CN107326230B - 一种铝合金材料、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铝合金材料、其制备方法及应用。所述铝合金材料包含如下质量百分比的组分：铁0.25‑0.35％、铜0.1‑0.25％、镁0.2‑0.4％、锌0.05‑0.15％、硅0.1‑0.3％、硼0.01‑0.05％、钪0.2‑0.35％和钌0.05‑0.15％，余量为铝。所述铝合金材料是通过将铝锭熔化后加入配方量的其他组分，依次进行熔炼、浇铸、均匀化处理、水淬和时效处理后得到。本发明提供的铝合金作为导线材料，同时具有较高的拉伸强度、延伸率和电导率。
Description
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种铝合金材料、其制备方法及应用。
背景技术
我国对电线电缆的需求量巨大，随着铜价格迅猛提升和资源日益匮乏，铝质导体的研发和产业化发展备受关注。相较于铜，铝的价格便宜且质轻，相同质量下，铝的载流量远远高于铜。因此，铝是在输电线路上最有望代替铜的金属材料。
但是，铝的强度和韧性不足，易折断，且其电导率仅为61％IACS(国际退火铜标准)。通过在铝中添加微量的其他元素，形成铝合金材料，能够对铝材具有较强的变质作用，使材料的拉伸强度和延伸率得到提高，但是也会破坏铝晶体结构，产生晶体缺陷和固溶强化效应，导致电导率下降。因此，铝合金材料的强度和电导率往往难以兼顾。开发高强度高电导率的铝合金材料，是实现“以铝代铜”迫切要解决的问题。
CN 104152760A公开了一种高电导率、高强度铝合金及其制备方法，虽然通过添加贵金属银使铝合金材料的电导率达到69.5％IACS，但其拉伸强度最大仅为152MPa，不能满足中强度(230-265MPa)铝合金导线的要求。CN104264003A公开了一种耐拉伸的节能铝合金导线及其制备方法，CN104233010A公开了一种高电导率的铝合金导线及其制备方法，CN104911411A公开了一种高电导率的电缆用铝合金导线材料及其制备方法，CN 105018803A公开了一种抗折耐拉伸的铝合金导线材料及其制备方法。上述文件提供的铝合金材料也存在同样的问题，即虽然电导率达到了60％IACS以上，但拉伸强度较低，不能满足中强度铝合金导线的要求。
现有的中高强度铝合金材料的电导率基本在60％IACS以下，而电导率在60％IACS以上的铝合金材料的拉伸强度基本在200MPa以下。因此，如何同时提高铝合金材料的拉伸强度和电导率，是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种铝合金材料、其制备方法及应用。该铝合金材料同时具有较高的拉伸强度、延伸率和电导率。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种铝合金材料，包括如下质量百分比的组分：
铁(Fe)0.25-0.35％、铜(Cu)0.1-0.25％、镁(Mg)0.2-0.4％、锌(Zn)0.05-0.15％、硅(Si)0.1-0.3％、硼(B)0.01-0.05％、钪(Sc)0.2-0.35％和钌(Ru)0.05-0.15％，余量为铝。
本发明通过选择锌、钪和钌，并调节三者的比例，使其相互配合，减少铝合金材料内的固溶体并细化铝合金晶粒尺寸，再配合其他组分，从而使得到的铝合金材料同时具有较高的拉伸强度、延伸率和电导率。
本发明中，所述铁的质量百分比可以是0.25％、0.255％、0.26％、0.265％、0.27％、0.275％、0.28％、0.285％、0.29％、0.295％、0.3％、0.305％、0.31％、0.315％、0.32％、0.325％、0.33％、0.335％、0.34％、0.345％或0.35％等。
所述铜的质量百分比可以是0.1％、0.11％、0.12％、0.13％、0.14％、0.15％、0.16％、0.17％、0.18％、0.19％、0.2％、0.21％、0.22％、0.23％、0.24％或0.25％等。
所述镁的质量百分比可以是0.2％、0.21％、0.22％、0.23％、0.24％、0.25％、0.26％、0.27％、0.28％、0.29％、0.3％、0.31％、0.32％、0.33％、0.34％、0.35％、0.36％、0.37％、0.38％、0.39％或0.4％等。
所述锌的质量百分比可以是0.05％、0.055％、0.06％、0.065％、0.07％、0.075％、0.08％、0.085％、0.09％、0.095％、0.1％、0.105％、0.11％、0.115％、0.12％、0.125％、0.13％、0.135％、0.14％、0.145％或0.15％等。
所述硅的质量百分比可以是0.1％、0.11％、0.12％、0.13％、0.14％、0.15％、0.16％、0.17％、0.18％、0.19％、0.2％、0.21％、0.22％、0.23％、0.24％、0.24％、0.26％、0.27％、0.28％、0.29％或0.3％等。
所述硼的质量百分比可以是0.01％、0.015％、0.02％、0.025％、0.3％、0.035％、0.4％、0.045％或0.05％等。
所述钪的质量百分比可以是0.2％、0.21％、0.22％、0.23％、0.24％、0.25％、0.26％、0.27％、0.28％、0.29％、0.3％、0.31％、0.32％、0.33％、0.34％或0.35％等。
所述钌的质量百分比可以是0.05％、0.055％、0.06％、0.065％、0.07％、0.075％、0.08％、0.085％、0.09％、0.095％、0.1％、0.105％、0.11％、0.115％、0.12％、0.125％、0.13％、0.135％、0.14％、0.145％或0.15％等。
作为本发明的优选技术方案，所述铝合金材料包含如下质量百分比的组分：
铁0.28-0.32％、铜0.15-0.2％、镁0.26-0.34％、锌0.08-0.12％、硅0.15-0.2％、硼0.01-0.03％、钪0.25-0.32％和钌0.08-0.12％，余量为铝。
通过对各组分的含量进行优化，能够使铝合金材料的拉伸强度和电导率进一步提高。
作为本发明的优选技术方案，所述铝合金材料包含如下质量百分比的组分：
铁0.3％、铜0.18％、镁0.32％、锌0.1％、硅0.17％、硼0.025％、钪0.3％和钌0.1％，余量为铝。
第二方面，本发明提供一种上述铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将铝锭熔化后，按配方加入铁、铜、镁、锌、硅、硼、钪和钌，进行熔炼，然后浇铸成铝合金铸锭；
(2)对所述铝合金铸锭进行均匀化处理，然后水淬，得到均匀化的铝合金铸锭；
(3)对所述均匀化的铝合金铸锭进行时效处理，得到所述铝合金材料。
作为本发明的优选技术方案，步骤(1)中所述熔炼是在真空熔炼炉中进行。
优选地，所述熔炼的温度为1200-1500℃；例如可以是1200℃、1220℃、1250℃、1280℃、1300℃、1320℃、1350℃、1380℃、1400℃、1420℃、1450℃、1480℃或1500℃等。
优选地，所述熔炼的时间为2-6h；例如可以是2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h、5h、5.5h或6h等。
作为本发明的优选技术方案，步骤(2)中所述均匀化处理的温度为500-550℃；例如可以是500℃、505℃、510℃、515℃、520℃、525℃、530℃、535℃、540℃、545℃或550℃等。
优选地，所述均匀化处理的时间为16-28h；例如可以是16h、17h、18h、19h、20h、21h、22h、23h、24h、25h、26h、27h或28h等。
作为本发明的优选技术方案，步骤(3)中所述时效处理的温度为130-180℃；例如可以是130℃、135℃、140℃、145℃、150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃或180℃等。
优选地，所述时效处理的时间为6-12h；例如可以是6h、7h、8h、9h、10h、11h或12h等。
作为本发明的优选技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将铝锭在真空熔炼炉中熔化后，按配方加入铁、铜、镁、锌、硅、硼、钪和钌，在1200-1500℃下熔炼2-6h，然后浇铸成铝合金铸锭；
(2)将所述铝合金铸锭在500-550℃下均匀化处理16-28h，然后水淬，得到均匀化的铝合金铸锭；
(3)将所述均匀化的铝合金铸锭在130-180℃下进行时效处理6-12h，得到所述铝合金材料。
第三方面，本发明提供一种上述铝合金材料作为导线的应用。
第四方面，本发明提供一种铝合金导线，由上述铝合金材料经热轧成杆，然后拉丝得到。
优选地，所述热轧的温度为450-550℃；例如可以是450℃、460℃、470℃、480℃、490℃、500℃、510℃、520℃、530℃、540℃或550℃等。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过选择锌、钪和钌，并调节三者的比例，使其相互配合，减少铝合金材料内的固溶体并细化铝合金晶粒尺寸，再配合其他组分，从而使得到的铝合金材料同时具有较高的拉伸强度、延伸率和电导率。
本发明提供的铝合金材料的拉伸强度为230-245MPa，延伸率为13-15.5％，电导率达到61-63.1％IACS。
通过对各组分的含量进行优选，能够使铝合金材料的拉伸强度和电导率进一步提高，其拉伸强度达到238-245MPa，电导率达到62.5-63.1％IACS。
具体实施方式
下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
一种铝合金材料，包含如下质量百分比的组分：
铁0.25％、铜0.25％、镁0.2％、锌0.15％、硅0.1％、硼0.05％、钪0.2％和钌0.15％，余量为铝。
上述铝合金材料的制备方法如下：
(1)将铝锭在真空熔炼炉中熔化后，按配方加入铁、铜、镁、锌、硅、硼、钪和钌，在1200℃下熔炼6h，然后浇铸成铝合金铸锭；
(2)将上述铝合金铸锭在500℃下均匀化处理28h，然后水淬，得到均匀化的铝合金铸锭；
(3)将上述均匀化的铝合金铸锭在130℃下进行时效处理12h，得到上述铝合金材料。
实施例2
一种铝合金材料，包含如下质量百分比的组分：
铁0.35％、铜0.1％、镁0.4％、锌0.05％、硅0.3％、硼0.01％、钪0.35％和钌0.05％，余量为铝。
上述铝合金材料的制备方法如下：
(1)将铝锭在真空熔炼炉中熔化后，按配方加入铁、铜、镁、锌、硅、硼、钪和钌，在1500℃下熔炼2h，然后浇铸成铝合金铸锭；
(2)将上述铝合金铸锭在550℃下均匀化处理16h，然后水淬，得到均匀化的铝合金铸锭；
(3)将上述均匀化的铝合金铸锭在180℃下进行时效处理6h，得到上述铝合金材料。
实施例3
一种铝合金材料，包含如下质量百分比的组分：
铁0.26％、铜0.23％、镁0.22％、锌0.14％、硅0.13％、硼0.04％、钪0.23％和钌0.135％，余量为铝。
上述铝合金材料的制备方法如下：
(1)将铝锭在真空熔炼炉中熔化后，按配方加入铁、铜、镁、锌、硅、硼、钪和钌，在1300℃下熔炼4h，然后浇铸成铝合金铸锭；
(2)将上述铝合金铸锭在520℃下均匀化处理24h，然后水淬，得到均匀化的铝合金铸锭；
(3)将上述均匀化的铝合金铸锭在150℃下进行时效处理8h，得到上述铝合金材料。
实施例4
一种铝合金材料，包含如下质量百分比的组分：
铁0.28％、铜0.2％、镁0.26％、锌0.12％、硅0.15％、硼0.03％、钪0.25％和钌0.12％，余量为铝。
上述铝合金材料的制备方法如下：
(1)将铝锭在真空熔炼炉中熔化后，按配方加入铁、铜、镁、锌、硅、硼、钪和钌，在1400℃下熔炼5h，然后浇铸成铝合金铸锭；
(2)将上述铝合金铸锭在530℃下均匀化处理18h，然后水淬，得到均匀化的铝合金铸锭；
(3)将上述均匀化的铝合金铸锭在160℃下进行时效处理10h，得到上述铝合金材料。
实施例5
一种铝合金材料，包含如下质量百分比的组分：
铁0.32％、铜0.15％、镁0.34％、锌0.08％、硅0.2％、硼0.01％、钪0.32％和钌0.08％，余量为铝。
上述铝合金材料的制备方法如下：
(1)将铝锭在真空熔炼炉中熔化后，按配方加入铁、铜、镁、锌、硅、硼、钪和钌，在1100℃下熔炼5h，然后浇铸成铝合金铸锭；
(2)将上述铝合金铸锭在530℃下均匀化处理26h，然后水淬，得到均匀化的铝合金铸锭；
(3)将上述均匀化的铝合金铸锭在135℃下进行时效处理12h，得到上述铝合金材料。
实施例6
一种铝合金材料，包含如下质量百分比的组分：
铁0.3％、铜0.18％、镁0.32％、锌0.1％、硅0.17％、硼0.025％、钪0.3％和钌0.1％，余量为铝。
上述铝合金材料的制备方法如下：
(1)将铝锭在真空熔炼炉中熔化后，按配方加入铁、铜、镁、锌、硅、硼、钪和钌，在1500℃下熔炼3h，然后浇铸成铝合金铸锭；
(2)将上述铝合金铸锭在520℃下均匀化处理24h，然后水淬，得到均匀化的铝合金铸锭；
(3)将上述均匀化的铝合金铸锭在165℃下进行时效处理8h，得到上述铝合金材料。
对比例1
与实施例1的区别在于，锌的质量百分比为0.04％，其他元素、用量及制备方法与实施例1相同。
对比例2
与实施例1的区别在于，锌的质量百分比为0.17％，其他元素、用量及制备方法与实施例1相同。
对比例3
与实施例1的区别在于，钪的质量百分比为0.18％，其他元素、用量及制备方法与实施例1相同。
对比例4
与实施例1的区别在于，钪的质量百分比为0.37％，其他元素、用量及制备方法与实施例1相同。
对比例5
与实施例1的区别在于，钌的质量百分比为0.04％，其他元素、用量及制备方法与实施例1相同。
对比例6
与实施例1的区别在于，钌的质量百分比为0.17％，其他元素、用量及制备方法与实施例1相同。
对上述实施例1-6和对比例1-6提供的铝合金材料的性能进行测试，测试标准和结果如下表1所示。
表1
由表1的性能数据可知，当锌的含量过低，或钪、钌的含量过高时，得到的铝合金材料的拉伸强度虽然有所提升，但电导率却大幅下降；当锌的含量过高，或钪、钌的含量过低时，得到的铝合金材料的电导率没有明显的变化，但拉伸强度明显下降，达不到中强度铝合金导线的要求。只有当各组分在本发明限定的范围内相互配合时，才能使得到的铝合金材料既具有较高的拉伸强度，又具有较高的电导率。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (14)
1.一种拉伸强度为230-245MPa的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金材料由如下质量百分比的组分组成：
铁0.25-0.35％、铜0.1-0.25％、镁0.2-0.4％、锌0.05-0.15％、硅0.1-0.3％、硼0.01-0.05％、钪0.2-0.34％和钌0.05-0.14％，余量为铝。
2.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金材料由如下质量百分比的组分组成：
铁0.28-0.32％、铜0.15-0.2％、镁0.26-0.34％、锌0.08-0.12％、硅0.15-0.2％、硼0.01-0.03％、钪0.25-0.32％和钌0.08-0.12％，余量为铝。
3.根据权利要求1或2所述的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金材料由如下质量百分比的组分组成：
铁0.3％、铜0.18％、镁0.32％、锌0.1％、硅0.17％、硼0.025％、钪0.3％和钌0.1％，余量为铝。
4.根据权利要求1-3任一项所述的铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将铝锭熔化后，按配方加入铁、铜、镁、锌、硅、硼、钪和钌，进行熔炼，然后浇铸成铝合金铸锭；
(2)对所述铝合金铸锭进行均匀化处理，然后水淬，得到均匀化的铝合金铸锭；
(3)对所述均匀化的铝合金铸锭进行时效处理，得到所述铝合金材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述熔炼是在真空熔炼炉中进行。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼的温度为1200-1500℃。
7.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼的时间为2-6h。
8.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述均匀化处理的温度为500-550℃。
9.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述均匀化处理的时间为16-28h。
10.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述时效处理的温度为130-180℃。
11.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述时效处理的时间为6-12h。
12.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将铝锭在真空熔炼炉中熔化后，按配方加入铁、铜、镁、锌、硅、硼、钪和钌，在1200-1500℃下熔炼2-6h，然后浇铸成铝合金铸锭；
(2)将所述铝合金铸锭在500-550℃下均匀化处理16-28h，然后水淬，得到均匀化的铝合金铸锭；
(3)将所述均匀化的铝合金铸锭在130-180℃下进行时效处理6-12h，得到所述铝合金材料。
13.根据权利要求1-3任一项所述的铝合金材料作为导线的应用。
14.一种铝合金导线，其特征在于，所述铝合金导线由权利要求1-3任一项所述的铝合金材料经热轧成杆，然后拉丝得到。
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