一種Al-Er-Cu高強高導(dǎo)電率鋁合金及其形變熱處理工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種經(jīng)過微合金化、固溶強化、析出強化和形變強化的鋁合金材料及 其形變熱處理工藝，屬于金屬合金技術(shù)領(lǐng)域。 技術(shù)背景
[0002] 目前我國架空輸電線路所使用的導(dǎo)線基本上仍舊是傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線，其缺點 是導(dǎo)電率低，大跨度長距離輸電過程中電能損耗大。中強度全鋁合金導(dǎo)線導(dǎo)電率較高 (58. 5%~59% IACS)，其強度僅在250MPa，而高強度全鋁合金強度達(dá)到295MPa，但是其導(dǎo) 電率低（53% IACS)。目前沒有一種全鋁合金導(dǎo)線同時具有高強度與高導(dǎo)電率。合金的強度 與導(dǎo)電率的提高存在矛盾，提高強度導(dǎo)致電導(dǎo)率下降，提高導(dǎo)電率導(dǎo)致強度下降。鋁合金的 微合金化為解決這一矛盾提供理論依據(jù)。國際上對于Al-Sc合金體系的微合金化理論進(jìn)行 大量的研宄，研宄表明在Al基體中添加微量的Sc能夠形成大量彌散分布具有熱力學(xué)穩(wěn)定 Ll2結(jié)構(gòu)的Al3Sc相納米級顆粒，顯著改善鋁合金的力學(xué)性能。Sc的價格非常昂貴，使得含Sc 鋁合金價格大幅增加，難于在工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。Er的價格僅為Sc的1/80-1/100， 相對于Sc來說非常低廉，研宄發(fā)現(xiàn)Er具有與Sc類似的微合金化作用。
[0003] 本申請人對Al-Er合金體系進(jìn)行大量的研宄，微量的Er元素在錯合金中可形成納 米級熱穩(wěn)定Ll 2結(jié)構(gòu)的Al 3Er強化相，并可通過與微量的Zr復(fù)合作用形成Al3(EivxZr x)復(fù) 合相，能夠產(chǎn)生顯著的時效強化效果。Zr元素對鋁合金電導(dǎo)率影響較大，Al-Er-Zr合金導(dǎo) 電率低（55%~59% IACS)。Cu元素對電導(dǎo)率影響相對Zr元素對電導(dǎo)率的影響較小，并且 錯合金中添加過量Er元素時，Er會與Al、Cu元素相互作用，形成Al 8Cu4Er三元金屬間化合 物，消耗合金中Cu元素，降低合金中Cu元素含量，提高合金電導(dǎo)率。對稀土合金化的大量研 宄表明，稀土三元金屬間化合物為脆性相，在軋制過程中低熔點共晶Al 8Cu4Er相被破碎，這 些在基體中彌散分布Al8Cu4Er的相在合金塑性變形過程中可以阻礙位錯的滑移，從而提高 了合金的強度。無論Cu原子固溶在基體產(chǎn)生的固溶強化，還是形成了低熔點共晶Al 8Cu4Er 相，都對開發(fā)高強高電導(dǎo)率耐熱鋁合金導(dǎo)線有積極意義。本發(fā)明正是基于以上考慮設(shè)計了 Al-Er-Cu合金，尋找其合適的成份范圍和相應(yīng)的形變熱處理工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于通過將Cu元素引入Al-Er合金中，在保持鋁合金材料較高導(dǎo)電 率的前提下，將Cu的固溶強化、析出相強化與加工硬化三者強化效果很好地疊加，從而提 高鋁合金導(dǎo)體材料的強度，獲得一種高強高導(dǎo)電率鋁合金導(dǎo)體。
[0005] 本發(fā)明所提供的Al-Er-Cu合金，其特征在于，鋁基體中加入了 0· 22~0· 27% (重 量百分比）的Er，0.55~1.10% (重量百分比）的Cu。
[0006] 本發(fā)明上述合金的制備方法包括以下步驟：
[0007] 在熔煉溫度為770±10°C下，先將高純鋁鋁錠加入到石墨坩堝中保溫，待高純鋁熔 化后，隨后加入八141'、41-(：11中間合金（如41-6^^1'、41-50%(：11中間合金），然后充分?jǐn)?拌，保溫靜置10分鐘，使熔體中各元素成分分布均勻后倒入鐵摸中進(jìn)行澆鑄，得到鑄態(tài)合 金。
[0008] 將鑄態(tài)合金進(jìn)行固溶時效熱處理，其工藝步驟如下：首先鑄態(tài)合金在640±10°C 固溶24小時，隨后水淬到室溫，然后在100~475°C范圍內(nèi)進(jìn)行等時時效（如在100~ 475°C進(jìn)行等時時效，具體過程為每隔25°C保溫3h后取樣，例如KKTC /3h取第一個樣， 100°C /3h+125°C /3h 取第二個樣，100°C /3h+125°C /3h+150°C /3h 取第三個樣，依次類推直 到475°C結(jié)束）。
[0009] 優(yōu)選其中不同含量Cu峰時效熱處理工藝不同。對含Cu量為0.55% (重量百分 比）的Al-Er-Cu合金，其優(yōu)化的熱處理工藝為100~300°C每隔25°C等時退火3小時。對 含Cu量為0.81 % (重量百分比）的Al-Er-Cu合金，其優(yōu)化的熱處理工藝為100~275°C 每隔25°C等時退火3小時。對含Cu量為1.10% (重量百分比）的Al-Er-Cu合金，其優(yōu)化 的熱處理工藝為100~250°C每隔25°C等時退火3小時。
[0010] 然后對Al-Er-Cu合金固溶或峰時效處理后的樣品進(jìn)行冷軋，總變形量為90 %。 將冷軋后的樣品在100~475°c之間每隔25°C等時時效3個小時，或者將冷軋后的樣品在 200 °C等溫退火。
[0011] 本發(fā)明的Al-Er-Cu合金作為導(dǎo)線應(yīng)用。
[0012] 本發(fā)明將微量的Er和Cu添加到Al鋁基體，一方面由于Cu對鋁合金電導(dǎo)率影響 小，保持鋁合金高電導(dǎo)率；另一方面很好地將Cu的固溶強化、析出相強化與加工硬化三者 強化效果疊加，從而提高鋁合金導(dǎo)線的強度。從圖5和6看出形變熱處理后合金最低的導(dǎo) 電率達(dá)到59. 47% IACS，最高的硬度達(dá)到76. 3HV。
【附圖說明】
[0013] 圖I :S1、S2、S3、S4合金100~475°C之間每隔25°C等時3小時退火硬度變化曲 線；
[0014] 圖2 :S1、S2、S3、S4合金100~475°C之間每隔25°C等時3小時退火導(dǎo)電率變化 曲線；
[0015] 圖3 :SR1、SR2、SR3、SR4合金100~475°C之間每隔25°C等時3小時退火硬度變 化曲線；
[0016] 圖4 :SR1、SR2、SR3、SR4合金100~475°C之間每隔25°C等時3小時退火導(dǎo)電率 變化曲線；
[0017] 圖5 :51?1、51?2、六1?2、51?3、六1?3、51?4、六1?4合金200°〇等溫退火硬度變化曲線；
[0018] 圖6 :51?1、51?2、六1?2、51?3、六1?3、51?4、六1?4合金200°〇等溫退火導(dǎo)電率變化曲線；
【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。
[0020] 實例1 :采用石墨坩堝熔煉和鐵模鑄造制備合金鑄錠，所用原料為高純鋁和 Al-6% Er、Al-50% Cu的中間合金。在熔煉溫度為770±10°C下，先將鋁錠熔化，隨后加入 A1-6 % Er、Α1-50 % Cu中間合金，待中間合金熔化后，充分?jǐn)嚢瑁仂o置10分鐘，使熔體中 各元素成份分布均勻后進(jìn)行鐵模澆鑄。制備了 Al-Cu合金和3種不同成分的Al-Er-Cu合 金，如下表1所示。
[0021] 表1實驗合金成分
[0023] 實例2 :對實例1中的Sl合金在500±10°C固溶24小時，水淬到室溫，進(jìn)行100~ 475°C等時退火處理，每隔25°C取一樣。S2、S3、S4合金在640±10°C固溶24小時，水淬到 室溫，同樣進(jìn)行100~475°C等時退火處理，每隔25°C取一樣。圖1給出了合金在不同溫度 下的維氏硬度，從圖中可以看出Sl合金硬度值約28HV，基本沒什么變化，S2合金在300°C 達(dá)到硬度峰值39. 9HV，S3合金在275°C達(dá)到硬度峰值41. 7HV，S4合金在250°C達(dá)到硬度峰 值46. 5HV。說明在Al-Cu中加 Er元素有時效強化效果，并且隨著Cu元素含量的提高，硬度 峰值也隨之不斷提高，同時峰值點所在溫度降低。S4合金固溶態(tài)硬度達(dá)到40. 1HV，相比較 S