CN116419982A - 用于母线的铝-钪合金 - Google Patents

用于母线的铝-钪合金 Download PDF

Info

Publication number
CN116419982A
CN116419982A CN202180075038.3A CN202180075038A CN116419982A CN 116419982 A CN116419982 A CN 116419982A CN 202180075038 A CN202180075038 A CN 202180075038A CN 116419982 A CN116419982 A CN 116419982A
Authority
CN
China
Prior art keywords
bus bar
alloy
busbar
content
range
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202180075038.3A
Other languages
English (en)
Inventor
凯尔·迪恩
马库斯·伯姆
贾亚库马尔·马尼卡拉吉
斯特凡·马特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yazaki Corp
Original Assignee
Yazaki Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yazaki Corp filed Critical Yazaki Corp
Publication of CN116419982A publication Critical patent/CN116419982A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H01B1/023—Alloys based on aluminium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C1/00—Manufacture of metal sheets, metal wire, metal rods, metal tubes by drawing
    • B21C1/003—Drawing materials of special alloys so far as the composition of the alloy requires or permits special drawing methods or sequences
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C23/00—Extruding metal; Impact extrusion
    • B21C23/01—Extruding metal; Impact extrusion starting from material of particular form or shape, e.g. mechanically pre-treated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0068—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for particular articles not mentioned below
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
  • Non-Insulated Conductors (AREA)

Abstract

本发明提供了一种用于配电的母线，该母线包括铝(Al)合金，该Al合金包含钪(Sc)，并且可选地包含锆(Zr)、铒(Er)和/或镱(Yb)。在一个示例中，Sc和/或其他元素均匀地分布在整个Al合金中。在一个示例中，Al的含量在98重量百分比至99.99重量百分比(wt％)的范围内，钪(Sc)的含量在0.01wt％至0.5wt％的范围内。

Description

用于母线的铝-钪合金
技术领域
所公开的观点涉及用于母线应用的铝合金复合材料。
背景技术
在配电方面，母线为金属条或金属棒，通常容置在开关设备、配电盘和母线槽外壳内，用于局部大电流配电。母线还用于连接电调车场处的高压设备和电池组中的低压设备。母线通常未绝缘，并且具有足够的刚度，可由绝缘支柱支撑在空中。这些特征允许对母线导体进行充分冷却，并能够在不同位置接入导体，而不会产生新接头。
母线的材料成分和横截面尺寸决定了可安全承载的最大电流量。母线的横截面面积可以小到10平方毫米(mm2)，但变电站可以使用直径约50mm(或约2000mm2)或更大的金属管作为母线。
母线被制成各种形状，例如扁平条、实心条或实心棒，并且通常由铜、黄铜或铝(Al)制成。其中一些形状的表面积与横截面面积之比较高，因此可以实现更高效地散热。当母线的厚度大于约8mm时，集肤效应会导致50Hz–60Hz的AC母线效率低下。因此，在较高电流应用中普遍采用中空或扁平形状的母线。此外，空心部分的刚度高于具有同等载流能力的实心棒，从而在户外电气应用中允许在母线支撑件之间实现更大跨距。
附图说明
在附图的各个图中，本发明的一个或多个实施方案以示例而非限定的方式示出，其中相似的附图标记表示相似元素。
图1示出了市售母线的示例。
图2示出了面心立方(FCC)、L12和D023晶胞的球棍模型。
图3是示出了根据所公开实施方案的用于生产铝(Al)合金母线的工艺的流程图。
图4是示出了用于生产具有目标形状和期望强度的母线的工艺的流程图。
图5包括示出了铝-钪(Al-Sc)合金在几种不同起始条件下的热稳定性的比较图。
图6包括示出了已拉伸且已经过老化的Al-Sc合金进行不同热处理后的极限拉伸强度(UTS)的比较图。
图7包括示出了Al-Sc合金在未进行冷加工的情况下进行各种热处理后的硬度结果的比较图。
图8是示出了已铸造的Al-0.13wt％Sc-0.27wt％Zr样品的强度在进行和未进行冷加工的情况下随老化变化的曲线图。
图9包括示出了已拉伸的
Figure BDA0004212387120000021
Al-0.13wt％Sc-0.27wt％Zr导线和已拉伸的
Figure BDA0004212387120000022
Al-0.13wt％Sc导线的比较图。
具体实施方式
下面阐述的实施方案表示使本领域技术人员能够实践实施方案并说明实践实施方案的最佳模式所必需的信息。根据附图阅读以下描述之后，本领域技术人员将理解本发明的概念，并将辨别出本文中未特别提及的这些概念的应用。应当理解，这些概念和应用在本发明和所附实施方案的范围内。
母线应用
在配电方面，母线为金属条或金属棒，用于局部高电流配电。图1包括市售铜(Cu)母线的示例的图像。母线的应用领域包括船舶、运输、电信、公用事业和发电行业。汽车行业也会包括各种母线，以提供用于高电流配电的稳健方法。这些行业可通过用铝(Al)代替Cu母线来减少重量和成本，从而获益。例如，在汽车行业，随着人们越来越关注电动汽车(EV)或混合动力汽车(HEV)，配电需求以及这些汽车因此所需的母线数量显著增加。
传统上母线是由铜制成，因此母线使用数量的增加会对车辆重量产生不利影响。Al的密度和导电性分别为Cu的约30％和约60％；因此，与Cu相比，Al可以实现类似的功率分布，但可将重量减轻约50％。此外，虽然原材料和工业工艺的成本会有所波动，但是Al通常比Cu便宜得多。图1所示的母线是可用本文所述的铝合金代替的母线的镀锡铜示例。因此，由于用于相同电气要求的Al导体比Cu导体更轻且更便宜，因此在汽车应用中用Al母线代替Cu母线可以抵消不断增加的重量和成本，同时仍然满足电力需求。
在汽车行业，母线在各种应用中用作高电流配电的稳健装置。典型的用途包括连接电池组中的单个电池、连接多个电池组，以及将电池组连接到电机逆变器和其他电气部件。一些母线用于经历较高温度的汽车零件。母线可以是两个或多个部件之间的简单直线连接，或者它们可以呈复杂的几何形状以通过汽车的紧密拥挤区域(参见图1)。因此，用于母线应用的理想Al合金能够成形为复杂的形状而不会产生裂纹，并且具有足够的强度，以在母线的整个生命周期中保持那些形状。
金属老化是改变金属合金特性的一种常见方法。具体地，老化可以改变合金的物理和美学特性，以使合金具有不同于其未老化形式的特性。大约达到峰值强度和硬度的合金称为“完全老化”合金。相反，“过老化”是指温度或持续时间大于达到峰值强度所需的温度或持续时间的老化，从而导致强度损失等。
市售Al合金不是母线应用中的Cu的理想替代物，因为这些合金中目前使用的合金元素添加物存在局限性。Al合金的强度可以通过添加合金元素来增加。然而，商用合金中通常使用的添加物会降低导电性，因为具有固态αAl基体相的溶液中的任何元素均充当额外的电子散射点。此外，商用Al合金中的合金元素在该αAl相中具有相对较高的迁移率，在这些合金元素保持高温的情况下，这会因过老化而导致强度降低。这种过老化倾向也会对典型Al合金的高温抗蠕变性产生不利影响。
铝-钪合金
所公开的实施方案涉及Al合金的应用，该Al合金包含钪(Sc)并且可选地包含选自由锆(Zr)、铒(Er)和镱(Yb)组成的组中的一种或多种其他元素，并且涉及此类合金为母线等应用提供的优点。本文使用的名称“Al-Sc-X”是指包含Sc并且可选地包含“X”(包括Zr、Er、Yb或这三者的任何组合)的Al合金。因此，Al-Sc-X合金是Al与其他可选金属的混合物(例如，与镀有其它金属的Al相反)。
在一个实施方案中，Sc和/或X合金元素均等地或均匀地分布在该Al合金的整个体积上。也就是说，在含Sc和/或X的颗粒之间不存在显著的不规则间隙或不规则距离，该含Sc和/或X的颗粒不聚合(或聚合可忽略)，并且在整个母线中不存在Sc和/或X合金元素浓度较高或较低的区域。在该实施方案中，合金元素在该体积的所有部分中的分布基本上是相同的。也就是说，在该体积内不存在合金元素浓度与任何其他部分具有明显差异(即，大于20％、10％，或优选地5％)的部分。
在一个实施方案中，所产生的母线还具有无孔的均匀密度。例如，该密度可能与理论复合材料密度至多偏差2％，该理论复合材料密度可以根据材料的体积、Al和部件颗粒的相对含量以及它们各自的密度来计算。均等含量可以提供一致且均匀的特性，例如在该母线的整个体积上提供均匀的电导率。样品Al合金母线中颗粒的均匀分布可以通过高分辨率显微镜检查来验证。
该Al-Sc-X母线包括在该αAl相中具有低溶解度、在高温Al中具有低迁移率的合金添加物，并且提供显著的强化和更高的抗蠕变性，以用于Al母线和相关产品。在一种优选的实现方式中，析出强化Al-Sc-X合金提供以下优点：在进行老化处理之前处于软态，便于成形；在进行老化处理之后处于强态，以便抵抗使用条件。
本发明利用Al-Sc-X合金的相对较高的导电性(接近于纯Al的导电性)，因为Sc在该αAl相中具有低溶解度。相比之下，先前对Al-Sc-X合金开展的研究主要集中在添加Sc对Al合金的强度、抗蠕变性和热稳定性的好处，以及纳米级L12 Al3X析出物的特定结构和行为(其中“X”是指可变元素)。因此，Al-Sc-X合金在很大程度上用于运动器材和航空航天等结构应用，但不用于电气应用(更具体地，母线应用)。
所公开的Al-Sc-X合金的实施方案包括母线应用。图2示出了面心立方(FCC)、L12和D023晶胞的球棍模型。L12和D023均为Al3X相，但L12更适合强化。作为合金添加物，Sc可以通过析出老化热处理来形成具有L12晶体结构的稳定三铝化物相(Al3Sc)。L12结构与该αAl相的FCC晶胞相当，如图2所示。由于Al3Sc相的晶格参数与αAl的晶格参数相似(失配为1.32％)，因此较小的Al3Sc析出物与αAl基体共格，并且能够受益于有序强化机制，以提供高强度-浓度比。除了形成较好的析出相的能力外，与常用的合金添加物相比，Sc原子在Al基体中具有相对较低的迁移率和溶解度，这使得少量Sc即可增加Al的强度并提高其热稳定性，而不会显著降低导电性。然而，Sc作为合金添加物的一个不利因素在于，其在目前市场上较为稀缺，但所公开的合金对其需求量较低，这可在一定程度上减小这一不利因素的影响。
为了减少达到目标强度所需的Sc的量，可以添加少量锆(Zr)来代替部分Sc。和Sc一样，Zr也是一种三铝化物形成物，但与Sc的不同之处在于，它优先以D023相而不是L12的形式形成Al3Zr。例如，参见图2。由于非立方晶胞，D023与该αAl基体半共格。然而，在Al3Sc L12相附近，Al3Zr相形成为亚稳态L12相，与该Al基体的晶格失配仅为0.75％，甚至低于Al3Sc的晶格失配。由于与Sc相比，Zr在该Al基体中也具有较低迁移率，因此亚稳态L12 Al3Zr相通常形成在现有Al3Sc析出物的外边缘上，从而产生核-壳析出物结构；已证明与二元Al-Sc合金相比，该核-壳析出物结构提高了Al-Sc-Zr合金的热稳定性。“壳”结构是指具有多种层状排列合金元素的颗粒，这些合金元素优选地(但不一定)均匀地分布在该Al基体中。
用于核-壳Al3X析出结构的其他合金添加物包括饵(Er)和镱(Yb)，它们和Sc一样可以形成稳定的L12三铝化物相。Er和Yb的缺点包括这些元素在该αAl基体相中具有几乎可以忽略不计的溶解度。低溶解度会限制Er和Yb通过老化热处理来强化Al的能力，因为基本上所有Er和Yb原子都会在凝固过程中形成L12 Al3X析出物。同样，Al3Er和Al3Yb可以形成核壳析出结构的中心，Al3Sc形成中间壳，Al3Zr形成外壳。向Al-Sc-Zr合金中添加Er和Yb不仅会增加Al3X析出相的相含率，还显著提高了该合金的抗蠕变性。
为了生产出具有所需强度、热稳定性和抗蠕变性的Al母线，而不会显著降低导电性，使其导电性低于纯Al铝的导电性，有利的是促使强化析出物精细地分散在相对缺乏溶质原子的αAl基体周围。为此，在一个实施方案中，使用在Al中具有低溶解度和低迁移率的合金添加物。Sc添加物满足标准，并通过析出稳态Al3Sc L12纳米析出物来显著强化每个原子。在一个示例中，使用少量Sc来产生可用于汽车母线的稀Al合金。为了补充Sc添加物，使用Zr、Er和/或Yb等其他元素来增加L12纳米析出物的析出物体积，并提高母线的热稳定性和抗蠕变性。
为了从这些元素的添加中获得额外的好处，必须进行老化热处理以形成潜在的析出相，同时允许αAl基体相达到接近于平衡的溶质浓度。如果实施得当，老化热处理可以同时增加这些合金的强度并提高其导电性。对于二元Al-Sc合金，需要在275℃和350℃之间的温度进行老化热处理，而Al-Sc-Zr合金需要在375℃和450℃之间的更高热处理温度。此外，这些合金可以连续铸造，只要采用足够的淬火以免在凝固过程和初始冷却期间显著析出成核和生长。
或者，这些合金可以在以下三种条件下挤压。在一种条件下，如果挤压温度高于合金的固溶温度(例如，加热以形成均匀固溶体)，并且在挤压之后立即获得足够的淬火，则合金可以在软化(例如，可延展)状态下挤压，该合金已准备好通过老化热处理来强化。在另一种条件下，如果在挤压过程中保持足够低的处理温度，则可以避免过老化，并且可以在部分老化状态下挤压合金。在又一种条件下，如果在挤压之前对原材料进行老化热处理，并且在挤压过程中保持足够低的处理温度，则可以在完全老化状态挤压合金。
例如，图3是示出了根据所公开实施方案的用于生产Al合金母线的工艺300的流程图。在302处，对Al合金的原材料进行处理。原材料包括选自由Sc、Zr、Er和Yb组成的组中的一种或多种元素。例如，可以对原材料进行固溶或完全老化处理。原材料可以呈棒状或颗粒状。元素均匀地分布在整个Al合金中。在304处，挤压所处理的原材料以生产Al合金母线。
如果Al-Sc-X合金母线是在软化固溶状态下生产的，则在通过老化热处理强化之前，母线可以弯曲成所需形状。与完全老化状态下相比，在母线具有较低强度和更高延展度的情况下形成母线的能力会增加生产各种几何形状母线的复杂性。增加可能的复杂性可以通过允许更紧密的弯曲来减小母线的所需长度，从而进一步减轻母线的重量。
例如，图4是示出了用于生产具有目标形状和期望强度的母线的工艺400的流程图。在402处，可选地挤压包括Al合金的母线。母线可以包含均匀地分布在整个Al合金中的一定含量的Sc。此外，母线还可以包含均匀分布含量的Zr、Er和/或Yb。为了使Al合金固溶，可以对母线进行热处理。在404处，当母线处于软化状态时，将母线成形为目标几何形状。例如，目标可以是复杂的几何形状。在406处，对所成形的母线进行老化热处理，以增加母线的强度。
如果挤压或铸造的合金具有母线应用所需的最终尺寸和形状，则无需其他处理即可进行老化处理和使用。然而，如果铸造或挤压的合金具有过大横截面尺寸或未完成形状，在进行老化热处理之前，可以将合金加工(例如，通过轧制)到所需大小和尺寸。在一个示例中，冷加工可以略微加速老化行为，因此，调整老化热处理来补偿这种行为。
Al-Sc和Al-Sc-X合金是可为汽车母线应用带来许多好处的材料。由于这些合金属于析出强化类型，因此在通过老化热处理增加强度之前，它们可以在软化(例如，可延展)状态下形成复杂的形状。经过老化处理之后，这些合金表现出所需强度、热稳定性和抗蠕变性，同时保持接近纯Al的导电性。在汽车母线应用中使用这些合金可以提高给定母线横截面面积的载流量，因为高热稳定性可以提高工作温度。这可以通过减小母线尺寸来实现重量减轻，或者如果母线尺寸保持不变，则可以允许更高的峰值电流消耗，而不会引起不希望出现的问题。此外，这些合金的抗蠕变性可以帮助减少与母线和其他电气部件之间的连接相关的复杂情况。
例如，通过适当的老化处理，Al-0.13wt％Sc的UTS可以达到200MPa以上，延展度可以达到7％以上。该特定合金在280℃下热处理1小时后可保持其初始UTS的90％以上，这是符合国际电工委员会标准IEC62004的AT3热稳定性要求的要求之一。加工硬化Al合金1350H19的UTS为185Mpa、延展度约为1.5％，并且不具有显著的热稳定性，相比之下，可以容易地理解该特定合金的好处。经过老化处理的Al-0.13wt％Sc具有与Al1350类似的导电性，大于国际退火铜标准(IACS)的约55％，优选地大于IACS的约58％，最优选地大于IACS的约60％。
与二元Al-Sc合金相比，向合金添加少量Zr可进一步增加合金的强度并提高其热稳定性。例如，经过适当老化处理的Al-0.13wt％Sc-0.27wt％Zr的UTS达到225MPa以上，并且在400℃下热处理1小时后可保持其初始UTS的90％以上，这符合IEC62004的AT4热稳定性要求，这是本说明书中定义的最高热稳定性水平。添加Er、Yb等其他三铝化物形成物可进一步增加这些合金的强度并提高其抗蠕变性。
Al-Sc-X金属基体复合材料
对于某些母线应用，向Al-Sc-X合金成分中添加非金属强化组分，从而形成Al-Sc-X金属基体复合材料(MMC)可能是有利的。在一个实施方案中，向Al-Sc-X合金中添加纳米级碳颗粒以形成Al-Sc-X MMC。该纳米级碳颗粒可以包括单壁碳纳米管(CNT)、多壁CNT、石墨烯纳米片(GNP)、少层石墨烯(FLG)、单层石墨烯(SLG)、富勒烯、纳米金刚石和/或主要包含sp2或sp3碳的纳米颗粒。在一个示例中，该纳米级碳颗粒包括选自由CNT、GNP、FLG、SLG、富勒烯、纳米金刚石和主要包含sp2或sp3碳所组成的组中的纳米颗粒的颗粒混合物。Al-Sc-XMMC母线可以包括纳米级碳颗粒。该纳米级碳颗粒的含量可以在0.01重量百分比至2重量百分比(wt.％)的范围内，例如0.1wt％至1wt％，或例如0.2wt％至0.8wt％，或例如0.25wt％至0.75wt％，或例如0.4wt％至0.6wt％。
生产技术
所公开的实施方案包括生产包含少量(例如，0.02wt％-0.5wt％)选自由Sc、Zr、Er和/或Yb组成的组中的组分添加物的母线。这些母线的生产可以根据各种处理技术完成，包括以下一种或多种工艺的组合：
铸造：Al-Sc-X母线合金的初始制备可以通过铸造工艺进行。例如，该合金可以铸造成棒状、颗粒状或其他形状。应仔细考虑熔融温度和保持时间，以确保合金元素完全在单相液态Al相内，从而确保最高效地利用合金元素。此外，合金的凝固和淬火通常应快速完成，以限制在该阶段不需要的析出量，并最大限度地增加溶液中合金元素的数量。在随后的处理步骤(例如，挤压)将完全改变析出物结构的某些情况下，这种淬火速率可能不太重要。
挤压：可以使用Al合金棒或Al合金铸造颗粒作为原材料进行挤压，以生产具有目标形状和尺寸或尺寸大于目标值的母线。如果仅通过挤压不能获得最终形状，或者如果母线的预期特性将受益于添加通过轧制等进行的冷加工，则应考虑挤压尺寸大于目标值的产品。根据挤压过程的温度和进给速率，可以在不同的老化阶段挤压合金。例如，如果挤压温度高于合金的固溶温度，并且挤压物在挤压后足够快地淬火，则合金添加物可以保持在溶液中并准备进行析出老化，而不需要在挤压后进行固溶热处理。如果挤压温度足够低，则可以挤压已经进行完全析出老化处理的产物，无论该产物是在挤压过程中经过老化处理还是在挤压前经过老化处理。
轧制：可以对连续铸造或挤压的产物进行轧制，以减小横截面面积并改变产物形状。该工艺通常在室温下进行，但如果优选同时进行老化和应力松弛，也可以在高温下进行。根据所需特性，可以在老化工艺之前或之后进行轧制，以增加最终产物中的残余应力的量。通常，残余应力越高，强度越高，延展度越低。因此，对于需要更高强度的应用，应在老化工艺完成之后进行一定程度的轧制。
老化：可以进行老化处理，以同时增加合金的强度并提高其导电性。在使用轧制工艺的情况下，可以在轧制步骤之前或之后进行老化处理。理想的老化热处理的时间和温度将取决于所涉及的合金添加物。例如，由于Sc在Al基体中的迁移率，Al3Sc的析出应在约300℃下进行，而Zr在Al基体中的迁移率较低，需要约400℃的较高老化温度才能析出Al3Zr。老化热处理还取决于老化时母线中的残余应力的量，因为较高的残余应力可以提供更多的成核位点并降低合金元素的迁移率势垒，从而加快析出行为。因此，轧制工艺后的老化处理需要不同于轧制工艺前的处理。此外，根据确切的成分，多步老化处理对这些合金可能是有利的，以确保获得最佳析出结构。
弯曲/成形：可以在母线上进行弯曲和/或成形，以获得在汽车环境中使用的有用形状。弯曲可以包括平弯、侧弯、扭转等。这种处理可以在老化热处理前或后进行，具体取决于应用和弯曲/成形过程中所需的材料特性。例如，在母线几何形状复杂的情况下，在通过老化热处理增加强度之前，在软状态下进行弯曲将是有利的。作为反例，从预先经过老化处理的母线坯料形成不太复杂的母线几何形状并立即将母线投入使用的能力可以帮助简化生产。
Al-Sc结果示例
以下示例包括主要涵盖导线样品的结果，可为制造和测试提供便利。然而，已经生产出母线来验证类似的结果。因此，采用导线形式的合金与采用母线形式的合金之间真正意义上的特性差别是意想不到的，因此，该结果适用于相同合金制成的母线。
经过最佳老化处理的Al-0.13wt％Sc导线在280℃下热处理1小时保持其强度的90％以上，这是满足IEC62004的AT3热稳定性规范的要求。然而，导线的热稳定性不足以在400℃下热处理1小时后保持强度的90％以上，这是满足IEC62004的AT4热稳定性规范的要求。
图5示出了对具有不同加工历史的Al-0.13wt％Sc导线进行热处理的结果，其中包括Al-0.13wt％Sc合金在几种不同起始条件下的热稳定性的比较图，以拉伸强度的绝对和相对变化表示。所有样品在这些测试之前都进行了析出老化处理。从左至右，每个曲线图的数据点表示初始老化状态、在280℃处理1小时后的老化合金和在400℃处理1小时后的老化合金。为了符合IEC62004AT3和AT4的热稳定性，样品需要在相应热处理后保持初始UTS的90％以上。
在280℃热处理1小时对任何已拉伸且已经过老化处理的Al-0.13wt％Sc导线的强度基本没有影响，这表明与冷加工相关的析出强化和残余强度均未受到显著影响。在400℃热处理1小时将所有Al-0.13wt％Sc导线的强度降低至约150MPa，即使挤压后导线的强度与两根已拉伸导线的强度之间的初始差异约为40MPa。
图6和图7示出了通过二元Al-Sc合金可实现的特性组合的进一步示例。具体地，图6包括示出了两个已拉伸且已经过老化处理的Al-Sc合金(Al-0.13wt％Sc和Al-0.20wt％S)进行不同热处理后的UTS的比较图。每个点的数字标记表示在每个曲线顶部所示的温度处进行老化处理的小时数。在该示例中，经过老化处理的Al-0.20wt％Sc样品达到280MPaUTS、IACS的60％和6％延展度的特性。然而，由于Sc的成本，可能的优选实施方案通过调整Sc浓度和热处理来定制用于该应用的合金。例如，Al-0.13wt％Sc可以达到242MPa、IACS的61％和5％延展度或259MPa、IACS的60％和4％延展度的特性，具体取决于热处理。
图7包括示出了Al-Sc二元合金在未进行冷加工的情况下进行各种热处理之后的硬度结果的比较图。最右边的轴示出了样品的估计UTS当量，通过实验发现遵循以下关系：
UTS(MPa)＝3.8*硬度(HV)–53；(R2＝0.99)
通常，在300℃对Al-Sc合金进行老化处理约4小时可提供有利的热处理。可定制热处理以实现不同的所需特性。在较高温度(例如，325℃)进行较短时间的老化处理可以产生可接受的结果，但在325℃保持延长时间会使材料过老化。
如图7所示，通过铸造和通过挤压生产的Al-0.13wt％Sc合金的特性非常相似。这种相似性在很大程度上是由于挤压加工条件使得合金在软状态下挤压，并且可以立即进行析出强化。通过调整挤压加工的速度和温度范围，可以使合金在完全老化状态下进行挤压，在这种情况下进一步进行老化处理效果不大。挤压经过老化处理的Al-Sc合金的另一个可行选择是对原材料进行完全老化处理，然后在最低可行温度下进行挤压。
Al-Sc-Zr结果示例
以下示例主要涵盖通过传统铸造工艺生产的棒材和通过对铸造棒材进行拉线而生产的导线。对从铸件内多个位置采集的样品进行了化学分析(例如，XRF)，以确保合金元素均匀地分布在整个棒材中。虽然可以对加工参数进行一些调整，以获得与使用替代工艺(例如，挤压)生产该合金相同的特性，但是所观察到的趋势在一定范围的组分、生产历史和热处理上一直存在于Al-Sc-Zr合金中。
图8是示出了已铸造和已冷加工(已拉伸)Al-0.13wt％Sc-0.27wt％Zr样品的强度在300℃进行老化处理2小时以及在400℃另外进行老化处理2小时和4小时后的变化曲线图。该曲线图示出了两种经过老化处理的合金产物进行不同加工后的特性的相似性，以及合金即使在400℃热处理后仍能保持强度的能力。
例如，如图8所示，对于在400℃处理2小时和在400℃处理4小时这两种情况，这种Al-Sc-Zr合金的强度不会显著降低，事实上，未进行冷加工的铸造样品的强度在这两个时间之间增加了约6％。这表明，经过适当老化处理的Al-Sc-Zr合金至少满足IEC62004AT4热稳定性规范的一项要求，即在400℃热处理1小时后，它们可以保持其初始UTS的90％以上。
图9包括示出了已拉伸
Figure BDA0004212387120000111
Al-0.13wt％Sc-0.27wt％Zr导线和已拉伸
Figure BDA0004212387120000112
Al-0.13wt％Sc导线的比较图。这些曲线图示出了向Al-Sc合金中添加Zr会增加强度并提高热稳定性，同时相应地小幅降低导电性。
由于在老化处理过程中加工硬化同时松弛，因此析出行为在拉伸或轧制样品中的影响可能更难观察和量化，但是与二元Al-Sc合金相比，Al-Sc-Zr合金的最终特性显著改进。例如，参见图7。与已拉伸且已经过老化处理的Al-Sc合金相比，包含相同wt％的Sc的已拉伸且已经过老化处理的Al-Sc-Zr合金的强度和热稳定性显著提高(在300℃进行老化处理2小时后分别为260MPa和240MPa，在400℃进行老化处理4小时后分别为220MPa和140MPa)，而导电性略低(在400℃进行老化处理2小时后分别为IACS的59.5％和61.5％)。
Er和Yb添加物
为了在母线应用中进一步增强Al-Sc-Zr合金，可以添加其他形成三铝化物的合金添加物，例如Er和/或Yb。这些添加物可以部分地代替Sc，并因此减少达到目标强度所需的Sc的量。与经过老化处理的三元Al-Sc-Zr合金相比，包含Er和Yb添加物的经过老化处理的Al-Sc-Zr合金的抗蠕变性更高。除了现有的Al-Sc-Zr合金之外，还可以在不降低Sc或Zr含量的情况下添加这些元素，以增加三铝化物析出相的可实现相含率。这些合金的组分可以根据特定应用进行平衡，以满足成本限制和导电性要求等。
其他示例
用于汽车应用的母线的示例可以包括含量在98重量百分比至99.99重量百分比(wt％)之间的铝(Al)以及含量(例如，浓度)在0.01wt％至0.5wt％(例如，0.1wt％至0.2wt％)的钪(Sc)添加物。该母线还可以包括含量在0.01wt％至0.5wt％(例如，0.1wt％至0.33wt％)范围内的锆(Zr)、含量在0.01wt％至0.5wt％范围内的铒(Er)和/或含量在0.01wt％至0.5wt％范围内的镱(Yb)。
在另一示例中，该母线包括Al合金和选自由Sc、Zr、Er和/或Yb添加物组成的组中的一种或多种强化材料。该母线的导电性大于国际退火铜标准(IACS)的50％，优选地大于IACS的55％，更优选地大于IACS的58％，并且母线的极限拉伸强度(UTS)大于150MPa。在一个示例中，该母线的导电性可以为IACS的60％或更高，母线的UTS大于250MPa。该母线的热稳定性符合IEC62004AT3或IEC62004AT4标准要求。
示例包括用于生产Al合金母线的工艺，该工艺可以包括使原材料固溶，并挤压所固溶的原材料以生产Al合金母线。在一个示例中，原材料包括含有选自由Sc、Zr、Er和/或Yb添加物组成的组中的一种或多种强化材料的Al合金。
用于生产Al合金母线的另一示例工艺可以包括对原材料进行完全老化处理，并挤压该经过完全老化处理后的原材料以生产Al合金母线。在一个示例中，原材料包括含有选自由Sc、Zr、Er和/或Yb添加物组成的组中的一种或多种强化材料的Al合金。
用于生产母线的另一示例性工艺包括挤压软化的Al-Sc母线或使Al-Sc母线固溶，并将Al-Sc母线成形为目标几何形状。也就是说，该母线是软化的Al-Sc母线，包括含有Sc添加物的Al合金。该工艺还可以包括在使Al-Sc母线成形之后进行老化热处理，以增加强度。该Al-Sc母线还可以包括选择由Sc、Zr、Er和Yb添加物组成的组中的一种或多种强化材料。
根据上文应当理解的是，为了说明的目的，本文已经描述了本发明的特定实施方案，但在不偏离本发明的范围的情况下，可以进行各种修改。

Claims (25)

1.一种母线，包括：
铝(Al)合金，所述Al合金包含：
在98重量百分比至99.99重量百分比(wt％)的范围内的Al的含量；和
在0.01wt％至0.5wt％的范围内的钪(Sc)的含量。
2.根据权利要求1所述的母线，其中所述Sc的含量在0.1wt％至0.2wt％的范围内。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的母线，还包括：
一种或多种元素，所述一种或多种元素选自由以下项组成的组：
锆(Zr)；
铒(Er)；和
镱(Yb)。
4.根据权利要求3所述的母线，还包括：
在0.01wt％至0.5wt％的范围内的Zr的含量。
5.根据权利要求4所述的母线，其中所述Zr的含量在0.1wt％至0.33wt％的范围内。
6.根据权利要求3所述的母线，还包括：
在0.01wt％至0.5wt％的范围内的Er的含量。
7.根据权利要求3所述的母线，还包括：
在0.01wt％至0.5wt％的范围内的Yb的含量。
8.根据权利要求1所述的母线，其中所述母线的导电性大于国际退火铜标准(IACS)的50％，所述母线的极限拉伸强度(UTS)大于150MPa。
9.根据权利要求8所述的母线，其中所述母线的所述导电性大于IACS的55％，所述母线的所述UTS大于250MPa。
10.根据权利要求8所述的母线，其中所述母线的所述导电性大于IACS的58％，所述母线的所述UTS大于250MPa。
11.根据权利要求1所述的母线，其中所述母线的热稳定性符合IEC62004AT3标准。
12.根据权利要求1所述的母线，其中所述母线的热稳定性符合IEC62004AT4标准。
13.根据权利要求1所述的母线，还包括：
纳米级碳颗粒，所述纳米级碳颗粒的含量在0.01wt％和2.0wt％之间。
14.根据权利要求1至3中任一项所述的母线，其中所述Sc和/或所述一种或多种元素均匀地分布在整个所述Al合金中。
15.一种用于生产铝(Al)合金母线的方法，包括：
对包含钪(Sc)的Al合金的原材料进行处理；以及
挤压所处理的原材料以生产Al-Sc合金母线。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述Al-Sc合金的原材料还包括：
一种或多种元素，所述一种或多种元素选自由以下项组成的组：
锆(Zr)；
铒(Er)；和
镱(Yb)。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的方法，其中所述Sc和/或所述一种或多种元素均匀地分布在整个所述Al-Sc合金中。
18.根据权利要求15所述的方法，其中对所述原材料进行处理包括：
使所述原材料固溶。
19.根据权利要求15所述的方法，其中对所述原材料进行处理包括：
对所述原材料进行完全老化处理。
20.根据权利要求15、16、18或19中任一项所述的方法，其中所述原材料呈棒状或颗粒状。
21.一种方法，包括：
当母线处于软化状态时，将所述母线成形为目标几何形状，
其中所述软化的母线包括铝(Al)合金，所述Al合金包含钪(Sc)；以及
在使所成形的母线成形之后进行老化热处理，以增加所述母线的强度。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括：在使所述软化的母线成形之前，
挤压所述母线。
23.根据权利要求21所述的方法，还包括：在使所述软化的母线成形之前，
对所述母线进行热处理，以使所述母线包括的所述Al-Sc合金固溶。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的方法，其中所述软化的母线还包括：
一种或多种元素，所述一种或多种元素选自由以下项组成的组：
锆(Zr)；
铒(Er)；和
镱(Yb)。
25.根据权利要求21的方法，其中所述Sc均匀地分布在整个所述Al-Sc合金中。
CN202180075038.3A 2020-11-19 2021-11-18 用于母线的铝-钪合金 Pending CN116419982A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202063115901P 2020-11-19 2020-11-19
US63/115,901 2020-11-19
PCT/US2021/072495 WO2022109587A1 (en) 2020-11-19 2021-11-18 Aluminum-scandium alloys for busbars

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116419982A true CN116419982A (zh) 2023-07-11

Family

ID=81709866

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180075038.3A Pending CN116419982A (zh) 2020-11-19 2021-11-18 用于母线的铝-钪合金

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20230290534A1 (zh)
EP (1) EP4247990A1 (zh)
JP (1) JP2023550101A (zh)
KR (1) KR20230109167A (zh)
CN (1) CN116419982A (zh)
WO (1) WO2022109587A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110760720B (zh) * 2019-11-29 2021-03-30 济南大学 一种碳纳米增强铝基导体材料及制备方法
CN117443982B (zh) * 2023-11-16 2024-04-19 广州航海学院 一种耐热铝合金导线材料及其制备方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3794484A (en) * 1971-07-02 1974-02-26 Southwire Co Master aluminum nickel alloy
US8693079B2 (en) * 2008-01-31 2014-04-08 Ajjer, Llc Sealants and conductive busbars for chromogenic devices
WO2012058542A2 (en) * 2010-10-29 2012-05-03 Alcoa Inc. Improved 5xxx aluminum alloys, and methods for producing the same
US9551050B2 (en) * 2012-02-29 2017-01-24 The Boeing Company Aluminum alloy with additions of scandium, zirconium and erbium
CN107587004B (zh) * 2017-08-30 2019-03-29 中南大学 一种Al-Ni-Cu-Fe-Yb-Sc合金导体材料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023550101A (ja) 2023-11-30
US20230290534A1 (en) 2023-09-14
KR20230109167A (ko) 2023-07-19
WO2022109587A1 (en) 2022-05-27
EP4247990A1 (en) 2023-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5456927B2 (ja) 高強度高導電銅棒線材
JP6573172B2 (ja) 銅合金線、銅合金撚線、電線、端子付き電線、及び銅合金線の製造方法
JP6462662B2 (ja) アルミニウム合金線材、アルミニウム合金撚線、被覆電線、ワイヤーハーネス、およびアルミニウム合金線材の製造方法
JP5607854B1 (ja) アルミニウム合金線材、アルミニウム合金撚線、被覆電線、ワイヤーハーネスおよびアルミニウム合金線材の製造方法
JP4982621B2 (ja) ワイヤーハーネス
KR101213801B1 (ko) 고강도 고도전 구리 합금관·봉·선재
US20230290534A1 (en) Aluminum-scandium alloys for busbars
WO2016088889A1 (ja) アルミニウム合金線材、アルミニウム合金撚線、被覆電線、ワイヤーハーネス、並びにアルミニウム合金線材の製造方法
WO2012081571A1 (ja) 銅合金線及び銅合金ばね
WO2010018646A1 (ja) アルミニウム合金線
JP5380117B2 (ja) 電線導体の製造方法、電線導体、絶縁電線及びワイヤーハーネス
US20100294534A1 (en) Conductor wire for electronic apparatus and electrical wire for wiring using the same
WO2016088887A1 (ja) アルミニウム合金線材、アルミニウム合金撚線、被覆電線およびワイヤーハーネスならびにアルミニウム合金線材の製造方法
US10192649B2 (en) Aluminum alloy conductor, insulated wire including the conductor, and method for manufacturing the insulated wire
JP2007305566A (ja) 配線用電線導体、配線用電線、及びそれらの製造方法
JPWO2015182624A1 (ja) アルミニウム合金導体線、アルミニウム合金撚線、被覆電線、ワイヤーハーネスおよびアルミニウム合金導体線の製造方法
JP2015096645A (ja) アルミニウム合金導体、アルミニウム合金撚線、被覆電線およびワイヤーハーネス
JP2017218645A (ja) アルミニウム合金電線及びそれを用いた自動車用ワイヤーハーネス
JP6212946B2 (ja) 屈曲性に優れるアルミ合金線およびその製造方法
JP6288456B2 (ja) 電線の製造方法、電線、及びワイヤーハーネス
KR20230107316A (ko) 버스바용 알루미늄-탄소 금속 매트릭스 복합체
WO2013014904A2 (en) Conductor for electric wire
WO2020209026A1 (ja) Ｃｕ－（Ｎｉ，Ｃｏ）－Ｓｉ系合金線材、絶縁電線、Ｃｕ－（Ｎｉ，Ｃｏ）－Ｓｉ系合金線材の製造方法および絶縁電線の製造方法
KR102346993B1 (ko) 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금 및 이의 제조방법
CN106507679A (zh) 电线或电缆、线束以及制造铝合金股线的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination