CN106947898A - 一种新型高强度与高导电性材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型高强度与高导电性材料及其制备方法，该材料为Al‑Cu‑Mg‑Ca‑Si合金；包括以下重量份数的组分：Al 30‑50份，Cu 20‑30份，Mg 5‑10份，CaO 1‑5份，Si 1‑5份，本发明材料通过粗炼和精炼制备而得。与现有技术相比，本发明通过加入合金元素Si，并且采用较为简单的加工工艺以及廉价的合金元素，降低工艺成本，同时极大地提高了该材料的导电性能，可广泛的应用于高精密仪器及电子设备上，具有较高的市场推广价值和应用前景。

Description

一种新型高强度与高导电性材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高导电性材料及其制备方法，尤其是涉及一种新型高强度与高导电性材料的制备方法。
背景技术
铝，作为地壳中含量最高的金属，含量高达8.3％，主要以铝硅酸盐矿石的形式存在，还包括冰晶石和铝土矿。铝耐腐蚀性强，具备良好的导电、导热和延展性能，铝因其良好的物理和化学性能，使其在电子应用方面极为广泛。现代工业要求铝材料本身具有良好的导电性、导热性和延展性能外，还对其强度提高了更高的要求，以适应更加复杂的工作环境。在纯铝中添加增强体，克服单一材料的不足，充分发挥各种材料的优点，以提高铝的综合应用性能。
近30年来，科学技术突飞猛进，高尖端设备和工程建设对材料性能的要求也越来越高，应运而生的高强度铝合金，是一类具有高强度以及高导电性能的结构功能材料，主要用于微电子工业中的集成电路中和电子设备电动马达等材料。虽然现在都已经能大规模生产，但是其合金生产所需稀土元素地球含量低，且开发困难，造成高强度高导电性合金材料价格居高不下。因此开发出廉价、导电性能良好的高强度材料，具有很大的应用价值。
发明内容
本发明提供一种具有高强度，具有高导电性的金属材料的制备方法。采用较为简单的加工工艺以及廉价的合金元素，降低工艺成本，同时极大地提高了该材料的导电性能，可广泛的应用于高精密仪器及电子设备上，具有较高的市场推广价值和应用前景
本发明的技术方案是：
一种新型高强度与高导电性材料，该材料为Al-Cu-Mg-Ca-Si合金；
包括以下重量份数的组分：Al 30-50份，Cu 20-30份，Mg 5-10份，CaO 1-5份，Si1-5份。
优选的，包括以下重量份数的组分：Al 30-50份，Cu 25-30份，Mg 7-10份，CaO 1-5份，Si 1-3份。
一种新型高强度与高导电性材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)粗炼：常温常压下，待坩埚红热后加入纯铝30-50份，加单晶硅粒1-5份，升温至750-850℃融化，加入0.1-0.5份ZR-QF型清渣覆盖剂，扒渣；
(2)精炼处理：加纯Cu 20-30份，加纯Mg 5-10份，加氧化钙1-5份，搅拌，降温至700-750℃，通入高纯氩气，气流速率为10-20L/h，时间为10-30min，扒渣；
(3)浇注：浇注成型，浇注成尺寸为100mm*1mm*1mm的立方体条。
优选的，所述(1)粗炼在电磁感应石墨坩埚熔铝炉中熔炼。
优选的，所述(1)粗炼，待坩埚红热后加入纯铝40-50份，加单晶硅粒2-5份，升温至800-850℃融化，加入0.3-0.5份ZR-QF型清渣覆盖剂，扒渣。
优选的，所述(2)精炼处理：加纯Cu 25-30份，加纯Mg 7-10份，加氧化钙1-3份，搅拌，降温至720-750℃，通入高纯氩气，气流速率为15-20L/h，时间为10-30min，扒渣。
与现有技术相比，本发明通过引入合金元素Ca，以常见的合金材料，采用相对简单的加工工艺，极大的提升了铝合金的导电性及强度，可广泛应用于手机振动马达、CD/DVD等设备上。
本发明的有益效果：
1.本发明制备得到的高导电性材料，利用Si元素对氧化钙的作用，在合金中引入大量的氧原子空位，使得载流子的移动性增强，进而极大地提升材料的导电性。
2.本发明采用较为简单的加工工艺以及廉价的合金元素，降低工艺成本，同时极大地提高了该材料的导电性能，可广泛的应用于高精密仪器及电子设备上，具有较高的市场推广价值和应用前景。
3.本发明通过引入合金元素Ca，以常见的合金材料，采用相对简单的加工工艺，极大的提升了铝合金的导电性及强度，可广泛应用于手机振动马达、CD/DVD等设备上。
4.本发明工艺简单，产品强度大，极大的降低了高精密仪器生产成本。
附图说明
图1：直流双臂电桥法测量线路图
具体实施方式：
实施例一
1.粗炼：常温常压下，在电磁感应石墨坩埚熔铝炉中熔炼多元Al-Cu-Mg-Ca合金。待坩埚红热后加入纯铝30份，加单晶硅粒1份，升温至750℃融化，加入0.1份ZR-QF型清渣覆盖剂，扒渣。
2.精炼处理：加纯Cu 20份，加纯Mg 5份，加氧化钙1份，搅拌，降温至700℃，通入高纯氩气，气流速率为10L/h，时间为10min，扒渣。
3.浇注：根据实际需要，浇注成型。
实施例二
1.粗炼：常温常压下，在电磁感应石墨坩埚熔铝炉中熔炼多元Al-Cu-Mg-Ca合金。待坩埚红热后加入纯铝50份，加单晶硅粒5份，升温至850℃融化，加入0.5份ZR-QF型清渣覆盖剂，扒渣。
2.精炼处理：加纯Cu 30份，加纯Mg 10份，加氧化钙5份，搅拌，降温至750℃，通入高纯氩气，气流速率为20L/h，时间为30min，扒渣。
3.浇注：根据实际需要，浇注成型。
实施例三
1.粗炼：常温常压下，在电磁感应石墨坩埚熔铝炉中熔炼多元Al-Cu-Mg-Ca合金。待坩埚红热后加入纯铝50份，加单晶硅粒1份，升温至850℃融化，加入0.1份ZR-QF型清渣覆盖剂，扒渣。
2.精炼处理：加纯Cu 30份，加纯Mg 5份，加氧化钙5份，搅拌，降温至700℃，通入高纯氩气，气流速率为20L/h，时间为10min，扒渣。
3.浇注：根据实际需要，浇注成型。
实施例四
1.粗炼：常温常压下，在电磁感应石墨坩埚熔铝炉中熔炼多元Al-Cu-Mg-Ca合金。待坩埚红热后加入纯铝30份，加单晶硅粒5份，升温至750℃融化，加入0.5份ZR-QF型清渣覆盖剂，扒渣。
2.精炼处理：加纯Cu 20份，加纯Mg 10份，加氧化钙1份，搅拌，降温至750℃，通入高纯氩气，气流速率为10L/h，时间为30min，扒渣。
3.浇注：根据实际需要，浇注成型。
实施例五
1.粗炼：常温常压下，在电磁感应石墨坩埚熔铝炉中熔炼多元Al-Cu-Mg-Ca合金。待坩埚红热后加入纯铝40份，加单晶硅粒3份，升温至800℃融化，加入0.3份ZR-QF型清渣覆盖剂，扒渣。
2.精炼处理：加纯Cu 25份，加纯Mg 7份，加氧化钙3份，搅拌，降温至725℃，通入高纯氩气，气流速率为15L/h，时间为20min，扒渣。
3.浇注：根据实际需要，浇注成型。
实施例六
1.粗炼：常温常压下，在电磁感应石墨坩埚熔铝炉中熔炼多元Al-Cu-Mg-Ca合金。待坩埚红热后加入纯铝40份，加单晶硅粒2份，升温至800℃融化，加入0.3份ZR-QF型清渣覆盖剂，扒渣。
2.精炼处理：加纯Cu 25份，加纯Mg 7份，加氧化钙1份，搅拌，降温至720℃，通入高纯氩气，气流速率为15L/h，时间为20min，扒渣。
3.浇注：根据实际需要，浇注成型。
实施例七
1.粗炼：常温常压下，在电磁感应石墨坩埚熔铝炉中熔炼多元Al-Cu-Mg-Ca合金。待坩埚红热后加入纯铝50份，加单晶硅粒5份，升温至850℃融化，加入0.5份ZR-QF型清渣覆盖剂，扒渣。
2.精炼处理：加纯Cu 30份，加纯Mg 10份，加氧化钙3份，搅拌，降温至750℃，通入高纯氩气，气流速率为20L/h，时间为30min，扒渣。
3.浇注：根据实际需要，浇注成型。
实施例八
1.粗炼：常温常压下，在电磁感应石墨坩埚熔铝炉中熔炼多元Al-Cu-Mg-Ca合金。待坩埚红热后加入纯铝40份，加单晶硅粒5份，升温至800℃融化，加入0.5份ZR-QF型清渣覆盖剂，扒渣。
2.精炼处理：加纯Cu 25份，加纯Mg 10份，加氧化钙1份，搅拌，降温至750℃，通入高纯氩气，气流速率为150L/h，时间为30min，扒渣。
3.浇注：根据实际需要，浇注成型。
实施例九
1.粗炼：常温常压下，在电磁感应石墨坩埚熔铝炉中熔炼多元Al-Cu-Mg-Ca合金。待坩埚红热后加入纯铝50份，加单晶硅粒2份，升温至850℃融化，加入0.3份ZR-QF型清渣覆盖剂，扒渣。
2.精炼处理：加纯Cu 30份，加纯Mg 7份，加氧化钙3份，搅拌，降温至720℃，通入高纯氩气，气流速率为20L/h，时间为20min，扒渣。
3.浇注：根据实际需要，浇注成型。
实施例十
1.粗炼：常温常压下，在电磁感应石墨坩埚熔铝炉中熔炼多元Al-Cu-Mg-Ca合金。待坩埚红热后加入纯铝45份，加单晶硅粒4份，升温至825℃融化，加入0.4份ZR-QF型清渣覆盖剂，扒渣。
2.精炼处理：加纯Cu 27份，加纯Mg 9份，加氧化钙2份，搅拌，降温至730℃，通入高纯氩气，气流速率为17L/h，时间为25min，扒渣。
3.浇注：根据实际需要，浇注成型。
导电率测试：如下图，采用直流双臂电桥法的测量线路图。将样品放入夹具中，通过1.0A的电流，通过调节ZX25A型直流电阻器上的电阻，使检流计上的指针不发生偏转，此时电阻器上显示的电阻即是试样的电阻，电导率测量的公式：
ρ＝(ρCu*R*S/l)*100％
ρ，样品的相对电导率，单位为％，ρCu为纯铜在20℃时的电阻率0.01742Ω*mm2m-1，R为测出的试样的电阻值，S为试样截面积，l为试样长度。
R，比较臂电阻；Rs标准电阻；R1＝R2*1000Ω为比率壁电阻，R1的值应该根据待测电阻Rx和Rs的数量级来设定。导电性能测试使用的设备有ZX25A型直流电阻器、QJ19型单双臂两用电桥、AC15-A型直流检流计和BZ3型直流标准电阻器(电阻为0.001Ω)
表1为导电率测试结果(其中对照组为普通纯铝材料在相同条件下的导电率，阳性对照组为铝合金制品在相同条件下的导电率)
组别 导电率/％
对照组 92.25±1.13
阳性对照 65.27±1.30
实施例一 75.5±1.63
实施例二 78.4±2.63
实施例三 76.71±0.7
实施例四 78.07±0.56
实施例五 80.88±0.76
实施例六 86.81±0.94
实施例七 84.89±0.65
实施例八 87.81±2.76
实施例九 85.46±0.17
实施例十 89.01±1.62
表一可以看出实施例合金产品相比普通方法制备的铝合金产品，对导电率的影响作用明显小很多。
抗拉强度测试：本次实验拉伸速度是3m/min，采用拉伸样品为条状材料。通过拉伸试验机记录样品的最大拉伸力F，通过公式P＝F/S，即为该合金样品的抗拉强度，其中S为样品的横截面积。
表2实施例产品抗拉强度测试结果，其中对照组为普通铝合金抗拉强度测试结果
组别 抗拉强度/Mpa
阳性对照组 405.85±2.21
实施例一 461.71±8.79
实施例二 482.45±15.04
实施例三 465.64±14.96
实施例四 476.29±15.78
实施例五 507.47±0.68
实施例六 486.37±14.85
实施例七 498.06±16.36
实施例八 487.06±7.53
实施例九 496.87±14.56
实施例十 517.19±4.44
表2可以看出，采用本发明制备方法制备的实施例产品抗拉强度明显高于市面上普通铝合金制品材料，大约提升抗拉强度25％。

Claims (6)

1.一种新型高强度与高导电性材料，其特征在于：
该材料为Al-Cu-Mg-Ca-Si合金；
包括以下重量份数的组分：Al 30-50份，Cu 20-30份，Mg 5-10份，CaO 1-5份，Si 1-5份。
2.根据权利要求1所述的一种新型高强度与高导电性材料，其特征在于：
包括以下重量份数的组分：Al 30-50份，Cu 25-30份，Mg 7-10份，CaO 1-5份，Si 1-3份。
3.一种新型高强度与高导电性材料的制备方法，其特征在于:
包括以下步骤：
(1)粗炼：常温常压下，待坩埚红热后加入纯铝30-50份，加单晶硅粒1-5份，升温至750-850℃融化，加入0.1-0.5份ZR-QF型清渣覆盖剂，扒渣；
(2)精炼处理：加纯Cu 20-30份，加纯Mg 5-10份，加氧化钙1-5份，搅拌，降温至700-750℃，通入高纯氩气，气流速率为10-20L/h，时间为10-30min，扒渣；
(3)浇注：浇注成型，浇注成尺寸为100mm*1mm*1mm的立方体条。
4.根据权利要求3所述的一种新型高强度与高导电性材料的制备方法，其特征在于:
所述(1)粗炼在电磁感应石墨坩埚熔铝炉中熔炼。
5.根据权利要求3所述的一种新型高强度与高导电性材料的制备方法，其特征在于:
所述(1)粗炼，待坩埚红热后加入纯铝40-50份，加单晶硅粒2-5份，升温至800-850℃融化，加入0.3-0.5份ZR-QF型清渣覆盖剂，扒渣。
6.根据权利要求3所述的一种新型高强度与高导电性材料的制备方法，其特征在于:
所述(2)精炼处理：加纯Cu 25-30份，加纯Mg 7-10份，加氧化钙1-3份，搅拌，降温至720-750℃，通入高纯氩气，气流速率为15-20L/h，时间为10-30min，扒渣。
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