Al?Si?Mg?Fe?Cu導電合金桿及其制備方法與流程

本發明屬于金屬材料技術領域，具體涉及一種al-si-mg-fe-cu導電合金桿及其制備方法。

背景技術：

鋁合金導電材料是目前電氣工業的重要基礎材料之一。鋁及鋁合金具有密度小、比強度高、導電導熱性能好等優點，在汽車制造、航空航天等領域得到廣泛應用。近年來，隨著電氣電工行業的發展，鋁及鋁合金越來越多地應用于電線電纜、電器開關等領域，以取代目前廣泛應用的銅及銅合金導體。從國家資源戰略的角度，擴大鋁合金導電材料在電線電纜產品中的應用范圍，“以鋁節銅”成為導電材料的一個重要發展趨勢并且對于產業的可持續發展具有重要戰略意義。

目前，鋁合金導電材料廣泛應用于架空輸電線、大跨度電線、電力電纜和通信電纜等領域。其中，架空輸電線要求鋁合金材料具有低密度、低線損、高強度、抗蠕變、耐高溫、耐腐蝕等特性，尤其是要求其抗拉強度不低于300mpa，導電率高于53.0％iacs。亞共晶al-si合金具有流動性好、導電導熱性好、力學性能優異等特性，常用于制作架空輸電線，其應用可加大桿塔檔距、減少桿塔用量、減少線路損耗、降低項目總成本等。但是，亞共晶al-si合金的導電性與力學性能兼顧性差，很難同時滿足架空輸電線的性能需求，成為限制其推廣應用的瓶頸問題。

中國專利cn103397226a公開一種元素組成含有al、si、mg、fe、cu、zn及b的鋁合金桿材，其組成元素的含量極低，特別是si元素含量僅為0.08％-0.1％，相應合金導電率僅為59.5％-60％，且未提及該材料的力學性能。中國專利cn104805335a公開一種低電阻率鋁合金桿，其組成元素含量均較低，其中si元素含量0.04％-0.06％且含有稀土元素，其目的是僅利用稀土來提高合金的導電率。

現有技術中，導電鋁合金的組成元素含量較低，獲得的鋁合金桿強度不高，屬于中強度鋁合金，廢品率較高，而廢品產生的主要原因是由于中強度鋁合金桿工藝性能波動引起斷線，以及電性能波動引起電阻率超標，如此高的廢品率不僅降低了中強度鋁合金桿的生產效率，而且加大了中強度鋁合金桿的生產成本。通常條件下，保持合金組成元素含量在低水平下可保證其導電率達到使用要求，但力學性能很難得到大幅度提升；提高鋁合金組成元素的含量易導致鋁合金導電率的迅速降低，從而很難滿足鋁合金有效傳輸電流的目的，增加電能損耗，故鋁合金的導電率和力學性能的匹配性成為限制鋁合金桿發展的瓶頸問題。

基于以上問題的存在，亟需研發一種既能保證良好的電導率又能滿足力學性能的鋁合金材料的制備方法。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種高強、高導、高合金化的al-si-mg-fe-cu導電合金桿；本發明同時提供其制備方法。

本發明所述的al-si-mg-fe-cu導電合金桿，以質量百分比計，其元素組成為：si：3.8-4.0％，mg：0.5-0.8％，fe：0.1-0.3％，cu：0.08-0.1％，b：0.05-0.1％，sr：0.01-0.04％，其余為al。

本發明所述的al-si-mg-fe-cu導電合金桿的制備方法為：先向熔化后的al中加入si、al-fe中間合金、al-cu中間合金、mg，得到合金熔體，再向合金熔體中加入al-b-sr中間合金進行硼化與變質復合處理，澆鑄成鑄件后，將其進行均勻化熱處理、熱擠壓，最后再進行固溶、時效熱處理，得到al-si-mg-fe-cu導電合金桿；

具體步驟如下：

(1)將al熔化并升溫，依次加入si、al-fe中間合金、al-cu中間合金、mg，攪拌均勻后保溫，形成合金熔體；

(2)向步驟(1)得到的合金熔體中加入al-b-sr中間合金，進行硼化與變質復合處理，攪拌后除渣，保溫；

(3)澆鑄得到鑄件；

(4)將步驟(3)所得的鑄件進行均勻化熱處理、熱擠壓，得到擠壓桿；

(5)將步驟(4)中的擠壓桿進行固溶、時效熱處理，改善其微觀組織并優化其綜合性能，得到al-si-mg-fe-cu導電合金桿。

其中：

所述的al的純度≥99.7％，si的純度≥99.9％，mg的純度≥99.9％。

所述的al-fe中間合金中fe的質量百分含量為：4-7％，其余為al。

所述的al-cu中間合金中cu的質量百分含量為：4-7％，其余為al。

所述的al-b-sr中間合金中各元素的質量百分含量為b：2-4％，sr：4-6％，其余為al，優選b：3％，sr：5％。

步驟(1)中升溫至720-750℃，保溫時間為5-10min。

步驟(2)中保溫溫度為720-750℃，保溫時間為15-20min。

步驟(3)中鑄件可以為鑄棒、鑄錠等，當鑄件為鑄棒時，其直徑為75-85mm，高度為0.4-0.6m，優選直徑80mm，高度0.5m。

步驟(4)中均勻化熱處理的溫度為540-560℃；熱擠壓參數為：擠壓力1000-1200n、擠壓速度2-5mm/s、擠壓溫度和模具預熱溫度400-420℃。

步驟(5)中固溶溫度為510-530℃，固溶時間為3-6h；時效溫度為200-220℃，時效時間為12-18h。

所述的al-si-mg-fe-cu導電合金桿的室溫極限拉伸強度≥350mpa，延伸率≥10％，導電率≥60％iacs。

本發明制備的al-si-mg-fe-cu導電合金桿組成元素含量較高，即合金化程度高，其中si含量可達到3.8％-4.0％，mg含量0.5-0.8％，一方面大大提高合金的力學性能，另一方面可改善熔體粘度、流動性，提高合金桿的成品率；另外，本發明在熔體處理過程中加入了硼和鍶進行硼化、變質處理，利用b與熔體中v、ti、cr、zr等雜質元素的反應，降低雜質元素含量，有利于提高合金的導電率，通過sr變質改善共晶si形貌，使其由板片狀\針條狀變為珊瑚狀，減少對導電率和力學性能的損害；而且剩余的b和sr以srb6形式存在于合金中，起到顆粒增強的作用；最后利用擠壓變形，固溶、時效熱處理改變共晶si、alfesi、mg2si等第二相的顆粒尺寸和分布，使其呈現細小顆粒狀、彌散分布，在保證合金桿優異力學性能的同時使其具有良好的導電率。

本發明al-si-mg-fe-cu導電合金桿制備過程中，主要組成元素si、fe、cu、mg的添加順序對合金桿綜合性能的影響至關重要，先添加元素si能明顯改善熔體的流動性，減少熔體中氣泡雜質的卷入；再添加fe至熔體中優先形成alfesi三元相，一方面減少了si、fe在al中的固溶，有利于提高合金桿導電率，另一方面可以明顯改善fe的形貌，減小針條狀fe對合金力學性能的損害作用；然后依次加入cu最后添加mg，有利于cu的充分溶解且減少mg的燒損，保證合金主要組成元素的正常配比和對合金微觀組織的改善。

以al-b-sr中間合金形式引入b和sr，該中間合金的主要物相組成是α-al、alsrb6、alb2、al4sr，引入al熔體后alb2、al4sr以及部分亞微米級別的srb6受熔體環境影響而發生分解釋放部分b和sr，從而能夠同時發揮硼化及sr變質的作用，使得合金強度增大、導電率提高，另外剩余的b和sr以srb6形式存在于合金中。由于srb6是一種高熔點、高硬度的硼化物顆粒，可作為本合金中的顆粒增強相來提高其力學性能。如果先添加b后添加sr，則b與熔體中的v、ti、cr、zr等雜質元素反應后，剩余的b優先與后添加的sr反應生成srb6，而削弱sr對共晶si的變質作用，損害合金的力學性能；如果先添加sr后添加b，會由于sr變質處理后引入b而發生“中毒反應”，導致sr變質效果減弱的同時也大大減少了b與熔體中的v、ti、cr、zr等雜質元素反應的充分性而降低硼化處理效率，最終使合金導電性和力學性能同時降低。因此，在al-si-mg-fe-cu導電合金桿制備過程中，以al-b-sr中間合金形式引入b和sr，確保合金桿優異力學性能的同時使其具有良好的導電率。

本發明的有益效果如下：

與現有技術相比，本發明在合金熔煉過程中向鋁熔體中添加適量合金化元素并進行硼化及變質復合處理調整合金成分，澆鑄成鑄件后，進行熱擠壓變形及熱處理，改善其微觀組織并優化其綜合性能，獲得一種高強、高導、高合金化的al-si-mg-fe-cu導電合金桿。該al-si-mg-fe-cu導電合金桿中元素組成含量較高，同時具有優異的力學性能和良好的導電性，其室溫極限拉伸強度≥350mpa，延伸率≥10％，導電率≥60％iacs，滿足架空輸電線的實際性能需求，其制備工藝簡單、造價低廉且易實現產業化批量生產。

附圖說明

圖1是實施例1制備的合金桿制成金相試樣的場發射掃描電子顯微鏡圖。

圖2是實施例1制備的鑄棒和擠壓桿的圖片。

具體實施方式

以下結合實施例對本發明做進一步描述。

實施例1

(1)根據al-4si-0.5mg-0.3fe-0.1cu導電合金桿中各元素的質量百分比準備其原料：純度為99.7％的純al、純度為99.91％的純si、純度為99.90％的純mg、al-5fe中間合金及al-5cu中間合金、al-3b-5sr中間合金；

(2)將準備好的純鋁熔化并升溫至725℃，然后按照成分配比依次向熔體中加入純si，al-5fe中間合金，al-5cu中間合金，純mg機械攪拌均勻后保溫6min，形成合金熔體；

(3)向步驟(2)得到的合金熔體中加入al-3b-5sr中間合金進行硼化與變質復合處理，充分攪拌后用漏瓢除去雜質熔渣，在725℃保溫16min；

(4)澆鑄，獲得直徑80mm、高度0.5m的鑄棒，如圖2所示；

(5)將步驟(4)所得鑄棒放入熱處理爐中在550℃條件下進行均勻化熱處理然后利用熱擠壓機將上述鑄棒進行熱擠壓，獲得直徑為10.5mm的擠壓桿，如圖2所示，其中，擠壓力1100n、擠壓速度3mm/s、擠壓溫度和模具預熱溫度為410℃；

(6)將步驟(5)中的擠壓桿在520℃條件下固溶熱處理5h、210℃條件下時效熱處理15h，優化其力學及電學性能，最終獲得高強、高導、高合金化的al-4si-0.5mg-0.3fe-0.1cu導電合金桿。其中，以質量百分比計，其元素組成為：si：4.0％，mg：0.5％，fe：0.3％，cu：0.1％，b：0.08％，sr：0.04％，其余為al。

實施例2

(1)根據al-4si-0.6mg-0.2fe-0.1cu導電合金桿中各元素的質量百分比準備其原料：純度為99.80％的純al、純度為99.93％的純si、純度為99.91％的純mg、al-6fe中間合金及al-6cu中間合金、al-3b-5sr中間合金；

(2)將準備好的純鋁熔化并升溫至735℃，然后按照成分配比依次向熔體中加入純si，al-6fe中間合金，al-6cu中間合金，純mg機械攪拌均勻后保溫8min，形成合金熔體；

(3)向步驟(2)得到的合金熔體中加入al-3b-5sr中間合金進行硼化與變質復合處理，充分攪拌后用漏瓢除去雜質熔渣，在735℃保溫18min；

(4)澆鑄，獲得直徑80mm、高度0.5m的鑄棒；

(5)將步驟(4)所得鑄棒放入熱處理爐中在540℃條件下進行均勻化熱處理然后利用熱擠壓機將上述鑄棒進行熱擠壓，獲得直徑為10.5mm的擠壓桿，其中，擠壓力1000n、擠壓速度4mm/s、擠壓溫度和模具預熱溫度為400℃；

(6)將步驟(5)中的擠壓桿在510℃條件下固溶熱處理4h、200℃條件下時效熱處理13h，優化其力學及電學性能，最終獲得高強、高導、高合金化的al-4si-0.6mg-0.2fe-0.1cu導電合金桿。其中，以質量百分比計，其元素組成為：si：4.0％，mg：0.6％，fe：0.2％，cu：0.1％，b：0.05％，sr：0.03％，其余為al。

實施例3

(1)根據al-4si-0.8mg-0.1fe-0.1cu導電合金桿中各元素的質量百分比準備其原料：純度為99.90％的純al、純度為99.90％的純si、純度為99.90％的純mg、al-5fe中間合金及al-7cu中間合金、al-3b-5sr中間合金。

(2)將準備好的純鋁熔化并升溫至745℃，然后按照成分配比依次向熔體中加入純si，al-5fe中間合金，al-7cu中間合金，純mg機械攪拌均勻后保溫10min，形成合金熔體；

(3)向步驟(2)得到的合金熔體中加入al-3b-5sr中間合金進行硼化與變質復合處理，充分攪拌后用漏瓢除去雜質熔渣，在745℃保溫20min；

(4)澆鑄，獲得直徑80mm、高度0.5m的鑄棒；

(5)將步驟(4)所得鑄棒放入熱處理爐中在560℃條件下進行均勻化熱處理然后利用熱擠壓機將上述鑄棒進行熱擠壓，獲得直徑為10.5mm的擠壓桿，其中，擠壓力1200n、擠壓速度5mm/s、擠壓溫度和模具預熱溫度為420℃；

(6)將步驟(5)中的擠壓桿在530℃條件下固溶熱處理6h、220℃條件下時效熱處理17h，優化其力學及電學性能，最終獲得高強、高導、高合金化的al-4si-0.8mg-0.1fe-0.1cu導電合金桿。其中，以質量百分比計，其元素組成為：si：4.0％，mg：0.8％，fe：0.1％，cu：0.1％，b：0.08％，sr：0.04％，其余為al。

本發明中利用b與合金熔體中v、ti、cr、zr等雜質元素的反應，降低雜質元素含量，有利于提高合金的導電率；通過sr變質改善共晶si形貌，使其由板片狀\針條狀變為珊瑚狀，減少對導電率和力學性能的損害。

對比例1

將實施例1中向熔體中加入純si、al-5fe中間合金、al-5cu中間合金、純mg的順序變為al-5fe中間合金、al-5cu中間合金、純mg，純si，其它步驟不變。

對比例2

將實施例1中向熔體中加入純s、al-5fe中間合金、al-5cu中間合金、純mg的順序變為純si、純mg、al-5fe中間合金、al-5cu中間合金，其它步驟不變。

對比例3

將實施例1中向熔體中加入純si、al-5fe中間合金、al-5cu中間合金、純mg的順序變為al-5fe中間合金、純si、純mg、al-5cu中間合金，其它步驟不變。

對比例4

將實施例1中的al-3b-5sr中間合金改為al-3b中間合金和al-5sr中間合金，先加入al-3b中間合金，再加入al-5sr中間合金，其它步驟不變。

具體是：向步驟(2)得到的合金熔體中先加入al-3b中間合金，再加入al-5sr中間合金，進行硼化與變質復合處理，充分攪拌后用漏瓢除去雜質熔渣，在725℃保溫16min。

對比例5

將實施例1中的al-3b-5sr中間合金改為al-3b中間合金和al-5sr中間合金，先加入al-5sr中間合金，再加入al-3b中間合金，其它步驟不變。

具體是：向步驟(2)得到的合金熔體中先加入al-5sr中間合金，再加入al-3b中間合金，進行硼化與變質復合處理，充分攪拌后用漏瓢除去雜質熔渣，在725℃保溫16min。

對實施例1-3和對比例1-5中的合金桿、純鋁進行性能測試，利用萬能試驗機測試合金桿的室溫極限拉伸強度和延伸率，利用四電極法測試合金桿的導電率，此外，還測試了合金桿的熱導率、布氏硬度等，數據如表1。

表1合金桿的性能測試數據表

由表1可知，實施例1-3中的導電合金桿的室溫極限拉伸強度≥350mpa，延伸率≥10％，導電率≥60％iacs。此外，導電合金桿的導電率與純鋁相近，而力學性能明顯優于純鋁。對比例1-5中合金桿的導電率和力學性能均低于實施例1-3中的導電合金桿。

將實施例1中的al-4si-0.5mg-0.3fe-0.1cu導電合金桿制成金相試樣，并利用場發射掃描電子顯微鏡(fesem)分析其微觀組織，如圖1所示，合金中的共晶si、mg2si及alfesi等第二相呈細小顆粒狀、彌散分布在鋁基體上，相比于粗大板片狀或針條狀的第二相，顆粒狀的第二相對電子流散射作用明顯減小，對鋁基體的割裂作用也明顯減小，故導電合金桿的導電率和力學性能均較高。

綜合分析得知，本發明制備的al-si-mg-fe-cu導電合金桿具有優異的力學性能，良好的導電率，可滿足目前架空輸電線高強、高導的性能需求。