本發明涉及一種高強度高電導率鋁鈧合金及其制備方法和用途，屬于鋁合金導體材料制造
技術領域：
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背景技術：
：鋁合金密度低，比強度高，塑性和加工性能佳，無磁性，具有優良的導電性、導熱性和抗蝕性，已發展成為在輸電線路上最有望代替銅的金屬導體材料。我國對電線電纜的需求量巨大，隨著銅價格迅猛提升及資源的日益匱乏，近年來鋁合金導體的研發和產業化發展備受關注，但其存在的質量問題不容回避。在使用中發現有鋁線容易折斷，強度、韌性不夠高，電導率普遍在60％IACS以下，輸電容量小，電能損失大，且具有接口松動問題，容易導致斷電和起火等重大事故。因此開發高強高導的鋁合金導體材料，具備高強度、高韌性與高電導率的結合，是實現國內“以鋁代銅”的迫切途徑。根據金屬導電理論，晶體缺陷會使得傳導電子增加電子散射，固溶強化效應對于鋁合金電導率的影響是不利的，因此合金化元素應在鋁基體中有盡量小的固溶度，且微量就足以對鋁合金起較強的變質作用，以保證顯著提高合金的力學性能。經檢索，公開號為103060623A的中國發明專利，該發明涉及一種電纜用高鈧含量鋁合金導電線芯及其制備方法，其中：“導電線芯的組成按質量百分比構成為：Sc0.4～0.8wt％，Fe0.01～0.1wt％，富鈰稀土0.01～0.1wt％，余量為鋁。”該線芯的制備方法“其特征在于：所述混料是按配比量將純度≥99.80％的高純鋁加入豎爐中并升溫至750～770℃，加入鐵鋁中間合金、富鈰稀土中間合金和鈧鋁中間合金，攪拌混合均勻得到合金熔體；向合金熔體中加入精煉劑在氮氣氣氛中于740～760℃進行精煉，精煉結束后靜置15min并扒渣，再經鑄造和軋制后得到鋁合金桿；將所述鋁合金桿于280～290℃保溫2～5小時以去除應力，隨后冷拔制成鋁合金線，再于360～380℃經6～10小時的時效處理即得導電線芯。”該發明鋁合金導電線芯的導電率≥60.4％IACS，抗拉強度大于240Mpa，屈服極限為100～116Mpa。該發明技術的缺點在于：添加Sc元素超過其在鋁中的最大固溶度，在電導率提高方面起不到最佳貢獻效果；熔煉溫度過高易導致燒損較大，成分不好控制；此外導線材料的屈服強度較低。檢索中還發現，公開號為102021444A的中國發明專利，該發明提供了一種高導電耐熱鋁合金導線及其制備方法，其中“導線的化學成分及質量百分比為：Zr：0.1～0.3％，Y：0.02～0.2％，Sc：0.01～0.15％，其余是Al和不可避免的其它雜質元素，所含‘不可避免的其它雜質元素’總量不超過0.15％。”合金導線的制備方法特征在于：“包括：純鋁錠高溫熔化、鋁溶液的‘硼化’處理及精煉、鋁溶液的合金化及二次精煉、耐熱鋁合金圓桿的連鑄、鋁合金圓桿的退火、拉制鋁合金單線、鋁合金單線的穩定化處理。”該發明鋁合金導線電導率≥61％IACS，抗拉強度大于167Mpa，延伸率為3％左右。該發明技術的缺點在于：硼化處理增加材料制造工序和時間；添加Sc元素少，對于鋁合金變質作用小，強度、延伸率低，鋁線易發生脆斷。目前國內鋁合金導線材料一般無法達到在保證高強度和高韌性的情況下，將電導率提高到61％IACS以上。Sc是迄今所發現的對鋁合金最為有效的合金化元素，我國Sc資源豐富，將其恰當應用于鋁合金導體材料中，可使得合金的強度、塑性、導電性、耐腐蝕性等性能全面提高，有助于資源優勢轉化為技術優勢。技術實現要素：本發明旨在開發一種高強高電導率的鋁鈧合金導線材料，并提出其制備方法。所設計的合金成分主要包含Sc、Zr和Mn三種合金化元素，通過鑄造和擠壓工藝制備鋁合金棒材，棒材經過恰當熱處理后繼而拉拔成鋁合金導線。該導線電導率≥61％IACS，抗拉強度大于240MPa，屈服強度大于160MPa，延伸率達8％。本發明是通過以下技術方案實現的：第一方面，本發明提供了一種高強度高電導率鋁鈧合金，其包括按重量百分數計的如下元素：Sc0.2～0.4％，Zr0.01～0.15％，Mn0.1～0.3％，余量為Al和不可避免的雜質元素，其中，所述雜質元素的重量百分數不超過0.1％。第二方面，本發明還提供了一種如前述的高強度高電導率鋁鈧合金的制備方法，其包括如下步驟：制備鋁合金鑄錠，并對所述鋁合金鑄錠進行熱擠壓；將所述鋁合金鑄錠在400～450℃下進行保溫后，冷卻至300～350℃進行保溫，得到所述高強度高電導率鋁鈧合金。作為優選方案，所述鋁合金鑄錠的制備方法為：將鋁錠熔化成鋁液后，加入鋁鈧中間合金、鋁鋯中間合金和鋁錳中間合金；升溫至730～740℃進行攪拌、靜置后，在720～730℃進行精煉除氣、除渣和保溫靜置后，在700～710℃下澆鑄成鋁合金鑄錠。作為優選方案，所述鋁錠的純度不低于99.9％；所述鋁鈧中間合金中，鈧的重量百分數為2％；所述鋁鋯中間合金中，鋯的重量百分數為10％；所述鋁錳中間合金中，錳的重量百分數為10％。作為優選方案，所述熱擠壓的溫度為300～350℃，擠壓比不低于25。作為優選方案，所述鋁合金鑄錠在400～450℃下的保溫時間為2min，在300～350℃下的保溫時間為2～5h。第三方面，本發明還提供了一種如前述的高強度高電導率鋁鈧合金在導線中的用途。本發明的原理在于：1、選擇在鋁熔體中加入0.2～0.4wt％的Sc元素，即在極限固溶度0.35wt％左右，可以保證電導率與純鋁相比，下降幅度不大，即保持較高的電導率，而且通過Sc對鋁合金的強烈變質作用，使合金具有良好的力學性能。然而，Sc的含量若高于此范圍，會帶來很多固溶強化效應，使合金導電率下降明顯；Sc的含量若低于此范圍，添加量較少則對合金力學性能改善作用不大；2、Zr與Sc元素的復合加入，可與Al形成共格第二相粒子，成為結晶的核心，使鋁合金晶粒顯著細化，而且約為Sc含量的1/2的Zr加入后，形成的Al3(Sc1-XZrX)析出相的粒度要比Al3Sc小，即有更多Al3(Sc1-XZrX)粒子脫溶，合金電導率與強化效果都顯著增加。但Zr的含量高于0.2wt％時，也會因形成固溶體而導致合金電導率下降。3、加入Mn元素，可使合金的再結晶溫度提高，并提高合金的抗腐蝕性與強度，確保合金具有更高的穩定性；另一作用是能溶解雜質鐵，減小鐵的有害影響。但Mn元素的含量多于0.3wt％時，會導致合金塑性下降；低于0.1wt％時，對消除Fe元素作用太小。4、采用分級熱處理，首先通過高溫短時保溫使鋁鈧固溶體開始以極快的速度進行分解，然后降低溫度延長保溫時間，在保證析出相粒子不發生明顯粗化的情況下，使固溶體分解更加完全。與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：1、本發明制備的高強高導的鋁鈧合金導線在室溫下的電導率≥61％IACS；2、本發明制備的鋁鈧合金材料塑性加工性能良好，變形工藝過程進行順利，成品率高；3、本發明制備的鋁鈧合金導線的力學性能優異，抗拉強度大于240Mpa，屈服強度大于160Mpa，延伸率達8％，長期運行溫度可達200℃，實現高強度、高韌性與高電導率的結合。具體實施方式下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。實施例1該導線材料的組成元素按質量百分比為：Sc0.3wt％，Zr0.1wt％，Mn0.2wt％，Fe、Si等其他雜質元素含量≤0.1％，其余為Al。按配比量，將純度≥99.9％的鋁錠放在中頻感應熔煉爐石墨坩堝中熔化，待其完全熔化后鋁液溫度為660℃～670℃，在鋁熔體中依次加入Al-2％Sc中間合金、Al-10％Zr中間合金、Al-10％Mn中間合金，合金熔化后升溫至730℃進行充分攪拌，然后靜置20min在720℃進行精煉除氣，熔體除渣后靜置20min，在700℃將金屬液快速澆注成鋁合金鑄錠；將鑄錠表面處理光亮后，對鑄錠預熱后按擠壓比25進行熱擠壓，擠壓溫度為300℃；對擠壓得到的棒材進行熱處理，在400℃保溫2min，冷卻后在300℃恒溫熱處理2.5h；對冷卻后的棒材在鋁合金拉絲機上進行拉絲，經12道拉絲得到直徑為Φ3mm的鋁線，再絞合成高強高電導率的鋁合金導線。其電導率與力學性能表1所示。可見，該合金的室溫電導率達到61.4％IACS，屈服強度達到162MPa，抗拉強度240Mpa，延伸率8.3％。研究中還發現，若對擠壓后的棒材進行單級熱處理，即僅在300℃恒溫處理2.5h，而后拉制的導線電導率為60.5％IACS，達不到雙級熱處理的良好效果。實施例2該導線材料的組成元素按質量百分比為：Sc0.35wt％，Zr0.15wt％，Mn0.2wt％，Fe、Si等其他雜質元素含量≤0.1％，其余為Al。按配比量，將純度≥99.9％的鋁錠放在中頻感應熔煉爐石墨坩堝中熔化，待其完全熔化后鋁液溫度為660℃～670℃，在鋁熔體中依次加入Al-2％Sc中間合金、Al-10％Zr中間合金、Al-10％Mn中間合金，合金熔化后升溫至730℃進行充分攪拌，然后靜置20min在720℃進行精煉除氣，熔體除渣后靜置20min，在700℃將金屬液快速澆注成鋁合金鑄錠；將鑄錠表面處理光亮后，對鑄錠預熱后按擠壓比25進行熱擠壓，擠壓溫度為300℃；對擠壓得到的棒材進行熱處理，在400℃保溫2min，冷卻后在300℃恒溫熱處理2.5h；對冷卻后的棒材在鋁合金拉絲機上進行拉絲，經12道拉絲得到直徑為Φ3mm的鋁線，再絞合成高強高電導率的鋁合金導線。其電導率與力學性能表1所示。可見，該合金的室溫電導率達到61.1％IACS，屈服強度達到165MPa，抗拉強度246Mpa，延伸率7.9％。對比例1該導線材料的組成元素按質量百分比為：Sc0.15wt％，Zr0.1wt％，Mn0.2wt％，Fe、Si等其他雜質元素含量≤0.1％，其余為Al。按配比量，將純度≥99.9％的鋁錠放在中頻感應熔煉爐石墨坩堝中熔化，待其完全熔化后鋁液溫度為660℃～670℃，在鋁熔體中依次加入Al-2％Sc中間合金、Al-10％Zr中間合金、Al-10％Mn中間合金，合金熔化后升溫至730℃進行充分攪拌，然后靜置20min在720℃進行精煉除氣，熔體除渣后靜置20min，在700℃將金屬液快速澆注成鋁合金鑄錠；將鑄錠表面處理光亮后，對鑄錠預熱后按擠壓比25進行熱擠壓，擠壓溫度為300℃；對擠壓得到的棒材進行熱處理，在400℃保溫2min，冷卻后在300℃恒溫熱處理2.5h；對冷卻后的棒材在鋁合金拉絲機上進行拉絲，經12道拉絲得到直徑為Φ3mm的鋁線，再絞合成高強高電導率的鋁合金導線。其電導率與力學性能表1所示。可見，該合金的室溫電導率達到61.4％IACS，但屈服強度僅為110MPa，抗拉強度181Mpa，延伸率9.6％。對比例2該導線材料的組成元素按質量百分比為：Sc0.5wt％，Zr0.2wt％，Mn0.3wt％，Fe、Si等其他雜質元素含量≤0.1％，其余為Al。按配比量，將純度≥99.9％的鋁錠放在中頻感應熔煉爐石墨坩堝中熔化，待其完全熔化后鋁液溫度為660℃～670℃，在鋁熔體中依次加入Al-2％Sc中間合金、Al-10％Zr中間合金、Al-10％Mn中間合金，合金熔化后升溫至730℃進行充分攪拌，然后靜置20min在720℃進行精煉除氣，熔體除渣后靜置20min，在700℃將金屬液快速澆注成鋁合金鑄錠；將鑄錠表面處理光亮后，對鑄錠預熱后按擠壓比25進行熱擠壓，擠壓溫度為300℃；對擠壓得到的棒材進行熱處理，在400℃保溫2min，冷卻后在300℃恒溫熱處理2.5h；對冷卻后的棒材在鋁合金拉絲機上進行拉絲，經12道拉絲得到直徑為Φ3mm的鋁線，再絞合成高強高電導率的鋁合金導線。其電導率與力學性能表1所示。可見，該合金的室溫電導率僅達到55.7％IACS，屈服強度達到170MPa，抗拉強度249Mpa，延伸率5.6％。表1材料電導率(x106S/m)屈服強度(MPa)抗拉強度(Mpa)延伸率(％)Al-0.3Sc-0.1Zr-0.2Mn35.61622408.3Al-0.35Sc-0.15Zr-0.2Mn35.41652467.9Al-0.15Sc-0.1Zr-0.2Mn35.61101819.6Al-0.5Sc-0.2Zr-0.3Mn32.31702495.6以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。當前第1頁1 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