轧，多级热轧中采用大变形量控制能增加析出相更利于冷轧处理后进行高温时效热处理，从而获得无固溶溶质新型高导电铝合金。本发明具有成本低，节省时间，操作便捷等优势。本发明工艺和成分的高纯铝合金导电率可达到导电率60％IACS以上，接近纯铝水平，同时其强度可达150MPa以上，接近常用5000、6000系铝合金水平。
附图说明
图1为实施例1的高纯铝合金导线的轧制态SEM图，其中，(a)为大区域低放大倍数下的图，(b)为小区域大放大倍数下的图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
实施例1
一种高纯铝合金导线，由以下质量百分含量的合金元素组成：Mg：1.01％，Si：0.30％，余量为Al以及不可避免的杂质元素，所述不可避免地杂质元素总量小于0.05％。
S1、原料准备：按照质量百分比为Mg:1.01％，Si:0.3％，余量为Al以及其它不可避免的杂质元素进行合金的配料，分别称取纯铝、Al-Si中间合金和Al-Mg中间合金，其中Mg元素需要考虑10％的烧损；纯铝的纯度大于99.99％。所述称取的熔炼所用的中间合金质量百分含量成分为：Al-20 Si，Al-50 Mg，且Mg元素需要考虑10％的烧损，需调整Al-50 Mg中间合金的配比。
S2、预处理：将S1称取的原材料，以及浇注模具和坩埚在200℃下预热1h；
S3、熔炼铸造：将S2中预处理后的纯铝加热到730℃，然后依次加入S2预处理后的Al-Si中间合金和Al-Mg合金进行熔炼，搅拌混合均匀，待完全熔化后得到熔体，加入除渣剂和精炼剂，在730℃下继续保温25min，扒渣，浇注在预热后的模具内，铸造，得到铝合金铸件；所述铸造的过程包括：在730℃的温度下，以90mm/min的铸造速度进行铸造，在空气中自然冷却。
S4、多级固溶：将S3所得到的铝合金铸件先在450℃下保温4h，在530℃下保温3h后进行水淬，得到固溶后的铝合金；
S5、多级热轧变形：将S4得到的固溶后的铝合金在500℃下保温30min后进行热轧，开轧温度为500℃，进行多道次轧制，热轧总变形量大于60％，得到热轧板材；
S6、大变形冷轧：将S5得到的热轧铝合金板材进行冷轧处理，冷轧变形量控制在30％以内；最终获得厚度为2mm的铝合金板材；步骤S5和S6中所述的轧制速度为1m/s。
S7、时效热处理：将S6所述的轧制铝合金板材在120℃下保温4h，220℃下保温1～8h，即得到高纯铝合金导线。
对本发明实施例在120℃保温4h+220℃保温4h时效处理后制备的高纯铝合金导线进行导电性能和力学性能的测试，测试结果如下：导电率为60.25％IACS，硬度为55.4HV，抗拉强度为146.5MPa。
图1中为实施例1的高纯铝合金导线的SEM图片。从图中可以看出，基体无任何杂质，所以导电率接近纯铝。
实施例1在经过固溶处理、变形处理后，在120℃保温4h+220℃保温1～8h的时效处理过程中合金的导电率和硬度变化如表1所示。
实施例2
一种高纯铝合金导线，由以下质量百分含量的合金元素组成：Mg：0.72％，Si：0.29％，余量为Al以及不可避免的杂质元素，所述不可避免地杂质元素总量小于0.05％。
S1、原料准备：按照质量百分比为Mg:0.72％，Si:0.29％，余量为Al以及其它不可避免的杂质元素进行合金的配料，分别称取纯铝、Al-Si中间合金和Al-Mg中间合金，其中Mg元素需要考虑10％的烧损；所述纯铝的纯度大于99.99％。所述称取的熔炼所用的中间合金质量百分含量成分为：Al-20 Si，Al-50 Mg，且Mg元素需要考虑10％的烧损，需调整Al-50Mg中间合金的配比。
S2、预处理：将S1称取的原材料，以及浇注模具和坩埚在200℃下预热1h；
S3、熔炼铸造：将S2中预处理后的纯铝加热到730℃，然后依次加入S2预处理后的Al-Si中间合金和Al-Mg合金进行熔炼，搅拌混合均匀，待完全熔化后得到熔体，加入除渣剂和精炼剂，在730℃下继续保温25min，扒渣，浇注在预热后的模具内，铸造，得到铝合金铸件；所述铸造的过程包括：在730℃的温度下，以90mm/min的铸造速度进行铸造，在空气中自然冷却。
S4、多级固溶：将S3所得到的铝合金铸件先在450℃下保温4h，在530℃下保温3h后进行水淬，得到固溶后的铝合金；
S5、多级热轧变形：将S4得到的固溶后的铝合金在500℃下保温30min后进行热轧，开轧温度为500℃，进行多道次轧制，热轧总变形量大于60％，得到热轧板材；
S6、大变形冷轧：将S5得到的热轧铝合金板材进行冷轧处理，冷轧变形量控制在30％以内；最终获得厚度为2mm的铝合金板材；步骤S5和S6中所述的轧制速度为1m/s。
S7、时效热处理：将S6所述的轧制铝合金板材在120℃下保温4h，220℃下保温1～8h，即得到高纯铝合金导线。
对本发明实施例在120℃保温4h+220℃保温4h时效处理后制备的高纯铝合金导线进行导电性能和力学性能的测试，测试结果如下：导电率为58.50％IACS，硬度为57.8HV，抗拉强度为158.4MPa。
实施例2在经过固溶处理、变形处理后，在120℃保温4h+220℃保温1～8h的时效处理过程中合金的导电率和硬度变化如表1所示。
表1实施例1和实施例2铝合金导线的性能
Figure BDA0003639224040000061
Figure BDA0003639224040000071
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从表1中可以看出，实施例1和实施例2的导电率均随着时效时间的增加呈现出先增加后降低的趋势，在120℃时效4h+220℃时效4h或5h时导电率最大；实施例1和实施例2的硬度均随着时效时间的增加呈现出升高后降低的趋势，在120℃时效4h+220℃时效1h时达到峰值。本发明的目的在于保证高导电性能的同时尽可能提高合金的力学性能，因此实施例中的时效热处理工艺参数最优为120℃时效4h+220℃时效4h。
以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高纯铝合金导线，其特征在于，其由以下质量百分比的合金元素组成：Mg 0.7-1.2％，Si 0.2-0.5％，余量为Al以及其它不可避免的杂质元素，杂质元素总含量小于0.05％；
高纯铝合金导线的制备方法中采用多级固溶、多级热轧和冷轧，有异于普通轧制工艺的多步热轧，多级热轧中采用大变形量控制能增加析出相更利于冷轧处理后进行高温时效热处理，从而获得无固溶溶质新型高导电铝合金；
导电率为55.37-60.59％IACS，硬度为55.1-61.9HV，抗拉强度为146.5-158.4MPa。
2.根据权利要求1所述的高纯铝合金导线，其特征在于，其由以下质量百分比的合金元素组成：Mg 0.9-1.1％，Si 0.3-0.35％，余量为Al以及其它不可避免的杂质元素，杂质元素总含量小于0.05％。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的高纯铝合金导线的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、原料准备和熔炼铸造；
S2、多级固溶处理：将S1得到的铝合金铸件先在430-470℃下保温3-6小时，在510-550℃下保温2-4小时后进行水淬，得到固溶后的铝合金；
S3、多级热轧：将S2得到的固溶后的铝合金在480-520℃下保温20-40min后进行热轧，开轧温度为480-520℃，进行多道次轧制，热轧总变形量大于60％，得到热轧板材；
S4、冷轧：将S3得到的热轧板材进行冷轧处理，冷轧变形量控制在30％以内，最终得到铝合金板材；
S5、时效热处理；将S4得到的铝合金板材在100-140℃下保温2-5小时，200-240℃下保温1-8小时，即得到高纯铝合金导线。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，S1中所述原料准备包括：按需进行合金的配料，分别称取纯铝、Al-Si中间合金和Al-Mg中间合金，其中Mg元素需要考虑9-11％的烧损；所述纯铝的纯度不低于99.99wt％。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，S1中在所述熔炼铸造之前还包括预处理步骤：将S1准备好的材料，以及所需浇注模具和坩埚在180-220℃进行预热1-2h。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，S1中所述熔炼铸造包括：将所述预处理后的纯铝加热到710-750℃，然后依次加入经所述预处理后的Al-Si中间合金和Al-Mg合金进行熔炼，搅拌混合，待完全熔化后得到熔体，加入除渣剂和精炼剂，在710-750℃下继续保温20-30min，扒渣，浇注，铸造，得到铝合金铸件。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述铸造的过程包括：在730-740℃的温度下，以80～100mm/min的铸造速度进行铸造，在空气中自然冷却。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，S4中所得铝合金板材的厚度为2-2.5mm。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述多级热轧和冷轧中总轧制变形量大于70％，轧制速度为1-1.5m/s。
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