高導電率的鋁合金材料及其制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種高導電率的鋁合金材料及其制備方法,該鋁合金包括按一定重量百分數配比的如下元素:銅、稀土元素,余量為鋁。該制備方法為:將鋁鹽、銅鹽、鈣鹽、鈉鹽、稀土元素鹽類混合均勻后,得到混合粉末;將所述混合粉末通過電化學還原法制備出所述高導電率的鋁合金材料。與現有技術相比,本發明具有如下的有益效果:采用本發明提出的方法,鋁合金材料的制備溫度大幅低于基于熔爐熔煉生產方式的制備溫度,可有效節約能耗;本發明是基于電化學還原的方法制備鋁合金材料,具有產物純度高,制備過程中無需除渣等優點;由于鋁合金中含有銅和稀土元素,對提高其導電率具有重要意義。
【專利說明】
高導電率的鋁合金材料及其制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種高導電率的鋁合金材料及其制備方法,屬于金屬材料技術領域。
【背景技術】
[0002]由于鋁合金具有輕質高強、耐蝕性能良好等突出優點,因此近年來以鋁合金為代表的輕金屬受到了產業界和學術界的廣泛關注。目前鋁合金種類繁多,隨著科技的進步,人們對其功能要求也越來越高,兼具綜合優良力學和功能特性的新型鋁合金有待研發。尤為值得一提的是,具有高導電率的鋁合金材料在高壓架空輸電線路、設備用導線和防雷接地等領域具有十分重要的潛在應用價值。
[0003]公告號CN102978491B的中國專利《電纜用高導電鋁合金導體材料及其制造方法》、導線》、公開號CN105087969A的中國專利《一種高導電鋁合金線材》、公告號CN103014424B的中國專利《一種高導電招合金線材及其制備方法》、公開號CNl05316548A的中國專利《一種高導電率的鋁合金導線》、公告號CN103276261B的中國專利《一種高導電率鋁合金的制備方法》、公開號CN104538116A的中國專利《一種高強度、高導電率鋁合金導線的生產方法》、公告號CN102903415B的中國專利《一種異型耐氧化高導電率鋁合金碳纖維導線及制造方法》、公告號CN103667801B的中國專利《用于電力輸送系統的超高導電率鋁合金導線的制備方法》、公開號CN105154723A的中國專利《用于鋁合金電纜接線端子的高導電率抗蠕變鋁合金材料》、公開號CNl 04805334A的中國專利《中強度高導電率鋁合金材料》、公告號CNlO 1423908B的中國專利《高導電性高強度耐熱鋁合金導線及其制造方法》、公告號CN101770828B的中國專利《一種高導電非熱處理型稀土耐熱鋁合金導體材料》、公告號CN103045915B的中國專利《一種高導電率中強耐熱鋁合金單絲及其制備方法》等記載了高導電率鋁合金材料的制備方法。以上專利所記載的鋁合金材料的制備都是采用在熔煉爐中向鋁液中添加合金元素的方式來實現的,往往存在雜質難分離、成分偏析、微觀組織不均勻等缺陷,而且熔爐熔煉的生產方式所需溫度很高、會消耗大量能源、降低能源利用率。
【發明內容】
[0004]針對現有技術中的缺陷,本發明的目的是提供一種高導電率的鋁合金材料及其制備方法。
[0005]本發明是通過以下技術方案實現的:
[0006]第一方面,本發明提供了一種高導電率的鋁合金材料,其包括按重量百分數計的如下元素:銅:I?5%、稀土元素:0.01?0.05%,余量為招和不可避免的雜質。若銅和稀土的含量低于所述范圍,將對提高鋁合金材料的導電率無明顯貢獻;若銅和稀土的含量高于所述范圍,將對鋁合金材料的其他性能如強度等有不利影響。
[0007]第二方面,本發明還提供了一種如前述的高導電率的鋁合金材料的制備方法,其包括如下步驟:
[0008]將鋁鹽、銅鹽、鈣鹽、鈉鹽、稀土元素鹽類混合均勻后,得到混合粉末;
[0009]將所述混合粉末通過電化學還原法制備出所述高導電率的鋁合金材料。
[0010]作為優選方案,所述電化學還原法具體包括如下操作:
[0011 ]將石墨沉積槽置于坩禍底部,將所述混合粉末倒入坩禍內,并使混合粉末覆蓋石墨沉積槽;
[0012]將石墨棒置于坩禍內,使所述石墨棒與混合粉末充分接觸,且避免石墨棒與石墨沉積槽相接觸;
[0013]將坩禍放入加熱爐中,以石墨棒作為陽極、石墨沉積槽作為陰極,與直流電源連接形成回路;
[0014]將坩禍加熱至250?450°C,并通直流電,進行保溫后,即在石墨沉積槽表面得到所述高電導率的鋁合金材料。
[0015]作為優選方案,所述坩禍的材質為耐高溫的不導電材料,如陶瓷、氧化鋁等。
[0016]作為優選方案,所述直流電的電流密度為10?15A/dm2。若電流密度高于15A/dm2,將會使得制備的鋁合金材料表面出現嚴重的枝晶,降低其表面質量;若電流密度低于1A/dm2,由于電化學還原反應動力學速度過慢,會使得鋁合金材料的制備效率過低。
[0017]作為優選方案,所述保溫的時間為6?10小時。
[0018]作為優選方案,所述鋁鹽為氯化鋁,所述銅鹽為氯化銅,所述鈣鹽為氯化鈣,所述鈉鹽為氯化鈉,所述稀土元素鹽類包括氯化鑭和氯化鈰中的至少一種。
[0019]作為優選方案,所述氯化鋁的摩爾百分數為25?40%,所述氯化銅的摩爾百分數為2?5%,所述稀土元素鹽類的摩爾百分數占I?6%,所述氯化鈣的摩爾百分數為25?35%,所述氯化鈉的摩爾百分數為25?35%。
[0020]作為進一步優選方案,所述稀土元素鹽類為氯化鈰或氯化鑭時,其摩爾百分數為I?3% ;所述稀土元素鹽類為氯化鈰和氯化鑭的混合物時,其摩爾百分數為2?6%。
[0021]與現有技術相比,本發明具有如下的有益效果:
[0022]1、采用本發明提出的方法,鋁合金材料的制備溫度大幅低于基于熔爐熔煉生產方式的制備溫度,可有效節約能耗;
[0023]2、本發明是基于電化學還原的方法制備鋁合金材料,即直接將熔融鹽中的鋁元素、銅元素和稀土元素以合金的形式沉積到石墨沉積槽表面,具有產物純度高,制備過程中無需除渣等優點;
[0024]3、所得合金材料的晶粒較細,可達I微米至10微米;
[0025]4、由于鋁合金中含有銅和稀土元素,對提高其導電率具有重要意義;
[0026]5、此外,鋁合金中的銅和稀土的含量可通過改變混合粉末的配方來調節。
【具體實施方式】
[0027]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。
[0028]實施例1
[0029]配制含有摩爾百分數為27%的氯化鋁、摩爾百分數為2%的氯化銅、摩爾百分數為1%的三氯化鑭、摩爾百分數為35%的氯化鈣、摩爾百分數為35%的氯化鈉組成的混合物粉末。將石墨沉積槽放置于陶瓷坩禍底部,將已配置的混合物粉末倒入陶瓷坩禍中并覆蓋沉積槽。將一根石墨棒插入坩禍中,并充分接觸混合粉末,同時避免石墨棒與石墨沉積槽接觸。將坩禍放入加熱爐中,將石墨棒作為陽極、石墨沉積槽作為陰極與直流電源連接形成回路。將坩禍加熱至250°C,打開直流電源開關,調節電流密度至15A/dm2,保溫10小時。依次關閉直流電源和加熱爐,冷卻至室溫,將坩禍從爐內取出,將石墨沉積槽從坩禍中取出,即可在石墨沉積槽表面獲得鋁銅稀土合金材料。
[0030]實施效果:經檢測,本實施例制得的鋁銅稀土合金材料中的鋁、銅、鑭的質量分數分別為98.99%、1%、0.01%,其中,鋁含有不可避免的雜質。制得的鋁銅稀土材料的導電率為 63.2% IACS0
[0031]實施例2
[0032]配制含有摩爾百分數為25%的氯化鋁、摩爾百分數為5%的氯化銅、摩爾百分數為2%的三氯化鈰、摩爾百分數為34%的氯化鈣、摩爾百分數為34%的氯化鈉組成的混合物粉末。將石墨沉積槽放置于氧化鋁坩禍底部,將已配置的混合物粉末倒入陶瓷坩禍中并覆蓋沉積槽。將一根石墨棒插入坩禍中,并充分接觸混合粉末,同時避免石墨棒與石墨沉積槽接觸。將坩禍放入加熱爐中,將石墨棒作為陽極、石墨沉積槽作為陰極與直流電源連接形成回路。將坩禍加熱至300°C,打開直流電源開關,調節電流密度至12A/dm2,保溫8小時。依次關閉直流電源和加熱爐,冷卻至室溫,將坩禍從爐內取出,將石墨沉積槽從坩禍中取出,即可在石墨沉積槽表面獲得鋁銅稀土合金材料。
[0033]實施效果:經檢測,本實施例制得的鋁銅稀土合金材料中的鋁、銅、鈰的質量分數分別為94.97%、5%、0.03%,其中,鋁含有不可避免的雜質。制得的鋁銅稀土材料的導電率為 63.9% IACS0
[0034]實施例3
[0035]配制含有摩爾百分數為40%的氯化鋁、摩爾百分數為5%的氯化銅、摩爾百分數為2%的三氯化鑭、摩爾百分數為3%的氯化鈰、摩爾百分數為25%的氯化鈣、摩爾百分數為25%的氯化鈉組成的混合物粉末。將石墨沉積槽放置于氧化鋁坩禍底部,將已配置的混合物粉末倒入氧化鋁坩禍中并覆蓋沉積槽。將一根石墨棒插入坩禍中,并充分接觸混合粉末,同時避免石墨棒與石墨沉積槽接觸。將坩禍放入加熱爐中,將石墨棒作為陽極、石墨沉積槽作為陰極與直流電源連接形成回路。將坩禍加熱至450°C,打開直流電源開關,調節電流密度至ΙΟΑ/dm2,保溫6小時。依次關閉直流電源和加熱爐,冷卻至室溫,將坩禍從爐內取出,將石墨沉積槽從坩禍中取出,即可在石墨沉積槽表面獲得鋁銅稀土合金材料。
[0036]實施效果:經檢測,本實施例制得的鋁銅稀土合金材料中的鋁、銅、鑭、鈰的質量分數分別為96.95%、3%、0.02%、0.03%,其中,鋁含有不可避免的雜質。制得的鋁銅稀土材料的導電率為63.6%IACS。
[0037]實施例4
[0038]配制含有摩爾百分數為41.5%的氯化鋁、摩爾百分數為3.5%的氯化銅、摩爾百分數為2%的三氯化鑭、摩爾百分數為3%的氯化鈰、摩爾百分數為25%的氯化鈣、摩爾百分數為25%的氯化鈉組成的混合物粉末。將石墨沉積槽放置于氧化鋁坩禍底部,將已配置的混合物粉末倒入氧化鋁坩禍中并覆蓋沉積槽。將一根石墨棒插入坩禍中,并充分接觸混合粉末,同時避免石墨棒與石墨沉積槽接觸。將坩禍放入加熱爐中,將石墨棒作為陽極、石墨沉積槽作為陰極與直流電源連接形成回路。將坩禍加熱至450°C,打開直流電源開關,調節電流密度至ΙΟΑ/dm2,保溫6小時。依次關閉直流電源和加熱爐,冷卻至室溫,將坩禍從爐內取出,將石墨沉積槽從坩禍中取出,即可在石墨沉積槽表面獲得鋁銅稀土合金材料。
[0039]實施效果:經檢測,本實施例制得的鋁銅稀土合金材料中的鋁、銅、鑭、鈰的質量分數分別為97.96%、2%、0.02%、0.02%,其中,鋁含有不可避免的雜質。制得的鋁銅稀土材料的導電率為63.6%IACS。
[0040]對比例I
[0041]本對比例涉及一種高導電非熱處理型稀土耐熱鋁合金導體材料,該高導電非熱處理型稀土耐熱鋁合金導體材料主要由以下六種元素組成:鋁、鋯、鉺、釔、鐵和鈦,各種元素的質量百分比如下:鋯為0.03%,鉺為0.18%,釔為0.15%,鐵為0.12%,鈦為0.03%,雜質元素硅為0.06%,其他雜質含量為0.072% (雜質為鎵、鎂、鋅、銅、錳,鉻),其余為鋁。
[0042]本對比例中的高導電非熱處理型稀土耐熱鋁合金導體材料,可采用如下工藝制備:先將純度為99.7wt %的鋁錠放在熔爐中溶化,鋁液溫度為730°C,進行爐前化學分析,雜質元素硅<0.06%,其他雜質含量<0.10%,然后在保溫爐溫度為750°C時添加鋁鋯合金、鋁鉺合金、鋁釔合金、鋁鐵合金以及鋁鈦合金,使元素鋯、鉺、釔、鐵、鈦分別占熔體總質量的
0.03%、0.18%、0.15%、0.12%、0.03%,再保溫501^11,然后澆鑄乳制成型,得高導電非熱處理型稀土耐熱鋁合金導體材料。
[0043]實施效果:所制的高導電非熱處理型稀土耐熱鋁合金導體材料,導電率60.3%IACS0
[0044]綜上所述,本發明的優點在于:
[0045]采用本發明提出的方法,鋁合金材料的制備溫度大幅低于基于熔爐熔煉生產方式的制備溫度,可有效節約能耗;基于電化學還原的方法制備鋁合金材料,即直接將熔融鹽中的鋁元素、銅元素和稀土元素以合金的形式沉積到石墨沉積槽表面,具有產物純度高,制備過程中無需除渣等優點;所得合金材料的晶粒較細,可達I微米至10微米;由于鋁合金中含有銅和稀土元素,對提高其導電率具有重要意義;此外,鋁合金中的銅和稀土的含量可通過改變混合粉末的配方來調節。
[0046]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。
【主權項】
1.一種高導電率的鋁合金材料,其特征在于,包括按重量百分數計的如下元素:銅:1?5%、稀土元素:0.0l?0.05%,余量為招和不可避免的雜質。2.—種如權利要求1所述的高導電率的鋁合金材料的制備方法,其特征在于,包括如下步驟: 將鋁鹽、銅鹽、鈣鹽、鈉鹽、稀土元素鹽類混合均勻后,得到混合粉末; 將所述混合粉末通過電化學還原法制備出所述高導電率的鋁合金材料。3.如權利要求2所述的高導電率的鋁合金材料的制備方法,其特征在于,所述電化學還原法具體包括如下操作: 將石墨沉積槽置于坩禍底部,將所述混合粉末倒入坩禍內,并使混合粉末覆蓋石墨沉積槽; 將石墨棒置于坩禍內,使所述石墨棒與混合粉末充分接觸,且避免石墨棒與石墨沉積槽相接觸; 將坩禍放入加熱爐中,以石墨棒作為陽極、石墨沉積槽作為陰極,與直流電源連接形成回路; 將坩禍加熱至250?450°C,并通直流電,進行保溫后,即在石墨沉積槽表面得到所述高電導率的鋁合金。4.如權利要求3所述的高導電率的鋁合金材料的制備方法,其特征在于,所述直流電的電流密度為10?15A/dm2。5.如權利要求3所述的高導電率的鋁合金材料的制備方法,其特征在于,所述保溫的時間為6?10小時。6.如權利要求2或3所述的高導電率的鋁合金材料的制備方法,其特征在于,所述鋁鹽為氯化鋁,所述銅鹽為氯化銅,所述鈣鹽為氯化鈣,所述鈉鹽為氯化鈉,所述稀土元素鹽類包括氯化鑭和氯化鈰中的至少一種。7.如權利要求6所述的高導電率的鋁合金材料的制備方法,其特征在于,所述氯化鋁的摩爾百分數為25?40%,所述氯化銅的摩爾百分數為2?5%,所述稀土元素鹽類的摩爾百分數占I?6%,所述氯化鈣的摩爾百分數為25?35%,所述氯化鈉的摩爾百分數為25?35%。8.如權利要求7所述的高導電率的鋁合金材料的制備方法,其特征在于,所述稀土元素鹽類為氯化鈰或氯化鑭時,其摩爾百分數為I?3%;所述稀土元素鹽類為氯化鈰和氯化鑭的混合物時,其摩爾百分數為2?6%。
【文檔編號】C22C21/12GK105908031SQ201610315638
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月12日
【發明人】鐘澄, 顧月坤, 鄧意達, 韓曉鵬, 胡文彬
【申請人】天津大學