專利名稱：高導電率高硅鋁基合金及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種制備高導電率高硅鋁基合金的方法。
背景技術：
一直以來，銅及銅合金因為其優良的導電性能， 一直被看是制造導電材料的首選，但是隨著全球銅資源量的急劇減少和日趨殆盡，銅的交易價格開始飛速上漲。根據最新資料顯示，目前每噸銅的交易價格達到7000美元左右，如此高額的投資成本致使銅導線等產品的價格上漲，使得世界電力工作者清醒地認識到改善或者尋找一種新的電力輸送線路的重要性和緊迫性。而且銅價的飛漲，也使得國內外眾多大中型制造加工企業，紛紛開始尋找銅及其合金的替代品。
相比較，目前每噸工業鋁的市場交易價格僅為2800美元左右，因此，尋找一種替代銅合金的鋁合金材料成為世界矚目的焦點問題。
我國在20世紀80年代曾開展過這方面的研究工作，但是都是集中高純度鋁合金方向，即一味追求降低鋁合金中雜質元素的含量(Si，Fe，Ti，Cu等〈P/。)，以期提高導電率。因此，許多廠家不得不采用Si含量較低的進口鋁與國產鋁混摻的方法，將Si含量降到0.08M wt以下，然后再用硼化處理去除進口鋁中引入的Ti、 Cr、 Mn等雜質元素。顯然，這種做法既不經濟也不合理，雖然高純度鋁硅合金滿足了導電性要求(IACS〉45%),但是由于合金中硅含量過低，導致合金強度低下、耐磨性不高，仍然無法滿足長距離輸電的要求。但是，目前正是我國和世界經濟發達國家的電力工業飛速發展的黃金時期，大容量導線是在全球電力行業的需求正不斷增長，新線路輸電容量不斷增大，老線路增容改造迫在眉睫。因此，制備一種高硅高導電性鋁合金的意義和重要性不言而喻。
近些年來，許多發達國家也開始積極探索高硅鋁合金導電性能的問題，并且研究出一批具有某種特性的導電鋁合金，如美國的5005合金，8076合金；瑞士的Ductalex合金；意大利的Alhoflex等。其中以日本在該領域的研究最為活躍，先后發展了高強度鋁、超耐熱鋁等，但這些熱點基本上集中于發展特殊用途的鋁合金為目的，真正提高高硅鋁合金導電性能，探索高硅鋁合金導電機理的并不多。相對于國外，我國對于高硅鋁合金導電性能方面的探索研究更少，國內科研機構對于高硅鋁合金的研究大多側重如何提高硅元素在鋁基體中溶解度，如何提高高硅鋁合金的強度、耐摩性、耐熱性等方面。而且，國內科研機構目前只一味的強調利用高硅鋁合金在電子封裝材料方面熱膨脹系數小、耐摩擦等優勢，卻忽視了如何提高高硅鋁合金導電率，使其滿足工業用導線導電率，使其用于輸電線路。
因此，通過對對高硅鋁合金導電機理的深入研究，找出硅元素降低鋁基體導電率的根本原因，從而采用簡便易行的制備方法得到高導電率的高硅鋁合金，再加上高硅含量鋁合金本身良好的強度，耐摩性等良好機械性能，那么將來，用性能優異的高硅鋁合金代替目前輸電行業中昂貴的銅導線將不是問題。
發明內容
本發明根據現有技術中的不足，提供一種易制備，具有良好導電率，力學性能和熱穩定性能的高硅鋁基合金材料。
為實現上述目的，本發明通過以下技術方案實現-
一種制備高導電率高硅鋁基合金的方法，其特征在于，包括如下步驟
a、 用純A1、 Si、 M合金熔煉得到預制合金Al-aSi-bM，其中，M為稀土、 Nb、 Fe、 Cu、Zr、 Ti、 V、 Cr中的一種或幾種，5《a《60' 0. 1《b《10;
b、 將得到的預制合金Al-aSi-bM放入真空感應熔煉爐中，熔煉完畢，再用氮-氬混合氣體保護將熔融態Al-aSi-bM母合金噴射成型；
C、將噴射成型態Al-aSi-bM合金放入熱擠壓機中擠壓成型；d、 對熱擠壓后得到的Al-aSi-bM合金進行多道次冷軋。
所述的鋁基合金母合金的表達式為Al-aSi-bM，其中a、 b為以100份鋁基合金總重量份數為基礎計，Si和M分別占有的重量份數，a為5-60， b為0.1-10，余量為Al。
步驟a中，所用的鋁和硅的原料純度在99.5%以上，若M為Nb、 Fe、 Cu、 Zr、 Ti、 V、Cr元素中的任意一種，Nb、 Fe、 Cu、 Zr、 Ti、 V、 Cr原料純度不低于99%，若M選取稀土元素，則為混合稀土，主要合金元素Ce占混合稀土質量40。/。以上。以純鋁粉、硅的塊材、M的塊材為原料，各元素按所需的質量百分比配成原料后，通過真空熔煉爐制得預制合金Al-Si-M.。
步驟b中，感應熔煉采用中頻感應加熱，加熱功率為5 20kW，溫度為1000-1200°C，噴射成型設備采用雙層非限制式氣流霧化噴嘴、噴嘴直徑為3-4mm、斜拉角度為37° 、偏心距為30mm、熔體質量流率為6 8kg/ min、保護氣體壓強為0. 6-0. 8MPa、石英玻璃管內的真空度為l(T3~l(T4Pa。
所述的步驟c中，Al-Si-M合金粉末擠壓溫度為300~310°C，擠壓載荷為200~400MP， 擠壓時間為3~4h，擠壓次數為1~5次。
所述的步驟c中，先逐步加壓到200-400MP穩定的壓力，然后升溫至粉末熔點溫度(Tm， °C)的50%-60%，保溫3 4個小時后降溫冷軋。
所述的步驟d中，室溫下先逐步壓至70 150KN穩定的壓力，維持1 2個小時，然后 撤掉壓力。冷變形需要持續l-2個小時。
本發明整體技術方案的工作原理為通過噴射成型工藝制備的高硅基鋁合金在稀土的變 質作用和超音速冷凝的條件下，會生成大量的彌散分布的細小稀土鋁硅化合物，并且基體 中初晶硅的尺寸也明顯細化，呈球狀分布。這種方法降低了鋁硅固溶體的固溶度，大大減 小了鋁基體晶格的畸變，從而減小了電子的散射性，因此導電率有明顯提高。
本發明制備的高硅鋁基合金的導電率在45。/。IACS以上，滿足工業輸電行業導線應用標 準(大于40。/。IACS)。說明制備的合金具有良好的導電能力。
具體實施方式
實施例1
將純度不低于99.5n/。的純Al、 Si按所需的原子百分比配成原料，將Ce元素含量為45c/。 的混合稀土按所需的原子百分比配成原料，在真空熔煉爐中制得預制合金Al-20Si-0.35Re; 將預制合金Al-20Si-0.35Re放入真空感應熔煉爐中，在氬氣-氮氣保護噴射成型，熔煉溫度 為1000'C，保護氣壓強為0. 8MPa，噴嘴直徑為3-4mm、斜拉角度為37° 、偏心距為30mm、 熔體質量流率為6 8kg/min;將噴射成型合金Al-20Si-0.35Re放入熱擠壓機中，擠壓溫度 300°C,壓力300MP下進行1次熱擠壓，每次保溫壓制4h。在室溫下，壓力70MP下進行 2次冷軋，每次壓制2h，壓制得到長度80mm，寬度40mm，厚度3mm的長方體鋁基合金。 該合金的導電率采用橋式電阻儀測量，結果見下表。 實施例2
技術方案如實施例l，制備成分為Al-20Si-0.35Re的高硅鋁基合金。該方案是由熱擠壓 次數由2次代替1次,壓力350MP代替300MP。用實施例1所述的技術方案制備長度80mm， 寬度40mm，厚度3mm的長方體鋁基合金。合金的導電率采用橋式電阻儀測量，結果見下 表。實施例3
技術方案如實施例l，制備成分為Al-20Si-0.35Re的高硅鋁基合金。該方案是由熱擠壓 次數由3次代替1次，壓力400MP代替300MP。用實施例1所述的技術方案制備長度80mm， 寬度40mm，厚度3mm的長方體鋁基合金，該合金的導電率采用橋式電阻儀測量，結果見 下表。
實施例4
技術方案如實施例1，制備成分為Al-5Si-0.35 Nb的高硅鋁基合金。用實施例1所述的 技術方案制備長度80mm，寬度40mm，厚度3mm的長方體鋁基合金。合金的導電率采用 橋式電阻儀測量，結果見下表。 實施例5
技術方案如實施例1，制備成分為Al-60Si-0.35 Zr的高硅鋁基合金。用實施例1所述 的技術方案制備長度80mm，寬度40mm，厚度3mm的長方體鋁基合金。合金的導電率采 用橋式電阻儀測量，結果見下表。
實施例6
技術方案如實施例1，制備成分為Al-20Si-0.1 V的高硅鋁基合金。用實施例1所述的 技術方案制備長度80mm,寬度40mm，厚度3mm的長方體鋁基合金。合金的導電率采用 橋式電阻儀測量，結果見下表。
實施例7
技術方案如實施例1，制備成分為Al-20Si-10 Cr的高硅鋁基合金。用實施例1所述的 技術方案制備長度80mm，寬度40mm，厚度3mm的長方體鋁基合金。合金的導電率采用 橋式電阻儀測量，結果見下表。
實施例l一7制備的高硅鋁基合金成分配比與導電率參數表
實施例電阻率/Q,m10扁
20.023
30.020
40.018
0.048
60.0380.047
上述實施例僅用于對本發明進行說明，并不構成對權利要求范圍的限制，本領域技術人 員可以想到的其他實質等同手段，均在本發明權利要求范圍內。
權利要求
1. 一種制備高導電率高硅鋁基合金的方法，其特征在于，包括如下步驟a、用純Al、Si、M合金熔煉得到預制合金Al-aSi-bM，其中，M為稀土、Nb、Fe、Cu、Zr、Ti、V、Cr中的一種或幾種，5≤a≤60，0.1≤b≤10；b、將得到的預制合金Al-aSi-bM放入真空感應熔煉爐中熔煉，熔煉完畢，再用氮-氬混合氣體保護將熔融態Al-aSi-bM母合金噴射成型；c、將噴射成型態Al-aSi-bM合金放入熱擠壓機中擠壓成型；d、對熱擠壓后得到的Al-aSi-bM合金進行多道次冷軋。
2. 如權利要求l所述制備高導電率高硅鋁基合金的方法，其特征在于，步驟a中，所用的鋁和硅的原料純度在99.5%以上，當M為Nb、 Fe、 Cu、 Zr、 Ti、 V、 Cr元素中的任意一 種時，Nb、 Fe、 Cu、 Zr、 Ti、 V、 Cr原料純度不低于99%，當M選取稀土元素，則為混 合稀土，主要合金元素Ce占混合稀土質量的40%以上。
3. 如權利要求l所述制備高導電率高硅鋁基合金的方法，其特征在于，步驟b中，感應熔 煉采用中頻感應加熱，加熱功率為5 20kW，溫度為1000-1200°C。
4. 如權利要求l所述制備高導電率高硅鋁基合金的方法，其特征在于，步驟b中，噴射成 型設備采用雙層非限制式氣流霧化噴嘴。
5. 如權利要求4所述制備高導電率高硅鋁基合金的方法，其特征在于，所述噴射成型設備 的噴嘴直徑為3-4mm、熔體質量流率為6 8kg/ min。
6. 如權利要求l所述制備高導電率高硅鋁基合金的方法，其特征在于，步驟b中，保護氣 體壓強為0. 6-0. 8MPa，真空感應熔煉爐內的真空度為l(T3~l(T4Pa。
7. 如權利要求l所述制備高導電率高硅鋁基合金的方法，其特征在于，所述的步驟c中，Al-aSi-bM合金粉末擠壓溫度為300~310°C，擠壓載荷為200~400MP，擠壓時間為3~4h， 擠壓次數為1~5次。
8. 如權利要求l所述制備高導電率高硅鋁基合金的方法，其特征在于，所述的步驟c為，先逐步加壓到200-400MP穩定的壓力，然后升溫至粉末熔點溫度的50%-60%處熱壓， 保溫3 4個小時后降溫冷軋。
9. 如權利要求l所述制備高導電率高硅鋁基合金的方法，其特征在于，所述的步驟d中， 室溫下先逐步壓至70 150KN穩定的壓力，維持1 2個小時，然后撤掉壓力。
10. —種高導電率高硅鋁基合金，由權利要求1-9中任一權利要求所述制備高導電率高 硅鋁基合金的方法制得。
全文摘要
本發明公開了一種高導電率鋁高硅鋁基合金及其制備方法，其制備包括如下步驟a.用純Al、Si、M合金熔煉得到預制合金Al-aSi-bM，其中，M為稀土、Nb、Fe、Cu、Zr、Ti、V、Cr中的一種或幾種，5≤a≤60，0.1≤b≤10；b.將得到的預制合金Al-aSi-bM放入真空感應熔煉爐中熔煉，熔煉完畢，再用氮-氬混合氣體保護將熔融態Al-aSi-bM母合金噴射成型；c.將噴射成型態Al-aSi-bM合金放入熱擠壓機中擠壓成型；d.對熱擠壓后得到的Al-aSi-bM合金進行多道次冷軋。采用本發明中的工藝方法，在獲得優良高導電率性能的高硅鋁基合金的同時，大大簡化工藝，降低成本，有利于批量化生產和應用的推廣。
文檔編號B23P17/00GK101456122SQ20081020459
公開日2009年6月17日 申請日期2008年12月15日 優先權日2008年12月15日
發明者彪 嚴, 安建軍 申請人:同濟大學