Al-Cu系铝合金及其制备方法、耐热电缆与流程

本发明涉及铝合金，尤其涉及一种al-cu系铝合金、该al-cu系铝合金的制备方法、及应用该al-cu系铝合金的耐热电缆。

背景技术：

1、随着铜资源的日益匮乏，以铝合金代替铜受到了研究者的关注。目前，我国的铝合金导体材料主要分为以下三类：高导电铝合金导体材料、高强高导铝合金材料、及高强高导耐热铝合金导体材料。高导电铝合金导体材料主要包括al-fe系铝合金、al-cu系铝合金、及电工铝(如电工铝1350或电工铝1b90等)等。高导电铝合金导体材料属于软质电线铝合金，力学性能和耐热性能普遍较低，而导电性能较高(达到61～63％iacs)，一般用于低压端。高强高导铝合金材料主要包括al-mg-si系铝合金。高强高导铝合金材料具有良好的机械性能和耐腐蚀性能，但导电性能较低(一般低于58％iacs)，主要用于架空线，如应用于长江、汉江等超高压大跨距输电线路中。高强高导耐热铝合金导体材料主要包括al-zr-re系铝合金。高强高导耐热铝合金导体材料具有较好的导电率、机械性能和耐热性，可在低于150℃的高温环境下使用。

2、林泽民等于2009年至2016年申请了160余件电缆用铝合金专利。最早的一件专利(公告号为cn101525709b，申请日为2009-04-24)中，其权利要求1涵盖了较大的保护范围。该权利要求1的铝合金包括0.30～1.20％的铁，0.03～0.10％的硅，0.01～0.30％的稀土元素，所述稀土元素为铈和镧，余量为铝以及不可避免的杂质。随后，林泽民等通过不断地调整铝合金的组分及含量，制得了多种性能(如导电性能、力学性能、防腐蚀性能等)较佳的电缆用铝合金，申请了多个保护范围不同且可相互支撑的电缆用铝合金专利，并通过这些电缆用铝合金专利占据了电缆的大部分市场。林泽民等调整铝合金组分和含量的具体方式为：从元素周期表中的1-94号元素中选取若干元素，调整选取的元素的含量，加入至铝中制得铝合金，再测试制得的铝合金是否符合性能要求。如此不断尝试，制得了多种性能较佳的电缆用铝合金。显然，林泽民等于电缆用铝合金产品研发手段和专利布局方式为后续的发明人提供了于铝合金领域进行科技创新的思路。

3、国家倡导改造提升传统产业，推动石化、钢铁、有色、建材等原材料产业布局优化和结构调整，聚焦新一代信息技术、生物技术、新能源、新材料、高端装备、新能源汽车、绿色环保以及航空航天、海洋装备等战略性新兴产业，加快关键核心技术创新应用，增强要素保障能力，培育壮大产业发展新动能。其中，我国新材料产业将重点发展高端新材料，例如高端稀土功能材料、高温合金、高性能纤维及其复合材料等。此外，我国新材料产业发展还面临三大难题，即基础材料品质不高、低端产能过剩；关键战略材料保障不力、高度依赖进口；前沿新材料创新不足、转化率低。

4、申请人于2021年成立了铝合金新材料研发部，对电缆用铝合金如al-cu系铝合金进行了研发。研究发现，随着对电缆用铝合金性能的要求越来越高，为了获得综合性能佳的电缆用铝合金，通常会向铝中加入多种功能各异的元素，如林泽民作为发明人的专利cn102978448b中，36种元素被加入至铝中，过多元素的加入会提高成本(元素的总含量过高且不乏昂贵元素的加入)并增加工艺复杂度，而且过多元素的加入意味着现有的电缆用铝合金制备工艺中并没有在降低成本和工艺复杂度的基础上有针对性地提高电缆用铝合金的综合性能。为此，申请人经不断地创新实验，提出了一种在保持低成本和低工艺复杂度的基础上仅采用较少种类的低价元素即可获得综合性能优异的耐热电缆用al-cu系铝合金的新发明。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种al-cu系铝合金，旨在保持低成本和低工艺复杂度的基础上仅采用较少种类的低价元素来获得综合性能优异(尤其是力学性能和导电性能)的耐热电缆用al-cu系铝合金。

2、本发明提供一种al-cu系铝合金，含有al，还含有质量百分比含量为0.01-0.6％的cu、质量百分比含量为0-0.7％的mg、质量百分比含量为0-0.3％的si、质量百分比含量为0-0.2％的re、质量百分比含量为0-0.1％的b、及质量百分比含量为0-0.3％的zn。

3、进一步地，满足以下条件的至少一种：

4、mg与si的质量比为0.2-30：1；

5、cu与si的质量比为1-30：1；

6、mg与zn的质量比为0.2-50：1；

7、cu与zn的质量比为1-40：1；

8、mg与b的质量比为1-50：1；

9、cu与b的质量比为1-40：1；

10、re为la、ce、pr、nd、er、sm、y、及gd中的至少一种。

11、进一步地，满足以下条件的至少一种：

12、所述al-cu系铝合金还含有质量百分比含量为0-0.1％的be；

13、所述al-cu系铝合金还含有质量百分比含量为0-0.3％的bi；

14、所述al-cu系铝合金还含有质量百分比含量为0-0.8％的co；

15、所述al-cu系铝合金还含有质量百分比含量为0-0.2％的nb；

16、所述al-cu系铝合金还含有质量百分比含量为0-0.5％的ca；

17、所述al-cu系铝合金还含有质量百分比含量为0-0.5％的sb；

18、所述al-cu系铝合金还含有质量百分比含量为0-0.2％的sr；

19、所述al-cu系铝合金还含有质量百分比含量为0-0.3％的sn，其中，mg、sn、及si的质量比为1-20：0.5-5：1。

20、进一步地，所述al-cu系铝合金还含有质量百分比含量为0-0.3％的fe，其中，mg与fe的质量比为0.2-20：1，si与fe的质量比为0.1-5：1。

21、进一步地，所述al-cu系铝合金还含有质量百分比含量为0-0.3％的zr，其中，b与zr的质量比为1：0.1-15。

22、进一步地，所述al-cu系铝合金还含有质量百分比含量为0-0.3％的ni，其中，mg与ni的质量比为0.2-50：1，cu与ni的质量比为0.2-40：1。

23、进一步地，所述al-cu系铝合金还含有质量百分比含量为0-0.3％的ni、质量百分比含量为0-0.3％的zr、及质量百分比含量为0-0.3％的fe，其中，ni与fe的质量比为0.01-1：1，zr、re、ni的质量比为0.1-10：0.05-10：1。

24、本发明还提供一种al-cu系铝合金的制备方法，包括以下步骤：

25、对铝源进行第一次加热处理，得到铝液；

26、向所述铝液中加入cu、mg、si、re、b、及zn，进行第二次加热处理，获得合金液；

27、对所述合金液进行精炼处理和扒渣处理，进行成分及含量检测；

28、成分及含量检测合格后，对经所述精炼处理和扒渣处理后的合金液进行连铸连轧处理和拉拔处理，得到铝合金线；及

29、对铝合金线进行时效处理，得到al-cu系铝合金，其中，所述al-cu系铝合金含有al，还含有质量百分比含量为0.01-0.6％的cu、质量百分比含量为0-0.7％的mg、质量百分比含量为0-0.3％的si、质量百分比含量为0-0.2％的re、质量百分比含量为0-0.1％的b、及质量百分比含量为0-0.3％的zn。

30、进一步地，满足以下条件的至少一种：

31、所述al-cu系铝合金的制备方法还包括向所述铝液中加入sn、sb、zn、b、be、fe、sr、bi、ca、nb、及co中至少一种的步骤；

32、所述时效处理为双极时效处理，所述双极时效处理包括以下步骤：先进行低温时效处理，温度为100-150℃，时间为1-150h；再进行高温时效处理，温度为150-250℃，时间为1-100h。

33、本发明还提供一种耐热电缆，其包括线芯和包覆所述线芯的绝缘层，所述线芯的材质为所述al-cu系铝合金。

34、本发明技术方案中，所述al-cu系铝合金含有质量百分比含量为0.01-0.6％的cu、质量百分比含量为0-0.7％的mg、质量百分比含量为0-0.3％的si、质量百分比含量为0-0.2％的re、质量百分比含量为0-0.1％的b、及质量百分比含量为0-0.3％的zn。将上述元素单独添加至铝基体中时，对铝的导电性能和力学性能的提高有限，甚至对铝的导电性能和力学性能具有负面作用。本发明将上述含量的元素一并加入至铝基体中，上述元素之间相互作用相互影响，可降低彼此在铝基体中的固溶度，来降低某些元素对电导率的不利影响并提高导电性能。某些元素还会固溶进入其他析出相和第二相中形成强化相，从而显著提高铝合金的综合性能。所述al-cu系铝合金采用的元素种类不多，价格低廉，虽然re成本稍高，但用量较少，对所述al-cu系铝合金的成本的影响较小。另外，各元素相互配合还可促进强化相的析出体积分数以减少添加至铝基体中的元素的总使用量。通常，在软质耐热电缆中，加入合金元素的量与电导率及伸长率成反比，与抗拉强度及屈服强度成正比，在软态下，要保证导电率达到国标规定值(大于61％iacs)，向电缆用铝合金中加入的元素的总量不超过1.0wt％；要保证抗拉强度大于185mpa，向电缆用铝合金中加入的元素的总量一般要超过1.0wt％，然而，导电率肯定会低于国标规定值(大于61％iacs)；而本发明在保证力学性能及电导率的前提下，向铝合金中加入的元素的总量低于1.0wt％时，即可取得较佳的综合性能(具体而言，所述al-cu系铝合金的抗拉强度大于硬态合金的抗拉强度，所述al-cu系铝合金的伸长率大于软态合金的伸长率，且电导率大于61％iacs)，进而还降低了所述al-cu系铝合金的成本。综上，本发明在保持低成本和低工艺复杂度的基础上仅采用较少种类的低价元素即可获得综合性能(尤其是力学性能和导电性能)优异的耐热电缆用al-cu系铝合金。