CN106591639A

CN106591639A - 一种导电铝合金材料及其制备方法

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Publication number: CN106591639A
Application number: CN201610992786.9A
Authority: CN
Inventors: 张友孝
Original assignee: Hubei Jiahong Aluminum Industry Ltd By Share Ltd
Current assignee: Hubei Jiahong Aluminum Industry Ltd By Share Ltd
Priority date: 2016-11-11
Filing date: 2016-11-11
Publication date: 2017-04-26

Abstract

本发明公开了一种导电铝合金材料及其制备方法。所述合金的配方为：按照质量百分比，各元素及其含量为，硅Si 3.5~18.5%，镁Mg 0.05~2.5%，铜Cu 0.5~2.5%，锆Zr 0.1~0.6%，稀土0.1~1.55%，不可避免的杂质元素之和≤ 0.15%，余量为铝Al，各元素的质量总和为100%。合金配料为铝‑硅合金、铝镁合金、10μm 铜粉、稀土粉末和2~3μm 锆粉。所述合金制备方法包括熔铝锭、加镁铜、加锆、加稀土、浇铸、淬火和时效处理等步骤。通过本发明制备的铝合金，具有导电性好、气密性高、力学性能优异等优点，满足电力行业中的输变电设备对材料性能要求，且制备的合金材料尺寸、形状不受限，应用场合及领域广泛。

Description

一种导电铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于新型材料技术领域，具体涉及一种导电铝合金材料及其制备方法。

背景技术

铝是一种银白色的金属，具有密度低，只有2.79/cm³，约为钢、铜或黄铜的密度(分别为7.839/cm³，8.939/cm³) 的1/3。导电性和导热性好、塑性高、抗腐蚀性能好等特点，铝的表面具有高度的反射性，辐射能、可见光、辐射热和电波都能有效地被铝反射，而阳极氧化和深色阳极氧化的表面可以是反射性的，也可以是吸收性的，抛光后的铝在很宽波长范围内具有优良的反射性，因而具有各种装饰用途及具有反射功能性的用途。铝的化学性质活泼，在空气中易与氧结合，表面形成一层致密坚固的氧化铝薄膜，可保护内层金属不再继续氧化，故在大气中有极好的稳定性。铝在大自然中的蕴藏量非常丰富，铝在地壳中的含量为7.45％，仅次于氧和硅，我国铝土矿的储量也居世界前列，探明储量有6.3 亿吨，而且它是一种具有很强再生性的金属，它的“绿色生命力”可供持续发挥。

由于纯铝的硬度较小，所以难以作为结构性材料使用，为了充分利用铝的其它优良性能，改善铝的机械强度，通常是通过添加其他金属成分，生成不同种类的铝合金。在现代生活中，铝及铝合金已经广泛地应用在各种行业中。

在电力行业，铝及其铝合金扮演着重要角色。由于输电材料、电力运行要求具有特殊性，对于高压输变电设备上的重要装置电力金具来说，对其电导率、强度和气密性均有较高的要求。国内更多集中于研究高纯度铝合金方向，通过尽量降低基体合金中杂质含量，(si ≤ 1％ )，以提高合金导电率。而国内铝土矿资源十分丰富，但是铝的品位较低，且伴有大量的硅元素。这使得高纯度电工铝熔炼难度大，制备工艺复杂，经济成本不合理。因此，为充分利用国产铝土矿中富含高硅的优势，在不降低硅含量的情况下，通过改变制备工艺、特殊元素的添加及合理热处理方式改善合金组织，以提高铝合金的导电性能( 降低电阻率)，可相应减少能量损耗，改善电网的输送效率，使其满足电力工业的指标要求。

近几年，国内对于高硅铝合金导电性能方面进行了探索，研究表明，以固溶态存在的杂质对导体电阻率的影响比析出态的影响大，作为基本合金元素的硅在很大程度上决定了合金整体的电阻率，成为影响铝硅合金导电性的主要元素, 硅在基体中的存在形式、位置、类型对导电性的影响也极为重要。同时合金内的相界面，各相的形状、大小及分布状况，晶粒的大小，点阵畸变，尤其是晶粒内部异类原子的偏聚对电阻的影响不容忽视。

申请号为200810204595.7、名称为“一种高硅铝基合金及其制备方法”的专利采用喷射雾化制备铝合金粉末、高能球磨、挤压成型及多道冷轧的工艺流程，制备出高性能的铝基合金材料，其硅含量为5~60%，导电率为45%IACS。申请号为200810204594.2、名称为“高导电率高硅铝基合金及其制备方法”的专利采用喷射成型技术将雾化合金液滴喷射到接受体上成型，然后将坯件进行热挤压及多道冷轧工序获得高导电率铝基合金。但是，它存在如下缺点：

（1）工艺流程复杂、周期长，生产效率低，使得规模化工业制备难度很大，而且制备的材料尺寸有限，限制了其应用领域，使得其优异性能无法得到充分发挥;

（2）技术难度大，熔液在雾化转变成粉末时气场保护、雾化速度、冷却速度控制等技术要求高，否则将出现颗粒粗大、颗粒粘接成团等问题，直接降低合计的性能;

（3）引入杂质，机械研磨过程中，由于金属原料、磨球、研磨桶之间长时间相互作用会引入杂质，降低合金的导电性能;

（4）重复性差，合金性能直接决定于粉末颗粒尺寸，Si 的弥散度及化合物分布的均匀度等，导致合金质量不稳定。

发明内容

为了克服现有的导电铝合金材料生产工艺存在的技术复杂性高、生产成本高等方面的不足，本发明提供一种导电铝合金材料及其制备方法。所述导电铝合金是在现有的高硅合金的基础上通过添加特殊材料来改进合金的金相结构，提高合金的到电率；所述制备方法生产工艺简单、成本低廉，可有效提高导电铝合金的总体生产成本。

为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：

一种导电铝合金材料，其特征在于，所述合金的配方为：按照质量百分比，各元素及其含量为，硅Si 3.5~18.5% ，镁Mg 0.05~2.5% ，铜Cu 0.5~2.5% ，锆Zr 0.1~0.6%，稀土0.1~1.55%，不可避免的杂质元素之和≤ 0.15%，余量为铝Al ，各组分之和为100%。

上述配方中，选用铝-硅合金作为铸锭原料，其硅含量范围在3.5~18.5%，可充分利用国内富含高硅的铝矿资源。合金中质量含量为0.05~2.5% 的镁以铝镁中间合金的形式加入。合金中质量含量为0.5~2.5% 的铜以10μm粉末的形式加入。稀土富含铈Ce、镧La，其中铈Ce 的含量占稀土元素总质量百分比为40%~45%，镧La含量占稀土总质量百分比为25%~35%，其余含量为钇Y、钪Sc 等稀土成分。稀土以稀土粉末的形式加入。其他无法避免的杂质元素之和≤ 0.1%。

一种导电铝合金材料制备方法，包括如下步骤：

1）熔铝锭：先将铝-硅合金加入到熔化炉中，温度控制在760~780℃使其融化，保温5~15分钟，元素硅占熔体总质量的3.5~18.5% ；

2）加镁铜：再向熔化液中加入铝-镁中间合金，使元素镁占熔体总质量的0.05~2.5%，再向熔化液中加入10μm铜粉，使元素铜占熔体总质量的0.5~2.5%，并用碳罩将其压入铝熔液中，持续均匀搅拌；

3）加锆：向熔体内加入工业锆Zr，使元素锆占熔体总质量的0.1~0.6%，持续搅拌至熔体均匀，温度控制在750~770℃，保温10~15 分钟；

4）加稀土：降温至730℃，加入稀土粉末，使稀土元素占熔体总质量的0.1~1.55%，待其充分融化后往熔液中加入精炼剂，在其底部吹入氮气或氩气进行净化处理15~20 分钟，入口处氮气或氩气压力为1.1~2.5kg/cm³，搅拌时使温度在710~730℃之间，并扒渣；

5）浇铸：用固体覆盖剂覆盖熔液表面，温度控制在700~720℃，静置20~30 分钟；然后将制得的熔液经流槽及过滤装置过滤，进行金属模浇铸、或采用专用铝合金连铸机进行连续浇铸，制成铝合金导体材料；

6）淬火：将制备的铝铸件置入温度在490±5℃炉内2 小时后直接用60~70℃的水淬火；

7）时效处理：将淬火后的铸件转入温度在120~150℃的炉内保温6~8 小时进行第一级时效处理，然后转入温度为200~230℃炉中保温8~10 小时进行第二级时效处理，并保证铝铸件从第一级处理炉转入第二级处理炉的转移时间不超过30s，最后出炉空冷。

上述制备方案中，在铝镁中间合金、铜粉、稀土粉末加入炉内之前要进行烘干、并进行预热，预热温度为200~230℃。

上述制备方案中所采用的固体覆盖剂主要成分为氟化铝钠。

上述制备方案中，要将金属模具、或铸造机进行预热，预热温度为300-350℃。

本发明的优点和有益效果为：与现有技术相比，本发明通过调整合金元素成分，添加特种元素及热处理工艺制备的铝合金，具有导电性好、气密性高、力学性能优异等优点；此种高性能的铝硅合金的耐磨性比一般材料提高3~5 倍，高温条件下，强度高、膨胀系数小、尺寸稳定性高；满足电力行业中的输变电设备对材料性能要求，且制备的合金材料尺寸、形状不受限，应用场合及领域广泛。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例

一种导电铝合金材料，配方为：按照质量百分比，各元素及其含量为，硅Si 8.5% ，镁Mg 1.5% ，铜Cu 1.5% ，锆Zr 0.5%，稀土1.0%，不可避免的杂质元素之和≤ 0.1%，余量为铝Al ，各组分之和为100%。

上述配方中，选用铝-硅合金作为铸锭原料，镁以铝镁中间合金的形式加入，铜以10μm粉末的形式加入，稀土以稀土粉末的形式加入。

一种导电铝合金材料制备方法，包括如下步骤：

1）熔铝锭：将铝-硅合金加入到熔化炉中，温度控制在770℃使其融化，保温12 分钟，通过添加铝或硅，使元素硅占熔体总质量的8.5% ；

2）加镁铜：再向熔化液中加入铝-镁中间合金，通过添加铝或镁，使元素镁占熔体总质量的1.5%，再向熔化液中加入10μm铜粉，使元素铜占熔体总质量的1.5%，并用碳罩将其压入铝熔液中，持续均匀搅拌；

3）加锆：向熔体内加入工业锆Zr，使元素锆占熔体总质量的0.5%，持续搅拌至熔体均匀，温度控制在760℃，保温15 分钟；

4）加稀土：降温至730℃，加入稀土粉末，使稀土元素占熔体总质量的1.0%，待其充分融化后往熔液中加入精炼剂，在其底部吹入氮气进行净化处理20 分钟，入口处氮气压力为2.5kg/cm³，搅拌时使温度在720℃，并扒渣；

5）浇铸：用固体覆盖剂覆盖熔液表面，温度控制在700~720℃，静置25 分钟；然后将制得的熔液经流槽及过滤装置过滤，采用专用铝合金连铸机进行连续浇铸，制成铝合金导体材料；

7）时效处理：将淬火后的铸件转入温度在150℃的炉内保温8 小时进行第一级时效处理，然后转入温度为230℃炉中保温10 小时进行第二级时效处理，并保证铝铸件从第一级处理炉转入第二级处理炉的转移时间不超过30s，最后出炉空冷。

上述制备方案中，在铝镁中间合金、铜粉、稀土粉末加入炉内之前要进行烘干、并进行预热，预热温度为230℃。

上述制备方案中所采用的固体覆盖剂主要成分为氟化铝钠。

上述制备方案中，要将金属模具、或铸造机进行预热，预热温度为350℃。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而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的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims

1.一种导电铝合金材料，其特征在于：所述合金的配方为：按照质量百分比，各元素及其含量为，硅Si 3.5~18.5% ，镁Mg 0.05~2.5% ，铜Cu 0.5~2.5% ，锆Zr 0.1~0.6%，稀土0.1~1.55%，不可避免的杂质元素之和≤ 0.15%，余量为铝Al，各组分之和为100%。

2.根据权利要求1 所述的一种导电铝合金材料，其特征在于：选用铝-硅合金作为铸锭原料，其硅含量范围在3.5~18.5%，合金中的镁以铝镁中间合金的形式加入，合金中的铜以10μm粉末的形式加入，合金中的稀土以稀土粉末的形式加入。

3.一种导电铝合金材料制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

1）熔铝锭：将铝-硅合金加入到熔化炉中，温度控制在760~780℃使其融化，保温5~15分钟，元素硅占熔体总质量的3.5~18.5% ；

2）加镁铜：向熔化液中加入铝-镁中间合金，使元素镁占熔体总质量的0.05~2.5%，再向熔化液中加入10μm铜粉，使元素铜占熔体总质量的0.5~2.5%，并用碳罩将其压入铝熔液中，持续均匀搅拌；

4.如权利要求3所述的一种导电铝合金材料制备方法，其特征在于：在铝镁中间合金、铜粉、稀土粉末加入炉内之前要进行烘干、并进行预热，预热温度为200~230℃。

5.如权利要求3所述的一种导电铝合金材料制备方法，其特征在于：所述固体覆盖剂主要成分为氟化铝钠。

6.如权利要求3所述的一种导电铝合金材料制备方法，其特征在于：在步骤5）浇铸之前，要将金属模具或铸造机进行预热，预热温度为300-350℃。