一种高强高导耐热铝导体材料及其制备方法转让专利
申请号 : CN201210517408.7
文献号 : CN102965550B
文献日 : 2014-08-06
发明人 : 李红英 , 高兆和 , 刘蛟蛟 , 韩茂盛 , 鲁晓超
申请人 : 中南大学
摘要 :
一种高强高导耐热铝导体材料，包括下述组分：锆，铥，铁，硅，不可避免杂质；余量为铝。其制备方法是将工业纯铝锭熔化，向熔体中加入锆、铥、铁的中间合金，于730℃保温，依次进行精炼、静置、扒渣、铸造，得到铸锭；铸锭水冷至280～320℃后，在320℃～380℃进行等温析出退火。本发明由于采用了Zr、Tm和Fe复合微合金化，运用等温析出退火工艺，得到了细小颗粒状的Al(Tm，Fe)相和弥散分布的壳核结构的Al3(Tm，Zr)第二相，大幅提高了铝导体材料的强度、耐热性。该导体材料长期耐热温度达到210℃，抗拉强度在185MPa以上，电导率保持在60%IACS以上。可大幅提高输电线容量，增加输电线路塔杆间距，具有显著的节能环保和经济效益意义。
权利要求 :
1.一种高强高导耐热铝导体材料，包括下述组分按质量百分比组成：锆 0.15~0.40%；
铥 0.50~0.80%；
铁 0.50~0.95%；
硅 ＜0.05%；
钛、钒、铬、锰杂质元素总和小于0.01%；余量为铝。
2.如权利要求1所述的一种高强高导耐热铝导体材料的制备方法，包括下述步骤：按设计的铝导体材料组分配比分别取工业纯铝锭，锆、铥、铁的中间合金；将工业纯铝锭熔化，向熔体中加入铝锆合金、铝铥合金和铝铁合金，于750℃~760℃保温，待中间合金完全熔化后，将合金熔液温度降至730℃保温，依次进行精炼、静置、扒渣、铸造，得到铸锭；
铸锭水冷至280~320℃后，在320℃~380℃进行等温析出退火。
3.根据权利要求2所述的一种高强高导耐热铝导体材料的制备方法，其特征在于：所述工业纯铝锭中含硅的质量百分含量＜0.05%。
4.根据权利要求2所述的一种高强高导耐热铝导体材料的制备方法，其特征在于：所述精炼采用精炼剂和N2气进行复合精炼，精炼剂由质量百分比为5~15%的NaCl与85~95%的C2Cl6组成。
5.根据权利要求2所述的一种高强高导耐热铝导体材料的制备方法，其特征在于：等温析出退火保温4~8h后出炉空冷。
说明书 :
一种高强高导耐热铝导体材料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电线电缆用导体材料，具体是指一种高强高导耐热铝导体材料及其制备方法，属于金属合金技术领域。
背景技术
[0002] 随着我国电力需求的快速增长，电力能源在传输中的要求也越来越高。特别是在“西电东送、南北互供、全国联网”的战略部署中，输电线路存在着输电距离远，输电容量大，抵御自然灾害能力强的特点，因此对于输电导线提出了更高的要求。一方面要求输电导线具有较高的电导率，降低输送线损，提高输送效率，另一方面要求输电导线具有良好地耐热性能和抗弧垂特性，减少线路建设成本，节约紧张的走廊资源。近年来，国内外大量学者探索了提高铝导体材料性能的方法，其中微合金化是改善铝导体材料综合性能的最有效手段之一。资料显示，稀土为微合金化常用添加元素，稀土添加到工业纯铝中，能够明显地细化晶粒，净化基体和晶界，提高铝合金的导电性能及抗拉强度。中国专利CN 102230113A公开了一种耐热铝合金导体材料及其制备方法，采用Zr、Er复合微合金化，获得电导率介于59.5～60.5%IACS之间，抗拉强度最大为157MPa，长期耐热温度为180℃的铝导体材料。该专利公开的合金中Fe含量控制在0.10~0.20%（质量百分比）之间，其目的在于降低合金的生产成本，这是由于原材料铝锭中通常固含0.10~0.15%的Fe，要进一步降低原材料铝锭中的Fe含量，成本将大幅度增加；研究表明，Fe在铝中的固溶度很低，即使很微量的Fe也极易形成粗大的片状Al3Fe相，降低合金的力学性能，对于力学性能要求高的合金一般应避免粗大片状Al3Fe相的形成。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种组分配比合理、强度高、耐热性能好、导电性能优异的高强高导耐热铝导体材料及其制备方法；该导体材料长期耐热温度达到210℃，抗拉强度在185MPa以上，并且电导率保持在60%IACS以上。
[0004] 本发明一种高强高导耐热铝导体材料，包括下述组分按质量百分比组成：
[0005] 锆 0.15~0.40%；
[0006] 铥 0.50~0.80%；
[0007] 铁 0.50~0.95%；
[0008] 硅＜0.05%；
[0009] 钛、钒、铬、锰杂质元素总和小于0.01%；余量为铝。
[0010] 本发明一种高强高导耐热铝导体材料的制备方法，包括下述步骤：
[0011] 按设计的铝导体材料组分配比分别取硅的质量百分含量＜0.05%的工业纯铝锭，锆、铥、铁的中间合金；将工业纯铝锭熔化，向熔体中加入铝锆合金、铝铥合金和铝铁合金，于750℃~760℃保温，待中间合金完全熔化后，将合金熔液温度降至730℃保温，依次进行精炼、静置、扒渣、铸造，得到铸锭；铸锭水冷至280~320℃后，在320℃~380℃进行等温析出退火。
[0012] 本发明一种高强高导耐热铝导体材料的制备方法，所述精炼采用精炼剂和N2气进行复合精炼，精炼剂由质量百分比为5~15%的NaCl与85~95%的C2Cl6组成。
[0013] 本发明一种高强高导耐热铝导体材料的制备方法，等温析出退火保温4~8h后出炉空冷。
[0014] 与现有技术相比，本发明的优势在于：采用Zr、Tm和Fe复合微合金化，铝液凝固过程中Tm与Fe相互影响，形成细小颗粒状的Al(Tm,Fe)相，避免了粗大Al3Fe相的出现；这主要是由于Fe在α-Al中的溶解度极小，因而容易在α-Al结晶前沿的液相中富集；此时富集在固-液界面前沿的Tm电负性较高，是一类表面活性元素，将会吸附固-液界面前沿同时存在的Fe，从而影响富铁相的成分和形貌，得到细小颗粒状的Al(Tm,Fe)相，由于这种细小Al(Tm,Fe)强化相的存在，铝导体材料的强度得到大幅提高。Tm影响Fe相的富聚、长大，使Al3Fe有害相变为Al(Tm,Fe)有益相，同时大量Fe的加入，促使较多细小Al(Tm,Fe)强化相的形成，提高了合金力学性能，并且放宽了原材料铝锭中Fe含量的要求，从而降低生产成本。运用短流程热处理技术，形成弥散分布的壳核结构的Al3(Tm,Zr)第二相，从而获得一种长期耐热温度为210℃，抗拉强度在185MPa，电导率在60%IACS以上的高强高导耐热铝-20 2 -1导体材料。热处理过程中，Zr和Tm相互影响，相比Zr在铝合金中的扩散速度（～10 ms ）-18 2 -1
Tm的扩散速度（～10 ms ）较快，会优先从铝基体中析出形成弥散分布的Al3Tm相，Al3Tm充当Zr的形核点，促进Zr在Al3Tm相的外层形核，从而形成壳核结构的Al3(Tm,Zr)相。由于Al3(Tm,Zr)相的析出密度和热稳定性能高于Al3Zr、Al3Tm相，从而保证了合金具有较高强度和较好的耐热性能。该铝导体材料抗拉强度在185MPa以上，长期耐热温度为210℃，明显高于现有技术水平。该铝合金导体材料采用短流程低能耗热处理技术，无需对合金锭进行长时间的固溶处理，利用铸造铸锭余热直接进行析出退火，因此可以节省热处理所需的能耗，降低生产成本。该导体材料是一种潜力巨大的电线电缆用导体材料，用于架空导线将大大减少输电线损，增大输电线路塔杆间距，降低线路建设成本，节约紧张的走廊资源，具有显著的经济效益和环保意义。
Tm的扩散速度（～10 ms ）较快，会优先从铝基体中析出形成弥散分布的Al3Tm相，Al3Tm充当Zr的形核点，促进Zr在Al3Tm相的外层形核，从而形成壳核结构的Al3(Tm,Zr)相。由于Al3(Tm,Zr)相的析出密度和热稳定性能高于Al3Zr、Al3Tm相，从而保证了合金具有较高强度和较好的耐热性能。该铝导体材料抗拉强度在185MPa以上，长期耐热温度为210℃，明显高于现有技术水平。该铝合金导体材料采用短流程低能耗热处理技术，无需对合金锭进行长时间的固溶处理，利用铸造铸锭余热直接进行析出退火，因此可以节省热处理所需的能耗，降低生产成本。该导体材料是一种潜力巨大的电线电缆用导体材料，用于架空导线将大大减少输电线损，增大输电线路塔杆间距，降低线路建设成本，节约紧张的走廊资源，具有显著的经济效益和环保意义。
附图说明
[0015] 附图1为实施例1制备的合金的透射电镜观察组织。
[0016] 附图2（a）为实施例2制备的合金的扫描电镜观察组织。
[0017] 附图2（b）为实施例2制备的合金的能谱分析图。
[0018] 由图1可知，基体中分布着弥散的壳核结构的Al3(Tm,Zr)第二相，核心为Tm，外层为Zr，这种第二相热稳定性相当好，从而保证了合金的高强度和耐热性。
[0019] 由图2（a）可知，基体中出现了细小颗粒状的Al(Tm,Fe)相，避免了粗大AlFe相的形成，改善了合金的组织及性能。
[0020] 由图2（b）可知，基体中出现的颗粒状Al(Tm,Fe)相中含有Tm和Fe元素，证明了Tm与Fe相互影响。
具体实施方式
[0021] 实施例1：
[0022] 取工业纯铝锭（其中Si＜0.05%）熔化，向熔体中加入铝锆中间合金、铝铥中间合金和铝铁中间合金，于750℃~760℃保温，待中间合金完全熔化后，搅拌，将合金熔液降至730℃保温，依次进行15%的NaCl与85%的C2Cl6组成的精炼剂和N2气的复合精炼、静置、扒渣、铸造、320℃×4h等温析出退火，然后通过挤压拉拔得到高强高导耐热铝导体材料。
对该材料进行成分分析，各元素的质量百分比为：锆为0.39%，铥为0.79%，铁为0.94%，硅为
0.03%，钛、钒、铬、锰等杂质元素总和为0.0058%，铝为余量。对铝导体材料进行导电率和耐热性能测试，结果如表1所示。由图1可知，基体中分布着弥散的壳核结构的Al3(Tm,Zr)第二相，核心为Tm，外层为Zr，这种第二相热稳定性相当好，从而保证了合金的高强度和耐热性。本专利采用QJ19型单双臂两用电桥先测出试样的电阻值，然后换算成电阻率，每个状态试样测5次取其平均值；力学性能测试在MTS858材料试验机上进行，测定的拉伸强度取
5个试样的平均值；耐热性能测试采用210℃保温400小时的成品试样的抗拉强度与未保温的成品试样的抗拉强度的比值。
对该材料进行成分分析，各元素的质量百分比为：锆为0.39%，铥为0.79%，铁为0.94%，硅为
0.03%，钛、钒、铬、锰等杂质元素总和为0.0058%，铝为余量。对铝导体材料进行导电率和耐热性能测试，结果如表1所示。由图1可知，基体中分布着弥散的壳核结构的Al3(Tm,Zr)第二相，核心为Tm，外层为Zr，这种第二相热稳定性相当好，从而保证了合金的高强度和耐热性。本专利采用QJ19型单双臂两用电桥先测出试样的电阻值，然后换算成电阻率，每个状态试样测5次取其平均值；力学性能测试在MTS858材料试验机上进行，测定的拉伸强度取
5个试样的平均值；耐热性能测试采用210℃保温400小时的成品试样的抗拉强度与未保温的成品试样的抗拉强度的比值。
[0023] 表1耐热铝合金导体材料综合性能评价表（实施例1）
[0024]
[0025] 实施例2：
[0026] 取工业纯铝锭（其中Si＜0.05%）熔化，向熔体中加入铝锆中间合金、铝铥中间合金和铝铁中间合金，于750℃~760℃保温，待中间合金完全熔化后，搅拌，将合金熔液降至730℃保温，依次进行10%的NaCl与90%的C2Cl6组成的精炼剂和N2气的复合精炼、静置、扒渣、铸造、350℃×6h等温析出退火，然后通过挤压拉拔得到高强高导耐热铝导体材料。
对该材料进行成分分析，各元素的质量百分比为：锆为0.16%，铥为0.65%，铁为0.80%，硅为
0.03%，钛、钒、铬、锰等杂质元素总和为0.0058%，铝为余量。按照实施例1所提供的方法，对铝导体材料进行导电率和耐热性能测试，结果如表2所示。图2（a）、（b）为实施例2合金的扫描电镜观察组织，由图可知，基体中出现了细小颗粒状的Al(Tm,Fe)相，避免了粗大AlFe相的形成，改善了合金的组织及性能。
对该材料进行成分分析，各元素的质量百分比为：锆为0.16%，铥为0.65%，铁为0.80%，硅为
0.03%，钛、钒、铬、锰等杂质元素总和为0.0058%，铝为余量。按照实施例1所提供的方法，对铝导体材料进行导电率和耐热性能测试，结果如表2所示。图2（a）、（b）为实施例2合金的扫描电镜观察组织，由图可知，基体中出现了细小颗粒状的Al(Tm,Fe)相，避免了粗大AlFe相的形成，改善了合金的组织及性能。
[0027] 表2耐热铝合金导体材料综合性能评价表（实施例2）
[0028]
[0029] 实施例3：
[0030] 取工业纯铝锭（其中Si＜0.05%）熔化，向熔体中加入铝锆中间合金、铝铥中间合金和铝铁中间合金，于750℃~760℃保温，待中间合金完全熔化后，搅拌，将合金熔液降至730℃保温，依次进行5%的NaCl与95%的C2Cl6组成的精炼剂和N2气的复合精炼、静置、扒渣、铸造、380℃×8h等温析出退火，然后通过挤压拉拔得到高强高导耐热铝导体材料。
对该材料进行成分分析，各元素的质量百分比为：锆为0.40%，铥为0.5%，铁为0.5%，硅为
0.03%，钛、钒、铬、锰等杂质元素总和为0.0058%，铝为余量。按照实施例1所提供的方法，对铝导体材料进行导电率和耐热性能测试，结果如表3所示。
对该材料进行成分分析，各元素的质量百分比为：锆为0.40%，铥为0.5%，铁为0.5%，硅为
0.03%，钛、钒、铬、锰等杂质元素总和为0.0058%，铝为余量。按照实施例1所提供的方法，对铝导体材料进行导电率和耐热性能测试，结果如表3所示。
[0031] 表3 耐热铝合金导体材料综合性能评价表（实施例3）
[0032]