CN117026019A - 一种导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种导电Al‑Cu‑Sn‑Er稀土铝合金及其加工方法，该稀土铝合金中铜元素的含量为0.2～1.0wt％，锡元素的含量为0.1～0.8wt％，锡元素和铒元素的含量之和小于或等于1.0wt％，余量为铝。其加工方法为：在大气环境下采用中频感应熔炼炉对纯铝进行熔炼，得到纯铝熔体；向纯铝熔体中按顺序加入铝铜中间合金、铝锡中间合金和铝铒中间合金，熔炼得到混合熔体；将混合熔体采用近液相线浇铸法进行浇铸，得到合金铸锭；将合金铸锭进行固溶处理，得到合金坯料；将合金坯料进行三次轧制和三级时效的交替处理。本发明可以解决现有铝合金的导电性和力学强度不能兼备的问题。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金加工技术领域。具体地说是一种导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金及其加工方法。
背景技术
我国的有色金属材料资源中缺铜富铝，并且大部分的铜资源用于电线电缆等低端行业，造成稀缺资源的极大的浪费。铝导线铝电缆可以替代铜导线铜电缆，因此铝代铜是我国电缆行业的发展趋势，也是节约铜资源的一项有效措施。沈阳工业大学研制出导电率62％IACS，强度为220MPa的导电铝合金导线；无锡华能电缆有限公司开发了导电率为60％IACS的铝合金导线；远东电缆有限公司生产出导电率为57.5％IACS，强度为260-300MPa的铝合金导线；国网智能电网研究院研制出导电率达到60％IACS，抗拉强度达243MPa的铝合金线；江苏亨通电力特种导线公司开发了铝合金导线，其导电率达到59.2％IACS，抗拉强度达到240-255MPa。
但是目前由于铝导线和铝电缆性能指标仍然不理想，因此研发新型高强度导电铝合金，依旧成为电缆行业的研究热点。铝合金导线和电缆作为传输电能的载体，要求其具有较高的导电性同时兼顾一定的力学性能。然而导电性和力学性能(强度)之间存在矛盾关系。如何在铝合金良好的导电性的前提下提高强度，是能否“以铝代铜”的关键问题。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金及其加工方法，以解决现有铝合金的导电性和力学强度不能兼备的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金，铜元素的含量为0.2～1.0wt％，锡元素的含量为0.1～0.8wt％，锡元素和铒元素的含量之和小于或等于1.0wt％，余量为铝。
上述导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金的加工方法，包括如下步骤：
步骤(1)、在大气环境下采用中频感应熔炼炉对纯铝进行熔炼，得到纯铝熔体；
步骤(2)、向纯铝熔体中按顺序加入铝铜中间合金、铝锡中间合金和铝铒中间合金，熔炼得到混合熔体；
步骤(3)、将混合熔体采用近液相线浇铸法进行浇铸，得到合金铸锭；
步骤(4)、将合金铸锭进行固溶处理，得到合金坯料；
步骤(5)、将合金坯料进行三次轧制和三级时效的交替处理，处理结束后即得到上述导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金。
由于Er的晶体结构为密排六方结构，Al为面心立方结构，加入后使得合金层错能降低，孪晶临界形核厚度减小，塑性变形时更容易形成孪晶，孪晶可提升合金强度的同时对电导率影响较小；Er3+的电子结构中有21个未满价轨道，特殊的4f轨道可容纳12个电子，有利于电子的传播；另外Er在室温下固溶度＜0.05％，室温下溶质原子会以第二相的形式析出，避免了因固溶强化导致晶格畸变而降低电导率。Al3Er属于Pm3m空间群，L12型晶体结构，它的晶格常数(0.4215nm)与Al基体的(0.4049nm)非常接近，因而由过饱和固溶体分解而成的Al3Er相与基体有较好的界面共格性。
在Al中加入Cu元素后，Cu元素的存在形式为金属间化合物Al2Cu相，该化合物为Al-Cu-Sn-Er合金中重要的强化相；加入Sn元素，Al-Cu-Sn-Er合金在沉淀强化过程中形成富Sn颗粒，富Sn颗粒作为改性剂限制了Al2Cu相的生长；Er在合金中主要以Al3Er形式存在，Al3Er在合金中的形状为块状、点状，部分Al3Er与铝合金基体共格，细小的Al3Er可作为Al2Cu相异质形核的核心，同时促进Al2Cu相的形成。如果铜元素含量低于0.2wt％，则其对合金的强化效果不明显，若其含量高于1.0wt％，则在后续的塑性变形中铸件容易发生开裂，并且影响合金的导电性能；由于锡元素在Al-Cu-Sn-Er合金中以单质颗粒的形式存在，可以作为Al2Cu等强化相的形核底物，同时可以限制其尺寸的生长，若锡元素含量低于0.1wt％则无法起到抑制Al2Cu等强化相尺寸生长作用，但含量高于0.8wt％则会增加电子漫散射，影响合金的导电性。另外，铒元素的加入具有净化基体的作用、变质的作用、微合金化的作用等。当铒元素含量过低时(比如小于0.1wt.％)，主要起到了细晶强化和有限固溶强化，而导体材料一般要避免因固溶强化而导致晶格畸变；当铒元素为0.1～0.3wt.％，铒元素可以和铝元素形成球状的金属间化合物Al3Er，提高铝合金强度对电导率影响较小；铒元素＞0.3wt.％，其与铝元素形成大量针状、棒状金属间化合物，分布在晶界或晶粒中，提高强度的同时对电导率影响较大。
本发明控制铝合金中铒、铜和锡三种合金元素的含量及配比在特定范围内，有利于强化铒、锡和铜之间的协同作用，在本发明的加工处理条件下，能够在塑性形变时形成更多的孪晶，并且形成的强化相与基体间能够产生更好地界面共格性，最终得到导电性和合金强度均较理想的铝合金。
上述导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金的加工方法，步骤(5)中，三次轧制和三级时效的交替处理过程为：先将合金坯料在室温下进行一次室温轧制，变形量为75～85％，对一次室温轧制后的合金坯料进行150℃×14h的一级时效处理；然后对一级时效处理后的合金坯料进行二次室温轧制，变形量为55～65％，对二次室温轧制后的合金进行140℃×10h的二级时效处理；最后对二级时效处理后的合金坯料进行三次室温轧制，变形量为35～45％，对三次室温轧制后的合金进行130℃×6h的三级时效处理，处理结束后得到导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金。
上述导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金的加工方法，步骤(5)中，三次轧制和三级时效的交替处理过程为：先将合金坯料在室温下进行一次室温轧制，变形量为80％，对一次室温轧制后的合金坯料进行150℃×14h的一级时效处理；然后对一级时效处理后的合金坯料进行二次室温轧制，变形量为60％，对二次室温轧制后的合金进行140℃×10h的二级时效处理；最后对二级时效处理后的合金坯料进行三次室温轧制，变形量为40％，对三次室温轧制后的合金进行130℃×6h的三级时效处理，处理结束后得到导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金。
上述导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金的加工方法，步骤(1)中，纯铝的纯度大于或等于99.997wt.％，熔炼温度为670～720℃。
上述导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金的加工方法，步骤(2)中，铝铜中间合金中铜的含量为50wt.％；铝锡中间合金中锡的含量为50wt.％；铝铒中间合金中铒的含量为10wt.％；控制铝铜中间合金、铝锡中间合金和铝铒中间合金的加入量使得最终制备的导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金中铜元素的含量为1.0wt.％，锡元素的含量为0.1wt.％，铒元素的含量为0.1～0.3wt.％。
上述导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金的加工方法，步骤(2)中，向纯铝熔体中加入铝铜中间合金时将纯铝熔体的温度升高至750～770℃，待铝铜中间合金、铝锡中间合金和铝铒中间合金均加入完毕后在750～770℃保温15～20min。
上述导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金的加工方法，步骤(3)中，浇铸时控制混合熔体的温度为660～670℃，浇铸前，先将模具预热至150～180℃。
上述导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金的加工方法，步骤(4)中，固溶处理的方法为：将合金铸锭置于热处理炉中，以5～10℃/min的升温速率升至380～400℃保温1～1.5h，然后使用常温水进行水淬。
上述导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金的加工方法，步骤(1)中，纯铝的纯度大于或等于99.997wt.％，熔炼温度为720℃；
步骤(2)中，铝铜中间合金中铜的含量为50wt.％；铝锡中间合金中锡的含量为50wt.％；铝铒中间合金中铒的含量为10wt.％；控制铝铜中间合金、铝锡中间合金和铝铒中间合金的加入量使得最终制备的导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金中铜元素的含量为1.0wt.％，锡元素的含量为0.1wt.％，铒元素的含量为0.2wt.％；向纯铝熔体中加入铝铜中间合金时将纯铝熔体的温度升高至750℃，待铝铜中间合金、铝锡中间合金和铝铒中间合金均加入完毕后在750℃保温20min；
步骤(3)中，浇铸时控制混合熔体的温度为670℃，浇铸前，先将模具预热至150℃；
步骤(4)中，固溶处理的方法为：将合金铸锭置于热处理炉中，以10℃/min的升温速率升至390℃保温1h，然后使用常温水进行水淬；由于本发明中Al-Cu-Sn-Er合金的固相线温度为400℃，若固溶温度过高会产生过烧，而固溶温度过低则导致溶质原子无法充分的回溶到溶剂的晶格中，故本发明所使用的固溶温度略低于固相线温度为390℃。固溶处理时间过短，溶质不能完全回溶到溶剂的晶格中，固溶处理时间过长则会导致合金中组织如晶粒粗大，影响合金的强度和电导率；本发明使用常温水淬能够使得合金在高温区冷却速度快，得到强度较高的合金。
步骤(5)中，三次轧制和三级时效的交替处理过程为：先将合金坯料在室温下进行一次室温轧制，变形量为80％，对一次室温轧制后的合金坯料进行150℃×14h的一级时效处理；然后对一级时效处理后的合金坯料进行二次室温轧制，变形量为60％，对二次室温轧制后的合金进行140℃×10h的二级时效处理；最后对二级时效处理后的合金坯料进行三次室温轧制，变形量为40％，对三次室温轧制后的合金进行130℃×6h的三级时效处理，处理结束后得到导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金。与常规的先完成轧制再进行时效处理的加工方式相比，采用本发明这种三次轧制和三级时效的交替处理，通过控制三次轧制的变形量、三级时效的处理温度和时间，使三次轧制和三级时效的交替处理的轧制变形量、时效处理温度和时效处理时间均呈降低趋势，不仅能够有效避免因应力不能完全消除而导致的合金开裂，而且能够有效减小时效处理过程中第二相的尺寸(一级时效Al-Cu-Sn-Er合金中Al2Cu相以GPⅠ区(前-θ″)存在，二级时效以θ″区(Al3Cu、GPⅡ区)存在，三级时效以θ′(Al2Cu)存在)，使得处理后生成的强化相与基体具有更好地界面关系(共格关系或者半共格关系)。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
1、本发明通过向铝中加入特定含量的铜、锡和铒三种元素制备合金铸锭，并在合金铸锭固溶处理后采用三次室温轧制和三级低温时效交替相结合的交替处理工艺，获得了纳米级别析出相，使得制备得到的导电稀土铝合金的强度≥320MPa，导电率≥59％IACS，能够满足电力行业对高强度导电铝合金绞线的使用要求。这主要是因为在室温下，铒、铜和锡在铝合金中的室温溶解度很低，经本发明的加工方法加工处理后，合金中过量的铜和锡原子将从过饱和固溶体中沉淀出来从而强化基体合金强度并提高其导电性。
2、本发明在铝铜合金中加入锡元素和稀土铒元素，经过本发明的加工处理后，能够有效增强铜、锡、铒细化晶粒的效果，同时稀土元素还可与杂质反应净化基体。在本发明的加工条件下，锡元素可以更好地促进时效过程中Al2Cu相的析出，而Al2Cu相同时可以有效抑制Sn相的生长，从而有效提高铝铜合金的综合性能。
3、采用本发明的加工方法制备新型稀土铝合金，能够在保证铝合金材料良好导电性的同时使其抗拉强度具有较大的提高，这得益于本发明固溶处理后的合金坯料在三次室温轧制和三级低温时效交替处理后，合金组织中产生了纳米级孪晶以及纳米级析出相，这些晶相的强化作用解决了铝合金强度与导电性难以共存的矛盾。
附图说明
图1本发明实施例和对比例三次轧制和三级时效交替处理工艺流程图；
图2本发明对比例中Al-Cu-Sn合金铸锭微观组织；
图3本发明实施例中Al-Cu-Sn-Er合金铸锭微观组织；
图4本发明对比例中Al-Cu-Sn合金轧制(室温40％)后的微观组织；
图5本发明对比例中Al-Cu-Sn合金时效(130℃×6h)后的微观组织；
图6本发明实施例中Al-Cu-Sn-Er合金轧制(室温40％)后的微观组织；
图7本发明实施例中Al-Cu-Sn-Er合金时效(130℃×6h)后的微观组织；
图8本发明实施例和对比例Al-Cu-Sn(-Er)合金抗拉强度的变化规律；
图9本发明实施例和对比例Al-Cu-Sn(-Er)合金断后延伸率的变化规律；
图10本发明实施例和对比例Al-Cu-Sn(-Er)合金相对导电率的变化规律。
具体实施方式
实施例
本实施例导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金的加工方法包括如下步骤：
步骤(1)、在大气环境下采用中频感应熔炼炉对纯铝(纯度大于或等于99.997wt.％)进行熔炼，熔炼温度为720℃，待纯铝全部熔化得到纯铝熔体；
步骤(2)、向纯铝熔体的温度升高至750℃，按顺序加入铝铜中间合金(Al-50wt.％Cu，铜的含量为50wt.％)、铝锡中间合金(Al-50wt.％Sn，锡的含量为50wt.％)和铝铒中间合金(Al-10wt.％Er，铒的含量为10wt.％)，待铝铒中间合金加入完成后，控制温度在750℃保温20min进行熔炼，得到混合熔体；
步骤(3)、将混合熔体降温至670℃，采用近液相线浇铸法进行浇铸，得到合金铸锭；浇铸前先将模具预热至150℃；
步骤(4)、将合金铸锭进行固溶处理，得到合金坯料；固溶处理的方法为：将合金铸锭置于热处理炉中，以10℃/min的升温速率升至390℃保温1h，然后使用常温水进行水淬；
步骤(5)、将合金坯料进行三次轧制和三级时效的交替处理，三次轧制和三级时效的交替处理过程见图1：先将合金坯料在室温下进行一次室温轧制，变形量为80％，对一次室温轧制后的合金坯料进行150℃×14h的一级时效处理；然后对一级时效处理后的合金坯料进行二次室温轧制，变形量为60％，对二次室温轧制后的合金进行140℃×10h的二级时效处理；最后对二级时效处理后的合金坯料进行三次室温轧制，变形量为40％，对三次室温轧制后的合金进行130℃×6h的三级时效处理，处理结束后得到导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金。
本实施例通过控制纯铝熔体中铝铜中间合金、铝锡中间合金和铝铒中间合金的加入量最终制备得到的导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金中，铜元素的含量为1.0wt.％，锡元素的含量为0.1wt.％，铒元素的含量为0.2wt.％，三种元素含量的总和小于2wt.％。
对比例
本对比例与实施例的区别仅在于：步骤(2)中未添加铝铒中间合金，其它操作方法和工艺参数均与实施例1完全相同。
本对比例通过控制纯铝熔体中铝铜中间合金和铝锡中间合金的加入量最终制备得到的导电Al-Cu-Sn铝合金中，铜元素的含量为1.0wt.％，锡元素的含量为0.1wt.％。
图2和图3分别为对比例和实施例的导电Al-Cu-Sn(-Er)铝合金加工过程中合金铸锭的微观组织图，对比图2和图3可以发现加入稀土Er元素后，合金的铸态组织得到了细化；图4和图5以及图6和图7分别为对比例和实施例导电Al-Cu-Sn(-Er)铝合金加工过程中完成三次轧制和三级时效交替处理后的导电Al-Cu-Sn(-Er)铝合金的微观组织图，从图中可以看出三级轧制变形后，晶粒变成了板条状，三级时效后析出物沉积在晶界处，抑制了晶粒的长大，也使得组织更加均匀化；实施例加入了稀土元素，相较于对比例中的组织更加细小。
从图8至图10中可以看出，实施例制备的导电Al-Cu-Sn-Er合金具有良好的综合性能，其室温抗拉强度为327MPa，室温延伸率为23.3％，室温相对导电率为59.8％IACS；而对比例制备的导电Al-Cu-Sn合金的室温抗拉强度为303MPa，室温延伸率为21.6％，室温相对电导率为61.7％IACS。可见，对比例制备的铝合金室温抗拉强度明显低于与实施例，室温延伸率也低于实施例，而相对导电率稍高于实施例但无显著差异；整体来看，对比例制备的导电Al-Cu-Sn合金的综合性能不如实施例制备的导电Al-Cu-Sn-Er合金。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金，其特征在于，铜元素的含量为0.2～1.0wt％，锡元素的含量为0.1～0.8wt％，锡元素和铒元素的含量之和小于或等于1.0wt％，余量为铝。
2.一种导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)、在大气环境下采用中频感应熔炼炉对纯铝进行熔炼，得到纯铝熔体；
步骤(2)、向纯铝熔体中按顺序加入铝铜中间合金、铝锡中间合金和铝铒中间合金，熔炼得到混合熔体；
步骤(3)、将混合熔体采用近液相线浇铸法进行浇铸，得到合金铸锭；
步骤(4)、将合金铸锭进行固溶处理，得到合金坯料；
步骤(5)、将合金坯料进行三次轧制和三级时效的交替处理，处理结束后即得到如权利要求1所述的导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金。
3.根据权利要求2所述的导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金的加工方法，其特征在于，步骤(5)中，三次轧制和三级时效的交替处理过程为：先将合金坯料在室温下进行一次室温轧制，变形量为75～85％，对一次室温轧制后的合金坯料进行150℃×14h的一级时效处理；然后对一级时效处理后的合金坯料进行二次室温轧制，变形量为55～65％，对二次室温轧制后的合金进行140℃×10h的二级时效处理；最后对二级时效处理后的合金坯料进行三次室温轧制，变形量为35～45％，对三次室温轧制后的合金进行130℃×6h的三级时效处理，处理结束后得到导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金。
4.根据权利要求3所述的导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金的加工方法，其特征在于，步骤(5)中，三次轧制和三级时效的交替处理过程为：先将合金坯料在室温下进行一次室温轧制，变形量为80％，对一次室温轧制后的合金坯料进行150℃×14h的一级时效处理；然后对一级时效处理后的合金坯料进行二次室温轧制，变形量为60％，对二次室温轧制后的合金进行140℃×10h的二级时效处理；最后对二级时效处理后的合金坯料进行三次室温轧制，变形量为40％，对三次室温轧制后的合金进行130℃×6h的三级时效处理，处理结束后得到导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金。
5.根据权利要求2所述的导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金的加工方法，其特征在于，步骤(1)中，纯铝的纯度大于或等于99.997wt.％，熔炼温度为670～720℃。
6.根据权利要求2所述的导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金的加工方法，其特征在于，步骤(2)中，铝铜中间合金中铜的含量为50wt.％；铝锡中间合金中锡的含量为50wt.％；铝铒中间合金中铒的含量为10wt.％；控制铝铜中间合金、铝锡中间合金和铝铒中间合金的加入量使得最终制备的导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金中铜元素的含量为1.0wt.％，锡元素的含量为0.1wt.％，铒元素的含量为0.1～0.3wt.％。
7.根据权利要求2所述的导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金的加工方法，其特征在于，步骤(2)中，向纯铝熔体中加入铝铜中间合金时将纯铝熔体的温度升高至750～770℃，待铝铜中间合金、铝锡中间合金和铝铒中间合金均加入完毕后在750～770℃保温15～20min。
8.根据权利要求2所述的导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金的加工方法，其特征在于，步骤(3)中，浇铸时控制混合熔体的温度为660～670℃，浇铸前，先将模具预热至150～180℃。
9.根据权利要求2所述的导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金的加工方法，其特征在于，步骤(4)中，固溶处理的方法为：将合金铸锭置于热处理炉中，以5～10℃/min的升温速率升至380～400℃保温1～1.5h，然后使用常温水进行水淬。
10.根据权利要求2所述的导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金的加工方法，其特征在于，步骤(1)中，纯铝的纯度大于或等于99.997wt.％，熔炼温度为720℃；
步骤(2)中，铝铜中间合金中铜的含量为50wt.％；铝锡中间合金中锡的含量为50wt.％；铝铒中间合金中铒的含量为10wt.％；控制铝铜中间合金、铝锡中间合金和铝铒中间合金的加入量使得最终制备的导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金中铜元素的含量为1.0wt.％，锡元素的含量为0.1wt.％，铒元素的含量为0.2wt.％；向纯铝熔体中加入铝铜中间合金时将纯铝熔体的温度升高至750℃，待铝铜中间合金、铝锡中间合金和铝铒中间合金均加入完毕后在750℃保温20min；
步骤(3)中，浇铸时控制混合熔体的温度为670℃，浇铸前，先将模具预热至150℃；
步骤(4)中，固溶处理的方法为：将合金铸锭置于热处理炉中，以10℃/min的升温速率升至390℃保温1h，然后使用常温水进行水淬；
步骤(5)中，三次轧制和三级时效的交替处理过程为：先将合金坯料在室温下进行一次室温轧制，变形量为80％，对一次室温轧制后的合金坯料进行150℃×14h的一级时效处理；然后对一级时效处理后的合金坯料进行二次室温轧制，变形量为60％，对二次室温轧制后的合金进行140℃×10h的二级时效处理；最后对二级时效处理后的合金坯料进行三次室温轧制，变形量为40％，对三次室温轧制后的合金进行130℃×6h的三级时效处理，处理结束后得到导电Al-Cu-Sn-Er稀土铝合金。
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