一種Al-Sc-Zr-Er鋁合金高強(qiáng)高導(dǎo)狀態(tài)的熱處理工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬合金材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種經(jīng)過(guò)復(fù)合微合金化的鋁合金 材料的制備過(guò)程及其熱處理工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，對(duì)于電力這一重要能源的需求不斷攀升，在我國(guó)銅資 源相對(duì)匱乏的大背景下，再加上其具有密度大、價(jià)格貴等特點(diǎn)，鋁導(dǎo)線受到越來(lái)越廣泛的關(guān) 注。
[0003] 作為導(dǎo)線材料除了要求有良好的電導(dǎo)率外還應(yīng)具有一定強(qiáng)度以支持其自身的質(zhì) 量及外來(lái)的自然載重(風(fēng)荷載冰荷載等）。在材料學(xué)領(lǐng)域，提高鋁合金強(qiáng)度的方法有四種，通 過(guò)細(xì)化晶粒提高強(qiáng)度的細(xì)晶強(qiáng)化、在再結(jié)晶溫度以下發(fā)生塑性變形時(shí)強(qiáng)度和硬度升高，塑 性和韌性降低的形變強(qiáng)化、使某種溶質(zhì)元素融入溶劑中形成固溶體而使金屬?gòu)?qiáng)度升高的固 溶強(qiáng)化和通過(guò)彌散析出第二相來(lái)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)提高強(qiáng)度的彌散強(qiáng)化。通過(guò)不同的方法來(lái) 強(qiáng)化材料的同時(shí)，會(huì)對(duì)材料的電導(dǎo)率產(chǎn)生一定的影響。研究表明，當(dāng)金屬發(fā)生冷塑性變形后 強(qiáng)度、硬度升高，導(dǎo)電性會(huì)略有降低；當(dāng)晶粒細(xì)化后，由于晶粒減小，晶界面積增多，晶界對(duì) 電子的散射作用增強(qiáng)，也會(huì)使材料電導(dǎo)率略有降低。總之，細(xì)晶強(qiáng)化和形變強(qiáng)化對(duì)材料的電 導(dǎo)率有一定的影響，但影響程度較小。而當(dāng)鋁中雜質(zhì)或合金元素處于固溶態(tài)時(shí)，對(duì)鋁的導(dǎo)電 性有非常強(qiáng)烈的影響，同時(shí)當(dāng)其處于析出態(tài)時(shí)，對(duì)電導(dǎo)率的影響僅是固溶態(tài)的幾分之一到 幾十分之一，因此，固溶強(qiáng)化這種方式可以提高強(qiáng)度但卻使電導(dǎo)率大大降低，不符合導(dǎo)線的 強(qiáng)化需求。綜上所述，要得到同時(shí)具備高強(qiáng)、高導(dǎo)的鋁導(dǎo)線材料，必須滿足所添加的合金元 素在鋁中的固溶度盡可能的小，并且通過(guò)某種熱處理工藝后，合金元素能夠從基體中盡可 能多的析出，形成細(xì)小、彌散分布于基體中的強(qiáng)化相。
[0004] 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)稀土元素在鋁合金中的作用進(jìn)行了大量研究，這些研究主 要集中在SC、Zr、Yb、La、Er等及其復(fù)合微合金化對(duì)鋁合金的影響，其中，以S C的研究最為深 入。在鋁合金中Sc是具有最好時(shí)效強(qiáng)化效果的微合金化元素，Al-Sc二元合金中，Sc的最大 固溶度為〇. 23at. %，當(dāng)溫度低于450°C時(shí)，其固溶度不足0.0 lat. %，因此經(jīng)熱處理后，能夠 大量彌散析出具有Ll2結(jié)構(gòu)的Al3Sc，從而使合金的強(qiáng)度升高。與固溶態(tài)相比，添加的微合金 化元素以析出態(tài)的形式存在，也增加了合金的電導(dǎo)率。但由于Sc的擴(kuò)散系數(shù)較大，在高溫長(zhǎng) 時(shí)間時(shí)效時(shí)A1 3Sc析出相易粗化，導(dǎo)致合金的耐熱性差。研究表明，在A1 -Sc二元合金中添加 微量擴(kuò)散系數(shù)較小的Zr可以提高合金耐熱性，同時(shí)，高濃度的Sc與Zr復(fù)合添加后可以形成 細(xì)小彌散的、內(nèi)Sc外Zr具有核殼結(jié)構(gòu)的Al 3(Sc，Zr)第二相，達(dá)到強(qiáng)度和電導(dǎo)率的同步提高。 但當(dāng)Sc含量較低時(shí)，由于Zr元素的形核驅(qū)動(dòng)力比Sc小，Sc、Zr復(fù)合添加導(dǎo)致微合金化元素?zé)o 法從基體中彌散析出，因此起不到強(qiáng)化的效果，同時(shí)Zr以固溶態(tài)的形式存在于鋁基體，會(huì)大 大降低了合金的導(dǎo)電性。Er元素也是鋁合金中一種常見(jiàn)的微合金化元素，與Sc、Zr相比具有 突出的特點(diǎn)，在Er、Sc、Zr元素相同含量的前提下，Er的形核驅(qū)動(dòng)力比Sc、Zr大，當(dāng)Sc濃度較 低時(shí)，能夠促進(jìn)Sc、Zr的析出，最終形成具有Ll 2結(jié)構(gòu)的Al3(Sc，Zr，Er)析出相，從而增大第二 相的體積分?jǐn)?shù)，同時(shí)也提高了合金材料的電導(dǎo)率，析出的Zr元素位于核殼結(jié)構(gòu)的外層，從而 保證了彌散析出的第二相具有較小的半徑，最終達(dá)到強(qiáng)度和電導(dǎo)率的同步提升。
[0005]由于Sc、Zr、Er元素的特點(diǎn)不同，最佳時(shí)效溫度不一樣，當(dāng)它們復(fù)合微合金化后，要 想得到上述狀態(tài)的合金，必須找到一種合適的熱處理方式。
[0006]因此，本發(fā)明針對(duì)Al-Sc-Zr-Er合金，旨在尋找一種合適的熱處理工藝，使添加的 微合金化元素彌散析出，得到具有較大體積分?jǐn)?shù)、較小半徑的第二相，從而制備高強(qiáng)高導(dǎo)的 鋁合金導(dǎo)線材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 由于Sc是一種昂貴的金屬，本發(fā)明的目的是在用少量的Sc，采用一種合適的方式 提高合金強(qiáng)度和導(dǎo)電性，本發(fā)明通過(guò)復(fù)合微合金化的方法提供一種Al-Sc-Zr-Er鋁合金的 熱處理工藝，對(duì)鋁或者鋁合金基體起到強(qiáng)化作用，從而提高鋁合金的強(qiáng)度和導(dǎo)電性。
[0008] 一種Al-Sc-Zr-Er鋁合金高強(qiáng)高導(dǎo)狀態(tài)的熱處理工藝，其特征在于，Al-Sc-Zr-Er 合金中添加了0.123-0.175 % (質(zhì)量百分比）的Sc、0.193-0.213 % (質(zhì)量百分比）的Zr、 0.061-0.080% (質(zhì)量百分比）的Er，余量為一些不可避免的雜質(zhì)和A1。
[0009] 該合金的制備方法是在熔煉鋁的過(guò)程*WAAl-1.8Wt.%Sc;Al-5.5wt.%Er ;Al-2.9wt. %Zr中間合金實(shí)現(xiàn)的，熔煉溫度為780 ± 10°C，達(dá)到熔煉溫度后保溫15分鐘，使熔體 中各元素成分分布均勻后進(jìn)行鐵模澆鑄，得到鑄態(tài)合金，隨后進(jìn)行熱處理，以獲得所述合金 材料。
[0010]本發(fā)明合金熱處理工藝步驟包括如下：
[0011] (1)首先在640 ± 10°C固溶處理48h，隨后水淬至室溫；
[0012] (2)然后固溶態(tài)合金在350-400°C之間熱處理144 ± 5h。
[0013]本發(fā)明由于采用了 Sc、Zr和Er的復(fù)合微合金化，具有非常顯著的時(shí)效強(qiáng)化效果，使 得合金在較低的Sc含量下具有與高含量Sc性能(強(qiáng)度和導(dǎo)電性)基本持平的效果，如附圖2、 3、6、7所示4142號(hào)合金時(shí)效14411后硬度值可達(dá)64狀，對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度約為20010^，電導(dǎo)率 在60% IACS以上，合金具有高強(qiáng)高導(dǎo)性能。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1:300°C等溫時(shí)效硬度曲線；
[0015] 圖2:350°C等溫時(shí)效硬度曲線；
[0016] 圖3:400°C等溫時(shí)效硬度曲線；
[0017] 圖4:450°C等溫時(shí)效硬度曲線；
[0018] 圖5:300°C等溫時(shí)效電導(dǎo)率曲線；
[0019] 圖：6:350°C等溫時(shí)效電導(dǎo)率曲線；
[0020] 圖7:400°C等溫時(shí)效電導(dǎo)率曲線；
[0021] 圖8:450°C等溫時(shí)效電導(dǎo)率曲線；
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，首先在640