一种中强高导铝合金单丝生产工艺及其铝合金单丝

摘要

本发明提供了一种中强高导铝合金单丝生产工艺及其铝合金单丝，涉及铝合金材料的技术领域；该生产工艺包括：提供铝合金杆；对所述铝合金杆进行拉拔处理，得到合金单丝，并在所述拉拔加工时对所述合金单丝进行100~150℃的预时效处理；对所述合金单丝进行人工时效处理，得到所述中强高导铝合金单丝。本申请还提供一种铝合金单丝。本申请提供的中强高导铝合金单丝生产工艺得到的铝合金单丝的强度≥270MPa、导电率≥59%IACS、伸长率≥5%。

说明书

技术领域

本发明涉及铝合金材料的技术领域，尤其是涉及一种中强高导铝合金单丝生产工艺及其铝合金单丝。

背景技术

架空导线输电线路是国民经济发展的能源主动脉，我国空输电线路主要是由普通钢芯铝绞线组成，电能损耗较大。近期我国已提出实现碳达峰、碳中和的时间表，使用节能导线代替钢芯铝绞线大幅降低输电线路的电能损耗，成为架空输电领域重要的发展趋势。目前国内导电率58.5% IACS的高导电铝合金强度只有230-250MPa，导线拉断力不足。众所周知，铝镁硅合金的强度和导电率是相互制约的，当提高强度后往往会使导电率明显下降，常规工艺手段难以实现综合性能的大幅提升，因此亟需研发一种新的铝合金单丝生产工艺能在使铝合金单丝维持高导电率的情况下，可以提高铝合金单丝的强度和伸长率。

发明内容

本申请的目的在于提供一种中强高导铝合金单丝生产工艺，在使铝合金单丝的导电率较高的情况下，提高铝合金单丝的强度和伸长率。

本申请的另一目的在于提供一种铝合金单丝，该铝合金单丝的强度≥270MPa、导电率≥59%IACS、伸长率≥5%。

第一方面，本申请提供的一种中强高导铝合金单丝生产工艺，包括：

提供铝合金杆；

对铝合金杆进行拉拔处理，得到合金单丝，并在拉拔时对合金单丝进行100~150℃的预时效处理；

对合金单丝进行人工时效处理，得到中强高导铝合金单丝；其中，所述预时效处理的温度低于所述人工时效处理的温度。

进一步地，在本申请的一些实施例中，预时效处理包括：

在拉拔过程中，加热最后一道拉丝模和/或储线区使合金单丝进行100~150℃预时效处理。

进一步地，在本申请的一些实施例中，人工时效处理包括：

在140~160℃时效处理合金单丝5~10h。

进一步地，在本申请的一些实施例中，提供铝合金杆包括：对铝合金杆进行固溶处理；

固溶处理包括：

在480~530℃保温处理铸轧得到铝合金杆1~3h，淬火、冷却至50~120℃。

进一步地，在本申请的一些实施例中，铸轧得到的铝合金杆的制备包括以下步骤：

S11、合金熔炼：根据铝合金杆的元素组分提供原料，熔融，得到熔体；

S12、炉内精炼：对熔体进行硼化处理，并在740~750℃下精炼熔体，扒渣，静置；

S13、在线精炼：浇铸开始后对熔体进行在线除气、过滤，得到精炼铝液；

S14、晶粒细化：向所述精炼铝液中加入以质量分数计为0.05~0.15%的细化剂；

S15、连铸连轧：利用连铸连轧工艺铸造、轧制在线精炼后的铝熔体，得到铝合金杆。

进一步地，在本申请的一些实施例中，S12中，精炼的时间为10~15min；和/或

静置的时间为30~40min；和/或

静置的温度为720~730℃。

进一步地，在本申请的一些实施例中，连铸连轧包括：在700~720℃下利用轮式结晶器对在线精炼熔体进行连续铸造得到铸坯；在490~510℃下利用连轧机组对铸坯进行轧制得到铝合金杆。

进一步地，在本申请的一些实施例中，在线精炼包括：

利用氮气在400-500r/min的转速下进行在线旋转吹喷除气，以孔隙率为30/50PPI的过滤板进行在线过滤。

进一步地，在本申请的一些实施例中，铝合金杆的元素组分以质量分数计包括Mg0.3-0.45%，Si 0.3-0.5%，Fe 0.1-0.15%，Y 0.1-0.3%，La 0.01-0.05%，B 0.001-0.05%，其余为 Al 和不可避免的其他杂质元素；不可避免的杂质元素的总量≤0.02%。

第二方面，本申请还提供一种中强高导铝合金单丝，铝合金单丝的元素组分以质量分数计包括Mg 0.3-0.45%，Si 0.3-0.5%，Fe 0.1-0.15%，Y 0.1-0.3%，La 0.01-0.05%，B0.001-0.05%，其余为 Al 和不可避免的其他杂质元素；不可避免的杂质元素的总量≤0.02%；

进一步地，在本申请的一些实施例中，铝合金单丝的强度≥270MPa、导电率≥59%IACS、伸长率≥5%。

现有生产中强度铝合金拉丝的方法一般是通过熔炼得到铝熔体，并通过连铸连轧工艺得到铝合金杆，最后拉拔铝合金杆处理后再进行时效处理，强化拉拔得到的铝合金单丝，提高铝合金单丝的强度。其中，在连铸连轧制备铝合金杆的工艺中，尤其是铸坯轧制得到铝合金杆的过程中，由于温度下降明显，合金元素不能完全回溶，导致在后序时效处理时不能充分发挥合金元素的弥散析出强化作用，限制了合金性能的进一步提升，进而使得到的铝合金单丝在导电率达到58.5%时，其强度和拉伸率难以进一步提升，因此导致其拉断力不足；而若通过高温时效使强度和拉伸率略有提升时，则铝合金单丝的导电率难以在58.5%基础上进一步提升。

本申请的有益效果为：

本申请提供的铝合金单丝的生产工艺对铝合金杆进行固溶淬火处理使已经析出Mg、Si元素完全回溶到铝基体中达到过饱和状态，为后序时效强化时最大限度发挥其弥散强化效应提供条件；在铝合金单丝拉拔工艺中进行预时效处理，借助铝合金杆在拉拔时被施加的应力为合金原子快速扩散和析出提供驱动力，为铝合金单丝中的第二相析出做准备，促进人工时效处理阶段铝合金单丝中的强化相快速有效析出；在拉拔工艺之后再进行人工时效处理，可以使铝合金单丝中固溶的Mg、Si元素更加充分的以亚稳强化相析出，实现单丝强度和导电率的最优化，使得到的铝合金单丝强度、导电率、伸长率均提升，使铝合金单丝在具有高导电率的情况下，同时具有良好的拉断力。

本申请还提供了一种中强高导铝合金单丝，该铝合金单丝强度≥270MPa、导电率≥59%IACS、伸长率≥5%。

具体实施方式

下面将结合实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，“多种”的含义是两种或两种以上，除非另有明确具体的限定。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

本申请提供一种中强高导铝合金单丝生产工艺，包括：

提供铝合金杆；

对铝合金杆进行拉拔得到合金单丝，并在拉拔时对合金单丝进行100~150℃的预时效处理；

对合金单丝进行人工时效处理，得到中强高导铝合金单丝。

在一些实施例中，铝合金杆的元素组分以质量分数计包括：Mg（镁） 0.3-0.45%，Si（硅） 0.3-0.5%，Fe（铁） 0.1-0.15%，Y（钇） 0.1-0.3%，La （镧）0.01-0.05%，B（硼） 0.001-0.05%，其余为 Al（铝） 和不可避免的其他杂质元素；不可避免的杂质元素的总量≤0.02%。

需要说明的是，本申请所述的在“拉拔时对合金单丝进行100~150℃的预时效处理”，应当理解为：在拉拔过程中，对拉拔形成的合金单丝在100~150℃温度下进行时效处理。

在一些实施例中，不可避免的杂质元素中每种元素的含量均≤0.005%。

需要说明的是，不可避免的杂质元素为制备铝合金杆时所采用的原料中不可避免存在的杂质元素和/或在铝合金杆制备过程中不可避免进入铝合金杆中的元素，如氢、氧、氮、锰、锌。

在一些实施例中，预时效处理包括：

在拉拔过程中，在最后一道拉丝模和/或储线区对合金单丝进行100~150℃预时效处理。

在一些实施例中，人工时效处理包括：

在140~160℃时效处理合金单丝5~10h。

本申请在铝合金单丝拉拔过程中进行预时效处理，借助杆材拉拔时施加的应力为原子快速扩散和析出提供驱动力，预时效处理为第二相析出做准备，促进人工时效阶段的第二相快速有效析出，实现单丝强度和导电率的最优化。需要说明的是，预时效处理的温度需要低于人工时效处理的温度，且其预时效的温度不高于150℃。在合金制备过程中，随着温度的升高，合金中的Mg、Si元素会逐渐从溶解团生成GP 区、

在本申请中，预时效处理和人工时效处理并不是两次孤立的时效处理，预时效处理是人工时效处理的预处理，促进人工时效处理中的晶相快速析出，提高合金的导电性能。此外，在预时效处理过程中，预时效处理与拉拔过程需要同时进行，利用拉拔过程中的应力来为各合金原子的快速扩散和析出提供驱动力，使其在预时效处理过程中均匀的形成若干作为晶核的GP区相，为人工时效处理中晶相的析出做出准备。

在一些实施例中，提供铝合金杆包括：对铝合金杆进行固溶处理；

固溶处理包括：

在480~530℃保温处理铸轧得到铝合金杆1~3h，淬火、冷却至50~120℃。

由于连铸连轧过程中铝合金的温度下降非常明显，合金元素已从基体中大量析出，不利于后序铝合金单丝的时效强化。因此在铝合金杆铸轧得到后，对铝合金杆进行固溶淬火处理，使已经析出Mg、Si元素完全回溶到铝基体中达到过饱和状态，为时效强化提供最佳的条件，最大限度发挥了Mg、Si合金元素的弥散强化效应。

在一些实施例中，铸轧得到的铝合金杆的制备包括以下步骤：

S11、合金熔炼：根据铝合金杆的元素组分提供原料，熔融，得到熔体；

S12、炉内精炼：对熔体进行硼化处理，并在740~750℃下精炼熔体，扒渣，静置；

S13、在线精炼：浇铸开始后对熔体进行在线除气、过滤，得到精炼铝液；

S14、晶粒细化：向精炼铝液中加入以质量分数计为0.05~0.15%的细化剂；

S15、连铸连轧：利用连铸连轧工艺铸造、轧制在线精炼后的铝熔体，得到铝合金杆。

在一些实施例中，在合金熔炼过程中，先将提供铝、硅、钇、铁、镧、硼的原料投入熔炼炉中熔融，然后再投入提供镁的原料，使其熔融混合。

在一些实施例中，在合金熔炼过程中，对熔体进行取样分析，并根据分析结果调整熔体的组分配比，使得到的铝合金杆的组分配比可以达到要求。

在一些实施例中，用于提供铝的原料之一为纯度不低于99.7%的铝锭。稀土元素通过中间合金提供。

在一些实施例中，S12中，精炼的时间为10~15min；和/或

静置的时间为30~40min；和/或

静置的温度为720~730℃。

在一些实施例中，步骤S12在倾动式保温炉中进行，其具体包括：

将熔体转移至倾动式保温炉中，加入提供硼的原料进行硼化处理，并对熔体进行搅拌，调整熔体温度至740~750℃进行炉内精炼，时间为10~15min，随后将表面浮渣彻底扒净，调整温度至720~730℃静置处理30~40min。

在一些实施例中，细化剂为铝钛硼杆，利用铝钛硼杆对精炼铝液中的晶粒进行细化处理，使晶粒细化。

在一些实施例中，添加细化剂的时机为在精炼铝液流经流槽时在线添加。

在一些实施例中，连铸连轧包括：在700~720℃下利用轮式结晶器对在线精炼熔体进行连续铸造得到铸坯；在490~510℃下利用连轧机组对铸坯进行轧制得到铝合金杆。

在一些实施例中，在线精炼包括：

利用氮气在400~500r/min的转速下进行在线旋转吹喷除气，以孔隙率为30/50PPI的过滤板进行在线过滤。

本申请还提供一种中强高导铝合金单丝，铝合金单丝的元素组分以质量分数计包括Mg 0.3-0.45%，Si 0.3-0.5%，Fe 0.1-0.15%，Y 0.1-0.3%，La 0.01-0.05%，B 0.001-0.05%，其余为 Al 和不可避免的其他杂质元素；不可避免的杂质元素的总量≤0.02%；

铝合金单丝的强度≥270MPa、导电率≥59%IACS、伸长率≥5%。

在本申请中，铝合金单丝添加有Y，稀土Y可以与杂质Fe元素形成FeYSiAl相，降低杂质元素在铝中的固溶度，改善合金导电性能。也可以与基体Al形成Al

为使本申请上述实施细节和操作能清楚地被本领域技术人员所理解，以及本申请实施例所提供的一种中强高导铝合金单丝生产工艺及其制备方法的进步性能显著体现，以下通过多个实施例来举例说明上述技术方案。

实施例1

S11：向熔炼炉中加入纯度大于99.7%铝锭、铝硅合金、铝稀土合金加热熔化，将定量的金属镁锭加入铝液内部搅拌熔化。将铝液充分搅拌均匀，取样进行光谱分析，控制熔体成分在要求的范围内；

S12：将铝液转入倾动式保温炉，加入微量铝硼合金进行硼化处理，开启炉底电磁搅拌装置对熔体充分搅拌。调整熔体温度至740℃进行精炼处理，时间为10min，随后扒去表面浮渣，调整温度至720℃静置处理40min。

S13：浇铸开始后对熔体进行在线除气和过滤处理，在线除气采用旋转喷吹除气箱，以高纯氮气为除气介质。在线过滤采用双级泡沫陶瓷过滤板，孔隙率为30/50PPI。

S14：铝液流经流槽时，在线添加铝钛硼细化剂进行晶粒细化，添加量为0.1%。

S15：采用轮式结晶器进行连续铸造，铸坯轧制过程在15机架三辊轧机中进行，入轧温度500℃，轧制后得到直径为9.5mm的铝合金杆材，经在线冷却后收杆。

S16：对合金杆进行固溶处理，固溶加热温度为500℃、保温时间为2h，随后对杆材进行淬火冷却，使杆材快速冷却至70℃以下。

S17：在滑动式拉丝机上对杆材进行拉拔，在拉拔的同时对单丝进行预时效处理，预时效温度130℃，拉拔后得到直径为3.5mm的单丝。

S18：对拉拔后的合金单丝进行时效处理，得到铝合金单丝，时效工艺为150℃/9h。

经分析检测，本实施例中合金成分为：Mg 0.38%，Si 0.42%，Fe 0.14%，Y 0.2%，La0.03%，B 0.004%，不可避免的杂质元素中每种元素的含量均≤0.005%，总计≤0.02%。所得单丝强度为288MPa、导电率为59.3%IACS。

实施例2

S11：向熔炼炉中加入纯度大于99.7%铝锭、铝硅合金、铝稀土合金加热熔化，将定量的金属镁锭加入铝液内部搅拌熔化。将铝液充分搅拌均匀，取样进行光谱分析，控制熔体成分在要求的范围内；

S12：将铝液转入倾动式保温炉，加入微量铝硼合金进行硼化处理，开启炉底电磁搅拌装置对熔体充分搅拌。调整熔体温度至745℃进行精炼处理，时间为10min，随后扒去表面浮渣，调整温度至720℃静置处理40min。

S13：浇铸开始后对熔体进行在线除气和过滤处理，在线除气采用旋转喷吹除气箱，以高纯氮气为除气介质。在线过滤采用双级泡沫陶瓷过滤板，孔隙率为30/50PPI。

S14：铝液流经流槽时，在线添加铝钛硼细化剂进行晶粒细化，添加量为0.08%。

S15：采用轮式结晶器进行连续铸造，铸坯轧制过程在15机架三辊轧机中进行，入轧温度505℃，轧制后得到直径为9.5mm的铝合金杆材，经在线冷却后收杆。

S16：对合金杆进行固溶处理，固溶加热温度为490℃、保温时间为2h，随后对杆材进行淬火冷却，使杆材快速冷却至70℃以下。

S17：在滑动式拉丝机上对杆材进行拉拔，在拉拔的同时对单丝进行预时效处理，预时效温度120℃，拉拔后得到直径为3.8mm的单丝。

S18：对拉拔后的合金单丝进行时效处理，得到铝合金单丝，时效工艺为150℃/8h。

经分析检测，本实施例中合金成分为：Mg 0.33%，Si 0.32%，Fe 0.15%，Y 0.2%，La0.02%，B 0.015%，不可避免的杂质元素中每种元素的含量均≤0.005%，总计≤0.02%。所得单丝强度为275MPa、导电率为59.8%IACS。

对比例1

S11：向熔炼炉中加入纯度大于99.7%铝锭、铝硅合金、铝稀土合金加热熔化，将定量的金属镁锭加入铝液内部搅拌熔化。将铝液充分搅拌均匀，取样进行光谱分析，控制熔体成分在要求的范围内。

S12：将铝液转入倾动式保温炉，加入微量铝硼合金进行硼化处理，开启炉底电磁搅拌装置对熔体充分搅拌。调整熔体温度至740℃进行精炼处理，时间为10分钟，随后扒去表面浮渣，调整温度至720℃静置处理40分钟。

S13：浇铸开始后对熔体进行在线除气和过滤处理，在线除气采用旋转喷吹除气箱，以高纯氮气为除气介质。在线过滤采用双级泡沫陶瓷过滤板，孔隙率为30/50PPI。

S14：铝液流经流槽时，在线添加铝钛硼细化剂进行晶粒细化，添加量为0.12%。

S15：采用轮式结晶器进行连续铸造，铸坯轧制过程在15机架三辊轧机中进行，入轧温度500℃，轧制后得到直径为9.5mm的铝合金杆材，经在线冷却淬火后收杆。

S16：在滑动式拉丝机上对杆材进行拉拔，拉拔后得到直径为3.5mm的单丝。

S17：对拉拔后的合金单丝进行时效处理，时效工艺为160℃/8h。

经分析检测，对比例中合金成分为：Mg 0.47%，Si 0.45%，Fe 0.15%，Y 0.1%，La0.02%，B 0.005%。所得单丝强度为276MPa、导电率为58.2%IACS。

对比例2

S11：向熔炼炉中加入纯度大于99.7%铝锭、铝硅合金、铝稀土合金加热熔化，将定量的金属镁锭加入铝液内部搅拌熔化。将铝液充分搅拌均匀，取样进行光谱分析，控制熔体成分在要求的范围内。

S12：将铝液转入倾动式保温炉，加入微量铝硼合金进行硼化处理，开启炉底电磁搅拌装置对熔体充分搅拌。调整熔体温度至740℃进行精炼处理，时间为10分钟，随后扒去表面浮渣，调整温度至730℃静置处理40分钟。

S13：浇铸开始后对熔体进行在线除气和过滤处理，在线除气采用旋转喷吹除气箱，以高纯氮气为除气介质。在线过滤采用双级泡沫陶瓷过滤板，孔隙率为30/50PPI。

S14：铝液流经流槽时，在线添加铝钛硼细化剂进行晶粒细化，添加量为0.08%。

S15：采用轮式结晶器进行连续铸造，铸坯轧制过程在15机架三辊轧机中进行，入轧温度500℃，轧制后得到直径为9.5mm的铝合金杆材，经在线冷却淬火后收杆。

S16：在滑动式拉丝机上对杆材进行拉拔，拉拔后得到直径为3.7mm的单丝。

S17：对拉拔后的合金单丝进行时效处理，时效工艺为155℃/7h。

经分析检测，对比例中合金成分为：Mg 0.37%，Si 0.31%，Fe 0.13%，La 0.01%，B0.004%。所得单丝强度为258MPa、导电率为58.7%IACS。

对比例3

S11：向熔炼炉中加入纯度大于99.7%铝锭、铝硅合金、铝稀土合金加热熔化，将定量的金属镁锭加入铝液内部搅拌熔化。将铝液充分搅拌均匀，取样进行光谱分析，控制熔体成分在要求的范围内。

S12：将铝液转入倾动式保温炉，加入微量铝硼合金进行硼化处理，开启炉底电磁搅拌装置对熔体充分搅拌。调整熔体温度至740℃进行精炼处理，时间为10分钟，随后扒去表面浮渣，调整温度至730℃静置处理40分钟。

S13：浇铸开始后对熔体进行在线除气和过滤处理，在线除气采用旋转喷吹除气箱，以高纯氮气为除气介质。在线过滤采用双级泡沫陶瓷过滤板，孔隙率为30/50PPI。

S14：铝液流经流槽时，在线添加铝钛硼细化剂进行晶粒细化，添加量为0.08%。

S15：采用轮式结晶器进行连续铸造，铸坯轧制过程在15机架三辊轧机中进行，入轧温度500℃，轧制后得到直径为9.5mm的铝合金杆材，经在线冷却淬火后收杆。

S16：在滑动式拉丝机上对杆材进行拉拔，在拉拔的同时对单丝进行时效处理，时效温度170℃，拉拔后得到直径为3.7mm的单丝。

S17：对拉拔后的合金单丝进行时效处理，时效工艺为120℃/7h。

经分析检测，对比例中合金成分为：Mg 0.4%，Si 0.38%，Fe 0.15%，La 0.015%，B0.005%。所得单丝强度为246MPa、导电率为56.3%IACS。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。