CN102978481B - 一种高强度高导电硼改性工业纯铝的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高强度高导电硼改性工业纯铝的制备方法，其步骤为：1）将工业纯铝、精炼剂加入陶瓷坩埚中，加热到760℃使之熔化；2）向铝液中添加铝硼中间合金，铝熔体中的硼含量为0.02～0.2%；3）搅拌铝液后，升温到浇注温度，并静置保温5～60分钟；4）在740～760℃将铝液浇入铁模中，脱模、水冷至室温；5）将铸态铝锭切割成12mm×12mm×90mm的试样，进行等通道变形。采用本发明专利细化工艺，不仅可以获得高强度高导电率工业纯铝，而且工艺流程短，避免了多元微合金化过程，降低生产成本，有利于工业化应用。

Description

一种高强度高导电硼改性工业纯铝的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强度、高导电硼改性工业纯铝的制备方法。

背景技术

铝合金由于其高导电率，高比强度，良好的延展性，易加工性以及在地球中的含量高，是目前重要的电线电缆原材料之一。目前，我国的导电用铝约占铝消耗总量的四分之一。铝导体的大量使用对电工铝提出了更高的要求，其主要性能指标有：抗拉强度、导电率及延展性等。目前，各国电网所用的导电纯铝导体的电导率基本都在61%IACS以上。

影响铝电导率的因素有化学成分、变形以及弥散分布的第二相粒子等，其中化学成分是最基本也是起决定性作用的因素。铝的电阻率随着铝的纯度的降低而增加，杂质含量越多，电阻率也就越高。在工业纯铝中含有多种杂质元素，其中主要有Si、Fe、Ti、V、Mn、Cr等。张强等人研究表明（铸造技术，2007，第28卷10期，1338～1340）：向工业纯铝中加入B元素可有效降低Ti、V等元素的含量，提高了铝的导电性，但是抗拉强度降低，延伸率明显提高。王桂芹研究发现（硼对铝导体导电性影响的研究，大连理工大学博士论文，2004），B可以与铝中的杂质元素Ti、Cr、Fe发生反应，生成相应的硼化合物，使铝中溶解态的杂质元素转变为析出态硼化物，改善铝导体的导电性，但是对铝导体的强度、塑性无明显的影响。

发明专利“高导电率含稀土、硼的铝基材料及制备方法”（专利号：200410079600.8）提出以铝、铝稀土中间合金、铝硼中间合金为原料，通过添加少量Zr、Ag、Cu、Ti、Mg等元素中的一种、或几种为性能调整元素，经合金熔炼、浇铸、挤压（拉拔或轧制）等工艺制备的铝合金线（或丝）材可显著提升铝材的电导率及力学性能。但该专利的不足是铝锭熔炼过程加入的合金元素较多，同时，熔炼过程采用氩气进行精炼，操作工艺比较复杂，不利于实际生产。针对高导电率纯铝的拉伸强度偏低等问题，发明专利“高导电率高硅铝基合金及其制备方法”（专利号：200810204594.2）采用纯铝、硅、稀土或Nb、Fe、Cu、Zr、Ti、V、Cr中的一种或几种熔炼获得预制合金，将该预制合金进行真空感应熔炼和喷射成形，然后进行热挤压和冷轧。但是该专利方法熔炼过程采用多元微合金化、后续成形工艺复杂，生产成本较高，不适合工业化生产。

为了解决工业纯铝硼化过程中多元微合金化带来的合金元素污染，且力学性能偏低问题，本发明的目的是为了提供一种高强度、高导电硼改性工业纯铝的制备方法。

发明内容

本发明主要基于现有技术的不足而提供一种高强度、高导电硼改性工业纯铝的制备方法。主要分为两个步骤进行实施，首先，通过添加硼元素对铝熔体进行净化，减少杂质元素从而提高电导率；然后，对硼改性工业纯铝进行等通道（ECAP）变形，提高材料的抗拉强度、延伸率等力学性能。

本发明是通过以下方案实现的。其实验步骤为：

1）将工业纯铝、精炼剂加入陶瓷坩埚中，加热到760℃使之熔化；

2）向铝液中添加铝硼中间合金；

3）搅拌铝液后，升温到浇注温度，并静置保温一段时间；

4）将铝液浇入铁模中，脱模、水冷至室温；

5）将铸态铝锭切割成12mm×12mm×90mm的试样，进行等通道变形。

上述方法步骤2）中，向铝液中加入中间合金（例如Al-3%B），使纯铝中的硼含量为0.02～0.2%。

步骤3）搅拌铝液后，升温到浇注温度，静置保温5～60分钟。

步骤5）等通道变形模具内角Φ为90～120°，模具外角Ψ为0°，每道次变形均不旋转试样，变形速度12mm/min，变形道次控制在8道次以内。

本发明所述浇注温度为740～760℃。

本发明的原理为：通过在铝液中添加硼元素，可以有效的与铝液中的杂质元素反应生产硼化物，部分硼化物通过沉于铝液底部而排出，其余则由固溶态变为析出态从而降低这些杂质元素对导电性的影响，以提高铝基材料的电导率；然后，对铸态纯铝锭进行等通道变形，获得抗拉强度高，同时又具有一定延伸率的高导电率工业纯铝。

附图说明

图1为高强高导硼改性工业纯铝制备流程图。

具体实施方式

实施例一：

流程如图1，将工业纯铝和精炼剂加入陶瓷坩埚中，并将其放入到井式炉中加热到760℃使之熔化，然后将事先准备好的铝硼中间合金压入铝液中，使硼元素含量占熔体总重量的0.1%，搅拌后升温至760℃，静置保温60min，在760℃将铝液浇入到铁模中，脱模、水冷至室温。

将铝锭加工成12mm×12mm×90mm的试样，在试样表面涂上润滑剂，进行1、2、4、8道次的等通道变形，模具内角Φ为110°，每道次变形均不旋转试样，变形速度12mm/min。

将等通道变形试样进行粗磨、细磨、抛光，采用涡流导电仪进行电导率测试。铝样的相对电导率（室温）为65.96～66.81%IACS，显微硬度为28.3～45.7HV_0.3，抗拉强度为77.6～178.8MPa，延伸率为10.41～37.5%。

实施例二：

将工业纯铝和精炼剂加入陶瓷坩埚中，并将其放入到井式炉中加热到760℃使之熔化，然后将事先准备好的铝硼中间合金压入铝液中，使硼元素含量占熔体总重量的0.02%，搅拌、升温至740℃，静置保温5min后，将铝液浇入到铁模中，脱模、水冷至室温。

将铝锭加工成12mm×12mm×90mm的试样，在试样表面涂上润滑剂，进行4道次的等通道变形，模具内角Φ为90°，每道次变形均不旋转试样，变形速度12mm/min。

将等通道变形试样进行粗磨、细磨、抛光，采用涡流导电仪进行电导率测试。铝样的相对电导率（室温）为65.22%IACS，显微硬度为50.5HV_0.3，抗拉强度为181.4MPa，延伸率为10.5%。

实施例三：

将工业纯铝和精炼剂加入陶瓷坩埚中，并将其放入到井式炉中加热到760℃使之熔化，然后将事先准备好的铝硼中间合金压入铝液中，使硼元素含量占熔体总重量的0.2%，搅拌、升温至760℃，静置保温60min后，将铝液浇入到铁模中，脱模、水冷至室温。

将铝锭加工成12mm×12mm×90mm的试样，在试样表面涂上润滑剂，进行4道次的等通道变形，模具内角Φ为120°，每道次变形均不旋转试样，变形速度12mm/min。

将等通道变形试样进行粗磨、细磨、抛光，采用涡流导电仪进行电导率测试。铝样的相对电导率（室温）为63.32%IACS，显微硬度为48.4HV_0.3，抗拉强度为168.8MPa，延伸率为13.4%。

比较例一：

将工业纯铝和精炼剂加入陶瓷坩埚中，并将其放入到井式炉中加热到760℃使之熔化，搅拌后升温至760℃，静置保温60min后，将铝液浇入到铁模中，脱模、水冷至室温。

将浇注好的铝锭，在距底部上方20mm处锯开，并进行粗磨、细磨、抛光，使用涡流导电仪测试电导率。

表1为实施例1～3和比较例1的材料性能比较。按实施例1中的熔炼方法，工业纯铝熔体未添加Al-B合金时，铝锭的电导率为63.57%IACS，显微硬度为24.4HV_0.3。按实施例1，当向铝熔体添加Al-B合金时，铝锭的电导率提高到66.81%IACS，显微硬度达到28.3HV_0.3。当向铝熔体添加Al-B合金，同时进行等通道变形时，可以看到，随着等通道变形道次的增加，纯铝的电导率呈先提高然后下降趋势。4道次等通道变形时，电导率为66.64%IACS，抗拉强度161.2MPa，延伸率11.5%。

按实施例2和3，当模具内角分别为90°、120°，铝熔体中硼元素含量分别为0.02%、0.2%时，工业纯铝的电导率提高或保持相当，同时抗拉强度均大幅度提升。

因此采用本发明高强度、高导电硼改性工业纯铝的制备方法，即通过添加硼元素对铝熔体进行净化，减少杂质元素从而提高电导率；然后，对硼改性工业纯铝进行等通道（ECAP）变形，使工业纯铝不但获得高导电率，同时获得高的抗拉强度和延伸率。

表1实施例1和比较例1的材料性能比较

Claims (1)

1.一种高强度、高导电硼改性工业纯铝的制备方法，其步骤为：

将工业纯铝和精炼剂加入陶瓷坩埚中，并将其放入到井式炉中加热到760℃使之熔化，然后将准备好的铝硼中间合金压入铝液中，使硼元素含量占熔体总重量的0.1%、0.02%或0.2%，搅拌后升温至760℃，静置保温60min，将铝液浇入到铁模中，脱模、水冷至室温；

将铸态铝锭切割成12mm×12mm×90mm的试样，进行等通道变形；等通道变形模具内角Φ为90～120°，模具外角Ψ为0°，每道次变形均不旋转试样，变形速度12mm/min，变形道次控制在8道次以内。