一种可时效强化铝合金导体材料及其制备方法与流程 专利技术说明

金属材料;冶金;铸造;磨削;抛光设备的制造及处理,应用技术1.本发明涉及一种可时效强化铝合金导体材料及其制备方法，属于电工材料技术领域。技术背景2.随着我国经济不断发展，电能的合理开发及利用越来越受到重视。目前，我国的电力负荷主要集中在东部，而电力资源主要集中在西部，总体上呈现出逆向分布的特征，因此电力资源的高效、可靠输运对于我国推动区域协调发展，建设资源节约型社会具有极为重要的意义。目前，电力资源输运主要通过架空输电线路实现，作为架空输电线路的重要组成部分，架空导线的性能直接影响电力输运的效率和经济性。为满足我国电网建设需求，提升架空线路的输运能力，开发适用于长距离、大跨度、大容量输电线路的新型铝导体材料迫在眉睫。3.目前，大多数架空输电线路仍采用传统的钢芯硬铝绞线，其具有载流量低、耐蚀性能差、弧垂特性差、施工难度大等缺点，难以满足远距离电力输送的需求。相较于钢芯硬铝绞线，可时效强化的全铝合金绞线具有载流量高、拉重比大、弧垂特性好、耐腐蚀、接续金具简单、施工难度低等优点，并且全铝合金绞线无钢芯，避免了电力输送过程中磁滞损耗和涡流损耗的产生，电能损耗少，节能效果显著。因此，可时效强化的铝合金导体材料受到了广泛的关注。4.传统工艺通过连铸连轧并配合拉拔、单级人工时效，制备的可时效强化铝合金导体材料强度可以达到295-340mpa，断后延伸率不低于3％，但是导电率仅为52.5-54.0％iacs。专利cn111270112a公开了一种用于架空导线的高强高导铝合金及其制备方法，所述架空导线的强度达到了315mpa，导电率达到了56.5％iacs，但是，在进行导线制备时所使用的圆铝杆优先进行了人工时效，降低合金的塑性并大幅提高合金的变形抗力，使得单丝拉制难度增加，增大了断丝的风险。专利cn108588515a公开了一种高强高导的铝合金导线及制备方法，其通过超声处理并配合双级时效工艺，制备出了强度为330mpa，导电率为54％iacs的导线单丝，该种导线虽然强度较高，但是导电率较低，线路损耗大。因此，如何在保证加工性能和强度的前提下，进一步提高可时效强化铝合金导体材料的导电率是亟需攻克的技术难题。技术实现要素：5.针对现有技术不足，本发明提供一种工艺宽容度大且综合性能优良的可时效强化铝合金导体材料及其制备方法。通过优化合金成分和改进制备工艺，协同提高强度和导电率，使得所述可时效强化铝合金导体材料能够满足多种服役场景的输电需求。6.本发明目的之一在于提供一种可时效强化铝合金导体材料，所述铝合金以质量百分比计包括下述组分：7.mg：0.50～0.90wt.％；8.si：0.40～0.80wt.％；9.cu：0.03～0.15wt.％；10.la、ce混合稀土：0.10～0.30wt.％；11.余量为al和不可避免的杂质元素；12.优选地，所述一种可时效强化铝合金导体材料，所述铝合金以质量百分比计包括下述组分：13.mg：0.55～0.90wt.％；14.si：0.40～0.75wt.％；15.cu：0.03～0.10wt.％；16.la、ce混合稀土：0.15～0.25wt.％；17.余量为al和不可避免的杂质元素；18.其中，所述不可避免的杂质元素中b元素残留低于0.005wt.％，fe元素含量小于0.1wt.％，ti、v、cr、mn的含量总和小于0.010wt.％；19.在本发明中，mg、si为主加合金元素，可通过自然时效和/或人工时效形成强化相，提高铝合金的强度和导电率。为了充分发挥mg、si元素的有益效果，在本发明中，mg的含量为0.50～0.90wt.％，si的含量为0.40～0.80wt.％，且mg、si的质量比为0.9～1.8，优选为1.1～1.5，具体地，如1.1，1.2，1.3，1.4，1.5。20.在本发明所设计的材料体系中，当mg和si的含量低于成分范围的下限时，合金的强度大幅降低，高于成分范围的上限时，合金的导电率大幅降低。进一步地，当mg、si元素质量比小于质量比范围下限时，会造成si过量，当mg、si元素质量比大于质量比范围上限时，会造成mg过量，均会显著降低合金的导电率，而且不能充分发挥mg、si元素的协同作用。21.在本发明中，添加cu能够抑制所述铝合金导体材料的自然时效行为，同时促进强化相析出并参与强化相形成，提高强度和延伸率。在本发明中，cu的含量为0.03～0.15wt.％，优选为0.03～0.10wt.％，具体地，如0.03wt.％，0.04wt.％，0.05wt.％，0.06wt.％，0.07wt.％，0.08wt.％，0.09wt.％，0.10wt.％。当cu含量低于0.03wt.％时，并不能起到所述有益作用；当cu含量高于0.15wt.％时，会造成导电性能恶化，并降低合金的延伸率以及后续的冷加工性能。22.在本发明中，复合添加la、ce元素能够与铝熔体中氢作用形成lah2和/或ceh2化合物，并以熔渣的方式去除，减少铝合金导体材料的夹渣和缩松缺陷，同时能够对铝中的富fesi杂质相以及初生mg2si相产生变质作用，提高导电性能和力学性能。在本发明中，la、ce混合稀土含量为0.10～0.30wt.％，优选为0.15～0.25wt.％，具体地，如0.15wt.％，0.16wt.％，0.17wt.％，0.18wt.％，0.19wt.％，0.20wt.％，0.21wt.％，0.22wt.％，0.23wt.％，0.24wt.％，0.25wt.％。当la、ce含量低于0.10wt.％时，不能充分发挥la、ce对熔体的净化作用和对初生相的变质作用；当la、ce含量高于0.30wt.％时，过剩la、ce会与铝中的si形成cesi和/或lasi化合物，降低铝合金导体材料的强度和导电率。进一步地，la、ce含量超出本发明设计的成分范围，不利于所述添加元素的协同作用。作为更进一步的优选方案，la、ce混合稀土中，la、ce的质量比为35:65。23.在本发明中，b元素由铝原料和硼化处理引入，需要控制b元素的残留量低于0.005wt.％，在本发明所述成分体系下，当铝液中的b含量大于0.005wt.％时，过量的b会固溶在铝基体中，降低材料的导电率，并且会与添加的稀土元素反应，造成稀土元素消耗，弱化稀土元素的有益作用。24.在本发明中，杂质元素fe的含量小于0.10wt.％。在本发明所述成分体系下，当fe含量大于等于0.10wt.％时，会与si发生反应，在晶界处形成大量连续分布的粗大β-alfesi相。所述β-alfesi相为硬脆相，会割裂基体，容易成为裂纹源，使铝合金的力学性能和加工性能变差；同时，β-alfesi相的形成会消耗si元素，降低铝合金中强化相的体积分数，从而降低铝合金的力学性能。25.在本发明中，采用工业级重熔铝锭或原铝液为原料，纯度不低于99.7wt.％。所述b、mg、si、cu、la、ce等合金元素均以中间合金的形式添加。26.本发明的另一个目的在于提供一种可时效强化铝合金导体材料的制备方法。27.本发明一种可时效强化铝合金导体材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：将铝原料升至800～900℃，进行硼化处理，随后对铝液进行成分分析，当ti、v含量总和不高于0.002wt.％时进行转炉，按照设计成分配料，降低熔体温度至700～740℃，依次加入al-si、al-cu、al-la/ce、al-mg中间合金，中间合金熔化后，进行搅拌、精炼、炉前成分分析、成分调整、静置，在700～720℃进行铸造，然后进行热变形、在线固溶和直接冷却淬火、预时效、拉拔、人工时效。28.本发明一种可时效强化铝合金导体材料的制备方法，所述硼化处理，通过添加al-b中间合金实现。al-b中间合金的添加量根据所述铝原料中ti、v质量之和的0.7～1.8倍，优选为1.0～1.5倍计算获得。在硼化过程中实时检测铝液中的ti、v含量，调整硼化处理次数，以去除ti、v杂质元素，同时控制熔体中b含量，降低铝液中过量b对la、ce稀土的消耗以及对导电率的不利影响。所述硼化处理次数包括但不限于1次。进一步地，所述硼化处理采用搅拌辅助硼化，以提高硼化效率，包括但不限于气体、电磁和超声等搅拌方式，搅拌时间为10～30min。29.本发明一种可时效强化铝合金导体材料的制备方法，所述转炉操作利用物理沉降法去除铝液中比重较大的二硼化物，净化铝液。进一步地，所述转炉操作需要在硼化处理之后静置，静置时间不少于30min，使生成的比重大于铝液的硼化物充分沉降，只取上层铝液进行后续工序。所述上层铝液为总铝液体积的93～97％。30.本发明一种可时效强化铝合金导体材料的制备方法，所述熔体精炼过程，采用工业纯氮将精炼剂吹入熔体进行除气精炼。所述工业纯氮的纯度不低于99.999％；所述精炼剂由粉状kcl、mgcl2配制而成，精炼剂添加量为熔体质量的0.03～0.05％。所述精炼过程的时间控制在10～20min。31.本发明一种可时效强化铝合金导体材料的制备方法，所述铸造包括但不限于普通铸造、半连续铸造、连续铸造；所述热变形包括但不限于热挤压、热连轧。32.本发明一种可时效强化铝合金导体材料的制备方法，利用所述热变形产生的变形热，实现在线固溶，并进行直接冷却淬火；热挤压后直接冷却包括但不限于在线喷水和强风冷却；热连轧直接冷却通过调控乳液温度和冷却水压力冷却。33.所述热挤压的挤压温度为480～530℃，挤压速度为10～15m/min，铝杆总变形量不低于80％；所述热挤压后直接冷却包括但不限于在线喷水和强风冷却，其冷却速度为20～50℃/s，优选为20～40℃/s，具体地，如20℃/s，25℃/s，30℃/s，35℃/s，40℃/s。34.所述热挤压过程中的在线固溶，是通过热挤压过程中产生变形热，使铝杆温度升至所述挤压温度以上，然后直接冷却实现。35.所述热连轧，是将铸造获得的铸坯冷却至入轧温度，然后进行连续轧制，入轧温度为480～530℃，乳化液温度为20～50℃，冷却水压力为300～400kpa，冷却水温度≤35℃，铝杆的终轧温度≤50℃，铝杆的总变形量不低于80％。36.所述热连轧过程中的在线固溶，是通过热连轧过程中产生变形热，使铝杆温度升至所述入轧温度以上，然后通过调控乳液温度和冷却水压力冷却实现。37.本发明一种可时效强化铝合金导体材料的制备方法，所述直接冷却根据铝杆性能需求改变冷却介质及温度；对于热挤压的直接冷却包括但不限于在线喷水和强风冷却；对于热连轧的直接冷却通过改变乳液温度以及冷却水压力实现。38.本发明一种可时效强化铝合金导体材料的制备方法，所述预时效工艺，升温速率为3～5℃/min，预时效温度为150-180℃，预时效时间为1～3h；预时效完成后立即冷却，冷却方式包括但不限于风冷和水冷；所述风冷速率≥15℃/s；所述水冷速率≥20℃/s。其目的在于抑制所述铝合金导体材料的自然时效行为，提高铝合金在室温停放时的稳定性，促进铝合金导体材料中有益原子团簇的形成，协同提高强度和导电率。所述预时效工艺，需要铝杆在经在线固溶和直接冷却淬火之后迅速进行。作为优选，铝杆在经在线固溶之后的10min内进行预时效工艺。39.本发明一种可时效强化铝合金导体材料的制备方法，所述拉拔工艺包括但不限于连续拉拔，目的在于将所述铝杆拉拔成单丝，拉拔工艺的道次延伸系数为1.1～1.5，拉线速度为5～15m/s，并且拉拔过程中提供油脂润滑，获得直径为2.5～4.0mm的铝合金单丝。所述拉拔工艺的拉拔配模包括但不限于等应变模具。40.本发明一种可时效强化铝合金导体材料的制备方法，所述时效工艺，采用油浴保温，温度为170～190℃，时间为10～20h，时效完成后空冷。其目的在于通过时效强化进一步提高所述单丝的强度和导电率，并改善塑性，降低单丝绞制难度。41.本发明的有益效果为：42.(1)本发明通过mg、si、cu、稀土元素的合理配比，配合搅拌辅助硼化以及在线成分监测，协同产生净化、变质、强化作用。43.(2)本发明在通过热加工之后直接冷却实现在线固溶，并进行预时效处理，为后续强化相的析出提供驱动力，抑制室温停放过程中有害自然时效的发生，提高铝杆组织稳定性，并保持较高塑性，提高可拉性，大大减少了断丝产生的概率。44.(3)本发明采用油浴保温对单丝进行人工时效，确保单丝卷内外侧受热均匀，并隔绝空气，保证单丝性能均一，同时避免表层氧化，保证表面质量，并且表层油膜能够提高单丝的耐损伤性能。45.(4)本发明制备的单丝经过时效处理后，能够协同提高单丝强度和导电率，并改善塑性，大幅降低单丝绞制难度，降低能耗。制备的单丝强度＞310mpa，延伸率≥6.3％，导电率＞56.1％iacs，能满足多种服役场景的输电需求，节能效果显著。附图说明：46.附图1为实施例6单丝中强化相的透射照片；47.附图2为对比例7单丝中强化相的透射照片。48.具体实施：49.下面通过具体实施方式进一步说明本发明的技术方案，仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。50.设置实施例1-5和对比例1-6，其成分如表1所示。所述对比例1与实施例1的区别仅在于硼化工艺不同，对比例1采用的硼化工艺无搅拌辅助，仅通过铝液静置发生硼化反应；对比例2与实施例1的区别仅在于未添加cu；对比例3与实施例1的区别仅在于未添加la/ce混合稀土；对比例4与实施例1的区别仅在于mg/si比不同；对比例5与实施例1的区别仅在于fe含量高于本发明含量上限；对比例6与实施例1的区别仅在于cu含量高于本发明含量上限。51.采用纯度为99.7％的工业纯铝锭为原料制备铝合金导线。将工业铝锭在760℃熔化，然后升温至850℃进行硼化处理，按照铝液中ti、v质量之和的1.5倍计算铝硼中间合金的质量，作为添加量。所述硼化处理，在添加硼元素之后立即吹入纯度不低于99.999％的工业纯氮进行气体搅拌，搅拌时间为10min，之后将铝液静置30min，进行转炉操作。将转炉后的铝液温度降至720℃，依次加入al-si、al-cu、al-la/ce(la、ce质量比为35:65)、al-mg中间合金，待中间合金完全熔化后，机械搅拌20min，使铝液成分均匀。采用纯度不低于99.999％的工业纯氮将精炼剂通入熔体中进行除气精炼，精炼时间为20min。扒去铝液表面浮渣，采用直读光谱仪对保温炉中不同区域的铝液取样进行成分分析，并根据分析结果调整合金成分，确认各元素含量满足要求之后进行浇铸。保持浇铸温度在720℃左右，通过调整连铸冷却水压，铸造轮转速，调控出坯温度为530～560℃，然后对连铸坯进行热连轧，铸坯入轧温度为520℃，乳液温度为30℃，冷却水压力为350kpa，冷却水温度为30℃，铝杆的终轧温度为50℃，获得ф12mm铝杆。52.表1合金元素成分配比表(wt.％)53.合金元素mgsicumg/sifela+ce稀土硼化方式实施例10.600.450.081.33＜0.100.2气体搅拌实施例20.600.500.081.20＜0.100.2气体搅拌实施例30.600.500.031.20＜0.100.2气体搅拌实施例40.600.450.081.33＜0.100.2气体搅拌实施例50.600.400.081.50＜0.100.1气体搅拌对比例10.600.450.081.33＜0.100.2常规硼化对比例20.600.4501.33＜0.100.2气体搅拌对比例30.600.450.081.33＜0.100气体搅拌对比例40.700.300.082.33＜0.100.2气体搅拌对比例50.600.450.081.330.400.2气体搅拌对比例60.600.450.201.33＜0.100.2气体搅拌54.按照标准gb/t 228.1-2010对实施例1-5和对比例1-6成分制备的在线固溶铝杆进行强度测试，按照gb/t 12966-2008测试铝杆20℃的导电率，结果如表2所示。实施例1与对比例1的区别在于实施例1采用气体搅拌辅助硼化，实施例1和对比例1的性能对比表明，本发明采用搅拌辅助硼化可以明显提高铝合金的导电率；实施例1和对比例2的性能对比表明，在本发明的成分设计范围内添加cu能显著提高铝合金强度，且不明显降低导电率；实施例1和对比例3的性能对比表明，在本发明的成分设计范围内添加la/ce混合稀土能协同提高合金强度和导电率；实施例1和对比例4的性能对比表明，在本发明的成分设计范围内添加mg、si元素能获得铝杆强度和导电率的良好匹配；实施例1和对比例5的性能对比表明，在本发明的成分设计范围内控制fe含量低于0.1wt.％，能够提高合金的强度。实施例1和对比例6的性能对比表明cu含量超出成分设计范围，能够提高合金的强度，但会明显降低导电率。55.表2铝杆强度和导电率测试结果56.测试项目强度/mpa导电率/％iacs实施例117751.7实施例218251.4实施例317951.6实施例417651.5实施例517451.4对比例117549.6对比例216952.0对比例317250.0对比例416052.3对比例516751.9对比例618149.557.为进一步说明本发明中由铝杆制备单丝的技术优势，按照表3的技术方案制备ф3.5mm单丝，所使用铝合金的成分配比为表2中实施例1的成分。表3所述的在线固溶是在热连轧过程中通过控制入轧温度和冷却水压实现，其中入轧温度为520℃，乳液温度为30℃，冷却水压力为350kpa，冷却水温度为30℃，终轧温度为50℃，获得ф12mm铝杆。所述拉拔工艺，均采用多道次连续拉拔，道次延伸系数为1.1～1.5，拉拔速度为10m/s，拉拔过程中采用机油润滑。所述人工时效，在抗燃si油介质中进行。58.表3由铝杆制备单丝的技术方案59.[0060][0061]实施例6-9之间的区别在于时效制度不同。对比例7与实施例6的区别在于未进行160℃/3h的预时效处理；对比例8与实施例6的区别在于人工时效的温度仅为150℃，不在本发明所述的人工时效温度范围内。对比例9和10为传统铝杆制备单丝的技术方案，所述热变形并不对铝杆的冷却条件进行控制。[0062]按照标准gb/t 228.1-2010对实施例6-9以及对比例7-10制备单丝的强度和延伸率进行测试，按照gb/t 12966-2008测试20℃的导电率，采用完成单卷铝杆拉拔出现的断丝次数，评估铝杆制备导线的可拉性，结果如表4所示。表4中一卷产品的重量约2吨。[0063]表4单丝性能测试结果[0064]测试项目强度/mpa延伸率/％导电率/％iacs断丝率/(次/卷)实施例63156.055.8≤1实施例73126.356.1≤1实施例83076.856.2≤1实施例93056.455.9≤1对比例72957.055.5/对比例83056.254.8/对比例92926.054.6/对比例103572.055.2＞10[0065]由表4可知，本发明实施例6-9制备的单丝，综合性能优于对比例7-10。实施例6和对比例7的性能对比表明，本发明采用的预时效工艺能协同提高单丝强度和导电率；图1和图2分别是本发明实施例6和对比例7的tem照片，可以看出，实施例6所述单丝内部的强化相密度更大，表明预时效使mg、si元素脱溶更完全。实施例6和对比例8的性能对比表明，单丝人工时效温度低于本发明的人工时效温度时，单丝强度和导电率降低。实施例6-9与对比例9和10对比表明，本发明制备单丝的技术方案均明显优于传统技术方案。对比例10的断丝率明显高于实施例，表明先进行人工时效处理，会显著降低圆铝杆可拉性，并且制备的导线单丝延伸率也明显低于实施例，因此对比例10的技术方案不适用于工业化生产。[0066]综上所述，通过al、b、si、cu、mg、la、ce元素的合理配比和协同作用，并采用搅拌辅助硼化处理工艺，获得高质量铝液。采用热变形冷却工艺，获得mg、si原子过饱和的铝杆，并配合预时效工艺，抑制所述铝合金导体材料有害自然时效的发生，提高室温停放稳定性。通过连续拉拔制备的单丝经单级时效获得强度-导电性相匹配的单丝制品。单丝抗拉强度≥305mpa，延伸率≥6％，导电率≥55.8％iacs，优化后，单丝的抗拉强度＞310mpa，延伸率≥6.3％，导电率＞56.1％iacs，能够满足多种服役场景的输电需求，生产和应用节能效果显著。[0067]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰也应视为本发明的保护范围。









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