一种高导电率超耐热铝合金材料及其制备方法与流程

1.本发明属于铝合金导线用材料领域，具体涉及一种高导电率超耐热铝合金材料及其制备方法。


背景技术：

2.铝合金是以铝为基添加一定量其他合金化元素的合金，是轻金属材料之一。其主要合金元素为铜、硅、镁、锌或锰，其次为镍、铁、钛或铬等。品种繁多，多半可用热处理时效硬化。由于铝的比重小，因此铝合金中单位重量的强度高的接近于优质钢。
3.铝合金是工业中应用非常广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。
4.铝合金研究与发展的初期主要是和航空工业联系在一起的，只有近百年的历史，但发展得很快，用途范围不断扩大，在金属材料中其产量在钢铁之后居第二位，在有色金属材料中居首位。铝合金将有很大的发展：采用更新的工艺方法，改进原有合金，发展新合金，赋予更新更加完善的使用性能，扩大使用范围，增大使用量。
5.耐热导线即适当提高导线允许温度，可以增大系统事故稳定载流量，从而提高线路正常输送能力。通过研究发现在铝材中适当添加金属锆(zr)元素能提高铝材的耐热性能，该项发现直接影响并导致产生了钢芯耐热铝合金绞线。该导线具有耐高温、输送容量大等技术特点。但也存在高温运行时线路的损耗加大、弧垂增加，导线造价高等不足，从而影响了它在远距离输电线路上的应用。
6.超耐热铝合金材料具有优良的高温力学性能，因此其制备的超耐热铝合金导线可以长期在210℃下正常运行，短期温度可达240℃。借由此特性，可以大大提高运行额定电压，降低传输损耗。但是目前大多数的超耐热铝合金导线在保证耐热性的前提下，只能做到单丝导电率60.1-61.5％iacs，抗拉强度在160-180mpa。本发明提供了一种导电率≥61.8％iacs、耐热性≥95％、抗拉强度170-200mpa的高导电率超耐热铝合金导线用材料。


技术实现要素：

7.现有技术中存在的技术问题是普通超耐热的性能方面，导电率在60.0-61.5％iacs之间，抗拉强度在160-180mpa之间，耐热性在91％-95％之间。其具体问题如下：
8.1、强度低，架空导线截面积大，弧垂大，导线跨越距离受限，导电性能不够好，能耗高，损耗大；2、zr元素易偏析，析出不均匀；3、耐热性能一般；4、经过热处理晶粒粗大，且因zr元素易分布不均匀再次晶粒长大的速率不同、浇铸冷却过程晶粒度一致性差，再次晶粒大小不均匀。
9.为了解决上述存在的技术问题，本技术提供如下技术方案：
10.本发明提供一种高导电率超耐热铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
11.s1：将铝锭熔化，于780-800℃下加入alb8硼化后进行一次精炼，得到第一铝液；所
述alb8和铝合金的质量比为2-4：1000。
12.s2：弃去所述第一铝液的下层液后于740-780℃加入中间合金，混合，得到第二铝液；所述中间合金为alfe20、alzr10、aly10、aler10；
13.s3：对所述第二铝液进行于740-780℃进行二次精炼，得到第三铝液；
14.s4：对所述第三铝液进行除气与过滤，得到第四铝液；
15.s5：将所述第四铝液于700-715℃进行连续浇铸，轧制，得到铝杆；
16.s6：将所述铝杆降至室温后进行热处理，510-530℃挤压，冷拉拔，得到所述高导电率超耐热铝合金材料；所述高导电率超耐热铝合金材料的标称直径为2.7-2.9mm；
17.所述高导电率超耐热铝合金材料，按重量分数计，由以下组分组成：si≤0.05wt％，fe：0.08-0.18wt％，zr：0.2-0.4wt％，y：1.0-1.5wt％，er：0.5-1.0wt％；cr，mn，v，ti之和小于0.003wt％，其余为al以及无法避免的杂质；
18.所述热处理的方法为：将铝杆于3-4h内升温至420-460℃后保温30-40h，随炉冷却至室温。
19.优选的，所述步骤s1中，一次精炼的方法为：将氮气吹入颗粒精炼剂进行一次精炼，静置10-20min后扒除铝液的表面浮渣，静置20-40min。
20.优选的，所述步骤s2中，混合的方法为搅拌40-50min。
21.优选的，所述步骤s3中，将氩气吹入除钠精炼剂进行二次精炼，静置10-20min后进行扒渣，再次静置30-40min得到第三铝液。
22.优选的，所述步骤s5中，连续浇铸时，浇铸的速度为6.5-7.5t/h，冷却水温为20-40℃，出坯温度为500-540℃。
23.优选的，所述步骤s5中，轧制的条件为：进轧温度为480-520℃，终轧温度为150-250℃，收杆温度为90-120℃。
24.优选的，所述步骤s5中，铝杆的标称直径为14-16mm。
25.优选的，所述步骤s6中，挤压后铝杆的标称直径为6-8mm。
26.优选的，所述步骤s6中，冷拉拔时每次变形量为24-26％，冷拉拔的次数为7-9道。
27.本发明还提供一种上述制备方法制备得到的高导电率超耐热铝合金材料。
28.本发明通过调整成分配比及改进生产工艺，针对成分及性能调整热处理工艺，达到高导电率超耐热铝合金的性能。
29.本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：
30.1、使用铝硼颗粒进行硼化处理，元素b和cr、mn、v、ti等杂质元素反应的更加完全彻底，降低铝熔体中杂质元素含量，提高导电率；
31.2、从熔炼炉中转移铝熔体时仅转移上层、中层铝熔体，避免硼化、精炼过程中产生的高密度杂质化合物进入下一步骤，防止此类化合物在保温炉合金化、精炼处理时反应后再次进入铝熔体中，从而影响导电率；
32.3、根据不同环节，使用不同精炼剂，分步清除不同杂质，并节省物料成本。s1步骤中使用颗粒精炼剂，颗粒型精炼剂与铝熔体反应时间长，闷炉静置时可与铝熔体充分反应，清除铝熔体中的碱金属和非金属氧化物夹杂。s2步骤获得的第二铝液纯净度较好，故s3步骤中使用除钠精炼剂着重清除钠元素，钠元素易形成低熔点的共晶物，在退火及挤压过程中易融化出现组织缺陷，并辅以氩气进行精炼，增强除氢效果，铝熔体中的氢离子在浇铸时
聚集形成空心，影响挤压性能。
33.4、配方：zr元素可以抑制晶体组织的再结晶长大，从而提高材料的耐热性能,但是固溶在铝基体中的zr元素对电阻率影响极大，因此通过热处理将zr元素转变为析出态al3zr，进而提高材料导电率。y元素一方面起到稀土优化作用，与si、fe等元素结合，形成析出化合物，提高导电率与抗拉强度，另一方面与er一同形成形成化合物，钉扎在晶界，阻碍晶粒长大，提高抗拉强度和耐热性。
34.5、退火：通过30-40h的热处理，基体中的zr、er、y充分析出形成al3zr、al3er、al3y等相，晶粒几乎不长大，既提高了导电率，又保持了材料强度。
35.6、挤压、拉丝：浇铸过程天然存在晶粒度不一致的问题，即使经过退火，该问题依然存在，通过挤压材料，将晶粒排布重组，达到晶粒最优取向，同时使晶粒分布均匀，提高导电率，减少拉丝对导电率的不良影响。
36.7、成品性能达到：抗拉强度：170-200mpa；导电率：61.8-62.1％，伸长率：6-8％，耐热性：96.8-98.1％。
37.8、耐热性方面：240℃保温400h后抗拉强度残余95％以上，280保温1h抗拉强度残余率在96.8-98.1％。
具体实施方式
38.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
39.实施例1
40.本实施例提供了一种高导电率超耐热铝合金材料的制备方法，该铝合金材料的具体成分：
41.si：≤0.05wt％，fe：0.10wt％，zr：0.4wt％，y：1.4wt％，er：0.9wt％；cr，mn，v，ti之和要小于0.003wt％，其余的为al以及无法避免的杂质。
42.(1)将纯度不小于99.85％的铝锭加入熔炼炉中加热融化，在800℃下保温，按每吨铝水3kg的alb8合金颗粒加入熔炼炉中进行硼化,使用颗粒精炼剂，用氮气吹入进行一次精炼，静置15min后扒除铝液表面浮渣，静置35min后得到第一铝液；
43.(2)将步骤(1)中获得的第一铝液转移至保温炉中，仅转移中、上层铝液，下层铝液不再使用。在保温炉中向第一铝液加入中间合金，搅拌45min，得到第二铝液；其中保温炉温度770℃，中间合金为alfe20、alzr10、aly10、aler10，分别按2kg/t、30kg/t、143kg/t、81kg/t加入；
44.(3)第二铝液成分检测合格后，使用氩气吹入除钠精炼剂进行第二次精炼，静置后进行扒渣，再次静置35min得到第三铝液；其中，第二次精炼温度为770℃，静置20min；
45.(4)保温炉内第三铝液倾倒入流槽，铝液通过除气箱与过滤箱进行除气与过滤，得到第四铝液；
46.(5)得到第四铝液后进行连续浇铸，其中浇铸温度712℃，浇铸速度为7.2t/h，冷却水温20-40℃，出坯温度530℃；
47.(6)对步骤(5)中得到的连续坯料进行轧制，得到铝杆，其中，铝杆规格为标称直径15mm，进轧温度为510℃，终轧温度为220℃，收杆温度为100℃；
48.(7)将步骤(6)中获得的铝杆降温至室温后进行热处理，在4h内升温至460℃，保温30h，保温结束后随炉冷却至室温；
49.(8)将步骤(7)中热处理后的铝杆进行挤压，获得标称直径7.0mm的铝线；其中，挤压模腔温度525℃；
50.(9)将步骤(8)所得的铝线进行冷拉拔，每次变形量25％，经过8道次拉拔至2.8mm，得到高导电率超耐热铝合金材料。
51.实施例2
52.本实施例提供了一种高导电率超耐热铝合金材料的制备方法，该铝合金材料的具体成分：
53.si：≤0.05wt％，fe：0.08wt％，zr：0.2wt％，y：1.0wt％，er：0.5wt％；cr，mn，v，ti之和小于0.003wt％，其余的为al以及无法避免的杂质。
54.(1)将纯度不小于99.85％的铝锭加入熔炼炉中加热融化，在780℃下保温，按每吨铝水2kg的alb8合金颗粒加入熔炼炉中进行硼化，使用颗粒精炼剂，用氮气吹入进行一次精炼，静置10min后扒除铝液表面浮渣，静置20-40min后得到第一铝液；
55.(2)将步骤(1)中获得的第一铝液转移至保温炉中，仅转移中、上层铝液，下层铝液不再使用。在保温炉中向第一铝液加入中间合金，搅拌40min，得到第二铝液；其中保温炉温度740℃，中间合金为alfe20、alzr10、aly10、aler10，分别按2kg/t、30kg/t、143kg/t、81kg/t加入；
56.(3)第二铝液成分检测合格后，使用氩气吹入除钠精炼剂进行第二次精炼，静置后进行扒渣，再次静置30min得到第三铝液；其中，第二次精炼温度为740℃，静置10min；
57.(4)保温炉内第三铝液倾倒入流槽，铝液通过除气箱与过滤箱进行除气与过滤，得到第四铝液；
58.(5)得到第四铝液后进行连续浇铸，其中浇铸温度700℃，浇铸速度为6.5-7.5t/h，冷却水温20℃，出坯温度500℃；
59.(6)对步骤(5)中得到的连续坯料进行轧制，得到铝杆，其中，铝杆规格为标称直径15mm，进轧温度为480℃，终轧温度为150℃，收杆温度为90℃；
60.(7)将步骤(6)中获得的铝杆降温至室温后进行热处理，在3h内升温至420℃，保温30h，保温结束后随炉冷却至室温；
61.(8)将步骤(7)中热处理后的铝杆进行挤压，获得标称直径7.0mm的铝线；其中，挤压模腔温度510℃；
62.(9)将步骤(8)所得的铝线进行冷拉拔，每次变形量25％，经过8道次拉拔至2.8mm，得到高导电率超耐热铝合金材料。
63.实施例3
64.本实施例提供了一种高导电率超耐热铝合金材料的制备方法，该铝合金材料的具体成分：
65.si：≤0.05wt％，fe：0.18wt％，zr：0.4wt％，y：1.5wt％，er：1.0wt％；cr，mn，v，ti之和要小于0.003wt％，其余的为al以及无法避免的杂质。
66.(1)将纯度不小于99.85％的铝锭加入熔炼炉中加热融化，在800℃下保温，按每吨铝水4kg的alb8合金颗粒加入熔炼炉中进行硼化,使用颗粒精炼剂，用氮气吹入进行一次精
炼，静置20min后扒除铝液表面浮渣，静置40min后得到第一铝液；
67.(2)将步骤(1)中获得的第一铝液转移至保温炉中，仅转移中、上层铝液，下层铝液不再使用。在保温炉中向第一铝液加入中间合金，搅拌50min，得到第二铝液；其中保温炉温度780℃，中间合金为alfe20、alzr10、aly10、aler10，分别按2kg/t、30kg/t、143kg/t、81kg/t加入；
68.(3)第二铝液成分检测合格后，使用氩气吹入除钠精炼剂进行第二次精炼，静置后进行扒渣，再次静置40min得到第三铝液；其中，第二次精炼温度为780℃，静置20min；
69.(4)保温炉内第三铝液倾倒入流槽，铝液通过除气箱与过滤箱进行除气与过滤，得到第四铝液；
70.(5)得到第四铝液后进行连续浇铸，其中浇铸温度715℃，浇铸速度为7.5t/h，冷却水温40℃，出坯温度540℃；
71.(6)对步骤(5)中得到的连续坯料进行轧制，得到铝杆，其中，铝杆规格为标称直径15mm，进轧温度为520℃，终轧温度为250℃，收杆温度为120℃；
72.(7)将步骤(6)中获得的铝杆降温至室温后进行热处理，在4h内升温至460℃，保温40h，保温结束后随炉冷却至室温；
73.(8)将步骤(7)中热处理后的铝杆进行挤压，获得标称直径7.0mm的铝线；其中，挤压模腔温度530℃；
74.(9)将步骤(8)所得的铝线进行冷拉拔，每次变形量25％，经过8道次拉拔至2.8mm，得到高导电率超耐热铝合金材料。
75.对比例1
76.方法步骤同实施例1，不同之处在于，高导电率超耐热铝合金材料不含er元素。
77.对比例2
78.方法步骤同实施例1，不同之处在于，高导电率超耐热铝合金材料不含y元素。
79.对比例3
80.方法步骤同实施例1，不同之处在于，高导电率超耐热铝合金材料不含fe元素。
81.对比例4
82.方法步骤同实施例1，不同之处在于，高导电率超耐热铝合金材料不含zr元素。
83.对比例5
84.方法步骤同实施例1，不同之处在于，高导电率超耐热铝合金材料不含er和y元素。
85.对比例6
86.方法步骤同实施例1，不同之处在于，高导电率超耐热铝合金材料不含er和y元素。
87.对比例7
88.方法步骤同实施例1，不同之处在于，高导电率超耐热铝合金材料不含高温退火(即步骤(7)的热处理)步骤。
89.对比例8
90.方法步骤同实施例1，不同之处在于，高导电率超耐热铝合金材料不含挤压步骤。
91.对比例9
92.方法步骤同实施例1，不同之处在于，高导电率超耐热铝合金材料的制备过程中步骤(7)和步骤(8)互换。
93.效果评价1
94.表1实施例1制备得到的产品
[0095][0096]
表2各对比例的性能表征
[0097][0098]
使用颗粒精炼剂及除钠精炼剂分步精炼，高效清除非金属氧化物及碱金属、钠元素，避免形成组织缺陷，影响性能。
[0099]
铝硼合金以颗粒状加入，提高硼化效果，保障铝熔体纯净度。
[0100]
zr、y、er混合加入，提高材料高温力学性能，配合420-460℃、30-40h热处理工艺，充分析出zr元素，提高导电率。
[0101]
通过挤压调整晶粒分布，减少直接拉丝对电阻率的不良影响。
[0102]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，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。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种高导电率超耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：s1：将纯度不小于99.85％的铝锭熔化，于780-800℃下加入alb8硼化后进行一次精炼，得到第一铝液；所述alb8和铝合金的质量比为2-4：1000；s2：弃去所述第一铝液的下层液后于740-780℃加入中间合金，混合，得到第二铝液；所述中间合金为alfe20、alzr10、aly10、aler10；s3：对所述第二铝液进行于740-780℃进行二次精炼，得到第三铝液；s4：对所述第三铝液进行除气与过滤，得到第四铝液；s5：将所述第四铝液于700-715℃进行连续浇铸，轧制，得到铝杆；s6：将所述铝杆降至室温后进行热处理，510-530℃挤压，冷拉拔，得到所述高导电率超耐热铝合金材料；所述高导电率超耐热铝合金材料的标称直径为2.7-2.9mm；所述高导电率超耐热铝合金材料，按重量分数计，由以下组分组成：si：≤0.05wt％，fe：0.08-0.18wt％，zr：0.2-0.4wt％，y：1.0-1.5wt％，er：0.5-1.0wt％；cr，mn，v，ti之和小于0.003wt％，其余的为al以及无法避免的杂质；所述热处理的方法为：将铝杆于3-4h内升温至420-460℃后保温30-40h，随炉冷却至室温。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，一次精炼的方法为：将氮气吹入颗粒精炼剂进行一次精炼，静置10-20min后扒除铝液的表面浮渣，静置20-40min。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，混合的方法为搅拌40-50min。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，将氩气吹入除钠精炼剂进行二次精炼，静置10-20min后进行扒渣，再次静置30-40min得到第三铝液。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s5中，连续浇铸时，浇铸的速度为6.5-7.5t/h，冷却水温为20-40℃，出坯温度为500-540℃。6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s5中，轧制的条件为：进轧温度为480-520℃，终轧温度为150-250℃，收杆温度为90-120℃。7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s5中，铝杆的标称直径为14-16mm。8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s6中，挤压后铝杆的标称直径为6-8mm。9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s6中，冷拉拔时每次变形量为24-26％，冷拉拔的次数为7-9道。10.一种权利要求1-9中任一项所述制备方法制备得到的高导电率超耐热铝合金材料。

技术总结
本发明属于铝合金导线用材料领域，具体涉及一种高导电率超耐热铝合金材料及其制备方法。该高导电率超耐热铝合金材料，按重量分数计，由以下组分组成：Si：≤0.05wt％，Fe：0.08-0.18wt％，Zr：0.2-0.4wt％，Y：1.0-1.5wt％，Er：0.5-1.0wt％；Cr，Mn，V，Ti之和小于0.003wt％，其余的为Al以及无法避免的杂质。超耐热铝合金材料具有优良的高温力学性能，因此其制备的超耐热铝合金导线可以长期在210℃下正常运行，短期温度可达240℃。本发明提供了一种导电率≥61.8％IACS、耐热性≥95％、抗拉强度170-200MPa的高导电率超耐热铝合金材料。200MPa的高导电率超耐热铝合金材料。


技术研发人员：田胤发 段妍彤 赵志晨 仲晓斌 张军 金榕 张佳辉
受保护的技术使用者：江苏亨通电力特种导线有限公司
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/9/9