本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種al-si-mg-fe-cu導(dǎo)電合金桿及其制備方法。

背景技術(shù)：

鋁合金導(dǎo)電材料是目前電氣工業(yè)的重要基礎(chǔ)材料之一。鋁及鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，在汽車制造、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，隨著電氣電工行業(yè)的發(fā)展，鋁及鋁合金越來(lái)越多地應(yīng)用于電線電纜、電器開關(guān)等領(lǐng)域，以取代目前廣泛應(yīng)用的銅及銅合金導(dǎo)體。從國(guó)家資源戰(zhàn)略的角度，擴(kuò)大鋁合金導(dǎo)電材料在電線電纜產(chǎn)品中的應(yīng)用范圍，“以鋁節(jié)銅”成為導(dǎo)電材料的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)并且對(duì)于產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。

目前，鋁合金導(dǎo)電材料廣泛應(yīng)用于架空輸電線、大跨度電線、電力電纜和通信電纜等領(lǐng)域。其中，架空輸電線要求鋁合金材料具有低密度、低線損、高強(qiáng)度、抗蠕變、耐高溫、耐腐蝕等特性，尤其是要求其抗拉強(qiáng)度不低于300mpa，導(dǎo)電率高于53.0％iacs。亞共晶al-si合金具有流動(dòng)性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、力學(xué)性能優(yōu)異等特性，常用于制作架空輸電線，其應(yīng)用可加大桿塔檔距、減少桿塔用量、減少線路損耗、降低項(xiàng)目總成本等。但是，亞共晶al-si合金的導(dǎo)電性與力學(xué)性能兼顧性差，很難同時(shí)滿足架空輸電線的性能需求，成為限制其推廣應(yīng)用的瓶頸問題。

中國(guó)專利cn103397226a公開一種元素組成含有al、si、mg、fe、cu、zn及b的鋁合金桿材，其組成元素的含量極低，特別是si元素含量?jī)H為0.08％-0.1％，相應(yīng)合金導(dǎo)電率僅為59.5％-60％，且未提及該材料的力學(xué)性能。中國(guó)專利cn104805335a公開一種低電阻率鋁合金桿，其組成元素含量均較低，其中si元素含量0.04％-0.06％且含有稀土元素，其目的是僅利用稀土來(lái)提高合金的導(dǎo)電率。

現(xiàn)有技術(shù)中，導(dǎo)電鋁合金的組成元素含量較低，獲得的鋁合金桿強(qiáng)度不高，屬于中強(qiáng)度鋁合金，廢品率較高，而廢品產(chǎn)生的主要原因是由于中強(qiáng)度鋁合金桿工藝性能波動(dòng)引起斷線，以及電性能波動(dòng)引起電阻率超標(biāo)，如此高的廢品率不僅降低了中強(qiáng)度鋁合金桿的生產(chǎn)效率，而且加大了中強(qiáng)度鋁合金桿的生產(chǎn)成本。通常條件下，保持合金組成元素含量在低水平下可保證其導(dǎo)電率達(dá)到使用要求，但力學(xué)性能很難得到大幅度提升；提高鋁合金組成元素的含量易導(dǎo)致鋁合金導(dǎo)電率的迅速降低，從而很難滿足鋁合金有效傳輸電流的目的，增加電能損耗，故鋁合金的導(dǎo)電率和力學(xué)性能的匹配性成為限制鋁合金桿發(fā)展的瓶頸問題。

基于以上問題的存在，亟需研發(fā)一種既能保證良好的電導(dǎo)率又能滿足力學(xué)性能的鋁合金材料的制備方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)、高導(dǎo)、高合金化的al-si-mg-fe-cu導(dǎo)電合金桿；本發(fā)明同時(shí)提供其制備方法。

本發(fā)明所述的al-si-mg-fe-cu導(dǎo)電合金桿，以質(zhì)量百分比計(jì)，其元素組成為：si：3.8-4.0％，mg：0.5-0.8％，fe：0.1-0.3％，cu：0.08-0.1％，b：0.05-0.1％，sr：0.01-0.04％，其余為al。

本發(fā)明所述的al-si-mg-fe-cu導(dǎo)電合金桿的制備方法為：先向熔化后的al中加入si、al-fe中間合金、al-cu中間合金、mg，得到合金熔體，再向合金熔體中加入al-b-sr中間合金進(jìn)行硼化與變質(zhì)復(fù)合處理，澆鑄成鑄件后，將其進(jìn)行均勻化熱處理、熱擠壓，最后再進(jìn)行固溶、時(shí)效熱處理，得到al-si-mg-fe-cu導(dǎo)電合金桿；

具體步驟如下：

(1)將al熔化并升溫，依次加入si、al-fe中間合金、al-cu中間合金、mg，攪拌均勻后保溫，形成合金熔體；

(2)向步驟(1)得到的合金熔體中加入al-b-sr中間合金，進(jìn)行硼化與變質(zhì)復(fù)合處理，攪拌后除渣，保溫；

(3)澆鑄得到鑄件；

(4)將步驟(3)所得的鑄件進(jìn)行均勻化熱處理、熱擠壓，得到擠壓桿；

(5)將步驟(4)中的擠壓桿進(jìn)行固溶、時(shí)效熱處理，改善其微觀組織并優(yōu)化其綜合性能，得到al-si-mg-fe-cu導(dǎo)電合金桿。

其中：

所述的al的純度≥99.7％，si的純度≥99.9％，mg的純度≥99.9％。

所述的al-fe中間合金中fe的質(zhì)量百分含量為：4-7％，其余為al。

所述的al-cu中間合金中cu的質(zhì)量百分含量為：4-7％，其余為al。

所述的al-b-sr中間合金中各元素的質(zhì)量百分含量為b：2-4％，sr：4-6％，其余為al，優(yōu)選b：3％，sr：5％。

步驟(1)中升溫至720-750℃，保溫時(shí)間為5-10min。

步驟(2)中保溫溫度為720-750℃，保溫時(shí)間為15-20min。

步驟(3)中鑄件可以為鑄棒、鑄錠等，當(dāng)鑄件為鑄棒時(shí)，其直徑為75-85mm，高度為0.4-0.6m，優(yōu)選直徑80mm，高度0.5m。

步驟(4)中均勻化熱處理的溫度為540-560℃；熱擠壓參數(shù)為：擠壓力1000-1200n、擠壓速度2-5mm/s、擠壓溫度和模具預(yù)熱溫度400-420℃。

步驟(5)中固溶溫度為510-530℃，固溶時(shí)間為3-6h；時(shí)效溫度為200-220℃，時(shí)效時(shí)間為12-18h。

所述的al-si-mg-fe-cu導(dǎo)電合金桿的室溫極限拉伸強(qiáng)度≥350mpa，延伸率≥10％，導(dǎo)電率≥60％iacs。

本發(fā)明制備的al-si-mg-fe-cu導(dǎo)電合金桿組成元素含量較高，即合金化程度高，其中si含量可達(dá)到3.8％-4.0％，mg含量0.5-0.8％，一方面大大提高合金的力學(xué)性能，另一方面可改善熔體粘度、流動(dòng)性，提高合金桿的成品率；另外，本發(fā)明在熔體處理過(guò)程中加入了硼和鍶進(jìn)行硼化、變質(zhì)處理，利用b與熔體中v、ti、cr、zr等雜質(zhì)元素的反應(yīng)，降低雜質(zhì)元素含量，有利于提高合金的導(dǎo)電率，通過(guò)sr變質(zhì)改善共晶si形貌，使其由板片狀\針條狀變?yōu)樯汉鳡?，減少對(duì)導(dǎo)電率和力學(xué)性能的損害；而且剩余的b和sr以srb6形式存在于合金中，起到顆粒增強(qiáng)的作用；最后利用擠壓變形，固溶、時(shí)效熱處理改變共晶si、alfesi、mg2si等第二相的顆粒尺寸和分布，使其呈現(xiàn)細(xì)小顆粒狀、彌散分布，在保證合金桿優(yōu)異力學(xué)性能的同時(shí)使其具有良好的導(dǎo)電率。

本發(fā)明al-si-mg-fe-cu導(dǎo)電合金桿制備過(guò)程中，主要組成元素si、fe、cu、mg的添加順序?qū)辖饤U綜合性能的影響至關(guān)重要，先添加元素si能明顯改善熔體的流動(dòng)性，減少熔體中氣泡雜質(zhì)的卷入；再添加fe至熔體中優(yōu)先形成alfesi三元相，一方面減少了si、fe在al中的固溶，有利于提高合金桿導(dǎo)電率，另一方面可以明顯改善fe的形貌，減小針條狀fe對(duì)合金力學(xué)性能的損害作用；然后依次加入cu最后添加mg，有利于cu的充分溶解且減少mg的燒損，保證合金主要組成元素的正常配比和對(duì)合金微觀組織的改善。

以al-b-sr中間合金形式引入b和sr，該中間合金的主要物相組成是α-al、alsrb6、alb2、al4sr，引入al熔體后alb2、al4sr以及部分亞微米級(jí)別的srb6受熔體環(huán)境影響而發(fā)生分解釋放部分b和sr，從而能夠同時(shí)發(fā)揮硼化及sr變質(zhì)的作用，使得合金強(qiáng)度增大、導(dǎo)電率提高，另外剩余的b和sr以srb6形式存在于合金中。由于srb6是一種高熔點(diǎn)、高硬度的硼化物顆粒，可作為本合金中的顆粒增強(qiáng)相來(lái)提高其力學(xué)性能。如果先添加b后添加sr，則b與熔體中的v、ti、cr、zr等雜質(zhì)元素反應(yīng)后，剩余的b優(yōu)先與后添加的sr反應(yīng)生成srb6，而削弱sr對(duì)共晶si的變質(zhì)作用，損害合金的力學(xué)性能；如果先添加sr后添加b，會(huì)由于sr變質(zhì)處理后引入b而發(fā)生“中毒反應(yīng)”，導(dǎo)致sr變質(zhì)效果減弱的同時(shí)也大大減少了b與熔體中的v、ti、cr、zr等雜質(zhì)元素反應(yīng)的充分性而降低硼化處理效率，最終使合金導(dǎo)電性和力學(xué)性能同時(shí)降低。因此，在al-si-mg-fe-cu導(dǎo)電合金桿制備過(guò)程中，以al-b-sr中間合金形式引入b和sr，確保合金桿優(yōu)異力學(xué)性能的同時(shí)使其具有良好的導(dǎo)電率。

本發(fā)明的有益效果如下：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在合金熔煉過(guò)程中向鋁熔體中添加適量合金化元素并進(jìn)行硼化及變質(zhì)復(fù)合處理調(diào)整合金成分，澆鑄成鑄件后，進(jìn)行熱擠壓變形及熱處理，改善其微觀組織并優(yōu)化其綜合性能，獲得一種高強(qiáng)、高導(dǎo)、高合金化的al-si-mg-fe-cu導(dǎo)電合金桿。該al-si-mg-fe-cu導(dǎo)電合金桿中元素組成含量較高，同時(shí)具有優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的導(dǎo)電性，其室溫極限拉伸強(qiáng)度≥350mpa，延伸率≥10％，導(dǎo)電率≥60％iacs，滿足架空輸電線的實(shí)際性能需求，其制備工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉且易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例1制備的合金桿制成金相試樣的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡圖。

圖2是實(shí)施例1制備的鑄棒和擠壓桿的圖片。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

實(shí)施例1

(1)根據(jù)al-4si-0.5mg-0.3fe-0.1cu導(dǎo)電合金桿中各元素的質(zhì)量百分比準(zhǔn)備其原料：純度為99.7％的純al、純度為99.91％的純si、純度為99.90％的純mg、al-5fe中間合金及al-5cu中間合金、al-3b-5sr中間合金；

(2)將準(zhǔn)備好的純鋁熔化并升溫至725℃，然后按照成分配比依次向熔體中加入純si，al-5fe中間合金，al-5cu中間合金，純mg機(jī)械攪拌均勻后保溫6min，形成合金熔體；

(3)向步驟(2)得到的合金熔體中加入al-3b-5sr中間合金進(jìn)行硼化與變質(zhì)復(fù)合處理，充分?jǐn)嚢韬笥寐┢俺ルs質(zhì)熔渣，在725℃保溫16min；

(4)澆鑄，獲得直徑80mm、高度0.5m的鑄棒，如圖2所示；

(5)將步驟(4)所得鑄棒放入熱處理爐中在550℃條件下進(jìn)行均勻化熱處理然后利用熱擠壓機(jī)將上述鑄棒進(jìn)行熱擠壓，獲得直徑為10.5mm的擠壓桿，如圖2所示，其中，擠壓力1100n、擠壓速度3mm/s、擠壓溫度和模具預(yù)熱溫度為410℃；

(6)將步驟(5)中的擠壓桿在520℃條件下固溶熱處理5h、210℃條件下時(shí)效熱處理15h，優(yōu)化其力學(xué)及電學(xué)性能，最終獲得高強(qiáng)、高導(dǎo)、高合金化的al-4si-0.5mg-0.3fe-0.1cu導(dǎo)電合金桿。其中，以質(zhì)量百分比計(jì)，其元素組成為：si：4.0％，mg：0.5％，fe：0.3％，cu：0.1％，b：0.08％，sr：0.04％，其余為al。

實(shí)施例2

(1)根據(jù)al-4si-0.6mg-0.2fe-0.1cu導(dǎo)電合金桿中各元素的質(zhì)量百分比準(zhǔn)備其原料：純度為99.80％的純al、純度為99.93％的純si、純度為99.91％的純mg、al-6fe中間合金及al-6cu中間合金、al-3b-5sr中間合金；

(2)將準(zhǔn)備好的純鋁熔化并升溫至735℃，然后按照成分配比依次向熔體中加入純si，al-6fe中間合金，al-6cu中間合金，純mg機(jī)械攪拌均勻后保溫8min，形成合金熔體；

(3)向步驟(2)得到的合金熔體中加入al-3b-5sr中間合金進(jìn)行硼化與變質(zhì)復(fù)合處理，充分?jǐn)嚢韬笥寐┢俺ルs質(zhì)熔渣，在735℃保溫18min；

(4)澆鑄，獲得直徑80mm、高度0.5m的鑄棒；

(5)將步驟(4)所得鑄棒放入熱處理爐中在540℃條件下進(jìn)行均勻化熱處理然后利用熱擠壓機(jī)將上述鑄棒進(jìn)行熱擠壓，獲得直徑為10.5mm的擠壓桿，其中，擠壓力1000n、擠壓速度4mm/s、擠壓溫度和模具預(yù)熱溫度為400℃；

(6)將步驟(5)中的擠壓桿在510℃條件下固溶熱處理4h、200℃條件下時(shí)效熱處理13h，優(yōu)化其力學(xué)及電學(xué)性能，最終獲得高強(qiáng)、高導(dǎo)、高合金化的al-4si-0.6mg-0.2fe-0.1cu導(dǎo)電合金桿。其中，以質(zhì)量百分比計(jì)，其元素組成為：si：4.0％，mg：0.6％，fe：0.2％，cu：0.1％，b：0.05％，sr：0.03％，其余為al。

實(shí)施例3

(1)根據(jù)al-4si-0.8mg-0.1fe-0.1cu導(dǎo)電合金桿中各元素的質(zhì)量百分比準(zhǔn)備其原料：純度為99.90％的純al、純度為99.90％的純si、純度為99.90％的純mg、al-5fe中間合金及al-7cu中間合金、al-3b-5sr中間合金。

(2)將準(zhǔn)備好的純鋁熔化并升溫至745℃，然后按照成分配比依次向熔體中加入純si，al-5fe中間合金，al-7cu中間合金，純mg機(jī)械攪拌均勻后保溫10min，形成合金熔體；

(3)向步驟(2)得到的合金熔體中加入al-3b-5sr中間合金進(jìn)行硼化與變質(zhì)復(fù)合處理，充分?jǐn)嚢韬笥寐┢俺ルs質(zhì)熔渣，在745℃保溫20min；

(4)澆鑄，獲得直徑80mm、高度0.5m的鑄棒；

(5)將步驟(4)所得鑄棒放入熱處理爐中在560℃條件下進(jìn)行均勻化熱處理然后利用熱擠壓機(jī)將上述鑄棒進(jìn)行熱擠壓，獲得直徑為10.5mm的擠壓桿，其中，擠壓力1200n、擠壓速度5mm/s、擠壓溫度和模具預(yù)熱溫度為420℃；

(6)將步驟(5)中的擠壓桿在530℃條件下固溶熱處理6h、220℃條件下時(shí)效熱處理17h，優(yōu)化其力學(xué)及電學(xué)性能，最終獲得高強(qiáng)、高導(dǎo)、高合金化的al-4si-0.8mg-0.1fe-0.1cu導(dǎo)電合金桿。其中，以質(zhì)量百分比計(jì)，其元素組成為：si：4.0％，mg：0.8％，fe：0.1％，cu：0.1％，b：0.08％，sr：0.04％，其余為al。

本發(fā)明中利用b與合金熔體中v、ti、cr、zr等雜質(zhì)元素的反應(yīng)，降低雜質(zhì)元素含量，有利于提高合金的導(dǎo)電率；通過(guò)sr變質(zhì)改善共晶si形貌，使其由板片狀\針條狀變?yōu)樯汉鳡?，減少對(duì)導(dǎo)電率和力學(xué)性能的損害。

對(duì)比例1

將實(shí)施例1中向熔體中加入純si、al-5fe中間合金、al-5cu中間合金、純mg的順序變?yōu)閍l-5fe中間合金、al-5cu中間合金、純mg，純si，其它步驟不變。

對(duì)比例2

將實(shí)施例1中向熔體中加入純s、al-5fe中間合金、al-5cu中間合金、純mg的順序變?yōu)榧僺i、純mg、al-5fe中間合金、al-5cu中間合金，其它步驟不變。

對(duì)比例3

將實(shí)施例1中向熔體中加入純si、al-5fe中間合金、al-5cu中間合金、純mg的順序變?yōu)閍l-5fe中間合金、純si、純mg、al-5cu中間合金，其它步驟不變。

對(duì)比例4

將實(shí)施例1中的al-3b-5sr中間合金改為al-3b中間合金和al-5sr中間合金，先加入al-3b中間合金，再加入al-5sr中間合金，其它步驟不變。

具體是：向步驟(2)得到的合金熔體中先加入al-3b中間合金，再加入al-5sr中間合金，進(jìn)行硼化與變質(zhì)復(fù)合處理，充分?jǐn)嚢韬笥寐┢俺ルs質(zhì)熔渣，在725℃保溫16min。

對(duì)比例5

將實(shí)施例1中的al-3b-5sr中間合金改為al-3b中間合金和al-5sr中間合金，先加入al-5sr中間合金，再加入al-3b中間合金，其它步驟不變。

具體是：向步驟(2)得到的合金熔體中先加入al-5sr中間合金，再加入al-3b中間合金，進(jìn)行硼化與變質(zhì)復(fù)合處理，充分?jǐn)嚢韬笥寐┢俺ルs質(zhì)熔渣，在725℃保溫16min。

對(duì)實(shí)施例1-3和對(duì)比例1-5中的合金桿、純鋁進(jìn)行性能測(cè)試，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試合金桿的室溫極限拉伸強(qiáng)度和延伸率，利用四電極法測(cè)試合金桿的導(dǎo)電率，此外，還測(cè)試了合金桿的熱導(dǎo)率、布氏硬度等，數(shù)據(jù)如表1。

表1合金桿的性能測(cè)試數(shù)據(jù)表

由表1可知，實(shí)施例1-3中的導(dǎo)電合金桿的室溫極限拉伸強(qiáng)度≥350mpa，延伸率≥10％，導(dǎo)電率≥60％iacs。此外，導(dǎo)電合金桿的導(dǎo)電率與純鋁相近，而力學(xué)性能明顯優(yōu)于純鋁。對(duì)比例1-5中合金桿的導(dǎo)電率和力學(xué)性能均低于實(shí)施例1-3中的導(dǎo)電合金桿。

將實(shí)施例1中的al-4si-0.5mg-0.3fe-0.1cu導(dǎo)電合金桿制成金相試樣，并利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(fesem)分析其微觀組織，如圖1所示，合金中的共晶si、mg2si及alfesi等第二相呈細(xì)小顆粒狀、彌散分布在鋁基體上，相比于粗大板片狀或針條狀的第二相，顆粒狀的第二相對(duì)電子流散射作用明顯減小，對(duì)鋁基體的割裂作用也明顯減小，故導(dǎo)電合金桿的導(dǎo)電率和力學(xué)性能均較高。

綜合分析得知，本發(fā)明制備的al-si-mg-fe-cu導(dǎo)電合金桿具有優(yōu)異的力學(xué)性能，良好的導(dǎo)電率，可滿足目前架空輸電線高強(qiáng)、高導(dǎo)的性能需求。