CN116445767A - 一种耐热铝合金、铝合金导线及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有色金属或合金的制造技术领域，具体公开了一种耐热导电铝合金、由其制备的铝合金导线，以及铝合金与导线制备方法，所述合金成分及质量百分比为：Nb 0.15～1.0％，Zr 0.1～0.5％，B 0.05～0.2％，Er≤0.3％，Y≤0.3％，余量为Al和不可避免的杂质，杂质总量≤0.1％。其制造方法包括备料、熔炼配制铝合金液、炉内精炼除气除渣处理、连续铸轧、固溶和时效处理、拉拔成线、退火处理。本发明所述的耐热铝合金导线具有强度高、塑性好、导电率高和耐热性能优良的特点，适合于制造城市电网增容扩容和长距离大容量输电工程建设用铝合金电缆，具有广阔的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明属于有色金属或合金的制造技术领域，尤其涉及铝合金的加工和制备，具体涉及一种耐热导电铝合金、铝合金导线及其制备方法。
背景技术
铝以其资源丰富、重量轻、机械性能好、优异的耐腐蚀性和导电性，被广泛应用于包装领域、建筑领域、运输领域和电气材料等许多领域。耐热铝合金导线是指在高温下仍具有较高的力学性能，可以在一定温度范围内使用的导体材料。导线的耐热性能主要采用强度残存率来衡量，是将材料在较高温度下保温一段时间，随后冷却至室温进行拉伸，其抗拉强度与保温前抗拉强度的比值为该温度下的强度残存率，以强度残存率为90％时对应的最高温度，作为铝合金导线耐热性能的评价指标。随着我国经济的快速发展，居民和工业用电量急剧增长，导线载荷的大幅增加使得导线应具有较强的热稳定性。目前，我国应用广泛的超耐热铝合金导线NRLH3的抗拉强度为160MPa，可以在210℃下长时使用，但导电率仅为60％IACS，难以实现导电性能和耐热性能的良好匹配。随着我国城市电网增容扩容改造以及长距离大容量输电工程的建设，迫切需要开发出新型的具有高强度、高导电率、高耐热性能的铝合金导线。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种强度高、塑性好、导电率高、耐热性能优良的铝合金导线及其制备方法。
为实现上述目的，本发明完整的技术方案包括：
本发明所述的耐热铝合金导线，由以下质量百分比的成分组成：Nb：0.15～1.0％，Zr：0.1～0.5％，B：0.05～0.2％，Er≤0.3％，Y≤0.3％，余量为Al和不可避免的杂质，杂质总量≤0.1％。
优选地，本发明所述的耐热铝合金导线，由以下质量百分比的成分组成：Nb：0.20～0.60％，Zr：0.20～0.40％，B：0.05～0.15％，余量为Al和不可避免的杂质，杂质总量≤0.1％。
优选地，本发明所述的耐热铝合金导线，由以下质量百分比的成分组成：Nb：0.15～0.40％，Zr：0.15～0.30％，B：0.05～0.15％，Er：0.10～0.25％，Y：0.05～0.15％，余量为Al和不可避免的杂质，杂质总量≤0.1％。
本发明所述的耐热铝合金导线的制备方法，包括以下步骤：
(1)选用工业纯铝锭、Al-5Nb合金、Al-5Zr合金、Al-3B合金、Al-5Er合金、Al-5Y合金作为原材料，按照设计成分进行配料；
(2)在700℃～750℃将工业纯铝加热熔化，并依次加入上述中间合金，熔融后进行充分搅拌使铝合金液的成分均匀；
(3)对铝合金液进行炉内精炼除气除杂处理，随后在700℃～720℃连续铸轧成铝合金圆杆；
(4)将铝合金圆杆在580℃～620℃固溶20～35h，随后在350℃～450℃时效30～65h；
(5)将铝合金圆杆拉拔成铝合金线材，最后在150℃～250℃退火1～10h，得到耐热铝合金导线。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
(1)采用在Al中扩散系数小的Nb作为重要的合金化元素，经过制备工艺调控与另外加入的合金元素形成高热稳定性的粒子，使导线能够在较高温度下连续使用，提高铝合金导线的耐热性能。为了确保导线获得足够的强度、导电率以及耐热性能。
(2)选取适量的Zr元素阻碍晶界迁移和位错运动，提高变形组织中亚结构的稳定性，抑制高温下位错重新排列形成大角度晶界，发生再结晶形核和晶粒长大的过程，使导线具有良好的耐热性能。但由于Zr与Al的原子半径相差较大，固溶时会产生严重的晶格畸变，使铝合金导线的导电率严重降低，因而本发明选择了合适的Zr元素以在提高耐热性能的前提下不影响导电率。
(3)选用稀土元素Er、Y促进溶质原子的析出，降低晶格畸变，提高导电率。虽然Er、Y元素在其它报道的耐热导电铝合金中被采用，但本发明通过大量对比研究发现，Er、Y与Nb、Zr复合作用可以促进Al3(Nb，Zr)高热稳定粒子的形成，降低粒子的粗化速率，对铝合金的导电性能和耐热性能产生了意想不到的效果。
本发明耐热铝合金导线的室温抗拉强度大于160MPa，导电率大于61％IACS，在280℃保温1h后的强度残存率大于90％，具有强度高、导电率高和耐热性能优良的特点，适合于制造城市电网增容扩容和长距离大容量输电工程建设用铝合金电缆，具有广阔的市场应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1中铝合金导线的SEM图，其中，图1(a)为拉拔退火态，图1(b)为280℃/1h耐热测试，图1(c)为图a中的方框放大图，图1(d)为图c的EDS元素分布图。
图2为本发明实施例1-4耐热铝合金导线的拉伸曲线。
图3为本发明实施例3铝合金导线的IPF图：其中，图3(a)为拉拔退火态，图3(b)为280℃/1h耐热测试。
具体实施方式
下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行进一步的详细说明，显然，所描述的实施例仅作为例示，并非用于限制本次申请。
本发明所述的耐热铝合金导线，由以下质量百分比的成分组成：Nb：0.15～1.0％，Zr：0.1～0.5％，B：0.05～0.2％，Er≤0.3％，Y≤0.3％，余量为Al和不可避免的杂质，杂质总量≤0.1％。
其中一种成分及质量百分比为：Nb：0.20～0.60％，Zr：0.20～0.40％，B：0.05～0.15％，余量为Al和不可避免的杂质，杂质总量≤0.1％。
在上述合金组分中，本发明首先选择采用在Al中扩散系数小的Nb和用以阻碍晶界迁移和位错运动的Zr元素，并考虑两者的协同作用，以提高铝合金导线的强度、导电率以及耐热性能。其中，Nb和Zr两种元素相对合金整体的的含量，以及相互之间的比例关系尤为重要。研究发现，Nb作为重要的合金化元素，经过制备工艺调控与另外加入的合金元素形成高热稳定性的粒子，使导线能够在较高温度下连续使用，提高铝合金导线的耐热性能。而Zr元素能够阻碍晶界迁移和位错运动，提高变形组织中亚结构的稳定性，抑制高温下位错重新排列形成大角度晶界，发生再结晶形核和晶粒长大的过程，使导线具有良好的耐热性能。但由于Zr与Al的原子半径相差较大，固溶时会产生严重的晶格畸变，使铝合金导线的导电率严重降低。基于上述情况，经过设计与实验验证，更优选的，使两者之间的比例关系为Wt(Nb)＝(0.3～～2.4)Wt(Zr)，其中Wt(Nb)为Nb的质量百分含量，Wt(Zr)为Zr的质量百分含量。以确保导线获得足够的强度、导电率以及耐热性能。
另外一种成分及质量百分比为：Nb：0.15～0.40％，Zr：0.15～0.30％，B：0.05～0.15％，Er：0.10～0.25％，Y：0.05～0.15％，余量为Al和不可避免的杂质，杂质总量≤0.1％。
此外，本发明选用稀土元素Er、Y促进溶质原子的析出，以降低晶格畸变，提高导电率。虽然Er、Y元素在其它报道的耐热导电铝合金中被采用，但本发明通过大量对比研究发现，Er、Y与Nb、Zr复合作用可以促进Al3(Nb，Zr)高热稳定粒子的形成，降低粒子的粗化速率，对铝合金的导电性能和耐热性能产生了意想不到的效果，在组分选择方面，优选的使Wt(Nb)＝(0.5～1.2)Wt(Zr)的情况下，使Wt(Er+Y)＝(0.62～0.65)Wt(Nb+Zr)，其中Wt(Er+Y)为Er和Y的质量百分含量，Wt(Nb+Zr)为Nb和Zr的质量百分含量之和。且Wt(Er)＝(1.5～1.6)Wt(Y)，其中Wt(Er)为Er的质量百分含量，Wt(Y)为Y的质量百分含量。
从结果来看，组织中形成了大量的第二相粒子，元素分析显示粒子中含有Al、Nb、Zr元素，EDS定量分析确定为Al3(Nb，Zr)相，该相的平均尺寸为1.03-1.28μm。可以在加热时阻碍位错的重新排列，抑制位错运动形成亚晶界进而发展成大角度晶界的过程，有效提高合金的再结晶温度，使导线可以在较高温度下连续工作。
本发明还提供了该耐热铝合金导线的制备方法，具体由以下步骤组成：
(1)选用工业纯铝锭、Al-5Nb合金、Al-5Zr合金、Al-3B合金、Al-5Er合金、Al-5Y合金作为原材料，根据预定的目标组分进行配料；
(2)在700℃～750℃将工业纯铝加热熔化，并依次加入上述中间合金，熔融后进行充分搅拌使铝合金液的成分均匀；
(3)对铝合金液进行炉内精炼除气除杂处理，随后在700℃～720℃连续铸轧成铝合金圆杆；
(4)将铝合金圆杆在580℃～620℃固溶20～35h，随后在350℃～450℃时效30～65h；
(5)将铝合金圆杆拉拔成铝合金线材，最后在150℃～250℃退火1～10h，得到耐热铝合金导线。
为了更详尽地描述本发明中耐热铝合金导线的制备方法，通过下述实施例作更进一步的说明。
实施例1：
本发明所述的耐热铝合金导线，由以下成分及质量百分比组成：Nb：0.51％，Zr：0.22％，B：0.1％，余量为Al和不可避免的杂质，杂质总量≤0.1％。该耐热铝合金导线的制备方法如下：
(1)选用工业纯铝锭、Al-5Nb合金、Al-5Zr合金、Al-3B合金作为原材料，根据Nb：0.51％，Zr：0.22％，B：0.1％，余量为Al和不可避免的杂质进行配料；
(2)在750℃将工业纯铝加热熔化，并依次加入上述中间合金，熔融后进行充分搅拌使铝合金液的成分均匀；
(3)对铝合金液进行炉内精炼除气除杂处理，随后在720℃连续铸轧成铝合金圆杆；
(4)将铝合金圆杆在580℃固溶28h，随后在350℃时效36h；
(5)将铝合金圆杆拉拔成铝合金线材，最后在200℃退火5h，得到耐热铝合金导线。
本实施例铝合金导线的SEM组织如图1a所示，组织中形成了大量的第二相粒子，元素分析显示(如图1c、图1d所示)粒子中含有Al、Nb、Zr元素，EDS定量分析确定为Al3(Nb,Zr)相，该相的平均尺寸-为1.28μm，可以在加热时阻碍位错的重新排列，抑制位错运动形成亚晶界进而发展成大角度晶界的过程，有效提高合金的再结晶温度，使导线可以在较高温度下连续工作。经过280℃/1h耐热测试后，第二相粒子表现出较高的热稳定性，没有观察到明显长大，如图1b所示。图2a为实施例1耐热铝合金导线的典型拉伸曲线，同时给出了经过280℃/1h耐热测试后的拉伸曲线。表1列出了拉伸性能、导电率和强度残存率的具体数据。可以看出，本发明的铝合金导线具有高达61.4％IACS的导电性能，同时在280℃/1h耐热测试下仍能保持90.5％的强度残存率。
实施例2：
本发明所述的耐热铝合金导线，由以下成分及质量百分比组成：Nb：0.35％，Zr：0.25％，B：0.1％，余量为Al和不可避免的杂质，杂质总量≤0.1％。该耐热铝合金导线的制备方法如下：
(1)选用工业纯铝锭、Al-5Nb合金、Al-5Zr合金、Al-3B合金作为原材料，根据Nb：0.35％，Zr：0.25％，B：0.1％，余量为Al和不可避免的杂质进行配料；
(2)在700℃将工业纯铝加热熔化，并依次加入上述中间合金，熔融后进行充分搅拌使铝合金液的成分均匀；
(3)对铝合金液进行炉内精炼除气除杂处理，随后在700℃连续铸轧成铝合金圆杆；
(4)将铝合金圆杆在600℃固溶24h，随后在375℃时效48h；
(5)将铝合金圆杆拉拔成铝合金线材，最后在150℃退火3h，得到耐热铝合金导线。
本实施例的耐热铝合金导线典型的拉伸曲线如图2b所示，具体性能数据见表1。导线的拉伸强度、导电率和280℃/1h的强度残存率分别达到了166MPa，61.2％IACS和90.4％。
实施例3：
本发明所述的耐热铝合金导线，由以下成分及质量百分比组成：Nb：0.25％，Zr：0.24％，B：0.15％，Er0.19％，Y0.12％，余量为Al和不可避免的杂质，杂质总量≤0.1％。该耐热铝合金导线的制备方法如下：
(1)选用工业纯铝锭、Al-5Nb合金、Al-5Zr合金、Al-3B合金、Al-5Er合金、Al-5Y合金作为原材料，根据Nb：0.25％，Zr：0.24％，B：0.15％，Er：0.19％，Y：0.12％，余量为Al和不可避免的杂质进行配料；
(2)在740℃将工业纯铝加热熔化，并依次加入上述中间合金，熔融后进行充分搅拌使铝合金液的成分均匀；
(3)对铝合金液进行炉内精炼除气除杂处理，随后在710℃连续铸轧成铝合金圆杆；
(4)将铝合金圆杆在600℃固溶28h，随后在400℃时效42h；
(5)将铝合金圆杆拉拔成铝合金线材，最后在175℃退火5h，得到耐热铝合金导线。
本实施例的耐热铝合金导线组织中第二相粒子主要含有Al、Nb、Zr以及少量Er和Y元素，分析确定为Al3(Nb,Zr)相并固溶有Er、Y元素。图3为铝合金导线拉拔退火态(图3a)和280℃/1h耐热测试后(图3b)的反极图，可以看到在经过280℃保温1h的耐热性能测试后，晶粒并未发生明显粗化，这是由于Al3(Nb,Zr)第二相可以钉扎位错和晶界，阻碍了加热时位错运动形成亚晶界，同时抑制了亚晶合并及晶粒长大的过程，提高了导线的热稳定性。耐热铝合金导线典型的拉伸曲线如图2c所示，具体性能数据见表1，其拉伸强度、导电率和280℃/1h的强度残存率分别达到了162MPa，61.5％IACS和91.4％。
实施例4：
本发明所述的耐热铝合金导线，由以下成分及质量百分比组成：Nb：0.32％，Zr：0.27％，B：0.15％，Er0.23％，Y0.15％，余量为Al和不可避免的杂质，杂质总量≤0.1％。该耐热铝合金导线的制备方法如下：
(1)选用工业纯铝锭、Al-5Nb合金、Al-5Zr合金、Al-3B合金、Al-5Er合金、Al-5Y合金作为原材料，根据Nb：0.32％，Zr：0.27％，B：0.15％，Er：0.23％，Y：0.15％，余量为Al和不可避免的杂质进行配料；
(2)在740℃将工业纯铝加热熔化，并依次加入上述中间合金，熔融后进行充分搅拌使铝合金液的成分均匀；
(3)对铝合金液进行炉内精炼除气除杂处理，随后在710℃连续铸轧成铝合金圆杆；
(4)将铝合金圆杆在600℃固溶28h，随后在400℃时效42h；
(5)将铝合金圆杆拉拔成铝合金线材，最后在175℃退火5h，得到耐热铝合金导线。
本实施例的耐热铝合金导线典型的拉伸曲线如图2d所示，具体性能数据见表1，其拉伸强度、导电率和280℃/1h的强度残存率分别达到了167MPa，61.6％IACS和91.6％。
表1实施例1-4耐热铝合金导线的室温拉伸力学性能、导电率和强度残存率
以上申请的仅为本申请的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种耐热导电铝合金，其特征在于，所述耐热导电铝合金成分及质量百分比组成如下：Nb 0.15～1.0％，Zr 0.1～0.5％，B 0.05～0.2％，Er≤0.3％，Y≤0.3％，余量为Al和不可避免的杂质，杂质总量≤0.1％。
2.根据权利要求1所述的耐热导电铝合金，其特征在于，所述的耐热铝合金导线，由以下质量百分比的成分组成：Nb：0.20～0.60％，Zr：0.20～0.40％，B：0.05～0.15％，余量为Al和不可避免的杂质，杂质总量≤0.1％。
3.根据权利要求1所述的耐热导电铝合金，其特征在于，所述的耐热铝合金导线，由以下质量百分比的成分组成：Nb：0.15～0.40％，Zr：0.15～0.30％，B：0.05～0.15％，Er：0.10～0.25％，Y：0.05～0.15％，余量为Al和不可避免的杂质，杂质总量≤0.1％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的耐热导电铝合金，其特征在于，所述耐热导电铝合金的组织中在铝基体中存在第二相，第二相为高热稳定性Al3(Nb,Zr)相。
5.根据权利要求3项所述的耐热导电铝合金，其特征在于，所述耐热导电铝合金的组织中在铝基体中存在第二相，第二相为高热稳定性Al3(Nb,Zr)相，Al3(Nb,Zr)相并含有Er、Y元素。
6.根据权利要求1-3任一项所述的耐热导电铝合金，其特征在于，所述耐热铝合金导线导电率≥61％IACS，280℃保温1h后强度残存率≥90％。
7.一种耐热导电铝合金导线，其特征在于，所述导线采用权利要求1-6任一项所述的耐热导电铝合金制备。
8.权利要求7所述的耐热导电铝合金导线的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据合金组分配置原料；
(2)在700℃～750℃将铝加热熔化，并依次加入合金元素，熔融后进行充分搅拌使铝合金液的成分均匀；
(3)对铝合金液进行炉内精炼除气除杂处理，随后在700℃～720℃连续铸轧成铝合金圆杆；
(4)将铝合金圆杆在580℃～620℃固溶20～35h，随后在350℃～450℃时效30～65h；
(5)将铝合金圆杆拉拔成铝合金线材，最后在150℃～250℃退火1～10h，得到耐热铝合金导线。
9.根据权利要求8所述的耐热导电铝合金导线的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，选用工业纯铝锭、Al-5Nb、Al-5Zr、Al-3B、Al-5Er和Al-5Y中间合金作为原材料。
10.根据权利要求9所述的耐热导电铝合金导线的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，合金元素以Al-5Nb、Al-5Zr、Al-3B、Al-5Er和Al-5Y中间合金的形式加入。
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