一种高性价比高强高导的Al‑Sc‑Zr‑Yb合金及其热处理工艺的制作方法

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及到一种经过复合微合金化的铝合金材料及其热处理工艺。

技术背景

随着我国经济的持续高速发展，对于电力这一重要能源的需求不断攀升。作为导线材料，铝及其合金不仅具有优良的导电导热性，良好的加工性，而且价格低廉，因此受到越来越广泛的关注。

导线材料除了要有良好的导电率外还应具有一定的强度以支持自身的质量及外来的自然载重(风荷载冰荷载等)。在材料学领域，提高铝合金强度的方法有细晶强化、形变强化、固溶强化和弥散强化四种方式。用不同的方法强化材料的同时，会对材料的导电性产生一定的影响。研究表明，当金属发生冷塑性变形后强度、硬度升高，导电性会略有降低；当晶粒细化后，由于晶粒减小，晶界面积增多，晶界对电子的散射作用增强，也会使材料导电性略有降低。总之，细晶强化和形变强化对材料的导电性有一定的影响，但影响程度较小。当铝中杂质或合金元素处于固溶态时，对铝的导电性有非常强烈的影响，而当其处于析出态时，对导电性的影响仅是固溶态的几分之一到几十分之一，因此，固溶强化这种方式可以提高强度但却使导电性大大降低，不符合导线的导电性需求。综上所述，要得到同时具备高强、高导的铝导线材料，必须满足所添加的合金元素在铝中的固溶度尽可能的小，并且通过某种热处理工艺后，合金元素能够从基体中尽可能多的析出，形成细小、弥散分布于基体中的强化相。

近年来，国内外学者对稀土元素在铝合金中的作用进行了大量研究，这些研究主要集中在Sc、Zr、Er、Yb等及其复合微合金化对铝合金的影响，其中，以Sc的研究最为深入。在铝合金中Sc是具有最好时效强化效果的微合金化元素，Al-Sc二元合金中，Sc的最大固溶度为0.23at.％，当温度低于450℃时，其固溶度不足0.01at.％，因此经热处理后，能够大量弥散析出具有L12结构的Al3Sc，从而使合金的强度升高。但由于Sc的扩散系数较大，在高温长时间时效后Al3Sc析出相易粗化，导致合金的耐热性差。并且Al-5wt％Sc的单价高达2000元/千克。昂贵的Sc的添加大大增加了铝合金的生产成本，使含Sc铝合金在工业中的应用受到限制。研究表明，在Al-Sc二元合金中添加微量扩散系数较小的Zr可以提高合金耐热性，同时高浓度的Sc与Zr复合添加后可以形成细小弥散的、内Sc外Zr具有核壳结构的Al3(Sc，Zr)第二相，达到强度和耐热性的同步提高。在工业中，Al-5wt％Zr的单价为100元/千克，价格低廉，可以广泛用于工业生产中。但Sc、Zr复合微合金化在应用过程中依然存在问题。300℃时Sc具有最好的时效强化效果，但扩散系数较低的Zr元素无法完全析出而使电导率降低。温度升高后Zr可以完全析出，但Sc的时效强化效果明显变差，特别是Sc含量较低时，在高温(400℃)无法弥散析出，甚至完全无时效强化效果。

中国专利CN105483455A公开发明了一种Al-Sc-Zr-Er合金高强高导状态的热处理工艺，表明合金在经过350～400℃等温时效144小时后，硬度值可达64HV，电导率也能达到60％IACS，合金具有高强高导性能。CN105483455A已取得了很好的效果，但是在实际应用中有的还需要进一步提高硬度和导电率，而此时CN105483455A已不能满足进一步需要高性能的场合。

在Sc、Zr复合微合金化的基础上添加在高温下也可弥散析出具有L12结构的Al3Yb相的Yb元素。与Sc、Zr相比，在相同含量下Yb的形核驱动力比Sc、Zr大，特别是在高温阶段。Yb的添加能够促进Sc、Zr的弥散析出，最终形成具有L12结构的Al3(Sc，Zr，Yb)析出相，既保证了合金材料的导电率，又能保证合金材料的强度。同时Al-5wt％Yb的单价为110元/千克，少量的Yb元素的添加不会大幅度提高生产成本，可以广泛用于工业生产中。

本发明正是基于以上考虑，设计了Al-Sc-Zr-Yb合金，旨在寻找其合适的成分范围和相应的热处理工艺，从而制备高性价比高强高导的铝合金导线材料。

技术实现要素：

本发明的目的在于通过复合微合金化的方法，寻找一种Al-Sc-Zr-Yb合金及其热处理工艺，从而能够提高合金的强度和导电性，同时也能降低合金的生产成本，使合金具有高性价比。

一种高性价比高强高导的Al-Sc-Zr-Yb合金，其特征在于，在铝基体中加入了0.193～0.256％(重量百分比)的Sc，0.187～0.243％(重量百分比)的Zr，0.077～0.109％(重量百分比)的Yb。

以上所述合金元素的最佳成分范围为：Zr为0.187～0.233％(重量百分比)，Yb为0.077～0.090％(重量百分比)。

该合金的制备方法是在在熔炼铝的过程中加入Al-2wt％Sc、Al-3wt％Zr、Al-25wt％Yb的中间合金，熔炼温度为780±10℃。达到熔炼温度后，充分搅拌，保温静置15分钟后进行铁模浇铸得到铸态合金，随后进行热处理，以获得所述合金材料。

本发明所述的一种高性价比高强高导的Al-Sc-Zr-Yb合金及其热处理工艺，其特征在于，包括以下热处理工艺步骤：

(1)在640±10℃对铸态合金进行均匀化退火，然后进行变形量为90％的冷轧变形，之后在640±10℃固溶处理40～50小时，水淬至室温；

(2)在350～400℃之间进行72～144h的等温时效。

以上所述合金的最佳热处理工艺优选为在350～400℃之间等温时效96～144h。

本发明由于采用了Sc、Zr、Yb的复合微合金化，不仅使合金同时具备显著的时效强化效果和优良的导电性能，而且大大降低了合金的生产成本。如附图2、3、6、7、9所示，合金经过350～400℃等温时效96小时后，A1、A2合金的硬度值可达66HV以上，最高可达73HV，电导率也都超过60％IACS，最高可达60.5％IACS，并且在取得相同硬度值的情况下，相较于Al-Sc-Zr合金，Al-Sc-Zr-Yb合金的价格可降低30元/千克，具有高性价比。中国专利CN105483455A公开发明了一种Al-Sc-Zr-Er合金高强高导状态的热处理工艺，表明合金在经过350～400℃等温时效144小时后，硬度值可达64HV，电导率也能达到60％IACS，合金具有高强高导性能。Yb与Er同为镧系元素，本发明所述的一种高性价比高强高导的Al-Sc-Zr-Yb合金及其热处理工艺，不仅保证了合金的强度及导电性，同时缩短了热处理时间，采用本发明技术方案等温时效96小时达到CN105483455A的效果，从而进一步降低了合金的生产成本，提高了经济效益，可以广泛应用于工业生产中。

附图说明

图1：300℃等温时效硬度曲线；

图2：350℃等温时效硬度曲线；

图3：400℃等温时效硬度曲线；

图4：450℃等温时效硬度曲线；

图5：300℃等温时效电导率曲线；

图6：350℃等温时效电导率曲线；

图7：400℃等温时效电导率曲线；

图8：450℃等温时效电导率曲线；

图9：Al-Sc-Zr-Yb合金性价比图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步说明。首先在640±10℃固溶处理40～50小时，水淬至室温，然后在300～450℃之间每隔50℃进行0～144h不同时间的等温时效处理。

实施例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-2wt％Sc、Al-3wt％Zr、Al-25wt％Yb的中间合金。在熔炼温度780±10℃下，先将高纯铝铝锭熔化，随后加入Al-Sc、Al-Zr、Al-Yb中间合金，充分搅拌，保温静置15分钟后进行铁模浇铸。将铸锭在640±10℃进行均匀化退火，然后进行变形量为90％的冷轧变形。制备了5种不同成分的铝合金，通过XRF测得其实际成分，如下表1所示。

表1实验合金成分

实施例2：对实施例1中的合金在640±10℃进行40～50小时固溶处理，水淬至室温，然后在350℃进行等温时效。图2为合金在350℃下等温时效的硬度曲线。从图中可以看出，时效初期，合金的硬度值随着时效时间的延长不断提升，时效1小时后达到硬度峰值，之后随着时间的延长，硬度值基本保持不变。时效96小时后，A1、A2合金的硬度值分别为66HV、73HV，可见合金具有良好的强化效果。图6为合金在350℃下等温时效的电导率曲线。从图中可以看出，随着时效时间的延长，电导率整体呈现上升趋势，时效96小时后，A1、A2合金的电导率分别为60.5％IACS、60.2％IACS，可见合金具有良好的导电性。此外，A4、A5合金时效96小时后硬度值仅为53HV、49HV，且其电导率也不到60％IACS。A3合金时效96小时后硬度值为70HV，电导率为59.8％IACS，但由于其Sc含量高，大大增加了生产成本，且其硬度值和电导率也低于较低Sc含量的A2合金。

实施例3：对实施例1中的合金在640±10℃进行40～50小时固溶处理，水淬至室温，然后在400℃进行等温时效。图3，图7分别为合金在400℃下等温时效的硬度曲线和电导率曲线。从图中可以看出，合金的硬度曲线及电导率曲线的变化趋势与实施例2中曲线类似。时效96小时后，A1、A2合金的硬度值分别为66HV、72HV，电导率可达60.3％IACS、60.4％IACS，可见A1、A2合金具有高强高导性能。A4、A5合金虽然时效96小时后电导率超过60.0％IACS，但其硬度值仅为52HV、48HV。A3合金时效96小时后硬度值为68HV，电导率为60.1％IACS，低于较低Sc含量的A2合金。

对比例1：对实施例1中的合金在640±10℃进行40～50小时固溶处理，水淬至室温，然后在300℃进行等温时效。图1，图5分别为合金在300℃下等温时效的硬度和电导率曲线。从图中可以看出，A1、A2合金时效96小时后，硬度值分别为66HV、72HV，电导率分别为56.4％IACS、57.1％IACS，相对于350℃、400℃等温时效处理，合金的强化效果基本不变，但其导电性明显降低。

对比例2：对实施例1中的合金在640±10℃进行40～50小时固溶处理，水淬至室温，然后在450℃进行等温时效。图4，图8分别为合金在450℃下等温时效的硬度及电导率曲线。从图中可以看出，时效96小时后，A1、A2合金的电导率分别为60.2％IACS、60.3％IACS，硬度值分别为47HV、55HV。相对于350℃、400℃等温时效处理，合金的导电性基本不变，但其强化效果大大降低。

对于对比例1，时效96小时后，合金的硬度值可达60HV以上，但其电导率仅在57％IACS左右，合金的导电性不好。对于对比例2，合金的电导率均在60％IACS以上，但其硬度值低于55HV，合金的强化效果不好。对于实施例2、3，合金的硬度值可达66HV以上，电导率也都超过60％IACS，并且在取得相同硬度值的情况下，相较于Al-Sc-Zr合金，Al-Sc-Zr-Yb合金的价格可降低30元/千克，因此合金不仅具有高强高导性能且具有高性价比。所以合金的最佳热处理工艺为在350～400℃之间等温时效96～144h。