一种Al-Er-Cu高强高导电率铝合金及其形变热处理工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种经过微合金化、固溶强化、析出强化和形变强化的铝合金材料及 其形变热处理工艺，属于金属合金技术领域。 技术背景
[0002] 目前我国架空输电线路所使用的导线基本上仍旧是传统的钢芯铝绞线，其缺点 是导电率低，大跨度长距离输电过程中电能损耗大。中强度全铝合金导线导电率较高 (58. 5%~59% IACS)，其强度仅在250MPa，而高强度全铝合金强度达到295MPa，但是其导 电率低（53% IACS)。目前没有一种全铝合金导线同时具有高强度与高导电率。合金的强度 与导电率的提高存在矛盾，提高强度导致电导率下降，提高导电率导致强度下降。铝合金的 微合金化为解决这一矛盾提供理论依据。国际上对于Al-Sc合金体系的微合金化理论进行 大量的研宄，研宄表明在Al基体中添加微量的Sc能够形成大量弥散分布具有热力学稳定 Ll2结构的Al3Sc相纳米级颗粒，显著改善铝合金的力学性能。Sc的价格非常昂贵，使得含Sc 铝合金价格大幅增加，难于在工业领域获得广泛的应用。Er的价格仅为Sc的1/80-1/100， 相对于Sc来说非常低廉，研宄发现Er具有与Sc类似的微合金化作用。
[0003] 本申请人对Al-Er合金体系进行大量的研宄，微量的Er元素在错合金中可形成纳 米级热稳定Ll 2结构的Al 3Er强化相，并可通过与微量的Zr复合作用形成Al3(EivxZr x)复 合相，能够产生显著的时效强化效果。Zr元素对铝合金电导率影响较大，Al-Er-Zr合金导 电率低（55%~59% IACS)。Cu元素对电导率影响相对Zr元素对电导率的影响较小，并且 错合金中添加过量Er元素时，Er会与Al、Cu元素相互作用，形成Al 8Cu4Er三元金属间化合 物，消耗合金中Cu元素，降低合金中Cu元素含量，提高合金电导率。对稀土合金化的大量研 宄表明，稀土三元金属间化合物为脆性相，在轧制过程中低熔点共晶Al 8Cu4Er相被破碎，这 些在基体中弥散分布Al8Cu4Er的相在合金塑性变形过程中可以阻碍位错的滑移，从而提高 了合金的强度。无论Cu原子固溶在基体产生的固溶强化，还是形成了低熔点共晶Al 8Cu4Er 相，都对开发高强高电导率耐热铝合金导线有积极意义。本发明正是基于以上考虑设计了 Al-Er-Cu合金，寻找其合适的成份范围和相应的形变热处理工艺。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于通过将Cu元素引入Al-Er合金中，在保持铝合金材料较高导电 率的前提下，将Cu的固溶强化、析出相强化与加工硬化三者强化效果很好地叠加，从而提 高铝合金导体材料的强度，获得一种高强高导电率铝合金导体。
[0005] 本发明所提供的Al-Er-Cu合金，其特征在于，铝基体中加入了 0· 22~0· 27% (重 量百分比）的Er，0.55~1.10% (重量百分比）的Cu。
[0006] 本发明上述合金的制备方法包括以下步骤：
[0007] 在熔炼温度为770±10°C下，先将高纯铝铝锭加入到石墨坩埚中保温，待高纯铝熔 化后，随后加入八141'、41-(：11中间合金（如41-6^^1'、41-50%(：11中间合金），然后充分搅 拌，保温静置10分钟，使熔体中各元素成分分布均匀后倒入铁摸中进行浇铸，得到铸态合 金。
[0008] 将铸态合金进行固溶时效热处理，其工艺步骤如下：首先铸态合金在640±10°C 固溶24小时，随后水淬到室温，然后在100~475°C范围内进行等时时效（如在100~ 475°C进行等时时效，具体过程为每隔25°C保温3h后取样，例如KKTC /3h取第一个样， 100°C /3h+125°C /3h 取第二个样，100°C /3h+125°C /3h+150°C /3h 取第三个样，依次类推直 到475°C结束）。
[0009] 优选其中不同含量Cu峰时效热处理工艺不同。对含Cu量为0.55% (重量百分 比）的Al-Er-Cu合金，其优化的热处理工艺为100~300°C每隔25°C等时退火3小时。对 含Cu量为0.81 % (重量百分比）的Al-Er-Cu合金，其优化的热处理工艺为100~275°C 每隔25°C等时退火3小时。对含Cu量为1.10% (重量百分比）的Al-Er-Cu合金，其优化 的热处理工艺为100~250°C每隔25°C等时退火3小时。
[0010] 然后对Al-Er-Cu合金固溶或峰时效处理后的样品进行冷轧，总变形量为90 %。 将冷轧后的样品在100~475°c之间每隔25°C等时时效3个小时，或者将冷轧后的样品在 200 °C等温退火。
[0011] 本发明的Al-Er-Cu合金作为导线应用。
[0012] 本发明将微量的Er和Cu添加到Al铝基体，一方面由于Cu对铝合金电导率影响 小，保持铝合金高电导率；另一方面很好地将Cu的固溶强化、析出相强化与加工硬化三者 强化效果叠加，从而提高铝合金导线的强度。从图5和6看出形变热处理后合金最低的导 电率达到59. 47% IACS，最高的硬度达到76. 3HV。
【附图说明】
[0013] 图I :S1、S2、S3、S4合金100~475°C之间每隔25°C等时3小时退火硬度变化曲 线；
[0014] 图2 :S1、S2、S3、S4合金100~475°C之间每隔25°C等时3小时退火导电率变化 曲线；
[0015] 图3 :SR1、SR2、SR3、SR4合金100~475°C之间每隔25°C等时3小时退火硬度变 化曲线；
[0016] 图4 :SR1、SR2、SR3、SR4合金100~475°C之间每隔25°C等时3小时退火导电率 变化曲线；
[0017] 图5 :51?1、51?2、六1?2、51?3、六1?3、51?4、六1?4合金200°〇等温退火硬度变化曲线；
[0018] 图6 :51?1、51?2、六1?2、51?3、六1?3、51?4、六1?4合金200°〇等温退火导电率变化曲线；
【具体实施方式】
[0019] 下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
[0020] 实例1 :采用石墨坩埚熔炼和铁模铸造制备合金铸锭，所用原料为高纯铝和 Al-6% Er、Al-50% Cu的中间合金。在熔炼温度为770±10°C下，先将铝锭熔化，随后加入 A1-6 % Er、Α1-50 % Cu中间合金，待中间合金熔化后，充分搅拌，保温静置10分钟，使熔体中 各元素成份分布均匀后进行铁模浇铸。制备了 Al-Cu合金和3种不同成分的Al-Er-Cu合 金，如下表1所示。
[0021] 表1实验合金成分
[0023] 实例2 :对实例1中的Sl合金在500±10°C固溶24小时，水淬到室温，进行100~ 475°C等时退火处理，每隔25°C取一样。S2、S3、S4合金在640±10°C固溶24小时，水淬到 室温，同样进行100~475°C等时退火处理，每隔25°C取一样。图1给出了合金在不同温度 下的维氏硬度，从图中可以看出Sl合金硬度值约28HV，基本没什么变化，S2合金在300°C 达到硬度峰值39. 9HV，S3合金在275°C达到硬度峰值41. 7HV，S4合金在250°C达到硬度峰 值46. 5HV。说明在Al-Cu中加 Er元素有时效强化效果，并且随着Cu元素含量的提高，硬度 峰值也随之不断提高，同时峰值点所在温度降低。S4合金固溶态硬度达到40. 1HV，相比较 S