CN115522102A - 一种铝合金导电材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝合金导电材料及其制备方法，涉及铝合金技术领域。所述铝合金导电材料各元素重量百分比为：Ca3～11wt％，Nb0.05～0.1％，Nd0.05～0.1％，B0.05～0.1％，Ag0.05～0.1％，余量为杂质和Al，该铝合金的组织中共晶强化相Al4Ca的体积分数为7～25％，共晶Al4Ca相为细小的纤维状形貌，单个纤维的直径为0.1～2μm。本发明铝合金制备时按预设方式添加各成分后对铝合金进行熔炼、精炼并铸锭处理，得到所述铝合金导电材料。本发明铝合金导电材料能有效实现Al‑Ca合金组织调控，使铝合金具有优良的塑性变形能力和较高的导电性。

Description

一种铝合金导电材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金材料领域，具体涉及一种新型铝合金导电材料及其制备方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展，大规模的基础设施投建和电力系统发展，我国对电线电缆的需求量快速增长。目前我国电线电缆材料大部分采用纯铜，但铜价居高不下，铜导体材料占据铜电线电缆成本的70％以上，导致制造铜电线电缆的成本大。而纯铝导电性较好，成本较低，但其长期运行或电流过载后会发生较大的蠕变，导致接触电阻增大，易引起事故，且弯曲性能不好，易开裂或折断，同样易引起事故。因此，开发一种兼具较好力学性质和导电性的铝合金导体材料势在必行。
中国发明专利CN 110629076 B公开了一种高导电率铝合金杆材及其制备方法，其通过Fe,Ti,B,Mn,Si,Zn,Mg和稀土等合金元素少量添加提高合金强度，但这些合金元素的少量添加对合金强度提高有限，且过量添加会严重降低合金电导率。中国发明专利CN111575557 B公开了一种高导电铝合金及其热处理工艺，其通过Fe,Cu,Mg,Zn,Cr等合金元素添加并优化含量，同时配合热处理方法，在提高导电性能的同时，保证了力学性能不会大幅下降，获得了一种高导电铝合金。但该合金热处理过程工艺复杂，能耗高，增加合金生产成本。因此，开发一种兼具高强韧、高电导率且无需复杂热处理工艺的铝合金材料具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提出一种铝合金导电材料及其制备方法，其具有优良的塑性变形能力，无需复杂的固溶、多级时效热处理工艺，强韧性较好且具有高导电性。
为实现上述发明目的，本发明提出一种铝合金导电材料，所述铝合金中各元素重量百分比为：
Ca 3～11wt％，
Nb 0.05～0.1％，
Nd 0.05～0.1％，
B 0.05～0.1％，
Ag 0.05～0.1％，
余量为杂质元素和Al；
杂质中，Mn+Cr+V+Ti+Ni+Zn≤0.01wt％，单一杂质元素含量低于0.05％，总杂质元素含量低于0.15％。
在一个或多个实施例中，所述铝合金中，Nb+Nd+B+Ag≤0.2wt％，Nb/B 的质量比为1～4。
在一个或多个实施例中，所述铝合金中包括Nb、Nd、B和Ag元素的合金相，合金相质量分数为0.001～0.005％，合金相的尺寸小于10μm。
在一个或多个实施例中，所述铝合金中的强化相包括纤维状的共晶Al4Ca 相。
在一个或多个实施例中，所述共晶Al4Ca相的体积分数为7～25％，单个纤维的直径为0.1～2μm。
在一个或多个实施例中，铸态下铝合金的晶粒为等轴晶，晶粒尺寸为 20～150μm。
在一个或多个实施例中，铝合金塑性变形后的晶粒为纤维形态，晶粒再结晶的比例小于20％。
本发明还提出一种铝合金导电材料的制备方法，包括如下制备步骤：
S1、将纯铝、Al-Ca中间合金加入熔炼炉中，在740～770℃的温度下完全熔化；
S2、向步骤S1的熔体中加入B元素，而后在730～750℃的温度下搅拌并保温处理；
S3、向步骤S2的熔体中加入Nb、Nd、Ag元素，而后在730～750℃的温度下搅拌处理；
S4、成分检测合格后，使用高纯氩气对合金进行除气精炼，并使用高纯氩气对熔炼炉内部进行保护；
S5、将步骤S4的熔体进行铸造处理得到铸锭，对铸锭在500～540℃的温度下进行5～10h的热处理，而后进行热挤压和多道次拉拔变形，最终得到铝合金的拉拔细丝。
在一个或多个实施例中，所述步骤S5中，浇铸后的铸锭直径为 70～100mm，挤压比为25～40，拉拔后细丝的直径为2～4mm。
在一个或多个实施例中，所述步骤S5中，铝合金铸造过程的冷却速率为10-100℃/S。
本发明的有益效果是：
本发明提出的铝合金导电材料及制备方法，通过铝合金基体强化相中的共晶Al4Ca相以及Nb、Nd、B、Ag元素的微量添加，结合热处理与拉拔变形工艺，实现了Al-Ca合金组织调控，使得在有效强化合金力学性能，且铝合金抗拉强度大于250MPa，延伸率大于4％，导电率大于49％IACS。使合金保持了较高的电导率，从而使合金型材兼具强度和导电性能。同时，本发明铝合金材料具有优良的塑性变形能力，无需复杂的固溶、多级时效热处理工艺，其成分及制备过程具有独特的优势及创新性。
附图说明
图1为实施实例1得到合金组织；
图2为实施实例2得到合金组织；
图3为实施实例3得到合金组织。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述
实施例1
本实施例公开的铝合金导电材料及其制备方法，Al-Ca系合金中各元素重量百分比为：Ca 6wt％，Nb 0.065％，Nd 0.01％，B 0.05％，Ag 0.03％，余量为杂质和Al。其中，杂质中Mn+Cr+V+Ti+Ni+Zn≤0.01wt％，单一杂质含量低于0.05％，总杂质含量低于0.15％。
本实施例基于上述成分的铝合金导电材料的制备方法包括以下制备步骤：
(1)将纯铝、Al-Ca中间合金加入熔炼炉中，760℃完全熔化；
(2)向步骤1中熔体中加入B元素，而后在735℃下搅拌10min，之后保温30min；
(3)向步骤2的熔体中加入Nb、Nd、Ag元素，而后在735℃下搅拌14 min；
(4)成分检测合格后，使用高纯氩气对合金进行除气精炼，并使用高纯氩气对熔炼炉内部进行保护，除气精炼时间为5min；
(5)控制冷却速率在10℃/s进行铸造，将浇铸后得到的铸锭在540℃进行5h的热处理，而后进行热挤压和多道次拉拔变形，最终得到合金的拉拔细丝；其中浇铸后的铸锭直径为70mm，挤压比为40，拉拔后细丝的直径为3mm。
所述得到的一种新型铝合金导电材料，其共晶Al4Ca相的体积分数为 12％，共晶Al4Ca相为细小的纤维状形貌，单个纤维的直径为0.5μm,铸态下合金的晶粒为等轴晶，晶粒尺寸为80μm，合金塑性变形后的晶粒为纤维形态，晶粒再结晶的比例5％，含Nb、Nd、B、Ag元素的合金相质量分数0.003％，合金相的尺寸2μm，经测试抗拉强度为265MPa，延伸率为4.9％，导电率为 51％IACS。
实施例2
本实施例公开的铝合金导电材料及其制备方法，Al-Ca系合金中各元素重量百分比为：Ca 4wt％，Nb 0.02％，Nd 0.04％，B 0.035％，Ag 0.1％，余量为杂质和Al。其中，杂质中Mn+Cr+V+Ti+Ni+Zn≤0.01wt％，单一杂质含量低于0.05％，总杂质含量低于0.15％。
本实施例基于上述成分的铝合金导电材料的制备方法包括以下制备步骤：
(1)将纯铝、Al-Ca中间合金加入熔炼炉中，在温度740℃下完全熔化；
(2)向步骤1中熔体中加入B元素，而后在温度750℃下搅拌15min，之后保温25min；
(3)向步骤2的熔体中加入Nb、Nd、Ag元素，而后在温度730℃下搅拌12min；
(4)成分检测合格后，使用高纯氩气对合金进行除气精炼，并使用高纯氩气对熔炼炉内部进行保护，除气精炼时间为20min；
(5)控制冷却速率在50℃/s进行铸造，将浇铸后得到的铸锭在温度 530℃进行10h的热处理，而后进行热挤压和多道次拉拔变形，最终得到合金的拉拔细丝；其中浇铸后的铸锭直径为90mm，挤压比为35，拉拔后细丝的直径为4mm。
所述得到的一种新型铝合金导电材料，共晶Al4Ca相的体积分数为9％，共晶Al4Ca相为细小的纤维状形貌，单个纤维的直径为0.6μm,铸态下合金的晶粒为等轴晶，晶粒尺寸为90μm，合金塑性变形后的晶粒为纤维形态，晶粒再结晶的比例7％,含Nb、Nd、B、Ag元素的合金相质量分数0.004％，合金相的尺寸1μm，经测试抗拉强度为255MPa，延伸率为5.2％，导电率为 52％IACS。
实施例3
本实施例公开的铝合金导电材料及其制备方法，Al-Ca系合金中各元素重量百分比为：Ca 8wt％，Nb 0.008％，Nd 0.05％，B 0.01％，Ag 0.035％，余量为杂质和Al。其中，杂质中Mn+Cr+V+Ti+Ni+Zn≤0.01wt％，单一杂质含量低于0.05％，总杂质含量低于0.15％。
本实施例基于上述成分的铝合金导电材料的制备方法包括以下制备步骤：
(1)将纯铝、Al-Ca中间合金加入熔炼炉中，在温度750℃下完全熔化；
(2)向步骤1中熔体中加入B元素，而后在740℃下搅拌12min，之后保温35min；
(3)向步骤2的熔体中加入Nb、Nd、Ag元素，而后在750℃下搅拌 15min；
(4)成分检测合格后，使用高纯氩气对合金进行除气精炼，并使用高纯氩气对熔炼炉内部进行保护，除气精炼时间为10min；
(5)控制冷却速率在100℃/s进行铸造，将浇铸后得到的铸锭在温度在 520℃进行9h的热处理，而后进行热挤压和多道次拉拔变形，最终得到合金的拉拔细丝；其中浇铸后的铸锭直径为80mm，挤压比为30，拉拔后细丝的直径为2.5mm。
所述得到的一种新型铝合金导电材料，共晶Al4Ca相的体积分数为18％，共晶Al4Ca相为细小的纤维状形貌，单个纤维的直径为0.7μm,铸态下合金的晶粒为等轴晶，晶粒尺寸为100μm，合金塑性变形后的晶粒为纤维形态，晶粒再结晶的比例13％,含Nb、Nd、B、Ag元素的合金相质量分数0.005％，合金相的尺寸0.5μm，经测试抗拉强度为271MPa，延伸率为4.4％，导电率为 54％IACS。
本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种铝合金导电材料，其特征在于，所述铝合金中各元素重量百分比为：
Ca 3～11wt％，
Nb 0.05～0.1％，
Nd 0.05～0.1％，
B 0.05～0.1％，
Ag 0.05～0.1％，
余量为杂质元素和Al；
杂质中，Mn+Cr+V+Ti+Ni+Zn≤0.01wt％，单一杂质元素含量低于0.05％，总杂质元素含量低于0.15％。
2.根据权利要求1所述的铝合金导电材料，其特征在于，其中，
Nb+Nd+B+Ag≤0.2wt％，
Nb/B的质量比为1～4。
3.根据权利要求1所述的铝合金导电材料，其特征在于，所述铝合金中包括Nb、Nd、B和Ag元素的合金相，所述合金相的总质量分数为0.001～0.005％，合金相的尺寸小于10μm。
4.根据权利要求1所述的铝合金导电材料，其特征在于，所述铝合金中的强化相包括纤维状的共晶Al4Ca相。
5.根据权利要求4所述的铝合金导电材料，其特征在于，所述共晶Al4Ca相的体积分数为7～25％，单个纤维的直径为0.1～2μm。
6.根据权利要求1所述的铝合金导电材料，其特征在于，铸态下铝合金的晶粒为等轴晶，晶粒尺寸为20～150μm。
7.根据权利要求1所述的铝合金导电材料，其特征在于，铝合金塑性变形后的晶粒为纤维形态，晶粒再结晶的比例小于20％。
8.根据权利要求1至7任一项所述的铝合金导电材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将纯铝、Al-Ca中间合金加入熔炼炉中，在740～770℃的温度下完全熔化；
S2、向步骤S1的熔体中加入B元素，而后在730～750℃的温度下搅拌并保温处理；
S3、向步骤S2的熔体中加入Nb、Nd、Ag元素，而后在730～750℃的温度下搅拌处理；
S4、成分检测合格后，使用高纯氩气对合金进行除气精炼，并使用高纯氩气对熔炼炉内部进行保护；
S5、将步骤S4的熔体进行铸造得到铸锭，对铸锭在500～540℃的温度下进行5～10h的热处理，而后进行热挤压和多道次拉拔变形，最终得到铝合金的拉拔细丝。
9.根据权利要求8所述的铝合金导电材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，浇铸后的铸锭直径为70～100mm，挤压比为25～40，拉拔后细丝的直径为2～4mm。
10.根据权利要求8所述的铝合金导电材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，铝合金铸造过程的冷却速率为10-100℃/S。
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