一种ALERCU高强高导电率铝合金及其形变热处理工艺.pdf

一种Al-Er-Cu高强高导电率铝合金及其制备工艺，属于合金技术领域。所述合金为在铝基体中加入了0.22～0.27％的Er，0.55～1.09％的Cu。在770±10℃下熔炼Al-Er-Cu合金，充分搅拌，然后浇铸得到铸态合金。其固溶时效热处理工艺如下：首先在640±10℃固溶24小时，随后水淬到室温，然后将合金在100～475℃之间每隔25℃等时时效3个小时。其形变热处理工艺如下：将固溶处理合金冷轧后在100～475℃之间每隔25℃等时时效3个小时，或者将固溶+冷轧，峰时效+冷轧后合金在200℃等温退火。本发明采用了Cu的固溶强化、析出相强化与加工硬化，在退火过程中析出了大量的纳米级强化相粒子，使得合金在退火过程中强化，且进一步提高合金的导电率。

权利要求书
1.  一种Al-Er-Cu高强高导电率铝合金，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。

2.  制备权利要求1的一种Al-Er-Cu高强高导电率铝合金，其特征在于，在熔炼温度为770±10℃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Al-Er、Al-Cu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。

3.  按照权利要求2的方法，其特征在于，还包括：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℃固溶24小时,随后水淬到室温，然后在100～475℃范围内进行等时时效。

4.  按照权利要求3的方法，其特征在于，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℃每隔25℃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℃每隔25℃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℃每隔25℃等时退火3小时。

5.  按照权利要求3或4的方法，其特征在于，还包括：对Al-Er-Cu合金固溶或峰时效处理后的样品进行冷轧。

6.  按照权利要求5的方法，其特征在于，冷轧总变形量为90％。

7.  按照权利要求5或6的方法，其特征在于，还包括：将冷轧后的样品在100～475℃之间每隔25℃等时时效3个小时，或者将冷轧后的样品在200℃等温退火。

说明书一种Al-Er-Cu高强高导电率铝合金及其形变热处理工艺
技术领域
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
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究，研究表明在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L12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,研究发现Er具有与Sc类似的微合金化作用。
本申请人对Al-Er合金体系进行大量的研究，微量的Er元素在铝合金中可形成纳米级热稳定L12结构的Al3Er强化相，并可通过与微量的Zr复合作用形成Al3(Er1-xZrx)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，并且铝合金中添加过量Er元素时，Er会与Al、Cu元素相互作用，形成Al8Cu4Er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究表明，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Al8Cu4Er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Al8Cu4Er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
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。
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。
本发明上述合金的制备方法包括以下步骤：
在熔炼温度为770±10℃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Al-Er、Al-Cu中间合金(如Al-6％Er、Al-50％Cu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。
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℃固溶24小时,随后水淬到室温，然后在100～475℃范围内进行等时时效(如在100～475℃进行等时时效，具体过程为每隔25℃保温3h后取样，例如100℃/3h取第一个样，100℃/3h+125℃/3h取第二个样，100℃/3h+125℃/3h+150℃/3h取第三个样，依次类推直到475℃结束)。
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℃每隔25℃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℃每隔25℃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℃每隔25℃等时退火3小时。
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℃之间每隔25℃等时时效3个小时，或者将冷轧后的样品在200℃等温退火。
本发明的Al-Er-Cu合金作为导线应用。
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
图1：S1、S2、S3、S4合金100～475℃之间每隔25℃等时3小时退火硬度变化曲线；
图2：S1、S2、S3、S4合金100～475℃之间每隔25℃等时3小时退火导电率变化曲线；
图3：SR1、SR2、SR3、SR4合金100～475℃之间每隔25℃等时3小时退火硬度变化曲线；
图4：SR1、SR2、SR3、SR4合金100～475℃之间每隔25℃等时3小时退火导电率变化曲线；
图5：SR1、SR2、AR2、SR3、AR3、SR4、AR4合金200℃等温退火硬度变化曲线；
图6：SR1、SR2、AR2、SR3、AR3、SR4、AR4合金200℃等温退火导电率变化曲线；
具体实施方式
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。
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℃下，先将铝锭熔化，随后加入Al-6％Er、Al-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。
表1实验合金成分
样品设计成分(wt.％)Er实际成分(wt.％)Cu实际成分(wt.％)S1Al-0.50Cu/0.57S2Al-0.25Er-0.50Cu0.270.55S3Al-0.25Er-0.75Cu0.220.81S4Al-0.25Er-1.00Cu0.221.10
实例2：对实例1中的S1合金在500±10℃固溶24小时，水淬到室温，进行100～475℃等时退火处理，每隔25℃取一样。S2、S3、S4合金在640±10℃固溶24小时，水淬到室温，同样进行100～475℃等时退火处理，每隔25℃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S1合金硬度值约28HV，基本没什么变化，S2合金在300℃达到硬度峰值39.9HV，S3合金在275℃达到硬度峰值41.7HV，S4合金在250℃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S2合金固溶态硬度33.1HV，可知随着Cu元素含量的提高有明显固溶强化的效果。图2给出了合金在不同温度下的导电率，从图中可以看出S1合金导电率约61.20％IACS,基本上没变化，S2、S3、S4合金导电率从225℃都有明显的上升趋势，说明有析出相的生成。S2、S3合金导电率一直有上升趋势，说明S2、S3合 金达到硬度峰值后有二次相的析出同时有部分析出相发生粗化。S4合金导电率在325℃达到峰值点，而其硬度值在250℃达到峰值点，说明合金达到硬度峰值后有二次相的析出同时有部分析出相发生粗化。
实例3：对实例1中的S1合金进行固溶处理(500±10℃/24h)，S2、S3、S4合金固溶处理(640±10℃/24h)后进行峰时效处理，S2合金峰时效热处理工艺为100～300℃每隔25℃等时退火3小时，S3合金峰时效热处理工艺为100～275℃每隔25℃等时退火3小时，S4合金峰时效热处理工艺为100～250℃每隔25℃等时退火3小时。然后分别将S1合金固溶态，S2、S3、S4合金的固溶态和峰时效态进行冷轧，冷轧变形量约为90％。随后测量其硬度值与导电率。所得数据如表二所示。从表中可以看出随着Cu含量的增加，其冷轧变形后的硬度值逐渐增大，而其导电率逐渐降低。
表2经不同形变热处理S1、S2、S3、S4合金的硬度值与导电率
样品形变热处理方式硬度值(HV)导电率(％IACS)SR1S1固溶+冷轧(90％)56.461.52SR2S2固溶+冷轧(90％)63.559.34AR2S2固溶+峰时效+冷轧(90％)63.860.08SR3S3固溶+冷轧(90％)69.357.84AR3S3固溶+峰时效+冷轧(90％)68.958.40SR4S4固溶+冷轧(90％)72.957.37AR4S4固溶+峰时效+冷轧(90％)78.656.60
实例4：对实例3中的SR1、SR2、SR3、SR4、合金，进行100～475℃等时退火处理，每隔25℃取一样，测量其硬度和导电率的变化。对实例3中的SR1、SR2、AR2、SR3、AR3、SR4、AR4合金在200℃等温退火，测量其硬度和导电率的变化。图3表示SR1、SR2、SR3、SR4、合金100～475℃之间每隔25℃等时3小时退火硬度变化曲线，从图中可以看出SR1在225℃硬度值呈直线下降，SR2、SR3在325℃硬度值呈直线下降，SR4在300℃硬度值呈直线下降。相对于SR1，SR2、SR3耐热性提高了100℃，SR4耐热性提高了75℃。图4表示SR1、SR2、SR3、SR4合金100～475℃之间每隔25℃等时3小时退火导电率变化曲线，相比于图2，S1合金冷轧后再等时时效，其导电率在200℃有明显峰值61.74％IASC。SR2合金的导电率在400℃达到峰值60.93％IASC，SR3合金的导电率在300℃达到峰值60.16％IASC，SR4合金的导电率在250℃达到峰值60.21％IASC。图5表示SR1、SR2、AR2、SR3、AR3、SR4、AR4合金200℃等温退火硬度变化曲线，从图中可以看出SR1在200℃等温退火168小时，硬度值从56.4HV下降到40.7HV，下降约27.84％，同理SR2、AR2、SR3、AR3、SR4、 AR4合金同样在图5中得到其硬度值的变化，具体数据如表3所示。
表3SR1、SR2、AR2、SR3、AR3、SR4、AR4合金200℃等温168小时退火硬度变化百分比
样品未退火硬度(HV)200℃退火168小时硬度(HV)变化百分比SR156.440.7-27.84％SR263.565.2+2.68％AR263.854.8-14.11％SR369.367.7-2.31％AR368.959.8-13.21％SR472.967.5-7.41％AR478.665.5-16.67％
从表中可以看出SR1合金硬度下降最大约27.84％，AR2、AR3、AR4合金硬度值分别下降14.11％、13.21％1、16.67％，SR3、SR4硬度值分别下降2.31％、7.41％，而SR2合金硬度值上升2.68％。说明在Al-Cu合金中加Er能够析出大量弥散强化相，抑制其再结晶。对比SR2、SR3、SR4，随着Cu含量的增加，硬度值下降百分比增大。图6表示SR1、SR2、AR2、SR3、AR3、SR4、AR4合金200℃等温退火导电率变化曲线，等温退火24小时导电率趋于稳定。对比图5和6说明Al-Er-Cu合金在200℃等温退火在保持其硬度下降不大的情况下，能够进一步提高其导电率。对比图5和图6可以得到SR1、SR2、AR2、SR3、AR3、SR4、AR4合金200℃等温退火24小时的硬度值和导电率。如表4所示。
表4SR1、SR2、AR2、SR3、AR3、SR4、AR4合金200℃等温退火24小时的硬度值和导电率
样品硬度值(HV)导电率(％IACS)SR140.162.23SR268.360.25AR255.861.55SR367.959.50AR360.961.26SR476.359.47AR472.460.41
综合考虑铝合金导线的力学性能和导电性能，可知S3为优化的Al-Er-Cu合金成份，对于S3合金其优化的形变热处理工艺为固溶处理(640±10℃)+冷轧(90％)+等温退火(200℃/24h)，其导电率达到59.47％IACS，硬度达到76.3HV。