本发明涉及铝合金技术领域，具体涉及一种铝合金导体材料及其制备方法。
背景技术：
电工铜和铝是电线电缆的主要导体材料。中国铜资源少，对外依存度高达70%，而中国的铝资源丰富，自给率高。近年来，我国大力提倡“以铝节铜”，相继出台了《GB/T30552-2014电缆导体用铝合金线》、《NB/T42051-2015额定电压0.6/1kV铝合金导体交联聚乙烯绝缘电缆》、《GBT31840-2015额定电压1kV到35kV铝合金芯挤包绝缘电力电缆》等多部铝合金的电缆标准。作为传输电能的载体，铝合金导体追求的最基本的性能是导电性及一定的强度和柔韧性，因此，目前对于铝合金导体的研究大多集中在如何提高其导电性能和力学性能上。
公开号为CN 102268575 A的专利文献提供了一种铝合金材料，含有以重量百分比计的以下各组分 ：0.16 ～ 1.2wt% 的 Fe、0.001 ～ 0.8wt% 的 Cu、0.001 ～ 0.8wt% 的 Mg、0.001 ～ 0.8wt% 的 Zn、0.001 ～ 0.8wt% 的 Ca、0.001 ～ 1.0wt% 的稀土元素以及微量的、锶、钛、硼、鎳、铬、锆、钒、铍、钴、铅、锡、铋、钼、银、铟、铌、钡,其余为铝。该合金具有极好的机械强度、加工性能和耐腐蚀性能，适用于电缆铠装护套。但是该铝合金材料导电性较差，而且抗拉强度有待进一步提高。
公开号为CN 107653402 A的专利文献提供了一种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Ti铝合金，铝合金的各成分和重量百分比分别为：Fe含量为1.2 ~ 1.5%，Cu含量为0.5 ~ 1.0%，Ti含量为0.03 ~ 0.06%，B含量为0.01 ~ 0.03%，其余为Al和杂质。其中铝合金的电阻率不大于0.024132Ω•mm 2 /m，电导率大于63%IACS，断裂延伸率不低于13%，且90度疲劳折弯次数大于或等于35次。但是该发明铝合金的抗拉强度低于350MPa，且温度明显高于室温的条件下，抗拉强度下降严重，在夏天温度较高时，该电缆的使用性能欠佳。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种铝合金导体材料，以改善其电导率和力学性能。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种铝合金导体材料，由下述质量百分数的成分制成：Fe0.2-0.7%、Cu0.05-0.2%、Mg0.12-0.35%、Ca0.1-0.3%、V0.01-0.07%、Yb0.03-0.15%，余量为Al及不可避免的杂质。
优选地，所述铝合金导体材料，由下述质量百分数的成分制成：Fe0.3%、Cu0.09%、Mg0.15%、Ca0.18%、V0.03%、Yb0.08%，余量为Al及不可避免的杂质。
优选地，所述铝合金导体材料，由下述质量百分数的成分制成：Fe0.42%、Cu0.15%、Mg0.31%、Ca0.25%、V0.05%、Yb0.12%，余量为Al及不可避免的杂质。
优选地，所述铝合金导体材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：按上述成分配比进行合金熔炼，得到合金熔液；
步骤S2：将所述合金熔液依次进行除渣和精炼，将所述精炼后的合金熔液冷却，挤压，得到铸锭；
步骤S3：将所述铸锭以0.5-0.6℃/min的速度升温至470-480℃，保温8-11小时，降至355-370℃，保温1小时，再升温至430-440℃进行轧制，将所述轧制后的合金材料加热到520℃，保温4h后，水淬至室温；
步骤S4：将所述水淬后的合金材料进行时效处理，得到铝合金导体材料。
优选地，所述合金熔炼温度为740℃-760℃，时间为5-8分钟，保温温度为735-745℃，时间为10~12分钟。
优选地，所述除渣是将清渣剂加入所述合金熔液中，保温3-5分钟并均匀搅拌，然后扒渣，将残渣清除干净。
优选地，所述清渣剂由下述质量百分比的成分组成：30%氯化钠、50%氯化钾和20%硝酸钾。
优选地，所述精炼是将精炼剂加入所述除渣后的合金熔液中进行精炼，时间25-30分钟。
优选地，所述精炼剂由下述质量百分比的成分组成：50%六氯化二碳、40%氟硅酸钾和10%氯化钠。
优选地，所述时效处理的温度为170-175℃，时间为8h。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明通过对铝合金成分及制备工艺进行优化，所得铝合金导体材料可用作制备铝合金电缆线芯，不仅导电率高，而且具有良好的力学性能。
本发明在铝合金成分设计方面：添加0.2-0.7%的铁，铁含量的增加，使金属键的有序化遭到破坏，形成了不均匀的固溶体Al2Fe和Al3Fe，由于组成了化合物，金属离子之间的一部分金属键被破坏掉，导体内部能够运动的自由电子数目减少，形成的电流减小，导致导体材料的导电率降低。但是，铁原子的添加对提高合金的抗拉强度有利，同时随着铁原子的增加，断裂伸长率下降，使得铝合金塑性降低，因此，添加适量的铁原子更有利于获得综合性能较好的铝合金。铜是重要的合金元素，有一定的固溶强化效果，时效析出的CuAl2有着明显的时效强化效果，本发明铝合金中加入0.05-0.2%的铜，有利于提高铝合金的强度以及高温蠕变性能。镁的加入有利于提高铝合金的强度，但是需要把握好度，若镁过量，对提高铝合金强度效果不突出，而且还会使得耐热性能下降。钙的加入，能够抑制再结晶，提高再结晶温度，延长再结晶时间，提高耐热性，但是过量加入，会降低铝合金对断裂伸长率，降低铝合金塑性。钒在铝合金中形成VAl11难熔化合物，在熔铸过程中起细化晶粒作用，同时钒也有细化再结晶组织、提高再结晶温度的作用。添加稀土元素Yb，能细化合金的时效强化相，提高合金力学性能，而且通过对工艺条件进行严格控制，能够使更多的Yb元素固溶到基体中，从而更有效地细化合金的时效强化相，提高合金的力学性能，使合金室温抗拉强度获得显著提高。
本发明铝合金的制备方法方面，首先将合金元素进行熔炼，并且对合金熔液进行除渣和精炼，净化熔液，降低有害杂质含量及其对合金性能的不利影响，以提高铝合金的导电率和力学性能。其次，对获得的铸锭进行均匀化处理、热轧和时效处理，结合铝合金具体成分，探索和优化工艺条件及参数，所得铝合金抗拉强度高，耐热性能好。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。
本发明铝合金导体材料中，不可避免的杂质元素含量总和低于0.05%，单一杂质元素含量低于0.01%。
实施例1
一种铝合金导体材料，由下述质量百分数的成分制成：Fe0.2%、Cu0.05%、Mg0.12%、Ca0.1%、V0.01%、Yb0.03%，余量为Al及不可避免的杂质。
本实施例铝合金导体材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：按上述成分配比进行合金熔炼，得到合金熔液；
步骤S2：将合金熔液依次进行除渣和精炼，将精炼后的合金熔液冷却，挤压，得到铸锭；
步骤S3：将铸锭以0.5℃/min的速度升温至470℃，保温9小时，降至355℃，保温1小时，再升温至430℃进行轧制，将轧制后的合金材料加热到520℃，保温4h后，水淬至室温；
步骤S4：将水淬后的合金材料进行时效处理，得到铝合金导体材料。
本发明中，合金熔炼温度为740℃，时间为8分钟，保温温度为735℃，时间为10分钟。
本发明中，除渣是将清渣剂加入合金熔液中，保温3分钟并均匀搅拌，然后扒渣，将残渣清除干净。清渣剂由下述质量百分比的成分组成：30%氯化钠、50%氯化钾和20%硝酸钾。清渣剂的加入量为铝合金溶液总质量的0.05%。在精炼前，铝液表面出现渣、铝不分时，将清渣剂均匀撒于合金熔液表面，清渣剂反应会释放出大量热量，使熔渣迅速升温，此时及时搅拌铝渣，使熔剂与铝渣充分接触3-5分钟，待铝渣呈干性粉状后即可清除。
本发明中，精炼是将精炼剂加入除渣后的合金熔液中进行精炼，时间25分钟。精炼剂由下述质量百分比的成分组成：50%六氯化二碳、40%氟硅酸钾和10%氯化钠。精炼剂的加入量为铝合金溶液总质量的0.3%。采用上述精炼剂起到脱氢、除杂的作用，净化熔液，提高铝合金的力学强度。
需要说明的是，下述实施例2-实施例8、对比例1-6在未特别说明的情况下，所用除渣剂及精炼剂均与实施例1相同。
本发明中，时效处理的温度为170℃，时间为8h。经过时效处理，铝合金的力学性能得到显著提高。
实施例2
一种铝合金导体材料，由下述质量百分数的成分制成：Fe0.3%、Cu0.09%、Mg0.15%、Ca0.18%、V0.03%、Yb0.08%，余量为Al及不可避免的杂质。
本实施例铝合金导体材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：按上述成分配比进行合金熔炼，得到合金熔液；
步骤S2：将合金熔液依次进行除渣和精炼，将精炼后的合金熔液冷却，挤压，得到铸锭；
步骤S3：将铸锭以0.6℃/min的速度升温至475℃，保温10小时，降至360℃，保温1小时，再升温至435℃进行轧制，将轧制后的合金材料加热到520℃，保温4h后，水淬至室温；
步骤S4：将水淬后的合金材料进行时效处理，得到铝合金导体材料。
本发明中，合金熔炼温度为750℃，时间为6分钟，保温温度为740℃，时间为10~12分钟。
本发明中，除渣是将清渣剂加入合金熔液中，保温4分钟并均匀搅拌，然后扒渣，将残渣清除干净。
本发明中，精炼是将精炼剂加入除渣后的合金熔液中进行精炼，时间28分钟。
本发明中，时效处理的温度为172℃，时间为8h。
实施例3
一种铝合金导体材料，由下述质量百分数的成分制成：Fe0.42%、Cu0.15%、Mg0.31%、Ca0.25%、V0.05%、Yb0.12%，余量为Al及不可避免的杂质。
铝合金导体材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：按上述成分配比进行合金熔炼，得到合金熔液；
步骤S2：将合金熔液依次进行除渣和精炼，将精炼后的合金熔液冷却，挤压，得到铸锭；
步骤S3：将铸锭以0.6℃/min的速度升温至480℃，保温8小时，降至365℃，保温1小时，再升温至440℃进行轧制，将轧制后的合金材料加热到520℃，保温4h后，水淬至室温；
步骤S4：将水淬后的合金材料进行时效处理，得到铝合金导体材料。
本发明中，合金熔炼温度为760℃，时间为5分钟，保温温度为745℃，时间为12分钟。
本发明中，除渣是将清渣剂加入合金熔液中，保温5分钟并均匀搅拌，然后扒渣，将残渣清除干净。
本发明中，精炼是将精炼剂加入除渣后的合金熔液中进行精炼，时间30分钟。
本发明中，时效处理的温度为172℃，时间为8h。
实施例4
一种铝合金导体材料，由下述质量百分数的成分制成：Fe0.7%、Cu0.2%、Mg0.35%、Ca0.3%、V0.07%、Yb0.15%，余量为Al及不可避免的杂质。
铝合金导体材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：按上述成分配比进行合金熔炼，得到合金熔液；
步骤S2：将合金熔液依次进行除渣和精炼，将精炼后的合金熔液冷却，挤压，得到铸锭；
步骤S3：将铸锭以0.6℃/min的速度升温至475℃，保温11小时，降至360℃，保温1小时，再升温至435℃进行轧制，将轧制后的合金材料加热到520℃，保温4h后，水淬至室温；
步骤S4：将水淬后的合金材料进行时效处理，得到铝合金导体材料。
本发明中，合金熔炼温度为755℃，时间为7分钟，保温温度为742℃，时间为11分钟。
本发明中，除渣是将清渣剂加入合金熔液中，保温5分钟并均匀搅拌，然后扒渣，将残渣清除干净。
本发明中，精炼是将精炼剂加入除渣后的合金熔液中进行精炼，时间25分钟。
本发明中，时效处理的温度为175℃，时间为8h。
实施例5
一种铝合金导体材料，由下述质量百分数的成分制成：Fe0.3%、Cu0.07%、Mg0.2%、Ca0.12%、V0.02%、Yb0.05%，余量为Al及不可避免的杂质。
本实施例铝合金导体材料的制备方法参阅实施例1，不再赘述。
实施例6
一种铝合金导体材料，由下述质量百分数的成分制成：Fe0.5%、Cu0.10%、Mg0.22%、Ca0.15%、V0.04%、Yb0.1%，余量为Al及不可避免的杂质。
本实施例铝合金导体材料的制备方法参阅实施例1，不再赘述。
实施例7
一种铝合金导体材料，由下述质量百分数的成分制成：Fe0.6%、Cu0.18%、Mg0.32%、Ca0.21%、V0.06%、Yb0.13%，余量为Al及不可避免的杂质。
本实施例铝合金导体材料的制备方法参阅实施例1，不再赘述。
实施例8
一种铝合金导体材料，由下述质量百分数的成分制成：Fe0.55%、Cu0.13%、Mg0.27%、Ca0.28%、V0.05%、Yb0.07%，余量为Al及不可避免的杂质。
本实施例铝合金导体材料的制备方法参阅实施例1，不再赘述。
对比例1
一种铝合金导体材料，由下述质量百分数的成分制成：Fe0.7%、Cu0.2%、Mg0.4%、Ca0.3%、V0.07%、Yb0.15%，余量为Al及不可避免的杂质。该铝合金导体材料的制备方法参阅实施例4。
对比例2
一种铝合金导体材料，由下述质量百分数的成分制成：Fe0.7%、Cu0.2%、Mg0.35%、Ca0.4%、V0.07%、Yb0.15%，余量为Al及不可避免的杂质。该铝合金导体材料的制备方法参阅实施例4。
对比例3
一种铝合金导体材料，由下述质量百分数的成分制成：Fe0.2%、Cu0.05%、Mg0.12%、Ca0.1%、V0.01%、Yb0.01%，余量为Al及不可避免的杂质。该铝合金导体材料的制备方法参阅实施例1。
对比例4
本实施例铝合金导体材料的组成同实施例，与实施例1不同的是，该铝合金导体材料的制备方法，采用步骤S2’代替步骤S2：
步骤S2’：将合金熔液依次进行除渣和精炼，将精炼后的合金熔液冷却，挤压，得到铸锭；精炼是将精炼剂加入除渣后的合金熔液中进行精炼，时间30分钟；精炼剂由下述质量百分比的成分组成：50%六氯化二碳、50%氯化钠。精炼剂的加入量为铝合金总质量的0.4%。
对比例5
本实施例铝合金导体材料的组成同实施例，与实施例1不同的是，该铝合金导体材料的制备方法，采用步骤S3’代替步骤S3：
步骤S3’：将铸锭以1℃/min的速度升温至450℃，保温10小时，降至350℃，保温1小时，再升温至420℃进行轧制，将轧制后的合金材料加热到520℃，保温4h后，水淬至室温。
对比例6
本实施例铝合金导体材料的组成同实施例，与实施例1不同的是，该铝合金导体材料的制备方法，采用步骤S4’代替步骤4：
步骤S4：将水淬后的合金材料进行时效处理，时效处理的温度为160℃，时间为10h，得到铝合金导体材料。
效果评价
将本发明实施例1-4、以及对比例1-6制备的铝合金进行如下性能测试。
1、导电率测试方法：依据GB/T12966-2008铝合金电导率涡流测试方法。测试结果如表1所示。
2、力学性能测试方法：分别在室温25℃、150℃和200℃下，采用微机控制电子万能试验机，拉伸试样标准件按照国标GB/T228-2002制备，拉伸试样标距为60mm，标距内直径为5mm，试验采用匀速单向位移拉伸，拉伸速率为3mm/s。测试结果如表1所示。
表1导电率、抗拉强度以及断裂伸长率测定结果
表1结果显示：
1）本发明铝合金的导电率在63.5-64.6%IACS之间，室温下抗拉强度为402-413MPa之间，150℃下，抗拉强度较室温分别降低10.2%、10.4%、10.8%和10.6%，200℃下，抗拉强度较室温分别降低18.2%、17.4%、17.2%和18.3%；室温下断裂伸长率为10.7-11.8%之间，150℃下，断裂伸长率较室温分别提高6.8%、5.6%、5.4%和5.3%，200℃下，断裂伸长率较室温分别提高16.1%、16.8%、15.2%和16.8%。
2)导电率方面，与实施例1相比，对比例3、4和6铝合金导电率下降显著，其中，对比例3将Yb的含量下调至0.01%，对比例4精炼过程使用精炼剂改变，对比例6时效处理参数改变，结果显示上述变化对本发明铝合金导电率具有显著影响。
2）力学性能方面：
与实施例4相比，对比例1：在室温下的抗拉强度为403MPa，与本发明实施例4相当，150℃下，抗拉强度较室温降低16.9%，200℃下，抗拉强度较室温降低25.1%，即该对比例铝合金在温度明显升高的情况下，抗拉强度下降显著，而且与本发明实施例4相比，差异显著。对比例2：在室温下的抗拉强度较之本发明实施例4下降显著，而且随温度升高的下降速率更快，同时断裂伸长率也有显著的下降，说明钙元素虽然能提高铝合金的耐热性能，但是其用量存在上限，对本发明铝合金而言，其上限为为0.35%，超出该上限，钙元素的使用对铝合金的耐热性能没有明显影响，而且钙元素的过量使用使得断裂伸长率下降。
与实施例1相比，对比例3：Yb元素的加入还对提高铝合金的力学性能有益，Yb元素加入过少，所得铝合金的力学性能较差。对比例4：精炼过程中精炼剂的合理使用对铝合金的抗拉强度也具有显著影响。对比例5：较之实施例1，该对比例调高了升温速度，温度不同，保温时间不同，结果显示上述参数对铝合金的力学性能具有显著影响。对比例6：时效处理工艺对铝合金的抗拉强度具有显著影响，而且铝合金的抗拉强度随温度的升高，下降速率增大，这对提高铝合金的耐热性能无益。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。