CN109295346A - 一种高导电率的柔软铝合金及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高导电率的柔软铝合金及其制备方法和应用。该铝合金主要由Al、Pr、Nd、B、Fe、Si及其他不可避免的杂质元素组成。其采用工业纯铝、Al‑B、Al‑Pr、Al‑Nd中间合金作为原料，经熔炼、炉前成分快速分析、成分调整、静置、铸造获得铝合金锭坯，随后轧制成板材或拉拔成线材并进行退火。本发明设计和制备的产品的性能指标为：HV0.2＜20，杨氏模量＜63GPa，延伸率＞45％，在20℃测得的导电率≥62％IACS、在75℃测得的导电率≥51％IACS。本发明制备的板材可用于铝电解槽的软母线，亦可用做建筑、电气工程用母线材料，制备的线材可用于碳纤维复合芯软铝绞线。

Description

一种高导电率的柔软铝合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种导电材料，具体是指一种高导电率、高延伸率、低弹性模量、低硬度、易焊接的铝合金及其制备方法和应用，属于电工新材料技术领域。
背景技术
铝电解需要消耗大量的直流电能，电流由地沟母线、立柱母线和软母线、阳极大母线及导杆，进入第一台电解槽的阳极，流经电解质和铝液到阴极，再通过阴极母线导入下一台电解槽。软母线承担着连接阳极大母线与立柱母线、串联各个电解槽的作用，通常采用多层1mm厚度的薄片叠焊在母线上，要随阳极大母线上下移动，除了需要有较高的导电率外，还要有较大的柔软度，包括较大的拉伸柔量(杨氏模量的倒数)和延伸率、较低的硬度，并且对焊接接头有一定要求。
为了提高输电线路的输送容量，电力领域相继开发出了耐热铝合金导线、殷钢芯或铝包殷钢芯导线、钢芯软铝导线、碳纤维复合芯铝绞线。碳纤维复合芯铝绞线是以一根直径为 9.5mm的碳纤维复合芯棒作为加强芯，外部同心层绞2层梯形软铝导线，由于有加强芯支撑，对铝导线的强度要求不高，但要求有较高的导电率和一定的柔软度。
发明内容
本发明提供一种组分配比合理、高导电率、高延伸率、高柔量、低硬度、易焊接的铝合金及其制备方法和应用。所获线材和/或板材经热处理后的性能指标为：在20℃测得的导电率≥62％IACS，在75℃测得的导电率≥51％IACS，延伸率＞45％，杨氏模量＜63GPa，HV0.2 ＜20，且产生焊接裂纹的概率＜2％。
本发明一种高导电率的柔软铝合金，包括下述按质量百分比的元素组成：
B：0.02～0.15wt％，
Nd：0.10～0.20wt％，Pr：0.10～0.30wt％，Nd、Pr的质量比为0.50～0.80:1，
Fe＜0.10wt％，Si＜0.05wt％，Fe、Si的质量比大于2，
Ti、V、Cr、Mn杂质含量的总和小于0.01wt％，其他不可避免杂质的总含量小于0.01wt％， Al为余量。
本发明所用工业纯铝中的主要杂质为Fe和Si，对铝的危害主要表现为降低导电性、塑性及产生焊接裂纹，本发明将Fe/Si比值控制为大于2，在其他组分的协同作用下，其产生焊接裂纹的概率在2％以下，远远低于现有技术中焊接裂纹的产生概率。
在本发明中，B的含量为0.02～0.15wt％。优选方案为0.04～0.08wt％，比如0.04wt％，0.05 wt％，0.06wt％，0.07wt％，0.08wt％。
在本发明中，Nd的含量为0.10～0.20wt％。优选方案为0.10～0.15wt％，比如0.10wt％， 0.11wt％，0.12wt％，0.13wt％，0.14wt％，0.15wt％。
在本发明中，Pr的含量为0.10～0.30wt％。优选方案为0.15～0.20wt％，比如0.15wt％， 0.16wt％，0.17wt％，0.18wt％，0.19wt％，0.20wt％。
稀土金属Pr、Nd为双C‐密排六方结构，其塑性并不如面心立方结构的铝基体，常温电阻率比Al高1个数量级，一般不会被用来改善铝合金的塑性和导电性。本发明反其道而行之，通过控制二者的用量和比例，在其他组分的协同作用下，取得了意料不到的效果，获得了一种高导电率、高柔软度的导体材料。本发明对比例1为工业纯铝，如图1所示，其铸态晶粒粗大、树枝晶明显，热处理后的再结晶晶粒较为粗大。本发明实施例2所设计的合金中，Pr、Nd含量在合理的成分范围，如图2所示，铸态晶粒显著细化，热处理后的再结晶晶粒明显比对比例1合金的细小、均匀，这是该导体材料具备高柔软度和高延伸率的保证。由图 3可以看出，对比例1合金晶界处存在连续分布的第二相。当加入适量和适当比例的Pr、Nd 后，所加入的Pr、Nd与Fe、Si产生交互作用，生成复杂的(AlFeSiPrNd)化合物，该化合物为含稀土的低Fe、低Si组成相，是韧性化合物，且倾向于在晶内呈球状分布，如图4所示，晶界处连续分布的粗大含Fe、Si的脆性相明显减少，此外，由于固溶在基体中杂质Fe、Si 含量也得以减少，这不仅大大改善了合金的塑韧性，而且还提高了合金的导电性。当Pr、 Nd的加入量或配比不合理时，如图5所示，过量加入Pr、Nd导致铸态组织出现偏聚的富 Pr、Nd相，同时仍存在晶界连续相。只加Nd而未加Pr时，如图6所示，铸态组织中出现粗大的含(NdSiFe)化合物，只加Pr而未加Nd时，如图7所示，铸态组织中出现粗大的含 (PrSiFe)化合物。
本发明一种高导电率的柔软铝合金的制备方法，其方案为：
采用纯度大于等于99.7％的工业纯铝锭或电解铝原液作为Al源，在760℃～780℃熔化或混合后，按设计组分加入Al‐B、Al‐Pr、Al‐Nd中间合金，待中间合金完全熔化后，经搅拌、精炼、炉前成分快速分析、成分调整、静置，在720℃～740℃半连续铸造或连续铸造得到锭坯；随后经塑性变形得到板材或线材；所述塑性变形包括轧制、挤压、拉拔中的至少一种。在本发明中，所述线材包括单丝。
本发明一种高导电率的柔软铝合金的制备方法，所述铸造包括快速冷却铸造；所述快速铸造包含但不限于水冷铸造。所述水冷铸造的冷却速率大于等于20℃/s。所述锭坯包括铸锭和/或连铸坯。
本发明一种高导电率的柔软铝合金的制备方法，所述轧制包括平辊轧制和/或孔型轧制；所述平辊轧制分多道次进行，包括热轧和/或冷轧，其中热轧开轧温度≥450℃，终轧温度≥400℃，热轧变形量≥60％，冷轧变形量≥80％，最后获得厚度为1～2mm的板材；所述孔型轧制为多机架连续轧制，获得等效直径为4～6mm的梯形软铝型线或直径为9.5mm的圆铝杆，所述等效直径为与同截面圆线直径等效。
本发明一种高导电率的柔软铝合金的制备方法，所述挤压为连续挤压。所述连续挤压为：用直径为9.5mm的圆铝杆直接挤压出线材；所述线材可以是圆断面，也可以是异型断面。作为优选方案，所述连续挤压为：用直径为9.5mm的圆铝杆挤压出等效直径为4～6mm的异型软铝线。
本发明一种高导电率的柔软铝合金的制备方法，所述拉拔为多道次拉丝；所述多道次拉丝是用直径为9.5mm的圆铝杆多道次拉拔成单丝，道次延伸系数为1.2～1.5，累积总延伸系数为5.5～10.5。
本发明一种高导电率的柔软铝合金的制备方法，可根据成品的性能要求采用或不采用热处理，所述热处理的温度为350℃～500℃，保温时间为2～8h。
本发明一种高导电率的柔软铝合金的制备方法，所获线材和/或轧板经热处理后的性能指标为：在20℃测得的导电率≥62％IACS，在75℃测得的导电率≥51％IACS，延伸率＞45％，杨氏模量＜63GPa，HV0.2＜20，且产生焊接裂纹的概率＜2％。上述性能使得本发明的产品在应用时具有优势。
本发明一种高导电率的柔软铝合金的应用，所述应用包括将其用做软铝母线和/或软铝绞线。所述软铝母线包括但不限于电解槽用软铝母线、建筑和电气工程所用软铝母线。所述软铝绞线包括但不限于碳纤维复合芯的软铝绞线。
当然，本发明所设计和制备的高导电率、高柔量和高延伸率的导体材料，在其它领域也有广阔的应用前景。
附图说明
图1为对比例1的金相照片，其中(a)为对比例1的铸态的金相照片、(b)为对比例1
的热处理态的金相照片。
图2为实施例2的金相照片，其中(a)为实施例2的铸态的金相照片、(b)为实施例2
的热处理态的金相照片。
图3为对比例1铸态合金的SEM照片及第二相的能谱图，其中(a)为对比例1铸态合金的SEM照片、(b)为对比例1铸态合金的第二相的能谱图。
图4为实施例2铸态合金的SEM照片及第二相的能谱图，其中(a)为实施例2铸态合金的SEM照片、(b)为实施例2铸态合金的第二相的能谱图。
图5为对比例3铸态合金的SEM照片及第二相的能谱图，其中(a)为对比例3铸态合金的SEM照片、(b)为对比例3铸态合金的第二相的能谱图。
图6为对比例4铸态合金的SEM照片及第二相的能谱图，其中(a)为对比例4铸态合金的SEM照片、(b)为对比例4铸态合金的第二相的能谱图。
图7为对比例5铸态合金的SEM照片及第二相的能谱图，其中(a)为对比例5铸态合金的SEM照片、(b)为对比例5铸态合金的第二相的能谱图。
比较图1(a)和图2(a)可以看出，对比例1合金的铸态组织晶粒粗大、树枝晶明显，实施例2合金中的铸态晶粒得到显著细化。比较图1(b)和图2(b)可以看出，实施例2热处理态组织的再结晶晶粒明显比对比例1中的细小、均匀。
比较图3和图4可以看出，对比例1合金晶界处存在连续分布的第二相，而实施例2合金晶界处的连续分布的第二相非常少，第二相主要以点状分布，Pr、Nd与Al中的杂质Fe、Si产生交互作用，生成复杂的(AlFeSiPrNd)化合物。
从图5可以看出，铸态组织中出现了偏聚的富Pr、Nd相，同时仍存在晶界连续相。
从图6可以看出，铸态组织中出现粗大的含(NdSiFe)化合物。
从图7可以看出，铸态组织中出现粗大的含(PrSiFe)化合物。
具体实施方式
在本发明的实施例和对比例中，均以纯度大于等于99.7％的工业纯铝锭作为Al源，在 780℃熔化或混合后，按设计组分加入Al‐B、Al‐Pr、Al‐Nd中间合金，待中间合金完全熔化后，经搅拌、精炼、炉前成分快速分析、成分调整、静置，在740℃半连续铸造和/或连续铸造，得到半连续铸锭和/或连铸坯。半连续铸锭经平辊轧制成厚度为1.5mm的板材，连铸坯经孔型轧制成直径为9.5mm的杆坯，所得直径为9.5mm的杆坯经连续挤压成等效直径为5mm的单丝。
本发明的实施例和对比例所得制品中，Ti、V、Cr、Mn杂质含量的总和小于0.01wt％，其他不可避免杂质的总含量小于0.01wt％。
实施例1
设计合金各元素的质量百分比为：B为0.06％，Nd为0.10％，Pr为0.15％，Fe为0.09％， Si为0.04％，余量为Al和微量不可避免的杂质。按设计组分铸造获得锭坯，通过塑性变形得到板材和/或单丝，经450℃退火4小时后，对板材和/或单丝进行性能测试，平均结果如表1所示。
表1实施例1所获制品的综合性能指标
实施例2
设计合金各元素的质量百分比为：B为0.06％，Nd为0.15％，Pr为0.20％，Fe为0.09％， Si为0.04％，余量为Al和微量不可避免的杂质。按设计组分铸造获得锭坯，通过塑性变形得到板材和/或单丝，经500℃退火2小时后，对板材和/或单丝进行性能测试，平均结果如表2所示。
表2实施例2所获制品的综合性能指标
实施例3
设计合金各元素的质量百分比为：B为0.04％，Nd为0.10％，Pr为0.15％，Fe为0.05％， Si为0.02％，余量为Al和微量不可避免的杂质。按设计组分铸造获得锭坯，通过塑性变形得到板材和/或单丝，经450℃退火4小时后，对板材和/或单丝进行性能测试，平均结果如表3所示。
表3实施例3所获制品的综合性能指标
对比例1
设计合金各元素的质量百分比为：Fe为0.13wt.％，Si为0.04wt.％，Mg为0.01％，Cu 为0.01wt.％，余量为Al和微量不可避免的杂质。按设计组分铸造获得锭坯，通过塑性变形得到板材和/或单丝，经450℃退火4小时后，对板材和/或单丝进行性能测试，平均结果如表4所示。
表4对比例1所获制品的综合性能指标
对比例2
设计合金各元素的质量百分比为：B为0.06％，Nd为0.05％，Pr为0.10％，Fe为0.09％，Si为0.04％，余量为Al和微量不可避免的杂质。按设计组分铸造获得锭坯，通过塑性变形得到板材和/或单丝，经450℃退火4小时后，对板材和/或单丝进行性能测试，平均结果如表5所示。
表5对比例2所获制品的综合性能指标
对比例3
设计合金各元素的质量百分比为：B为0.06％，Nd为0.22％，Pr为0.32％，Fe为0.09％， Si为0.04％，余量为Al和微量不可避免的杂质。按设计组分铸造获得锭坯，通过塑性变形得到板材和/或单丝，经450℃退火4小时后，对板材和/或单丝进行性能测试，平均结果如表6所示。
表6对比例3所获制品的综合性能指标
对比例4
设计合金各元素的质量百分比为：硼为0.06％，钕为0.20％，铁为0.09％，硅为0.04％，余量为Al和微量不可避免的杂质。按设计组分铸造获得锭坯，通过塑性变形得到板材和/或单丝，经450℃退火4小时后，对板材和/或单丝进行性能测试，平均结果如表7所示。
表7对比例4所获制品的综合性能指标
对比例5
设计合金各元素的质量百分比为：B为0.06％，Pr为0.30％，Fe为0.09％，Si为0.04％，余量为Al和微量不可避免的杂质。按设计组分铸造获得锭坯，通过塑性变形得到板材和/或单丝，经450℃退火4小时后，对板材和/或单丝进行性能测试，平均结果如表8所示。
表8对比例5所获制品的综合性能指标
对比例6
设计合金各元素的质量百分比为：硼为0.06％，钕为0.20％，镨为0.20％，铁为0.09％，硅为0.04％，余量为Al和微量不可避免的杂质。按设计组分铸造获得锭坯，通过塑性变形得到板材和/或单丝，经450℃退火4小时后，对板材和/或单丝进行性能测试，平均结果如表9所示。
表9对比例6所获制品的综合性能指标
对比例7
设计合金各元素的质量百分比为：B为0.06％，Nd为0.20％，Pr为0.20％，Fe为0.09％，Si为0.04％，余量为Al和微量不可避免的杂质。按设计组分铸造获得锭坯，通过塑性变形得到板材和/或单丝，经300℃退火4小时后，对板材和/或单丝进行性能测试，平均结果如表10所示。
表10对比例7所获制品的综合性能指标
通过实施例和对比例可以看出，本发明通过各组分的协同作用，在适当工艺的配合下，取得意料不到的效果。

Claims (9)

1.一种高导电率的柔软铝合金，其特征在于：包括下述按质量百分比的元素组成：
B：0.02～0.15wt％，
Nd：0.10～0.20wt％，
Pr：0.10～0.30wt％，
Nd、Pr的质量比为0.50～0.80:1；
Fe＜0.10wt％，
Si＜0.05wt％，
Fe、Si的质量比大于2，
Ti、V、Cr、Mn杂质含量的总和小于0.01wt％，其他不可避免的杂质总含量小于0.01wt％，Al为余量。
2.一种制备如权利要求1所述的高导电率的柔软铝合金的方法，其特征在于：
采用纯度大于等于99.7％的工业纯铝锭或电解铝原液作为Al源，在760℃～780℃熔化或混合后，按设计组分加入Al-B、Al-Pr、Al-Nd中间合金，待中间合金完全熔化后，经搅拌、精炼、炉前成分快速分析、成分调整、静置，在720℃～740℃进行半连续铸造或连续铸造得到锭坯，随后经塑性变形得到板材或线材；所述塑性变形包括轧制、挤压、拉拔中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的一种高导电率的柔软铝合金的制备方法，其特征在于：铸造为快速冷却铸造；所述快速冷却铸造包含但不限于水冷铸造；所述锭坯包括铸锭和/或连铸坯。
4.根据权利要求2所述的一种高导电率的柔软铝合金的制备方法，其特征在于：所述轧制包括平辊轧制和/或孔型轧制；所述平辊轧制分多道次进行，包括热轧和/或冷轧，其中热轧开轧温度≥450℃，终轧温度≥400℃，热轧变形量≥60％，冷轧变形量≥80％；所述孔型轧制为多机架连续轧制，获得等效直径为4～6mm的软铝型线或直径为9.5mm的圆铝杆；所述等效直径为与同截面圆线的直径等效。
5.根据权利要求2所述的一种高导电率的柔软铝合金的制备方法，其特征在于：所述挤压包括连续挤压，所述连续挤压是用直径为9.5mm的圆铝杆直接挤压出单丝；所述单丝可以是圆断面，也可以是异型断面。
6.根据权利要求2所述的一种高导电率的柔软铝合金的制备方法，其特征在于：所述拉拔为多道次拉丝；所述多道次拉丝是用直径为9.5mm的圆铝杆多道次拉拔成单丝，道次延伸系数为1.2～1.5，累积总延伸系数为5.5～10.5。
7.根据权利要求2所述的一种高导电率的柔软铝合金的制备方法，其特征在于：塑性变形后通过热处理调整合金的柔软度；所述热处理的温度为350℃～500℃，保温时间为2～8h。
8.根据权利要求2-7任意一项所述的一种高导电率的柔软铝合金的制备方法，其特征在于；所获线材和/或板材经热处理后的性能指标为：在20℃测得的导电率≥62％IACS，在75℃测得的导电率≥51％IACS，延伸率＞45％，杨氏模量＜63GPa，HV0.2＜20，且产生焊接裂纹的概率＜2％。
9.一种如权利要求1所述高导电率的柔软铝合金的应用，其特征在于：所述应用包括将其用做软铝母线和/或软铝绞线。
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