一种高导耐热抗蠕变铝合金及其制备方法

摘要

本发明公开了一种高导耐热抗蠕变铝合金，由以下质量百分比的组分组成：镁：0.15~0.35%，硅：0.10~0.20%，铜：0.05~0.15%，铒：0.07~0.16%，锆：0.05~0.09%，钛：0.02~0.05%，余量为铝；其中，镁与硅的质量比控制为1.5~1.8；本发明还公开了该高导耐热抗蠕变铝合金的制备方法，包括熔炼铸造、挤压成型及热处理。本发明通过微合金化、形变热处理，控制合金中有效强化相及耐热相，在保证合金导电性能同时，提高合金的强度和耐热性能，可获得综合性能优异的铝合金导体材料。

说明书

技术领域

本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种高导耐热抗蠕变铝合金及其制备方法。

背景技术

我国电线电缆行业快速发展的同时，铜资源匮乏与铜价飙升使得“以铝节铜”成为热点问题。我国市场中大多还是一些中低端线缆，一方面，每年在电力传输过程中造成大量能源损耗，不符合我国“节能减排”建设资源节约型国家的宗旨；另一方面，传统铝导体蠕变性能较差，易发生应力松弛，同时接触电阻增大，易发生火灾等安全事故，很难保证线路长期在负载运行中连接的可靠性。目前，铝合金导线电导率、抗拉强度、伸长率、抗高温蠕变性能等综合性能不能良好配合，性能优势比较单一是制约其推广和应用的主要原因。因此，新型高导抗蠕变铝合金的开发显得日益重要。

经检索，公开号为101948971B的中国发明专利，该专利公开的合金添加较高比例的Ca、Mo、Sb以及稀土元素，Ca、Mo、Sb原子序数较大，易破坏铝基体晶体结构的完整性，产生晶格畸变，降低合金的导电性能；添加较高比例的稀土元素，一方面显著增加成本，另一方面过量稀土易形成粗大稀土相，降低合金的综合性能。公开号为102816960B的中国发明专利，该专利涉及一种非热处理型高电导率高强度耐热铝合金导体材料，通过熔铸、轧制和冷拔，使导体材料获得“电导率≥ 57.5%IACS，抗拉强度≥ 225MPa，延伸率≥2.0%，耐热温度为150℃”的性能。该专利采用非热处理型合金体系，无法控制强化相Mg₂Si、Al₂Cu、耐热相Al₃Zr析出和分布，延伸率及电导率不足，综合性能较差。

发明内容

基于现有导体材料的缺陷，本发明的目的在提供了一种高导抗蠕变铝合金及其制备方法，通过微合金化、形变及热处理等多重手段提高合金综合性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高导耐热抗蠕变铝合金，由以下质量百分比的组分组成：镁（Mg）：0.15~0.35%，硅（Si）：0.10~0.20%，铜（Cu）：0.05~0.15%，铒（Er）：0.07~0.16%，锆（Zr）：0.05~0.09%，钛（Ti）：0.02~0.05%，余量为铝（Al）；其中，镁与硅的质量比（Mg/Si）控制为1.5~1.8。

优选地，一种高导耐热抗蠕变铝合金，由以下质量百分比的组分组成：镁：0.21~0.33%，硅：0.12~0.19%，铜：0.07~0.10%，铒：0.10~0.15%，锆：0.05~0.09%，钛：0.03~0.05%，余量为铝；其中，镁与硅的质量比控制为1.6~1.8。

优选地，一种高导耐热抗蠕变铝合金，由以下质量百分比的组分组成：镁：0.27~0.32%，硅：0.15~0.19%，铜：0.07~0.09%，铒：0.10~0.13%，锆：0.05~0.09%，钛：0.03~0.05%，余量为铝；其中，镁与硅的质量比控制为1.7~1.8。

上述高导耐热抗蠕变铝合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料；

（2）先将金属铝于710~730℃熔化，除去表面氧化皮；然后升温至740~760℃，加入剩余物料，搅拌熔化，得到铝合金液；

（3）将步骤（2）所得铝合金液于710~730℃精炼、扒渣，经过滤后铸造成型，扒皮、锯切，得到棒状的坯料；

（4）将步骤（3）所得坯料挤压成型，得到棒材；挤压成型时，挤压温度为420~450℃，挤压速度为5~7 m/min，挤压比为35~64；

（5）对步骤（4）所得棒材依次进行固溶处理和时效处理，即得；

其中，固溶处理控制为：520~535℃保温2~3 h，水淬；时效处理控制为：245~275℃保温11~15 h。

优选地，步骤（3）中所述精炼是向铝合金液中持续通入氩气15~20 min后，静置10~15min。

优选地，步骤（3）中所述扒渣的具体步骤是向经过精炼的铝合金液中加入除渣剂，搅拌10~15min，静置5~10 min，然后除去浮渣，静置10~15 min。

进一步，所述除渣剂的加入量为铝合金液质量的0.1~0.3%，除渣剂由以下质量百分比的原料混匀而成：Na₂SiF_{6>25~32%、NaF 18~22%、NaCl 16~25%、KCl 17~28%、CaF2>}

本发明所用原料均为普通市售产品。其中，所配原料包括金属铝、金属镁、金属铜及中间合金，所述金属铝采用99.85%工业重熔低铁含量铝锭，所述金属镁采用99.99%高纯镁锭，所述金属铜采用99.99%阴极电解铜，所述中间合金（Al-Si、Al-Er、Al-Zr、Al-Ti）分别采用Al-20Si、Al-5Er、Al-4Zr、Al-3Ti中间合金锭。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过优化Al-Mg-Si合金成分，限定Mg/Si比，形成有效强化相；通过Er、Zr、Ti等元素复合微合金化的方法在熔体中形成Al₃Er、Al₃Zr、Al₃Ti等耐热相，一方面Al₃Er、Al₃Zr、Al₃Ti相的形成，可通过后续热处理工艺析出，在合金中成为有效耐热相，另一方面，这些相在合金凝固过程中可作为异质形核核心细化晶粒。

2、本发明通过“固溶+时效”热处理工艺优化，实现对强化相Mg₂Si、Al₂Cu，耐热相Al₃X（X=Er、Zr、Ti任意一种元素）析出和分布的有效控制。固溶时效工艺通过对析出相控制，极大减少元素固溶，提高合金导电性能；耐热相的析出可钉扎位错，提高合金强度，耐热相中元素Er、Zr、Ti之间还会存在相互作用，可形成Al₃（Er，Zr）、Al₃（Er，Ti）等更有效耐热相，使合金高温下仍能保持较高强度。

3、本发明由上述合金元素组成的合金成分，经挤压、固溶、时效等工序的加工处理，由此得到的铝合金具有以下特点：抗拉强度为206.8 MPa（平均值），导电率为60.17 %IACS（平均值），延伸率19~31%，耐热性较好，导体的长期运行温度达到210℃，耐热180℃时强度残存率不小于90%，蠕变性能：蠕变量≤铜蠕变量的1.12倍。

附图说明

图1是实施例1步骤（3）所得坯料的金相图。

具体实施方式

为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明，但所述实施例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行，下述实施例中所用原料均为普通市售产品。

实施例1

一种高导耐热抗蠕变铝合金，由以下质量百分比的组分组成：Mg：0.30%、Si：0.18%、Cu：0.09%、Er：0.12%、Zr：0.09%、Ti：0.03%，其余为Al和不可避免的杂质元素；其中，镁与硅的质量比控制为1.67。

上述高导耐热抗蠕变铝合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料，所配原料包括金属铝、金属镁、金属铜及中间合金；

（2）先将金属铝于730℃加入电阻炉中，待金属铝全部熔化后，扒去表面氧化皮；然后升温至760℃，加入金属镁、金属铜及中间合金，搅拌熔化，得到铝合金液；

（3）于730℃，向步骤（2）所得铝合金液持续通入干燥氩气15 min后，静置12 min，然后加入除渣剂（除渣剂由以下质量百分比的原料混匀而成：Na₂SiF_{6>28%、NaF 20%、NaCl 23%、KCl 22%、CaF2>}

（4）将步骤（3）所得坯料挤压成型，得到棒材；挤压成型时，挤压筒内径为92 mm，模具预热温度为385℃，挤压温度为422℃，挤压速度为6 m/min，挤压后棒材直径为12.5 mm；

（5）对步骤（4）所得棒材依次进行固溶处理（于525℃保温3 h，水淬）和时效处理（于265℃保温13 h），即得。

实施例1步骤（3）所得坯料的金相图如图1所述，从图1中可以看出坯料显微组织晶粒细小而均匀，晶粒尺寸在18 μm~25μm之间。晶界上没有较大的金属共晶相和粗大的点状共晶化合物，共晶相分布均匀，基本不存在共晶相偏聚现象，在一定程度上保证成品性能，同时有利于后续的变形加工。

实施例2

一种高导耐热抗蠕变铝合金，由以下质量百分比的组分组成：Mg：0.33%、Si：0.19%、Cu：0.10%、Er：0.15%、Zr：0.09%、Ti：0.05%，其余为Al和不可避免的杂质元素；其中，镁与硅的质量比控制为1.74。

上述高导耐热抗蠕变铝合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料，所配原料包括金属铝、金属镁、金属铜及中间合金；

（2）先将金属铝于730℃加入电阻炉中，待金属铝全部熔化后，扒去表面氧化皮；然后升温至760℃，加入金属镁、金属铜及中间合金，搅拌熔化，得到铝合金液；

（3）于730℃，向步骤（2）所得铝合金液持续通入干燥氩气15 min后，静置12 min，然后加入除渣剂（除渣剂由以下质量百分比的原料混匀而成：Na₂SiF_{6>30%、NaF 19%、NaCl 22%、KCl 23%、CaF2>}

（4）将步骤（3）所得坯料挤压成型，得到棒材；挤压成型时，挤压筒内径为92 mm，模具预热温度为387℃，挤压温度为435℃，挤压速度为5.8 m/min，挤压后棒材直径为12.5 mm；

（5）对步骤（4）所得棒材依次进行固溶处理（于528℃保温2.5 h，水淬）和时效处理（于272℃保温13 h），即得。

实施例3

一种高导耐热抗蠕变铝合金，由以下质量百分比的组分组成：Mg：0.32%、Si：0.19%、Cu：0.07%、Er：0.10%、Zr：0.05%、Ti：0.05%，其余为Al和不可避免的杂质元素；其中，镁与硅的质量比控制为1.68。

上述高导耐热抗蠕变铝合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料，所配原料包括金属铝、金属镁、金属铜及中间合金；

（2）先将金属铝于730℃加入电阻炉中，待金属铝全部熔化后，扒去表面氧化皮；然后升温至760℃，加入金属镁、金属铜及中间合金，搅拌熔化，得到铝合金液；

（3）于730℃，向步骤（2）所得铝合金液持续通入干燥氩气15 min后，静置12 min，然后加入除渣剂（除渣剂由以下质量百分比的原料混匀而成：Na₂SiF_{6>25%、NaF 21%、NaCl 20%、KCl 26%、CaF2>}

（4）将步骤（3）所得坯料挤压成型，得到棒材；挤压成型时，挤压筒内径为92 mm，模具预热温度为382℃，挤压温度为443℃，挤压速度为6.6 m/min，挤压后棒材直径为12.5 mm；

（5）对步骤（4）所得棒材依次进行固溶处理（于532℃保温1.5 h，水淬）和时效处理（于248℃保温14 h），即得。

实施例4

一种高导耐热抗蠕变铝合金，由以下质量百分比的组分组成：Mg：0.21%、Si：0.12%、Cu：0.10%、Er：0.12%、Zr：0.06%、Ti：0.03%，其余为Al和不可避免的杂质元素；其中，镁与硅的质量比控制为1.75。

上述高导耐热抗蠕变铝合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料，所配原料包括金属铝、金属镁、金属铜及中间合金；

（2）先将金属铝于720℃加入电阻炉中，待金属铝全部熔化后，扒去表面氧化皮；然后升温至750℃，加入金属镁、金属铜及中间合金，搅拌熔化，得到铝合金液；

（3）于720℃，向步骤（2）所得铝合金液持续通入干燥氩气20 min后，静置10 min，然后加入除渣剂（除渣剂由以下质量百分比的原料混匀而成：Na₂SiF_{6>31%、NaF 18%、NaCl 18%、KCl 26%、CaF2>}

（4）将步骤（3）所得坯料挤压成型，得到棒材；挤压成型时，挤压筒内径为92 mm，模具预热温度为385℃，挤压温度为440℃，挤压速度为6.5 m/min，挤压后棒材直径为15 mm；

（5）对步骤（4）所得棒材依次进行固溶处理（于530℃保温2 h，水淬）和时效处理（于255℃保温15 h），即得。

实施例5

一种高导耐热抗蠕变铝合金，由以下质量百分比的组分组成：Mg：0.27%、Si：0.15%、Cu：0.09%、Er：0.13%、Zr：0.05%、Ti：0.05%，其余为Al和不可避免的杂质元素；其中，镁与硅的质量比控制为1.8。

上述高导耐热抗蠕变铝合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料，所配原料包括金属铝、金属镁、金属铜及中间合金；

（2）先将金属铝于710℃加入电阻炉中，待金属铝全部熔化后，扒去表面氧化皮；然后升温至740℃，加入金属镁、金属铜及中间合金，搅拌熔化，得到铝合金液；

（3）于710℃，向步骤（2）所得铝合金液持续通入干燥氩气15 min后，静置10 min，然后加入除渣剂（除渣剂由以下质量百分比的原料混匀而成：Na₂SiF_{6>27%、NaF 22%、NaCl 24%、KCl 19%、CaF2>}

（4）将步骤（3）所得坯料挤压成型，得到棒材；挤压成型时，挤压筒内径为92 mm，模具预热温度为390℃，挤压温度为425℃，挤压速度为5.5 m/min，挤压后棒材直径为11.5 mm；

（5）对步骤（4）所得棒材依次进行固溶处理（于533℃保温1 h，水淬）和时效处理（于265℃保温12 h），即得。

下面采用SUN10电子万能试验机对试样（实施例1~5所制得高导耐热抗蠕变铝合金）的力学性能进行测试，每个状态取3组平行样并取平均值；采用SMP10涡流式金属导电率测量仪对试样的导电率进行测试，每个状态试样测5 次取其平均值；耐热性能通过强度残存率表征：将待测试样在180℃下保温24 h，恢复到室温，测试其抗拉强度，计算与未保温成品试样抗拉强度的比值；在温度90℃、压力76MPa、100h的条件下，采用RWS-50蠕变测试仪对试样的蠕变性能进行多组测试。各性能测试结果如表1所示。

表1 高导耐热抗蠕变铝合金性能测试结果

由表1可见，本发明制得的高导耐热抗蠕变铝合金抗拉强度为206.8 MPa（平均值），导电率为60.17 %IACS（平均值），强度残存率为93.44%（平均值），蠕变量仅为同等状态下铜合金的1.08倍（平均值）。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。