专利名称：高延伸率铝合金材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于有色金属材料领域，具体涉及一种高延伸率铝合金材料 及其制备方法。
背景技术：
目前电线电缆大部分采用铜作为导体，由于铜资源匮乏、铜价过高 以及铜缆安装成本高从而限制了电线电缆的发展。因为铝资源丰富且成 本低，以铝代替铜作为导体用于电线电缆将是一种趋势。但是用普通电 工铝作为导体时电线电缆的延伸率、柔韧性和抗蠕变性能都较差，且使 用安全稳定性低，因而使用普通电工铝代替铜作为导体无法满足电线电 缆发展的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种高延伸率铝合金材料，采用本发明中的铝 合金作为导体时电线电缆具有较高的延伸率，且使用安全稳定性高。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案 一种高延伸率铝合 金材料，按重量百分比含量，其包括下列组分0. 30 1. 20%的铁，0. 03 0. 10%的硅，0.01 0.30%的稀土元素，余量为铝以及不可避免的杂质。
本发明的另外一个目的是提供一种制备高延伸率铝合金材料的方
法，包括如下步骤
1) 熔铸
先加92 98重量份的铝和0. 73 5. 26重量份的铝铁合金，加热至 710 75(TC熔化；再加热至720 760°C，投加1 3重量份的稀土铝合 金以及0. 17 0. 67重量份的硼铝合金；随后投加0. 04 0. 06重量份的 精炼剂精炼8 20分钟；然后静置保温20 40分钟后，进行铸造；
2) 半退火处理
铸造所得铝合金体在280 380'C下保温4 10个小时，然后取出自 然冷却至环境温度。所述铝合金材料还包括不可避免的杂质元素，按照重量百分比含
量，铝合金中的杂质的总含量<0.3%。
进一步的，杂质中钙的含量<0.02%，其它单种杂质元素的含量< 0.01%,以降低杂质元素对铝合金导电率的影响。
本发明所得的高延伸率铝合金为新型的Al-Fe系合金材料，具有如 下优点
1) 本发明中铁的含量控制在0.30 1.20%之间，能提高铝合金的强 度，同时还提高了铝合金的抗蠕变性和热稳定性，抗蠕变性相对普通电 工用铝提高300%;而且铁还能使铝合金的韧性增强，保证了铝合金在紧 压绞制过程中的紧压系数达到0.93以上，而普通电工用铝是无法达到 的，用这种铝合金制成的紧压线芯相比于同等导体外径条件下的普通电 工用铝导体，能增大导体截面，提高导体的导电性能和增加导体的稳定 性并且能节约加工成本。
2) 本发明中硅的含量控制在0.03%-0. 10%之间，保证了一定量的硅 对铝合金强度的增强作用。
3) 本发明中的稀土元素能降低硅的含量，从而将铁、尤其是硅对 铝合金导电率的影响减小至非常低的水平，同时稀土元素的加入还改善 了铝合金材料中晶体的组织结构，提高了铝合金的工艺性能，有利于铝 合金的加工处理。
4) 本发明中的稀土元素以铈和镧为主，能够良好的实现3)中的性能。
5) 本发明中的硼元素可与Ti、 V、 Mn、 Cr等杂质元素反应，形成 化合物后被沉淀排除，从而降低Ti、 V、 Mn、 Cr等杂质元素对铝合金导 电率的影响，有利于提高铝合金的导电率。
6) 本发明中制备铝合金时对合金材料进行了半退火处理，改善了 拉制、绞制过程中应力作用对导体组织结构的不利影响，使导电率达到 甚至超过6线IACS (普通电工用铝导体的导电率标准是6iy。IACS)，同时
5退火处理能极大的提高铝合金的延伸率和柔韧性，本发明的铝合金制成
的电缆的延伸率达到30%，柔韧性比铜缆高25%，弯曲半径仅为7倍外
径，而铜缆的弯曲半径为15倍外径。
具体实施例方式
实施例1:
一、熔铸工艺
1、 配料
5100kg的铝锭(0.07%Si含量，0. 13%Fe含量)、40.4kg铝铁合金 (22%Fe含量)、5. 6kg稀土铝合金(10%稀土含量)、8. 8kg硼铝合金(3. 5% B含量)、2. 3kg精炼剂(23%Na3Al.F6+47%KCl+30%NaCl)。
2、 加料方式
加料时铝铁合金随铝锭搭配均匀分批地从冲天炉加入，以保证成分 尽可能的均匀。
3、 保温工艺
铝合金液体流入保温炉时温度控制在710 750°C;向前述铝合金液 体中加入稀土铝合金和硼铝合金时温度应提升至720 760°C，且温度不 得超过760°C，此时升高温度有利于稀土铝合金和硼铝合金的熔融，从 而提高了稀土和硼的处理效果。
4、 稀土处理和硼化处理
4. 1保温炉铝合金液体充满前30分钟加入1/3稀土铝合金。
4. 2保温炉铝合金液体充满前5分钟加入其余2/3稀土铝合金和硼
^口 A全 节口 n五o
在不同时间段内加入稀土铝合金和硼铝合金是为了使稀土和硼元 素能充分发挥作用，提高其作用效果。
4. 3稀土铝合金和硼铝合金投加的位置在保温炉内均匀的分布。
5、 精炼(除渣、除气、搅拌、扒渣)
5.1为了保证整炉铝合金液体的成分分布均匀，应对铝合金液体进行搅拌，并搅拌到炉的边角，搅拌时间为5分钟。
5、 2当铝合金液体充满炉后，通过管道由高纯度氮气将2. 3kg的粉 末精炼剂(23%Na3Al'F6+47%KCl+30%NaCl)吹入铝合金液体底部，吹入 口应在铝合金液体的底部移动，使气体及夹渣物沿铝合金液体的表面均 匀地上浮，时间为3 5分钟。上浮的氧化铝渣应全部扒出炉外，以尽 量减少精炼剂所引入的新杂质。
6、 炉前快速分析及静置保温
当扒渣后的铝合金液体的铁含量符合要求时，静置时间20 40分钟。
7、 连铸连轧工艺控制 7. 1温度控制
7. 1. 1上浇包温度720 730°C 7. 1. 2进轧机铸条温度450 490°C 7. 1. 3铝杆终轧温度30(TC左右 7. 2连铸机冷却水的控制
连铸轮内外水量之比3: 2， 二次冷却水量根据铸条温度作适当调整。 7. 3铸机电压60 90V
7. 4轧机电流:200 280A;轧机速度7. 5 8. 5m/min。 二、半退火工艺
由铝合金材料轧制成的铝合金杆在退火炉中，于28(TC 30CTC下保 温10个小时，然后取出自然冷却至环境温度。
由此获得的铝合金材料，按照重量百分含量，包含下述组分 FeO. 3%、 SiO. 03%、 CeO. 008%、 La0. 002%、 B0. 005%、 Ca0. 015%、 Cu0. 002%、 Mg0. 005%、 Zn0.002%、 Ti0. 002%、 V0, 005%、 Mn0. 002%、 Cr0.00iy。，其余 为Al。
由于硼(B)元素与Ti、 V、 Mn、 Cr等杂质元素反应，形成化合物 后被沉淀排除，因此最终所得的铝合金材料中硼元素的含量低于实际加入的量。
由上述可见，铝合金材料中的杂质含量合计<0.3%，除Ca〈0.02呢 外，其它单种杂质元素的含量均<0.01%。
本实例中高延伸率铝合金材料的性能检测数据如下-
抗拉强度、延伸率的检测按照ASTM B577所述的试验方法，导电率
检测按照ASTM B193所述的试验方法，柔韧性按照GB 12706. 1所述的 "弯曲试验后的局部放电试验"的试验方法，蠕变按照《电线电缆》手
册蠕变试验的方法。
本实例高延伸率铝合金材料的性能为抗拉强度106MPa、延伸率
28%、导电率63.0Q/。IACS、 6倍弯曲半径后局部放电试验合格、抗蠕变相
对电工用铝提高310%。
实施例2
一、熔铸工艺
1、 配料
5110kg的铝锭(0.10%Si含量，0.13%Fe含量)、258kg铝铁合金 (23.2。/。Fe含量)、166.5kg稀土铝合金(9.8%稀土含量)、10kg硼铝合 金(3. 3°認含量)、2. 3kg精炼剂(23%Na3Al.F6+47%KCl+30%NaCl)
2、 加料方式
加料时铝铁合金随铝锭搭配均匀分批地从冲天炉加入，以保证成分 尽可能的均匀。
3、 保温工艺
铝合金液体流入保温炉时温度控制在710 750°C;向前述铝合金液 体中加入稀土铝合金和硼铝合金时温度应提升至720 760°C，且温度不 得超过760°C，此时升高温度有利于稀土铝合金和硼铝合金的熔融，从 而提高了稀土和硼的处理效果。
4、 稀土处理和硼化处理4. 1保温炉铝合金液体充满前30分钟加入1/3稀土铝合金。
4. 2保温炉铝合金液体充满前5分钟加入其余2/3稀土铝合金和硼
招A仝
在不同时间段内加入稀土铝合金和硼铝合金是为了使稀土和硼元 素能充分发挥作用，提高其作用效果。
4. 3稀土铝合金和硼铝合金投加的位置在保温炉内均匀的分布。 .5、精炼(除渣、除气、搅拌、扒渣)
5.1为了保证整炉铝合金液体的成分分布均匀，应对铝合金液体进 行搅拌，并搅拌到炉的边角，搅拌时间为5分钟。
5. 2当铝合金液体充满炉后，通过管道由高纯度氮气将2. 3kg的粉 末精炼剂(23%Na3Al'F6+47%KCl+30%NaCl)吹入铝合金液体底部，吹入 口应在铝合金液体的底部移动，使气体及夹渣物沿铝合金液体的表面均 匀地上浮，时间为3 5分钟。上浮的氧化铝渣应全部扒出炉外，以尽 量减少精炼剂所弓I入的新杂质。
6、 炉前快速分析及静置保温
当扒渣后的铝合金液体的铁含量符合要求时，静置时间20 40分钟。
7连铸连轧工艺控制
7、 连铸连轧工艺控制 7. 1温度控制
7. 1. 1上浇包温度720 730°C 7. 1. 2进轧机铸条温度450 490°C 7. 1. 3铝杆终轧温度30(TC左右 7. 2连铸机冷却水的控制
连铸轮内外水量之比3: 2， 二次冷却水量根据铸条温度作适当调整。 7.3铸机电压:60 90V
7. 4轧机电流:200 280A;轧机速度7. 5 8. 5m/min。
9二、半退火工艺
由铝合金材料轧制成的铝合金杆在退火炉中，于36(TC 38(TC下保 温4个小时，然后取出自然冷却至环境温度。
由此获得的铝合金材料，按照重量百分含量，包含下述组分 Fel. 2%、 SiO. 08%、 CeO. 19%、 LaO. 10%、 B0. 004%、 CaO. 01%、 CuO. 002%、 MgO. 004%、 ZnO. 003%、 TiO. 002%、 V0. 002%、 MnO. 005%、 CrO. 002%，其 余为Al。
由于硼(B)元素与Ti、 V、 Mn、 Cr等杂质元素反应，形成化合物 后被沉淀排除，因此最终所得的铝合金材料中硼元素的含量低于实际加 入的量。
由上述可见，铝合金材料中的杂质含量合计<0.3%，除Ca〈0.02呢 外，其它单种杂质元素的含量均<0.01%。
本实例高延伸率铝合金材料的性能检测数据如下 抗拉强度、延伸率的检测按照ASTM B577所述的试验方法，导电率 检测按照ASTM B193所述的试验方法，柔韧性按照GB 12706. 1所述的 "弯曲试验后的局部放电试验"的试验方法，蠕变按照《电线电缆》手 册蠕变试验的方法。
本实例高导电、高延伸率、高柔韧性和高抗蠕变性能的铝合金材料 的性能为抗拉强度92MPa、延伸率36%、导电率61.0%IACS、 7倍弯曲 半径后局部放电试验合格、抗蠕变相对电工铝提高330%。
一、熔铸工艺 1、配料
5125kg的铝锭(0. 12%Si含量，0. 12%Fe含量)、107kg铝铁合金 (21.9。/。Fe含量)、118kg稀土铝合金(10. 1%稀土含量)、14. 8kg硼铝合 金(3. 0°認含量)、2. 8kg精炼剂(23%Na3Al.F6+ 47%KC1 +30%NaCl)。2、 加料方式
加料时铝铁合金随铝锭搭配均匀分批地从冲天炉加入，以保证成分 尽可能的均匀。
3、 保温工艺
铝合金液体流入保温炉时温度控制在710 750°C，向前述铝合金液 体中加入稀土铝合金和硼铝合金时温度应提升至720 760°C ，且温度不 得超过760°C，此时升高温度有利于稀土铝合金和硼铝合金的熔融，从 而提高了稀土和硼的处理效果。
4、 稀土处理和硼化处理
4. 1保温炉铝合金液体充满前30分钟加入1/3稀土铝合金。
4. 2保温炉铝合金液体充满前5分钟加入其余2/3稀土铝合金和硼
招人仝
4. 3稀土铝合金和硼铝合金投加的位置应在保温炉内均匀的分布。
5、 精炼(除渣、除气、搅拌、扒渣)
5.1为了保证整炉铝合金液体的成分分布均匀，应对铝合金液体进 行搅拌，并搅拌到炉的边角，搅拌时间为5分钟。
5、 2当铝合金液体充满炉后，通过管道由高纯度氮气将2. 8kg的粉 末精炼剂(23%Na3Al.F6+47%KCl+30%NaCl)吹入铝合金液体底部，吹入 口应在铝合金液体的底部移动，使气体及夹渣物沿铝合金液体的表面均 匀地上浮，时间为3 5分钟。上浮的氧化铝渣应全部扒出炉外，以尽 量减少精炼剂所引入的新杂质。
6、 炉前快速分析及静置保温
当扒渣后的铝合金液体的铁含量符合要求时，静置时间20 40分钟。
7、 连铸连轧工艺控制 7. 1温度控制
7. 1. l上浇包温度:720 730。C7. 1. 2进轧机铸条温度450 490°C 7. 1. 3铝杆终轧温度30(TC左右 7. 2连铸机冷却水的控制
连铸轮内外水量之比3: 2， 二次冷却水量根据铸条温度作适当调整。 7. 3铸机电压60 90V
7.4轧机电流200 280A;轧机速度7. 5 8. 5m/min。 二、半退火工艺
由铝合金材料轧制成的铝合金杆在退火炉中，于30(TC 32(TC下保 温8个小时，然后取出自然冷却至环境温度。
由此获得的铝合金材料，按照重量百分含量，包含下述组分-FeO. 55%、 SiO. 10%、 CeO. 15%、 LaO. 06%、 BO. 007%、 CaO. 013%、 CuO. 003%、 MgO. 004%、 ZnO. 004%、 TiO. 002%、 VO. 004%、 MnO. 003%、 CrO. 002%，其 余为Al。
由于硼(B)元素与Ti、 V、 Mn、 Cr等杂质元素反应，形成化合物 后被沉淀排除，因此最终所得的铝合金材料中硼元素的含量低于实际加 入的量。
由上述可见，铝合金材料中的杂质含量合计<0.3%，除03<0.02% 外，其它单种杂质元素的含量均<0.01%。
本实例高延伸率铝合金材料的性能检测数据如下
抗拉强度、延伸率的检测按照ASTM B577所述的试验方法，导电率 检测按照ASTM B193所述的试验方法，柔韧性按照GB 12706. 1所述的 "弯曲试验后的局部放电试验"的试验方法、蠕变按照《电线电缆》手 册蠕变试验的方法。
本实例高延伸率铝合金材料的性能为抗拉强度llOMPa、延伸率 30.2%、导电率62.6。/JACS、 6倍弯曲半径后局部放电试验合格、抗蠕变 相对电工用铝提高330%。实施例4
一、熔铸工艺
1、 配料
5005kg的铝锭(O. 08%Si含量，0. 13%Fe含量)、182kg铝铁合金(21% Fe含量)、90.5kg稀土铝合金(9.8%稀土含量)、30kg硼铝合金(3. 5%B 含量)、2. Okg精炼剂(23%Na33Al.F6+47%KCl+30%NaCl)。
2、 加料方式
加料时铝铁合金随铝锭搭配均匀分批地从冲天炉加入，以保证成分 尽可能的均匀。
3、 保温工艺
铝合金液体流入保温炉时温度控制在710 750°C，向前述铝合金液 体中加入稀土铝合金和硼铝合金时温度应提升至720 760°C，且温度不 得超过760°C，此时升高温度有利于稀土铝合金和硼铝合金的熔融，从 而提高了稀土和硼的处理效果。
4、 稀土处理和硼化处理
4. 1保温炉铝合金液体充满前30分钟加入1/3稀土铝合金。
4. 2保温炉铝合金液体充满前5分钟加入其余2/3稀土铝合金和硼
铝合金。
4. 3稀土铝合金和硼铝合金投加的位置应在保温炉内均匀的分布。
5、 精炼(除渣、除气、搅拌、扒渣)
5.1为了保证整炉铝合金液体的成分分布均匀，应对铝合金液体进 行搅拌，并搅拌到炉的边角，搅拌时间为5分钟。
5. 2当铝合金液体充满炉后，通过管道由高纯度氮气将2. Okg的粉 末精炼剂(23%Na3Al'F6+47%KCl+30%NaCl)吹入铝合金液体底部，吹入 口应在铝合金液体的底部移动，使气体及夹渣物沿铝合金液体的表面均 匀地上浮，时间为3 5分钟。上浮的氧化铝渣应全部扒出炉外，以尽 量减少精炼剂所弓I入的新杂质。6、 炉前快速分析及静置保温
当扒渣后的铝合金液体的铁含量符合要求时，静置时间20 40分钟。
7、 连铸连轧工艺控制 7. 1温度控制
7. 1. 1上浇包温度720 730°C 7. 1. 2进轧机铸条温度450 490°C 7. 1. 3铝杆终轧温度30(TC左右 7. 2连铸机冷却水的控制
连铸轮内外水量之比3: 2， 二次冷却水量根据铸条温度作适当调整。 7. 3铸机电压60 90V
7.4轧机电流:200 280A;轧机速度7. 5 8. 5m/min。 二、半退火工艺
由铝合金材料轧制成的铝合金杆在退火炉中，于340。C 36(TC下保 温6个小时，然后取出自然冷却至环境温度。
由此获得的铝合金材料，按照重量百分含量，包含下述组分 FeO. 80%、 SiO. 040/0、 CeO.鹿、LaO. 06%、 B0. 008%、 Ca 0. 011%、 Cu 0. 005%、 Mg 0.004。/。、 ZnO. 006% 、 Ti0. 003%、 V0. 003%、 Mn0. 005%、 Cr0. 002%， 其余为Al。
由于硼(B)元素与Ti、 V、 Mn、 Cr等杂质元素反应，形成化合物 后被沉淀排除，因此最终所得的铝合金材料中硼元素的含量低于实际加
入的量。
由上述可见，铝合金材料中的杂质含量合计<0.3%，除03<0.02%
外，其它单种杂质元素的含量均<0.01%。
本实例高延伸率铝合金材料的性能检测数据如下
抗拉强度、延伸率的检测按照ASTM B577所述的试验方法，导电率
检测按照ASTM B193所述的试验方法，柔韧性按照GB 12706. 1所述的"弯曲试验后的局部放电试验"的试验方法、蠕变按照《电线电缆》手 册蠕变试验的方法。
本实例高延伸率铝合金材料的性能为抗拉强度97MPa、延伸率 35.2%、导电率62.0%IACS、 6倍弯曲半径后局部放电试验合格、抗蠕变 相对电工用铝提高330%。
权利要求
1、一种高延伸率铝合金材料，其特征在于，按重量百分比含量，其包括下列组分0.30～1.20％的铁，0.03～0.10％的硅，0.01～0.30％的稀土元素，余量为铝以及不可避免的杂质。
2、 根据权利要求l所述的高延伸率铝合金材料，其特征在于按 重量百分比，所述的铝合金中的杂质的总含量<0.3%。
3、 根据权利要求1所述的高延伸率铝合金材料，其特征在于所 述的稀土元素包括铈和镧。
4、 根据权利要求2所述的高延伸率铝合金材料，其特征在于按重量百分比，所述的杂质中钙的含量<0.02%，其它单种杂质元素的含 量<0. 01%。
5、 根据权利要求4所述的高延伸率铝合金材料，其特征在于按重量百分比，所述的铈的含量为0.005 0.20%，镧的含量为0.001 0. 15%。
6、 制备权利要求1所述的高延伸率铝合金材料的方法，其特征在于包括如下步骤1) 熔铸先加92 98重量份的铝和0. 73 5. 26重量份的铝铁合金，加热至 710 75CTC熔化；再加热至720 760°C，投加1 3重量份的稀土铝合 金以及0. 17 0. 67重量份的硼铝合金；随后投加0. 04 0. 06重量份的 精炼剂精炼8 20分钟；然后静置保温20 40分钟后，进行铸造；2) 半退火处理铸造所得铝合金体在280 38(TC下保温4 10个小时，然后取出自 然冷却至环境温度。
7、 根据权利要求6所述的制备高延伸率铝合金材料的方法，其特 征在于所述的铝铁合金中铁的含量为20 24%，硼铝合金中硼的含量 为3 4%，稀土铝合金中稀土的含量在9 11%。
8、 根据权利要求6所述的制备高延伸率铝合金材料的方法，其特征在于所述的铝和铝铁合金熔化后流入保温炉，保温炉中的铝合金液 体充满前30分钟加入三分之一重量的稀土铝合金，保温炉中的铝合金 液体充满前5分钟加入硼铝合金和剩余的稀土铝合金。
9、 根据权利要求6所述的制备高延伸率铝合金材料的方法，其特 征在于所述的粉末精炼剂为23%Na3Al'F6+47%KCl+30%NaCl。
10、 根据权利要求6所述的制备高延伸率铝合金材料的方法，其特 征在于铸造时，上浇包的温度为720 730°C，进轧机铸条的温度为 45Q 490。C，终轧温度为300。C。
全文摘要
本发明具体涉及一种高延伸率铝合金材料及其制备方法。所述铝合金材料含有重量百分比为0.30-1.20％的铁，0.03-0.10％的硅，0.01-0.30％的稀土元素，其余为铝以及不可避免的杂质。所述铝合金由原料经过熔铸工艺和半退火处理而制成。由此制成的铝合金导体具有高延伸率且使用的安全稳定性好。
文档编号C22C21/00GK101525709SQ20091011663
公开日2009年9月9日 申请日期2009年4月24日 优先权日2009年4月24日
发明者万有梅, 余乐华 申请人:安徽欣意电缆有限公司