CN117701950A - 一种铝合金单丝材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铝合金单丝材料及其制备方法，所述合金单丝包括按质量百分比的下述元素：Zr:0.1％‑0.15％，Er:0.05％‑0.1％，Ce(La):0.1‑0.2％，B:0.01％‑0.02％，Si≤0.06％，Fe≤1.5％，其余含量为铝和不可避免的其它微量杂质；所得的超耐热铝合金单丝导电率≥61％IACS(20℃)，抗拉强度≥160MPa，延伸率≥2％，在280℃下保温1h后的室温强度残存率≥90％。其制备方法包括冶炼、精炼、浇铸、轧制、拉拔和退火。本发明提供的技术方案解决了现有技术中超耐热铝合金单丝材料导电性能差、输电线损耗高的弊端。

Description

一种铝合金单丝材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于电工导体材料技术领域，具体涉及一种铝合金单丝材料及其制备方法。
背景技术：
随着经济建设的快速发展，电力需求逐年攀升，电力负荷随之增加，但是在经济发达地区新建和扩建线路走廊十分困难。因此，利用现条件下的输电走廊来提高线路输送容量已成为电网的迫切需求。
而超耐热铝合金导线是一种性能良好的特种增容导线，最高允许运行温度达210℃，无需更换杆塔，直接替换原有导线既可实现增容1倍以上。但是，现役超耐热铝合金导线的导电率为60％IACS，较钢芯铝绞线低1％IACS，导电性能差、输电线损高。所以需要开发出一种高导电率的超耐热铝合金单丝来满足现有技术的需要。
发明内容：
本发明目的在于以纯度≥99.7％的工业铝锭为原材料，开发出一种铝合金单丝材料，解决现有超耐热铝合金单丝及导线产品导电性能差、输电线损高的技术难题。实现本发明技术目的的技术方案如下：
本发明提供了一种铝合金单丝材料，所述铝合金单丝材料包括下述质量百分比的合金元素：Zr:0.1％-0.15％，Er:0.05％-0.1％，Ce(La):0.1-0.2％，B:0.01％-0.02％，Si≤0.06％，Fe≤1.5％，其余含量为铝和不可避免的其它杂质。
优选的，所述铝合金单丝材料包括下述质量百分比的合金元素：Zr：0.10％-0.14％，Er：0.08％-0.10％，Ce(La)：0.15％-0.20％，B：0.015％-0.02％，Si：0.04％-0.06％，Fe：1.0％-1.50％，其余含量为铝和不可避免的其它杂质。
优选的，所述铝合金单丝材料包括下述质量百分比的合金元素：Zr：0.15％，Er：0.05％，Ce(La)：0.20％，B:0.01％，Si：0.05％，Fe：1.20％，其余含量为铝和不可避免的其它杂质。
优选的，所述铝合金单丝材料包括下述质量百分比的合金元素：Zr：0.13％，Er：0.06％，Ce(La)：0.17％，B：0.017％，Si：0.05％，Fe：1.4％，其余含量为铝和不可避免的其它杂质。
优选的，所述铝合金单丝材料包括下述质量百分比的合金元素：Zr：0.10％，Er：0.10％，Ce(La)：0.20％，B：0.02％，Si：0.06％，Fe：1.5％，其余含量为铝和不可避免的其它杂质。
优选的，所述铝合金单丝材料包括下述质量百分比的合金元素：Zr：0.14％，Er：0.08％，Ce(La)：0.15％，B：0.015％，Si：0.04％，Fe：1.0％，其余含量为铝和不可避免的其它杂质。
优选的，所述铝合金单丝材料包括下述质量百分比的合金元素：Zr：0.12％，Er：0.09％，Ce(La)：0.12％，B：0.012％，Si：0.03％，Fe：1.3％，其余含量为铝和不可避免的其它杂质。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种用于制备所述的一种铝合金单丝材料的方法，所述方法包括如下步骤：
在温度为710-730℃时，对冶炼融化后的铝液吹入氮气进行精练，其中吹气时间为10-15min；或将冶炼融化后的铝加入0.3％-0.5％的六氯乙烷(C2Cl6)进行除气精炼，保温静置10-20min后扒渣；
将精练后的铝液依次经过浇铸、轧制和拉拔后得到铝合金单丝；
将所述铝合金单丝保温0.5-2h后空冷。
优选的，所述将精练后的铝液依次经过浇铸、轧制和拉拔后得到铝合金单丝，包括：
在温度为700-720℃时，将所述精炼步骤所得的铝合金液浇入经过预热的金属型模具，浇铸成铝合金锭；
将所述铝合金锭在450-530℃的温度范围内保温4-10h后进行轧制，经过多道次轧制后制成铝合金圆杆；
铝合金圆杆经过多道次拉拔，获得铝合金单丝。
优选的，所述冶炼工业纯铝锭的熔炼温度为730-750℃。
优选的，所述拉拔具体包括：铝合金圆杆在400-450℃的温度范围内保温10-20h后进行拉拔，制成φ3-4mm铝合金单丝，拉拔变形量为1.2-1.3。
优选的，所述铝合金单丝的保温温度为90-120℃。
与最接近的现有技术比，本发明的有益效果包括：
首先应予说明的是，本发明提供的技术方案中，具有特定的量和各合金元素两者共同表征的合金元素在本发明的工艺条件下的作用及机理如下：
锆Zr：适量锆的加入能明显改善铝合金的耐热性能，这主要是由于，锆原子半径比铝原子半径略大，锆在铝中以置换方式进行扩散，其扩散激活能高，向亚结晶晶粒边界析出细微的Al3Zr相，它不易聚集长大，稳定性高，能防止再结晶的产生，在较高的温度下仍可有效的钉扎位错与晶界，阻碍变形与晶内及晶界滑移，使蠕变抗力得以提高，从而使铝合金的耐热性能得到了改善。与Er同时添加时，热处理后Zr可与Al、Er反应生成Al3(Sc，Er)，从而提高合金综合性能。
铒(Er)：本发明中加入稀土Er可以显著提高铝合金的导电率、强度和耐热性。在铝合金中只需添加微量Er元素，就可以对材料的结构和性能产生较大影响使铝合金强度、热稳定性等得到很大的提高。
Er对铝具有很好的析出强化作用，通过热处理Er与Al反应生成Al3Er相，从而提高合金强度；Al3Er析出相可以提高铝合金的再结晶温度，因此可保证合金的耐热性能；与Zr同时添加时，热处理后Er可与Al、Zr反应生成Al3(Zrx，Er1-x)相，从而提高合金综合性能。Er还可与杂质元素Fe、Si反应生成化合物，降低杂质元素对导电性能的不利影响，提高导电率，并有利于强度和耐热性的提升。
铈(镧)(Ce(La))：本发明中加入Ce、La或La-Ce混合稀土中的一种，可以对微观组织起到变质作用，能够有效地改善共晶组织的形貌。一方面，这些稀土元素能够与Al、杂质元素Fe、Si等形成高熔点的化合物，在凝固过程中，高熔点的化合物首先析出，提供大量的非均质形核点。另一方面，稀土元素在固液界面偏聚，可以在增加界面附近的成分起伏，使固液界面的成份过冷度增加。有利于非自发形核，从而到达到细化晶粒的效果。同时，铈(镧)还可以细化铸态组织中的AlFeSi等粗大微米级颗粒，改变其形貌，有利于提高合金的导电率和延性。
硼(B)：在众多的影响因素中，化学成分是影响铝导体电导率最基本的因素，因此降低杂质元素对电导率的影响是提高铝导体导电率的关键之举。杂质元素如果以溶质原子状态存在，对导电性能的影响更大。硼化处理是降低铝合金导体材料有害杂质含量的一种有效方法，即在铝合金中加入一定量的B元素后，能够和过渡族杂质元素Cr、Mn、V、Ti等发生反应，使之由溶质原子态转变为化合态并沉积于熔体底部，从而提高铝合金的导电性能。
硅(Si)：硅是工业铝中的主要杂质元素之一，Si可与Al、Fe、RE元素反应生成第二相，降低晶格畸变，对铝合金导体材料的导电性能、力学性能和耐热性能起到有益作用。
铁(Fe)：铝中含有一定量的铁，是工业铝中的一种主要杂质。铁对铸造铝的力学性能是有害的，因为其通常以粗大的一次晶体出现，或以铝-铁-硅化合物形式存在，它们一定程度上都提高了铝的强度，但使铝的延性降低。研究表明，铁可以提高铝导体强度，并不显著降低其导电性。本发明通过Zr、Er和Ce(La)元素的复合添加，在一定的制备工艺下反应生成Al3(Zrx，Er1-x)，稀土Er、Ce(La)与Al、杂质元素Fe、Si等形成高熔点的化合物，粗大颗粒得到细化，经过三者的耦合作用，与现役60％IACS超耐热铝合金导线所用单丝相比，在保证强度和耐热性的基础之上提高导电率至61％IACS以上。
由于在超耐热合金中添加Zr和微量稀土Er元素，通过在高温下的轧制或挤压可生成细小弥散的Al3(Zrx，Er1-x)相，该Al3(Zrx，Er1-x)相具有较好的高温稳定性，能够提高耐热铝合金单丝的强度和耐热性能，且细小的Al3(Zrx，Er1-x)与Al基体之间具有较好的匹配性，降低晶格畸变，从而可提高合金的导电性能；添加微量Ce(La)元素，与Al、杂质元素Fe、Si等形成高熔点的化合物，可降低合金中Fe、Si元素的固溶度，并细化铸态组织中的AlFeSi等粗大微米级颗粒，从而提高超耐热铝合金单丝的力学性能和导电性能。在此合金成分配方基础之上，优化了制备工艺参数，由此制备出的超耐热铝合金单丝导电率≥61％IACS(20℃)，抗拉强度≥160MPa，延伸率≥2％，280℃保温1h后的室温强度残存率≥90％。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种铝合金单丝材料及其制备方法，对所述铝合金单丝材料及其制备方法进行具体介绍：
本发明提供的一种铝合金单丝，所述铝合金单丝包括下述质量百分比的合金元素：Zr:0.1％-0.15％，Er:0.05％-0.1％，Ce(La):0.1-0.2％，B:0.01％-0.02％，Si≤0.06％，Fe≤1.5％，其余含量为铝和不可避免的其它微量杂质。其中，所述铝合金单丝材料的制备方法包括如下步骤：在温度为710-730℃时，对冶炼融化后的铝液吹入氮气进行精练，其中吹气时间为10-15min；或将冶炼融化后的铝加入0.3％-0.5％的六氯乙烷(C2Cl6)进行除气精炼，保温静置10-20min后扒渣；
将精练后的铝液依次经过浇铸、轧制和拉拔后得到铝合金单丝；
将所述铝合金单丝保温0.5-2h后空冷。
其中，所述将精练后的铝液依次经过浇铸、轧制和拉拔后得到铝合金单丝，包括：
在温度为700-720℃时，将所述精炼步骤所得的铝合金液浇入经过预热的金属型模具，浇铸成铝合金锭；
将所述铝合金锭在450-530℃的温度范围内保温4-10h后进行轧制，经过多道次轧制后制成铝合金圆杆；
铝合金圆杆经过多道次拉拔，获得铝合金单丝。
本发明所提供的铝合金单丝材料中，所述铝合金单丝材料的导电率≥61％IACS(20℃)，抗拉强度≥160MPa，延伸率≥2％，280℃保温1h后的室温强度残存率≥90％。
下面通过下述具体的实施例来分别对本发明所提供的技术方案做详细说明。另有说明除外，本发明中的百分比均为质量百分计的。
实施例1
本实施例提供一种铝合金单丝材料，铝合金单丝材料包括下述质量百分比的合金元素：Zr：0.10％-0.14％，Er：0.08％-0.10％，Ce(La)：0.15％-0.20％，B：0.015％-0.02％，Si：0.04％-0.06％，Fe：1.0％-1.50％，其余含量为铝和不可避免的其它杂质。
基于上述铝合金单丝材料的合金元素及对应的质量百分比的参数范围，以下述铝合金单丝材料的合金元素及其具体质量百分比为例，作具体说明：
本实例提供的铝合金单丝材料由上述具体质量百分比的合金元素制备而成，且制备方法具体包括如下步骤：
精炼之前还包括冶炼，冶炼具体包括：选取纯度为99.7％的工业纯铝锭加入熔炼炉中，熔炼温度为750℃；待纯铝完全熔化后，750℃加入Al-B中间合金进行硼化处理；
750℃加入Al-Er中间合金、La-Ce混合稀土，完全熔化后搅拌15min，保温静置30min。
精炼：在温度为730℃时，对冶炼后的铝合金液吹入氮气(N2)，其中，吹气时间为15min，进行除气精炼，保温静置10-20min后扒渣。
浇铸：在温度为720℃时，将精炼后的铝合金液浇入250℃预热的金属型模具，浇铸成横截面为20×20mm的铝锭。
轧制：将所述铝锭在530℃保温4h后进行轧制，经过7道次轧制后制成φ9.5mm的铝合金圆杆。
拉拔：φ9.5mm的铝合金圆杆经过拉丝模具冷拉拔，获得φ3.84mm铝合金单丝。
退火：单丝在120℃下保温0.5h后空冷。
由此制备出的铝合金单丝材料的导电率为61.3％IACS(20℃)，抗拉强度为160MPa，延伸率为2.2％，280℃保温1h后的室温强度残存率为90％。
实施例2
一种铝合金单丝材料，组分及其质量分数为：
本实例提供的铝合金单丝材料由上述具体质量百分比的合金元素制备而成，且制备方法具体包括如下步骤：
精炼之前还包括冶炼，冶炼具体包括：选取纯度为99.7％的工业纯铝锭加入熔炼炉中，熔炼温度为730℃；待纯铝完全熔化后，730℃加入Al-B中间合金进行硼化处理；730℃加入Al-Er中间合金、La-Ce混合稀土，完全熔化后搅拌10min，保温静置20min。
精炼：710℃吹入氮气(N2)，吹气时间10min，进行除气精炼，保温静置20min后扒渣。
浇铸：700℃将铝合金液浇入300℃预热的金属型模具，浇铸成横截面为20×20mm的铝锭。
轧制：将铝锭450℃保温10h后进行轧制，经过7道次轧制成φ9.5mm的铝合金圆杆。
拉拔：φ9.5mm的铝合金圆杆经过拉丝模具冷拉拔，获得φ3.07mm铝合金单丝。
退火：单丝在90℃下保温2h后空冷。
由此制备出的铝合金单丝材料的导电率为61％IACS(20℃)，抗拉强度为170MPa，延伸率为2.0％，280℃保温1h后的室温强度残存率为94％。
实施例3
本实施例提供一种铝合金单丝材料，铝合金单丝材料包括下述质量百分比的合金元素：Zr：0.10％-0.14％，Er：0.08％-0.10％，Ce(La)：0.15％-0.20％，B：0.015％-0.02％，Si：0.04％-0.06％，Fe：1.0％-1.50％，其余含量为铝和不可避免的其它杂质。
基于上述铝合金单丝材料的合金元素及对应的质量百分比的参数范围，以下述铝合金单丝材料的合金元素及其具体质量百分比为例，作具体说明：Zr0.14％
本实例提供的铝合金单丝材料由上述具体质量百分比的合金元素制备而成，且制备方法具体包括如下步骤：
精炼之前还包括冶炼，冶炼具体包括：选取纯度为99.7％的工业纯铝锭加入熔炼炉中，熔炼温度为740℃；待纯铝完全熔化后，740℃加入Al-B中间合金进行硼化处理；740℃加入Al-Er中间合金、La-Ce混合稀土，完全熔化后搅拌10min，保温静置25min。
精炼：720℃吹入氮气(N2)，吹气时间10min，进行除气精炼，保温静置15min后扒渣。
浇铸：710℃将铝合金液浇入280℃预热的金属型模具，浇铸成横截面为20×20mm的铝锭。
轧制：将铝锭500℃保温5h后进行轧制，经过7道次轧制成φ9.5mm的铝合金圆杆。
拉拔：φ9.5mm的铝合金圆杆经过拉丝模具冷拉拔，获得φ3.6mm铝合金单丝。
退火：单丝在100℃下保温1.5h后空冷。
由此制备出的铝合金单丝材料的导电率为61.2％IACS(20℃)，抗拉强度为160MPa，延伸率为2.2％，280℃保温1h后的室温强度残存率为91％。
实施例4
本实施例提供一种铝合金单丝材料，铝合金单丝材料包括下述质量百分比的合金元素：Zr：0.10％-0.14％，Er：0.08％-0.10％，Ce(La)：0.15％-0.20％，B：0.015％-0.02％，Si：0.04％-0.06％，Fe：1.0％-1.50％，其余含量为铝和不可避免的其它杂质。
基于上述铝合金单丝材料的合金元素及对应的质量百分比的参数范围，以下述铝合金单丝材料的合金元素及其具体质量百分比为例，作具体说明：
本实例提供的铝合金单丝材料由上述具体质量百分比的合金元素制备而成，且制备方法具体包括如下步骤：
精炼之前还包括冶炼，冶炼具体包括：选取纯度为99.7％的工业纯铝锭加入熔炼炉中，熔炼温度为735℃；待纯铝完全熔化后，735℃加入Al-B中间合金进行硼化处理；735℃加入Al-Er中间合金、La-Ce混合稀土，完全熔化后搅拌12min，保温静置25min。
精炼：715℃吹入氮气(N2)，吹气时间12min，进行除气精炼，保温静置10min后扒渣。
浇铸：715℃将铝合金液浇入300℃预热的金属型模具，浇铸成横截面为20×20mm的铝锭。
轧制：将铝锭480℃保温8h后进行轧制，经过7道次轧制成φ9.5mm的铝合金圆杆。
拉拔：φ9.5mm的铝合金圆杆经过拉丝模具冷拉拔，获得φ3.3mm铝合金单丝。
退火：单丝在100℃下保温1.5h后空冷。
由此制备出的铝合金单丝材料的导电率为61.2％IACS(20℃)，抗拉强度为163MPa，延伸率为2.0％，280℃保温1h后的室温强度残存率为92％。
实施例5
本实施例提供一种铝合金单丝材料，铝合金单丝材料包括下述质量百分比的合金元素：Zr：0.10％-0.14％，Er：0.08％-0.10％，Ce(La)：0.15％-0.20％，B：0.015％-0.02％，Si：0.04％-0.06％，Fe：1.0％-1.50％，其余含量为铝和不可避免的其它杂质。
基于上述铝合金单丝材料的合金元素及对应的质量百分比的参数范围，以下述铝合金单丝材料的合金元素及其具体质量百分比为例，作具体说明：
本实例提供的铝合金单丝材料由上述具体质量百分比的合金元素制备而成，且制备方法具体包括如下步骤：
精炼之前还包括冶炼，冶炼具体包括：选取纯度为99.7％的工业纯铝锭加入熔炼炉中，熔炼温度为745℃；待纯铝完全熔化后，745℃加入Al-B中间合金进行硼化处理；745℃加入Al-Er中间合金、La-Ce混合稀土，完全熔化后搅拌15min，保温静置20min。
精炼：715℃吹入氮气(N2)，吹气时间10min，进行除气精炼，保温静置15min后扒渣。
浇铸：710℃将铝合金液浇入250℃预热的金属型模具，浇铸成横截面为20×20mm的铝锭。
轧制：将铝锭490℃保温7h后进行轧制，经过7道次轧制成φ9.5mm的铝合金圆杆。
拉拔：φ9.5mm的铝合金圆杆经过拉丝模具冷拉拔，获得φ3.3mm铝合金单丝。
退火：单丝在110℃下保温1h后空冷。
由此制备出的铝合金单丝材料的导电率为61.2％IACS(20℃)，抗拉强度为163MPa，延伸率为2.0％，280℃保温1h后的室温强度残存率为92％。
对比实施例1
本申请提供的超耐热铝合金导体材料与现有超耐热铝合金导体材料之间的性能对比如表1所示；
表1两种材料的主要性能对比
由此可见，在此合金成分配方基础上，本申请优化了制备工艺参数，制备出的铝合金单丝材料的导电率≥61％IACS(20℃)，抗拉强度≥160MPa，延伸率≥2％，280℃保温1h后的室温强度残存率≥90％，其性能优于现有超耐热铝合金导体材料。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (12)

1.一种铝合金单丝材料，其特征在于，所述铝合金单丝材料包括下述质量百分比的合金元素：Zr:0.1％-0.15％，Er:0.05％-0.1％，Ce(La):0.1-0.2％，B:0.01％-0.02％，Si≤0.06％，Fe≤1.5％，其余含量为铝和不可避免的其它杂质。
2.如权利要求1所述的一种铝合金单丝材料，其特征在于：所述铝合金单丝材料包括下述质量百分比的合金元素：Zr：0.10％-0.14％，Er：0.08％-0.10％，Ce(La)：0.15％-0.20％，B：0.015％-0.02％，Si：0.04％-0.06％，Fe：1.0％-1.50％，其余含量为铝和不可避免的其它杂质。
3.如权利要求1所述的一种铝合金单丝材料，其特征在于：所述铝合金单丝材料包括下述质量百分比的合金元素：Zr：0.15％，Er：0.05％，Ce(La)：0.20％，B:0.01％，Si：0.05％，Fe：1.20％，其余含量为铝和不可避免的其它杂质。
4.如权利要求1所述的一种铝合金单丝材料，其特征在于：所述铝合金单丝材料包括下述质量百分比的合金元素：Zr：0.13％，Er：0.06％，Ce(La)：0.17％，B：0.017％，Si：0.05％，Fe：1.4％，其余含量为铝和不可避免的其它杂质。
5.如权利要求1所述的一种铝合金单丝材料，其特征在于：所述铝合金单丝材料包括下述质量百分比的合金元素：Zr：0.10％，Er：0.10％，Ce(La)：0.20％，B：0.02％，Si：0.06％，Fe：1.5％，其余含量为铝和不可避免的其它杂质。
6.如权利要求1所述的一种铝合金单丝材料，其特征在于：所述铝合金单丝材料包括下述质量百分比的合金元素：Zr：0.14％，Er：0.08％，Ce(La)：0.15％，B：0.015％，Si：0.04％，Fe：1.0％，其余含量为铝和不可避免的其它杂质。
7.如权利要求1所述的一种铝合金单丝材料，其特征在于：所述铝合金单丝材料包括下述质量百分比的合金元素：Zr：0.12％，Er：0.09％，Ce(La)：0.12％，B：0.012％，Si：0.03％，Fe：1.3％，其余含量为铝和不可避免的其它杂质。
8.一种用于制备如权利要求1-7任一项所述的一种铝合金单丝材料的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
在温度为710-730℃时，对冶炼融化后的铝液吹入氮气进行精练，其中吹气时间为10-15min；或将冶炼融化后的铝加入0.3％-0.5％的六氯乙烷进行除气精炼，保温静置10-20min后扒渣；
将精练后的铝液依次经过浇铸、轧制和拉拔后得到铝合金单丝；
将所述铝合金单丝保温0.5-2h后空冷。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述将精练后的铝液依次经过浇铸、轧制和拉拔后得到铝合金单丝，包括：
在温度为700-720℃时，将所述精炼步骤所得的铝合金液浇入经过预热的金属型模具，浇铸成铝合金锭；
将所述铝合金锭在450-530℃的温度范围内保温4-10h后进行轧制，经过多道次轧制后制成铝合金圆杆；
铝合金圆杆经过多道次拉拔，获得铝合金单丝。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述铝合金锭的熔炼温度为730-750℃。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述拉拔具体包括：
铝合金圆杆在400-450℃的温度范围内保温10-20h后进行拉拔，制成φ3-4mm铝合金单丝，拉拔变形量为1.2-1.3。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述铝合金单丝的保温温度为90-120℃。
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