本發(fā)明涉及一種高強度高電導(dǎo)率鋁鈧合金及其制備方法和用途，屬于鋁合金導(dǎo)體材料制造
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：鋁合金密度低，比強度高，塑性和加工性能佳，無磁性，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性，已發(fā)展成為在輸電線路上最有望代替銅的金屬導(dǎo)體材料。我國對電線電纜的需求量巨大，隨著銅價格迅猛提升及資源的日益匱乏，近年來鋁合金導(dǎo)體的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展備受關(guān)注，但其存在的質(zhì)量問題不容回避。在使用中發(fā)現(xiàn)有鋁線容易折斷，強度、韌性不夠高，電導(dǎo)率普遍在60％IACS以下，輸電容量小，電能損失大，且具有接口松動問題，容易導(dǎo)致斷電和起火等重大事故。因此開發(fā)高強高導(dǎo)的鋁合金導(dǎo)體材料，具備高強度、高韌性與高電導(dǎo)率的結(jié)合，是實現(xiàn)國內(nèi)“以鋁代銅”的迫切途徑。根據(jù)金屬導(dǎo)電理論，晶體缺陷會使得傳導(dǎo)電子增加電子散射，固溶強化效應(yīng)對于鋁合金電導(dǎo)率的影響是不利的，因此合金化元素應(yīng)在鋁基體中有盡量小的固溶度，且微量就足以對鋁合金起較強的變質(zhì)作用，以保證顯著提高合金的力學(xué)性能。經(jīng)檢索，公開號為103060623A的中國發(fā)明專利，該發(fā)明涉及一種電纜用高鈧含量鋁合金導(dǎo)電線芯及其制備方法，其中：“導(dǎo)電線芯的組成按質(zhì)量百分比構(gòu)成為：Sc0.4～0.8wt％，F(xiàn)e0.01～0.1wt％，富鈰稀土0.01～0.1wt％，余量為鋁。”該線芯的制備方法“其特征在于：所述混料是按配比量將純度≥99.80％的高純鋁加入豎爐中并升溫至750～770℃，加入鐵鋁中間合金、富鈰稀土中間合金和鈧鋁中間合金，攪拌混合均勻得到合金熔體；向合金熔體中加入精煉劑在氮氣氣氛中于740～760℃進(jìn)行精煉，精煉結(jié)束后靜置15min并扒渣，再經(jīng)鑄造和軋制后得到鋁合金桿；將所述鋁合金桿于280～290℃保溫2～5小時以去除應(yīng)力，隨后冷拔制成鋁合金線，再于360～380℃經(jīng)6～10小時的時效處理即得導(dǎo)電線芯。”該發(fā)明鋁合金導(dǎo)電線芯的導(dǎo)電率≥60.4％IACS，抗拉強度大于240Mpa，屈服極限為100～116Mpa。該發(fā)明技術(shù)的缺點在于：添加Sc元素超過其在鋁中的最大固溶度，在電導(dǎo)率提高方面起不到最佳貢獻(xiàn)效果；熔煉溫度過高易導(dǎo)致燒損較大，成分不好控制；此外導(dǎo)線材料的屈服強度較低。檢索中還發(fā)現(xiàn)，公開號為102021444A的中國發(fā)明專利，該發(fā)明提供了一種高導(dǎo)電耐熱鋁合金導(dǎo)線及其制備方法，其中“導(dǎo)線的化學(xué)成分及質(zhì)量百分比為：Zr：0.1～0.3％，Y：0.02～0.2％，Sc：0.01～0.15％，其余是Al和不可避免的其它雜質(zhì)元素，所含‘不可避免的其它雜質(zhì)元素’總量不超過0.15％。”合金導(dǎo)線的制備方法特征在于：“包括：純鋁錠高溫熔化、鋁溶液的‘硼化’處理及精煉、鋁溶液的合金化及二次精煉、耐熱鋁合金圓桿的連鑄、鋁合金圓桿的退火、拉制鋁合金單線、鋁合金單線的穩(wěn)定化處理。”該發(fā)明鋁合金導(dǎo)線電導(dǎo)率≥61％IACS，抗拉強度大于167Mpa，延伸率為3％左右。該發(fā)明技術(shù)的缺點在于：硼化處理增加材料制造工序和時間；添加Sc元素少，對于鋁合金變質(zhì)作用小，強度、延伸率低，鋁線易發(fā)生脆斷。目前國內(nèi)鋁合金導(dǎo)線材料一般無法達(dá)到在保證高強度和高韌性的情況下，將電導(dǎo)率提高到61％IACS以上。Sc是迄今所發(fā)現(xiàn)的對鋁合金最為有效的合金化元素，我國Sc資源豐富，將其恰當(dāng)應(yīng)用于鋁合金導(dǎo)體材料中，可使得合金的強度、塑性、導(dǎo)電性、耐腐蝕性等性能全面提高，有助于資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為技術(shù)優(yōu)勢。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明旨在開發(fā)一種高強高電導(dǎo)率的鋁鈧合金導(dǎo)線材料，并提出其制備方法。所設(shè)計的合金成分主要包含Sc、Zr和Mn三種合金化元素，通過鑄造和擠壓工藝制備鋁合金棒材，棒材經(jīng)過恰當(dāng)熱處理后繼而拉拔成鋁合金導(dǎo)線。該導(dǎo)線電導(dǎo)率≥61％IACS，抗拉強度大于240MPa，屈服強度大于160MPa，延伸率達(dá)8％。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：第一方面，本發(fā)明提供了一種高強度高電導(dǎo)率鋁鈧合金，其包括按重量百分?jǐn)?shù)計的如下元素：Sc0.2～0.4％，Zr0.01～0.15％，Mn0.1～0.3％，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)元素，其中，所述雜質(zhì)元素的重量百分?jǐn)?shù)不超過0.1％。第二方面，本發(fā)明還提供了一種如前述的高強度高電導(dǎo)率鋁鈧合金的制備方法，其包括如下步驟：制備鋁合金鑄錠，并對所述鋁合金鑄錠進(jìn)行熱擠壓；將所述鋁合金鑄錠在400～450℃下進(jìn)行保溫后，冷卻至300～350℃進(jìn)行保溫，得到所述高強度高電導(dǎo)率鋁鈧合金。作為優(yōu)選方案，所述鋁合金鑄錠的制備方法為：將鋁錠熔化成鋁液后，加入鋁鈧中間合金、鋁鋯中間合金和鋁錳中間合金；升溫至730～740℃進(jìn)行攪拌、靜置后，在720～730℃進(jìn)行精煉除氣、除渣和保溫靜置后，在700～710℃下澆鑄成鋁合金鑄錠。作為優(yōu)選方案，所述鋁錠的純度不低于99.9％；所述鋁鈧中間合金中，鈧的重量百分?jǐn)?shù)為2％；所述鋁鋯中間合金中，鋯的重量百分?jǐn)?shù)為10％；所述鋁錳中間合金中，錳的重量百分?jǐn)?shù)為10％。作為優(yōu)選方案，所述熱擠壓的溫度為300～350℃，擠壓比不低于25。作為優(yōu)選方案，所述鋁合金鑄錠在400～450℃下的保溫時間為2min，在300～350℃下的保溫時間為2～5h。第三方面，本發(fā)明還提供了一種如前述的高強度高電導(dǎo)率鋁鈧合金在導(dǎo)線中的用途。本發(fā)明的原理在于：1、選擇在鋁熔體中加入0.2～0.4wt％的Sc元素，即在極限固溶度0.35wt％左右，可以保證電導(dǎo)率與純鋁相比，下降幅度不大，即保持較高的電導(dǎo)率，而且通過Sc對鋁合金的強烈變質(zhì)作用，使合金具有良好的力學(xué)性能。然而，Sc的含量若高于此范圍，會帶來很多固溶強化效應(yīng)，使合金導(dǎo)電率下降明顯；Sc的含量若低于此范圍，添加量較少則對合金力學(xué)性能改善作用不大；2、Zr與Sc元素的復(fù)合加入，可與Al形成共格第二相粒子，成為結(jié)晶的核心，使鋁合金晶粒顯著細(xì)化，而且約為Sc含量的1/2的Zr加入后，形成的Al3(Sc1-XZrX)析出相的粒度要比Al3Sc小，即有更多Al3(Sc1-XZrX)粒子脫溶，合金電導(dǎo)率與強化效果都顯著增加。但Zr的含量高于0.2wt％時，也會因形成固溶體而導(dǎo)致合金電導(dǎo)率下降。3、加入Mn元素，可使合金的再結(jié)晶溫度提高，并提高合金的抗腐蝕性與強度，確保合金具有更高的穩(wěn)定性；另一作用是能溶解雜質(zhì)鐵，減小鐵的有害影響。但Mn元素的含量多于0.3wt％時，會導(dǎo)致合金塑性下降；低于0.1wt％時，對消除Fe元素作用太小。4、采用分級熱處理，首先通過高溫短時保溫使鋁鈧固溶體開始以極快的速度進(jìn)行分解，然后降低溫度延長保溫時間，在保證析出相粒子不發(fā)生明顯粗化的情況下，使固溶體分解更加完全。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：1、本發(fā)明制備的高強高導(dǎo)的鋁鈧合金導(dǎo)線在室溫下的電導(dǎo)率≥61％IACS；2、本發(fā)明制備的鋁鈧合金材料塑性加工性能良好，變形工藝過程進(jìn)行順利，成品率高；3、本發(fā)明制備的鋁鈧合金導(dǎo)線的力學(xué)性能優(yōu)異，抗拉強度大于240Mpa，屈服強度大于160Mpa，延伸率達(dá)8％，長期運行溫度可達(dá)200℃，實現(xiàn)高強度、高韌性與高電導(dǎo)率的結(jié)合。具體實施方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。實施例1該導(dǎo)線材料的組成元素按質(zhì)量百分比為：Sc0.3wt％，Zr0.1wt％，Mn0.2wt％，F(xiàn)e、Si等其他雜質(zhì)元素含量≤0.1％，其余為Al。按配比量，將純度≥99.9％的鋁錠放在中頻感應(yīng)熔煉爐石墨坩堝中熔化，待其完全熔化后鋁液溫度為660℃～670℃，在鋁熔體中依次加入Al-2％Sc中間合金、Al-10％Zr中間合金、Al-10％Mn中間合金，合金熔化后升溫至730℃進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁缓箪o置20min在720℃進(jìn)行精煉除氣，熔體除渣后靜置20min，在700℃將金屬液快速澆注成鋁合金鑄錠；將鑄錠表面處理光亮后，對鑄錠預(yù)熱后按擠壓比25進(jìn)行熱擠壓，擠壓溫度為300℃；對擠壓得到的棒材進(jìn)行熱處理，在400℃保溫2min，冷卻后在300℃恒溫?zé)崽幚?.5h；對冷卻后的棒材在鋁合金拉絲機上進(jìn)行拉絲，經(jīng)12道拉絲得到直徑為Φ3mm的鋁線，再絞合成高強高電導(dǎo)率的鋁合金導(dǎo)線。其電導(dǎo)率與力學(xué)性能表1所示。可見，該合金的室溫電導(dǎo)率達(dá)到61.4％IACS，屈服強度達(dá)到162MPa，抗拉強度240Mpa，延伸率8.3％。研究中還發(fā)現(xiàn)，若對擠壓后的棒材進(jìn)行單級熱處理，即僅在300℃恒溫處理2.5h，而后拉制的導(dǎo)線電導(dǎo)率為60.5％IACS，達(dá)不到雙級熱處理的良好效果。實施例2該導(dǎo)線材料的組成元素按質(zhì)量百分比為：Sc0.35wt％，Zr0.15wt％，Mn0.2wt％，F(xiàn)e、Si等其他雜質(zhì)元素含量≤0.1％，其余為Al。按配比量，將純度≥99.9％的鋁錠放在中頻感應(yīng)熔煉爐石墨坩堝中熔化，待其完全熔化后鋁液溫度為660℃～670℃，在鋁熔體中依次加入Al-2％Sc中間合金、Al-10％Zr中間合金、Al-10％Mn中間合金，合金熔化后升溫至730℃進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁缓箪o置20min在720℃進(jìn)行精煉除氣，熔體除渣后靜置20min，在700℃將金屬液快速澆注成鋁合金鑄錠；將鑄錠表面處理光亮后，對鑄錠預(yù)熱后按擠壓比25進(jìn)行熱擠壓，擠壓溫度為300℃；對擠壓得到的棒材進(jìn)行熱處理，在400℃保溫2min，冷卻后在300℃恒溫?zé)崽幚?.5h；對冷卻后的棒材在鋁合金拉絲機上進(jìn)行拉絲，經(jīng)12道拉絲得到直徑為Φ3mm的鋁線，再絞合成高強高電導(dǎo)率的鋁合金導(dǎo)線。其電導(dǎo)率與力學(xué)性能表1所示。可見，該合金的室溫電導(dǎo)率達(dá)到61.1％IACS，屈服強度達(dá)到165MPa，抗拉強度246Mpa，延伸率7.9％。對比例1該導(dǎo)線材料的組成元素按質(zhì)量百分比為：Sc0.15wt％，Zr0.1wt％，Mn0.2wt％，F(xiàn)e、Si等其他雜質(zhì)元素含量≤0.1％，其余為Al。按配比量，將純度≥99.9％的鋁錠放在中頻感應(yīng)熔煉爐石墨坩堝中熔化，待其完全熔化后鋁液溫度為660℃～670℃，在鋁熔體中依次加入Al-2％Sc中間合金、Al-10％Zr中間合金、Al-10％Mn中間合金，合金熔化后升溫至730℃進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁缓箪o置20min在720℃進(jìn)行精煉除氣，熔體除渣后靜置20min，在700℃將金屬液快速澆注成鋁合金鑄錠；將鑄錠表面處理光亮后，對鑄錠預(yù)熱后按擠壓比25進(jìn)行熱擠壓，擠壓溫度為300℃；對擠壓得到的棒材進(jìn)行熱處理，在400℃保溫2min，冷卻后在300℃恒溫?zé)崽幚?.5h；對冷卻后的棒材在鋁合金拉絲機上進(jìn)行拉絲，經(jīng)12道拉絲得到直徑為Φ3mm的鋁線，再絞合成高強高電導(dǎo)率的鋁合金導(dǎo)線。其電導(dǎo)率與力學(xué)性能表1所示。可見，該合金的室溫電導(dǎo)率達(dá)到61.4％IACS，但屈服強度僅為110MPa，抗拉強度181Mpa，延伸率9.6％。對比例2該導(dǎo)線材料的組成元素按質(zhì)量百分比為：Sc0.5wt％，Zr0.2wt％，Mn0.3wt％，F(xiàn)e、Si等其他雜質(zhì)元素含量≤0.1％，其余為Al。按配比量，將純度≥99.9％的鋁錠放在中頻感應(yīng)熔煉爐石墨坩堝中熔化，待其完全熔化后鋁液溫度為660℃～670℃，在鋁熔體中依次加入Al-2％Sc中間合金、Al-10％Zr中間合金、Al-10％Mn中間合金，合金熔化后升溫至730℃進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁缓箪o置20min在720℃進(jìn)行精煉除氣，熔體除渣后靜置20min，在700℃將金屬液快速澆注成鋁合金鑄錠；將鑄錠表面處理光亮后，對鑄錠預(yù)熱后按擠壓比25進(jìn)行熱擠壓，擠壓溫度為300℃；對擠壓得到的棒材進(jìn)行熱處理，在400℃保溫2min，冷卻后在300℃恒溫?zé)崽幚?.5h；對冷卻后的棒材在鋁合金拉絲機上進(jìn)行拉絲，經(jīng)12道拉絲得到直徑為Φ3mm的鋁線，再絞合成高強高電導(dǎo)率的鋁合金導(dǎo)線。其電導(dǎo)率與力學(xué)性能表1所示。可見，該合金的室溫電導(dǎo)率僅達(dá)到55.7％IACS，屈服強度達(dá)到170MPa，抗拉強度249Mpa，延伸率5.6％。表1材料電導(dǎo)率(x106S/m)屈服強度(MPa)抗拉強度(Mpa)延伸率(％)Al-0.3Sc-0.1Zr-0.2Mn35.61622408.3Al-0.35Sc-0.15Zr-0.2Mn35.41652467.9Al-0.15Sc-0.1Zr-0.2Mn35.61101819.6Al-0.5Sc-0.2Zr-0.3Mn32.31702495.6以上對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。當(dāng)前第1頁1 2 3