Al-Fe-V-RE铝合金及其制备方法和电力电缆的制作方法

专利名称：Al-Fe-V-RE铝合金及其制备方法和电力电缆的制作方法
技术领域：
本发明涉及合金技术领域，尤其涉及Al-Fe-V-RE铝合金及其制备方法和电力电缆。
背景技术：
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中得到广泛应用。随着科学技术以及工业经济的飞速发展，铝合金的需求日益增多，则铝合金的研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金在电力行业的发展，同时电力行业的发展又拓展了铝合金的应用领域。
电力电缆是用来输送和分配电能的资源，其基本结构由线芯、绝缘层、屏蔽层和保护层四部分组成。其中，线芯是电力电缆的导电部分，用来输送电能，其是电力电缆的主要部分；绝缘层将线芯与大地以及不同相的线芯间在电气间彼此隔离，保证电能输送，其是电力电缆结构中不可缺少的组成部分；保护层是保护电力电缆免受外界杂质和水分的侵入， 以及防止外力直接损坏电力电缆。由于铜具有良好的导电性，铜广泛用于电力电缆的线芯。 但是随着铜资源的日益匮乏，而铝的含量很丰富，以铝代替铜受到了研究者的关注，因此铝合金作为电缆导体成为了研究的热点。
铝合金电力电缆替代铜缆逐渐成为一种趋势，并得到了广泛应用。现有技术中的铝合金导体材料，在电性能、耐腐蚀性能和机械性能等方面较为优异，但是在抗疲劳性能方面还是比较差，从而容易出现质量问题，影响铝合金材料的使用寿命或带来安全隐患，因此，铝合金电力电缆综合性能仍较差。发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种综合性能较好的用于电力电缆的铝合金及其制备方法。
有鉴于此，本发明提供了一种Al-Fe-V-RE铝合金，包括
O. 01 I. 6wt% 的 Fe ；0. 001 O. 3wt% 的 Cu ；0. 001 O. 3wt% 的 Mg ；0. 001 O. 3wt% 的 Co ；0. 001 O. 2wt% 的 Be ；0. 001 O. 3wt% 的 Ca ；0. 001 O. 2wt% 的 Zn ；0. 001 O. 3wt% 的 Sr ； O. 001 O. 3wt% 的 Zr ；0. 002 O. 25wt% 的 Li ；0. 001 O. 2wt% 的 Na ；0. 002 O. 25wt% 的 K ； O. 001 O. 2wt% 的 Ti ；0. 001 O. 15wt% 的 V ；0. 01 3. 0wt% 的 RE ;大于零且小于等于 O. 2wt% 的 Si ;大于零且小于等于O. 8wt%的B ;余量的铝。
优选的，包括O. 25 O. 6wt%的Fe。
优选的，包括O. Γ0. 6wt% 的 RE。
优选的，包括O. 01 O. 10wt%的V。
本发明提供了一种Al-Fe-V-RE铝合金的制备方法，包括以下步骤
a)铸造如下成分的铝合金铸锭0. 01 I. 6wt %的Fe, O. 001 O. 3wt%的Cu， O. 00Γο. 3wt% 的 Mg, O. 00Γο. 3wt% 的 Co, O. ΟΟΓΟ. 2wt% 的 Be,0. 00Γ0. 3wt% 的 Ca,O. 00Γο. 2wt% 的 Zn,O. ΟΟΓΟ. 3wt% 的 Sr，O. 002 O. 25wt% 的 Li,O. OOΓθ. 3wt% 的 Zr, O. OOΓθ. 2wt% 的 Na，0. 002 0. 25wt% 的 K, O. ΟΟΓΟ. 2wt% 的 Τ ,Ο. ΟΟΓΟ. 15wt% 的 V, O. 0Γ3. Owt%的RE，大于零且小于等于O. 2wt%的Si，大于零且小于等于O. 8wt%的B和余量的招;
b)将所述铝合金铸锭进行均匀化处理，将均匀化处理后的铝合金铸锭进行轧制， 得到铝合金杆材；
c)将步骤b)得到的铝合金杆材进行间歇式退火处理；
d)将步骤c)得到的铝合金杆材进行时效处理，得到铝合金。
优选的，所述均匀化处理的温度为45(T550°C，所述均匀化处理的时间为6 16h， 所述均匀化处理的升温速度为3 8°C /min。
优选的，所述步骤c)具体为
将步骤b)得到的铝合金杆材加热至28(T350°C，保温2 8h后进行降温，温度降至 150^200 0C，保温2 4h后冷却。
优选的，所述时效处理在电场强度为5 15KV/cm均匀电场中进行。
优选的，所述时效处理的温度为25(T320°C，所述时效处理的时间为4 20h。
本发明还提供了一种电力电缆，包括线芯、绝缘层、屏蔽层和保护层，所述线芯为上述方案所述的铝合金或上述方案所制备的铝合金。
本发明提供了一种Al-Fe-V-RE铝合金，本发明以铝为基，添加了微量的铁，铝能与铁形成Al3Fe,析出的Al3Fe弥散粒子抑制了合金的蠕变变形，部分Fe还与RE形成AlFeRE 化合物析出，析出相AlFeRE能增强合金的抗疲劳性能和高温运行的耐热性能，且稀土化合物析出相还能提高屈服极限强度；添加的铜元素与铝形成Θ相，而Θ相起固溶强化和弥散强化作用，提高了铝合金的拉伸强度和屈服强度；钛在合金熔体中与Fe、Mg、Cu、RE等多种元素形成铝基化合物，有效细化结晶，改善晶体组织结构，并在铝基的晶界上析出复合合金化合物，减小其它微量元素对铝合金电性能的减弱作用；钒在合金熔体中与Fe、Cu、RE等元素形成铝基化合物分布于铝基中，具有高温强化作用，提高铝合金的耐热性；稀土元素作为表面活性元素，可集中分布在晶界上，降低相与相之间的拉力，从而使晶粒细化。本发明通过对合金元素的选择及含量的控制，有利于铝合金综合性能的提高。
本发明还提供了一种Al-Fe-V-RE铝合金的制备方法，首先通过铸锭进行均匀化处理，均匀化处理使铸锭受热均匀，且优化合金的组织结构；然后将均匀化处理的铝合金铸锭轧制成杆材进行间歇式退火处理，消除机械加工过程中产生的内应力和对微观结构的损伤，优化晶体结构，恢复线材的电性能，优化机械性能，使材料的拉伸性能、柔韧性能和抗疲劳性能保持较好的匹配；再将退火处理后的铝合金杆材在均匀电场中进行时效处理，通过时效处理可以使整个材料的性能达到均匀分布，各项性能综合指标达到俱佳的匹配。本发明通过对铝合金制备方法的优化，使材料的拉伸性能、柔韧性能、电性能、耐腐蚀性能和抗疲劳性能方面保持较好的匹配，并且使整个材料的性能达到均匀分布，从而得到综合性能较好的铝合金。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明实施例公开了一种Al-Fe-V-RE铝合金，包括
O. 01 I. 6wt% 的 Fe ；0. 001 O. 3wt% 的 Cu ；0. 001 O. 3wt% 的 Mg ；0. 001 O. 3wt% 的 Co ；0. 001 O. 2wt% 的 Be ；0. 001 O. 3wt% 的 Ca ；0. 001 O. 2wt% 的 Zn ；0. 001 O. 3wt% 的 Sr ； O. 001 O. 3wt% 的 Zr ；0. 002 O. 25wt% 的 Li ；0. 001 O. 2wt% 的 Na ；0. 002 O. 25wt% 的 K ； O. 001 O. 2wt% 的 Ti ；0. 001 O. 15wt% 的 V ；0. 01 3. 0wt% 的 RE ;大于零且小于等于 O. 2wt% 的 Si ;大于零且小于等于O. 8wt%的B ;余量的铝。
按照本发明，铁作为特征微合金元素，由于铝能与铁形成Al3Fe,析出的Al3Fe弥散颗粒抑制了合金的蠕变变形，并提高连接的稳定性。Fe可以提高铝基的抗张强度、屈服极限以及耐热性能，同时还可以提高合金的塑性。在铝合金的制备过程中，合金中部分Fe以 Al3Fe的形式析出，部分Fe与RE形成AlFeRE化合物析出，高温退火处理后，Fe在铝基中的固溶更小，则Fe对合金的电性能影响很小；但是这些弥散析出相能增强合金的抗疲劳性能和高温运行的耐热性能，且稀土化合物析出相还能提高屈服极限强度。合金中Fe的含量在 O. 01wt%以下，对铝基性能改变很小，起不到效果，但是Fe的含量不能太高，若超过I. 6wt%, 铝基电性能的削弱较为明显，对于用于电线电缆导体、电缆附件及电器领域方面的使用会有影响，因此总体含量控制I. 6wt%以下效果较好。所述Fe的含量为O. 0Γ1. 6wt%，优选为 O. 20 1· Owt%,更优选为 O. 25 O. 6wt%,更优选为 O. 30 0· 45wt%。
铜是铝合金中的基本强化元素，它与铝形成Θ (Al2Cu)相，而Θ相具有固溶强化和弥散强化的作用，能够有效的提高铝合金的拉伸强度和屈服强度。若铜的含量小于 O. 001wt%，则对铝合金的机械性能改善不明显，若含量超过O. 3wt%，则降低电导率。另外， Cu还能改善铝合金热性能。所述Cu的含量为O. ΟΟΓΟ. 3wt%，优选为O. 008 O. 28wt%，更优选为O. 01 O. 25wt%，更优选为O. 05 O. 20wt%，最优选为O. 10 0· 15wt%。
本发明在铝合金中还添加了原子半径比较大的镁元素，镁能够使晶格产生畸变， 引起固溶硬化；同时镁还可以提高铝合金的耐腐蚀性和耐热性能。但是镁的含量不应超过 O. 3wt%，太高则会导致电阻过多增大以及耐热性能的降低。所述镁的含量为O. 00Γ0. 3wt%, 优选为0. 005 0. 25wt%，更优选为0. ΟΓΟ. 20wt%，最优选为0. 05 0. 15wt%。
按照本发明，选用高活性元素钴作为合金化微量添加元素，钴在合金中能够形成 A1Co、A13Co2、A1Co2等多种弥散性高温强化相；它与铁共存时在枝晶间形成Al4 (CoFe)等复杂的强化相，阻碍位错、阻止晶粒滑移，有效地提高了合金室温和高温下的抗疲劳和抗蠕变性能，从而提高铝合金的耐热性。所述钴的含量为0. 00Γ0. 3wt%，优选为0. 003 0. 28wt%, 更优选为0. 005 0. 25wt%，最优选为0. ΟΓΟ. 20wt%，最优选为0. 055 0. 18wt%。
铍(Be)在合金中形成α、β弥散性高温强化相，可防止合金元素的氧化、烧损和吸气，提高合金的冶炼质量及表面氧化膜的致密度。Be还能使杂质铁由针状变为团粒状，可防止浇注时砂型铸件与模型反冲。由于Be对氧和氮有高度亲和力，所以它在熔体脱气时是高效的，从而能够得到表面光洁度较好，强度较高，以及延展性得到改善的优质铸件。另一方面，合金中加入Be能使脆性的Fe金属间晶体由大的针状形和层状形转变成小的等轴晶体，改善合金的强度和延展性，并能够允许铝合金中有较高的Fe含量。Be还能改善铝合金的流动性，使熔体的流动性增加，并能提高合金的抗拉强度和屈服极限。按照本发明，所述Be的含量为O. 001 O. 2wt%，优选为O. 005 O. 18wt%，更优选为O. 10 0· 15wt%。
钙(Ca)元素作为复杂化合物的特征添加元素，在合金熔体中形成Al4Ca、Al2Ca3、 AlCa2等金属化合物，能够强化铝合金的高温性能，增强铝合金的耐热性能和抗疲劳性能， 其在O. 3wt%以下不会对铝合金的电性能造成太大影响。所述钙的含量为O. 00Γ0. 3wt%, 优选为O. 004 O. 28wt%,更优选为O. Ο ΓΟ. 25wt%,最优选为0. 05 0. 20wt%,最优选为 0. 08 0. 15wt%，最优选为 0. 10 0· 12wt%0
本发明在铝合金中添加了微量的锌，锌在熔体中与Al形成REAl2Zn3、Fe3Al2Zn 等多种金属化合物，能起到改善铝合金的抗拉性能，且在一定程度能有效的改善铝合金的高温防腐蚀性能，还能够提高铝合金的耐磨性能。所述锌的含量为0.001、. 2wt%， 优选为0. 005 0. 18wt%,更优选为0. ΟΓΟ. 15wt%,更优选为0. 05 0. 12wt%,最优选为 0. 08 0. 10wt%o
锶(Sr)元素作为复杂化合物的特征添加元素，在熔体中能够形成Al7Sr8、Al4Sr3、 AlSr2和AlSr3等多种合金元素，能起到高温强化作用，提高高温蠕变性能。其次，Sr加入铝合金中，在铸轧时能防止铝合金高温开裂，避免铸造中出现不必要的影响，降低工艺成本， 提高一次性加工成功率。所述锶的含量为0. 00Γ0. 3wt%，优选为0. 005 0. 28wt%，更优选为 0. ΟΓΟ. 26wt%，更优选为 0. 06 0. 24wt%，更优选为 0. 10 0· 20wt%，最优选为 0. 12 0. 15wt%。
锆(Zr)元素作为复杂化合物的特征添加元素，其通过在合金中形成细小的弥散强化相，达到高温强化作用，提高铝合金在高温运行下的热稳定性；另一方面，Zr与 Fe、Cu和Al形成复杂的合金化合物，能够改善铝合金的抗疲劳性能。所述锆的含量为 0. 00Γ0. 3wt%,优选为 0. 005 0. 25wt%,更优选为 0. θΓθ. 20wt%,更优选为 0. 05 0. 15wt%, 最优选为 O. 1(Γθ· 12wt%。
娃(Si)能够促进Al3Zr的析出，提高抗拉强度；Si还能与Mg形成Mg-Si金属化合物，改善铝合金的热性能。但是Si的含量不宜超过0.2%，否则会导致电性能明显下降，且铸条易产生缺陷，在轧制和绞制过程中容易出现断裂现象。所述硅的含量大于零小于等于 0. 2wt%，优选为 0. 00Γ0. 18wt%，更优选为 0. 05 0. 15wt%，最优选为 0. 08 0. 12wt%。
本发明将硼(B)加入铝基中，能够细化晶粒，形成细小的弥散析出相，由于合金中存在大量的这种弥散相，晶粒的长大也受到阻碍，因而能显著提高再结晶温度，延长再结晶孕育期，降低再结晶速度。另一方面，硼还能提高铝合金的强度和延伸性能，并使得合金具有较好的抗疲劳强度。B还能与Zr和Al形成复杂化合物，提高合金的热性能。所述硼的含量为大于零小于等于0. 8wt%，优选为0. 00Γ0. 70wt%，更优选为0. ΟΓΟ. 65wt%，更优选为 0. 10 0· 5wt%，更优选为 0. 25 0. 45wt%，最优选为 0. 30 0· 40wt%。
按照本发明，铝合金中添加了锂元素，锂(Li)元素作为复杂化合物的特征添加元素，在合金熔体中形成Al2Li3、AlLijPAlLi5等弥散性高温强化相，从而提高铝合金的硬度、 耐腐蚀性能以及韧性。所述锂的含量为0. 002 0. 25wt%,优选为0. 005 0. 20wt%,更优选为 0. θΓθ. 15wt%，最优选为 0. 05 0. 10wt%o
钠(Na)元素作为复杂化合物的特征添加元素，在合金熔体中形成Al2Na3、AlNa2, AlNa5等复杂合金化合物，同时在熔体中与Fe、Mg、RE形成复杂合金化合物，上述合金化合物弥散分布在合金中，能够细化晶粒，从而提高铝合金强度，改善铝合金的抗疲劳性能并增加铝合金的塑性，增强铝合金的可加工性。所述钠的含量为0. 00Γ0. 2wt%,优选为O. 003 O. 18wt%,更优选为O. 005 O. 15wt%,更优选为O. 01 O. 13wt%,最优选为 O. 05、. 10wt%o
钾(K)元素作为招合金的微量添加元素,在合金熔体中形成A15K7、A13K4、A12K3、 AlK2等复杂合金化合物，所述合金化合物具有高温强化作用，能够提高铝合金的耐热性和可加工性，增强铝合金的塑性。所述钾的含量为O. 002 0. 25wt%，优选为O. 005 0. 23wt%，更优选为O. 01 O. 20wt%，更优选为O. 05 O. 18wt%，最优选为O. 10 0· 15wt%。
钛(Ti)元素作为复杂化合物的微量添加元素，在合金熔体中与Fe、Mg、Cu、RE等多种元素形成铝基复杂化合物，有效细化结晶，改善晶体组织结构，并在铝基的晶界上析出复合合金化合物，减小其它微量元素对铝合金电性能的减弱作用，并提高铝合金的抗蠕变性能改善合金的铸造性能。所述钛的含量为O. 00Γ0. 2wt%，优选为O. 003 0. 18wt%，更优选为 O. 005 O. 15wt%，更优选为 O. 01 O. 13wt%，最优选为 O. 05 O. 10wt%。
钒(V)元素作为复杂化合物的微量添加元素，在合金熔体中与Fe、Cu、RE等元素形成铝基复杂化合物分布于铝基中，具有高温强化的作用，能够提高铝合金的耐热性。所述钒的含量为O. 001 O. 15wt%，优选为O. 005 O. 13wt%，更优选为O. 01 O. 10wt%，最优选为 O. 03、. 07wt%o
本发明在铝合金中添加了稀土元素，所述稀土元素能提高合金的导电性，由于稀土元素能细化晶粒，并与合金中的Fe、Cu等元素形成稳定的化合物从晶体中析出，降低电解质的初晶温度，使离子在电场的作用下运动速度加快，减少浓差过电位，从而使铝合金的电阻率降低。另一方面，稀土元素与氢、氧、氮等元素的亲和力比铝更大，形成多种化合物， 因而稀土是合金中除气、脱氮、造渣、中和微量低熔点杂质和改变杂质状态的净化机，能够起到较好的精炼作用，使得合金变得更纯净，从而使电阻率得到很大的提高，导电率能达到60%IACS。另一方面，稀土元素能形成致密氧化膜结构，对于提高合金的氧化性和耐电化学腐蚀起到极好的效果，提高了铝合金的使用寿命。此外，稀土为表面活性元素，可集中分布在晶界面上，降低相与相之间的拉力，因此使形成临界尺寸晶核的功减小，结晶核数量增加，从而使晶粒细化。其次，经过熔炼、高温退火和均匀电场中时效处理后，Fe在Al中与RE 形成复杂的铝铁稀土金属，提高了合金的抗疲劳极限和屈服极限，增加合金在实际应用中的使用效果和使用寿命。
所述稀土元素RE 为镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、 钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钦(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)JjUS c)和钇(Y)中的一种或多种，优选为Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm和Lu中的一种或多种。其中，稀土 Pm在合金中形成Al11PmfAlPm2等6种活性金属化合物；稀土 Sm在合金中形成AlnSm4、Al3Snu Al2Snu AISm、AlSm3等活性金属化合物；稀土 Eu在合金中形成EuA14、EuAl2> EuAl等活性金属化合物；稀土 Gd在合金中形成Al4GcTAl17Gd2等7种难熔性金属化合物；稀土 Tb在合金中形成Al3Tb、Al2Tb, AlTb, AlTb2, AlTb3等难熔活性金属化合物；稀土 Dy在合金中形成 Al5Dy^Al17Dy2等8种难熔活性金属化合物；稀土 Ho在合金中形成A15H03、A13H0、A1H02、A1H03 等难熔活性金属化合物；稀土 Tm在合金中形成Al3Tm2、Al3Tnu AlTm、AlTm3等难熔活性金属化合物；稀土 Lu在合金中形成A17Lu3、A15Lu3、A12Lu3、A1Lu2、AlLu3等难熔活性金属化合物。 上述高熔点的活性金属化合物弥散分布于呈网状或骨架状的晶间和枝晶间，并与基体牢固结合，起到了强化和稳定晶界的作用。同时，还可中和金属液中的元素Fe、Cu等元素，形成高熔点的化合物或使它们从枝晶间整个晶体组织内均匀分布，消除了枝晶组织，以提高合金材料的综合性能。所述稀土元素的含量为O. 0Γ3. 0wt%，优选为O. 03^2. 5wt%,更优选为 O. 05 I. 5wt%，最优选为 O. Γθ. 6wt%0
按照本发明，对于铝合金中的基体铝，可以采用工业用的A199. 70的纯铝，使本发明制备的铝合金具有原料供应充足、成本低、采购方便等优势；同时铝基还可以采用精铝或高纯级铝作为基体合金，该铝基比普通铝基材料具有更高的品质，加工成的产品在电性能和机械性能方面更具优势。
本发明提供了一种 Al-Fe-V-RE 铝合金，包括0. 01 I. 6wt% 的 Fe, O. 001 O. 3wt% 的 Mg, O. 00Γθ. 3wt% 的 Co, O. 00Γθ. 2wt% 的 Be, O. 00Γθ. 3wt% 的 Ca，0· 001 0. 2wt% 的 Zn,O. ΟΟΓΟ. 3wt% 的 Sr,0. 00Γ0. 3wt% 的 Zr,0. 002 0. 25wt% 的 Li，O. 00Γ0. 2wt% 的 Na, 0. 002 0. 25wt% 的 Κ，0· 00Γ0. 2wt% 的 Ti，O. 00Γ0. 15wt% 的 V，O. 01 3. 0wt% 的 RE,大于零且小于等于0. 2wt%的Si，大于零且小于等于0. 8wt%的B和余量的铝。本发明以铝为基， 添加了微量的铁，铝能与铁形成Al3Fe,析出的Al3Fe弥散粒子抑制了合金的蠕变变形，部分 Fe还与RE形成AlFeRE化合物析出，析出相AlFeRE能增强合金的抗疲劳性能和高温运行的耐热性能，且稀土化合物析出相还能提高屈服极限强度；铜与铝形成Θ相，对于提高铝合金的拉伸强度和屈服强度起到了较好的效果；钒在合金熔体中与Fe、Cu、RE等元素形成铝基化合物分布于铝基中，具有高温强化作用，提高铝合金的耐热性；稀土元素为表面活性元素，可集中分布在晶界面上，降低相与相之间的拉力，从而使晶粒细化。本发明通过添加多种金属元素及对元素含量的控制，有利于铝合金综合性能的提高。
本发明还提供了一种Al-Fe-V-RE铝合金的制备方法，包括以下步骤
a)将如下成分的原料铸造，得到铝合金铸锭0. ΟΓ . 6wt%的Fe，0. 00Γ0. 3wt% 的 Cu,0. 00Γ0. 3wt% 的 Mg,0. 00Γο. 3wt% 的 Co,0. 00Γθ. 2wt% 的 Be,0. 00Γθ. 3wt% 的 Ca,0. 00Γ0. 2wt% 的 Ζη，0· 001 0. 3wt% 的 Sr，O. 001 0. 3wt% 的 Zr，0. 002 0. 25wt% 的 Li，0. 00Γ0. 2wt% 的 Na，O. 002 0. 25wt% 的 Κ，0· 00Γ0. 2wt% 的 Ti,0. 00Γ0. 15wt% 的 V, 0. 0Γ3. 0wt°/c^^RE，大于零且小于等于0. 2wt°/c^^Si，大于零且小于等于0. 8wt°/c^^B和余量的招;
b)将所述铝合金铸锭进行均匀化处理，将均匀化处理后的铝合金铸锭进行轧制， 得到铝合金杆材；
c)将步骤b)得到的铝合金杆材进行间歇式退火处理；
d)将步骤c)得到的铝合金杆材进行时效处理，得到铝合金。
按照本发明，步骤a)为铸造工序，得到铝合金铸锭，为了使各种元素充分熔解，均匀分布，作为优选方案，上述铸造工艺具体包括将铝锭投入熔炉中，在密闭环境中加热至 72(T800°C并保温，待铝锭熔化后再加入 Fe、Cu、Mg、Co、Be、Ca、Zn、Sr、Zr、Si、B、Li、Na、K、 Ti 和 V 或 Al-Fe、Al-Cu、Al-Mg、Al-Co, Al-Be, Al-Ca、Al-Zn、Al-Sr、Al-Zr、Al-Si、A1—B、 Al-Li、Al-Na、Al-K、Al-Ti和Al-V中间合金，搅拌均匀后，加入稀土元素RE，得到合金熔体； 将所述合金熔体加入精炼剂，进行炉内精炼，保温2(T40min，得到合金液；将所述合金液经除气、除渣，进入铸造机进行铸造，得到铝合金铸锭。由于铝不易烧损，且加入量较多，因此先将铝加入熔炼炉，而后加入其它金属元素。本发明合金元素优选采用上述顺序加入，使各种元素熔炼后不发生损耗，同时各种元素能够充分熔解，均匀分布。
步骤b)为均匀化处理阶段，所述均匀化处理的温度优选为45(T550°C，更优选为 4800C 520°C，所述均匀化处理的时间优选为2 8h，更优选为3 6h。将铝合金铸锭进行均匀化处理，能够保证铸锭在轧制杆材的过程中，其强度和延展性具有较好的匹配，从而避免采用传统方式导致材料微观结构的破坏而进一步影响加工性能。为了保证铸锭受热均匀， 优化合金的组织结构，避免合金在加工过程中由于升温或降温过快导致内部结构缺陷的产生，所述均匀化处理的升温速度优选为3 8°C /min，更优选为5°C /min。将铝合金铸锭进行均匀化处理后，则将铝合金铸锭轧制，得到铝合金杆材。
随后将铝合金杆材进行热处理，首先将铝合金杆材在退火炉中进行间歇退火处理。所述间歇退火处理具体为将所述铝合金杆材加热至28(T350°C，保温2 8h后进行降温，温度降至15(T20(TC，保温2 4h后冷却。为了避免铝合金材料在高温下发生氧化而导致材料在电性能和表面耐腐蚀性能方面减弱，所述退火处理优选在惰性气氛下进行。本发明采用间歇式分步退火处理，并逐步降温冷却，该种处理方式可以消除机械加工过程中产生的内应力和对微观结构的损伤，优化晶体结构，恢复线材的电性能，优化机械性能，使材料的拉伸性能、柔韧性能和抗疲劳性能方面保持较好的匹配。
在将铝合金杆材进行退火处理后，则将退火处理后的铝合金杆材进行时效处理。 所述时效处理优选在电场强度为5 15KV/cm均匀电场中进行。所述时效处理的温度优选为 25(T320°C，更优选为28(T300°C，所述时效处理的时间优选为4 20h，更优选为8 15h，最优选为l(Tl3h。在退火处理技术的基础上进行时效处理，可以进一步弥补退火处理过程中热量传导不均，导致材料内外性能分布不均或局部缺陷的特点。通过时效处理可以使整个材料的性能达到均匀分布，各项性能综合指标达到俱佳的匹配。因此退火处理和时效处理，两者有效的结合，对于材料整体性能的优化起到了至关重要的作用，二者缺一不可。本发明优选在高强度的均匀电场中进行时效处理，第一方面改变了原子的排列、匹配和迁移，第二方面，提高了合金元素的固溶程度，诱发了 Tl相的均匀形核，提高了合金的屈服强度；使均匀化处理的样品进行时效处理后，析出相均匀弥散分布，合金的力学性能大大提高；第三方面，改变了细小晶体组织的析出形态和数量，使材料固态相变中发生形态、大小、分布等取向得以控制，从而控制材料的组织，最终获得优良的机械性能和电气性能。
本发明还提供了一种铝合金的制备方法，首先通过铸锭进行均匀化处理，然后将均匀化处理的铝合金铸锭轧制成杆材再放入退火炉中，进行退火处理，再在均匀电场中进行时效处理，使材料的拉伸性能、柔韧性能、电性能、耐腐蚀性能和抗疲劳性能方面保持较好的匹配，并且使整个材料的性能达到均匀分布，从而得到综合性能较好的铝合金。本发明的铝合金材料通过添加多种合金元素以及采用热处理技术，极大的提高了纯铝的耐热性能，使得该铝合金材料长期运行温度在234°C，蠕变现象较小，抗拉强度保持90%的残存率， 保障了在高温运行下机械性能改变较小，同时抗疲劳性能也获得了很好的提高，铝合金的反复弯折次数达到37次，这样可避免用作导体线芯在安装过程中出现的不同程度的损失； 且通过热处理技术使得合金的柔韧性相当好，电缆安装弯曲半径在4. 5倍电缆外径以上， 大大提高了铝合金的延展性，延伸率超过32%，不会由于拉力作用而容易出现损伤现象，且加工性能非常好，适用于拉制成单丝直径在O. Imm以上大小不等的单丝。
本发明还提供了一种电力电缆，所述电力电缆包括线芯、绝缘层、屏蔽层和保护层，所述线芯为铝合金，所述铝合金含有O. 01 I. 6wt%的Fe，O. ΟΟΓΟ. 3wt%的Cu，O. ΟΟΓΟ. 3wt% 的 Mg,0. ΟΟΓΟ. 3wt% 的 Co,0. OOΓθ. 2wt% 的 Be,0. ΟΟΓΟ. 3wt% 的 Ca, 0. OOΓθ. 2wt% 的 Zn, O. OOΓθ. 3wt% 的 Sr,0. ΟΟΓΟ. 3wt% 的 Zr，0· 002 0. 25wt% 的 Li, O. ΟΟΓΟ. 2wt% 的 Na, 0. 002^0. 25wt% 的 Κ,Ο. ΟΟΓΟ. 2wt% 的 Ti，O. OOl O. 15wt% 的 V, O. 0Γ3. Owt%的RE，大于零小于等于O. 2wt%的Si，大于零小于等于O. 8wt%的B和余量的铝；所述铝合金的制备方法由按照上述方案的方法制备。所述电力电缆的制备方法本发明没有特殊的限制，为本领域技术人员熟知的方式即可。
将本发明上述方案中的铝合金作为电力电缆的线芯，可使电力电缆具有较好的综合性能，实验结果表明本发明制备的铝合金导电率大于60%，抗拉强度大于125MPa，断裂伸长率大于32%，长期运行耐热温度能达到234°C，且耐热运行试验后强度残存率能达到 90%, 90度反复弯折次数达到37次，400h耐腐蚀性能质量损失小于0. 9g/m2 · hr,最小弯曲半径大于5倍电缆外径，单丝最小直径大于0. Im。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的铝合金及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例I
(I)将铝锭投入熔炉中，加热使之熔化并在720°C下保温，熔化过程在密封环境内完成；先加入 Al_Fe、Al-Cu、Al-Mg、Al-Co、Al-Be、Al-Ca、Al-Zn、Al _Sr、Al _Zr、Al-Si、Al-B、 Al-Li、Al-Na、Al-K、Al-Ti和Al-V中间合金，搅拌均匀后再加入稀土 RE搅拌20min直至充分搅拌均匀，静置保温30min ;然后对上述合金熔体进行炉内精炼；在合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均匀，再静置保温30min，熔体精炼在密封环境中操作；精炼后打渣、静置、调温至650°C，合金液倾倒出炉，再经除气、除渣处理后，进入铸造机进行铸造，得到铝合金铸锭， 铸锭成分列于表I ;
(2)将步骤(I)得到的铝合金铸锭进行5°C /min的速度升温，温度至450°C，保温 6h后轧制成杆材；
(3)将步骤(2)得到的杆材在惰性气氛下进行退火处理，加热至280°C保温2h，再将退火温度降至150°C保温3h，冷却至室温；
(4)将步骤(3)得到的杆材在电场强度为5kV/cm的均匀电场中进行时效处理，时效温度为250°C，时效时间为4h，得到铝合金。
将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表2。
实施例2
(I)将铝锭投入熔炉中，加热使之熔化并在740°C下保温，熔化过程在密封环境内完成；先加入 Al_Fe、Al-Cu、Al-Mg、Al-Co、Al-Be、Al-Ca、Al-Zn、Zn-Sr、Al _Zr、Al-Si、Al-B、 Al-Li、Al-Na、Al-K、Al-Ti和Al-V中间合金，搅拌均匀后再加入稀土 RE搅拌20min直至充分搅拌均匀，静置保温30min ;然后对上述合金熔体进行炉内精炼；在合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均匀，再静置保温30min，熔体精炼在密封环境中操作；精炼后打渣、静置、调温至720V，合金液倾倒出炉，再经除气、除渣处理后，进入铸造机进行铸造，得到铝合金铸锭， 铸锭成分列于表I ;
(2)将步骤(I)得到的铝合金铸锭进行3°C /min的速度升温，温度至550°C，保温 16h后轧制成杆材；
(3)将步骤(2)得到的杆材在惰性气氛下进行退火处理，加热至360°C保温8h，再将退火温度降至200°C保温2h，冷却至室温；
(4)将步骤(3)得到的杆材在电场强度为15kV/cm的均匀电场中进行时效处理，时效温度为320°C，时效时间为20h，得到铝合金。
将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表2。
实施例3
(I)将铝锭投入熔炉中，加热使之熔化并在760°C下保温，熔化过程在密封环境内完成；先加入 Al_Fe、Al-Cu、Al-Mg、Al-Co、Al-Be、Al-Ca、Al-Zn、Al _Sr、Al _Zr、Al-Si、Al-B、 Al-Li、Al-Na、Al-K、Al-Ti和Al-V中间合金，搅拌均匀后再加入稀土 RE搅拌20min直至充分搅拌均匀，静置保温30min ;然后对上述合金熔体进行炉内精炼；在合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均匀，再静置保温30min，熔体精炼在密封环境中操作；精炼后打渣、静置、调温至680°C，合金液倾倒出炉，再经除气、除渣处理后，进入铸造机进行铸造，得到铝合金铸锭， 铸锭成分列于表I ;
(2)将步骤(I)得到的铝合金铸锭进行8°C /min的速度升温，温度至500°C，保温 IOh后轧制成杆材；
(3)将步骤(2)得到的杆材在惰性气氛下进行退火处理，加热至300°C保温4h，再将退火温度降至160°C保温3h，冷却至室温；
(4)将步骤(3)得到的杆材在电场强度为10kV/cm的均匀电场中进行时效处理，时效温度为260°C，时效时间为10h，得到铝合金。
将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表2。
实施例4
(I)将铝锭投入熔炉中，加热使之熔化并在780°C下保温，熔化过程在密封环境内完成；先加入 Fe、Cu、Mg、Co、Be、Ca、Zn、Sr、Zr、Si、B、Li、Na、K、Ti 和 V，搅拌均匀后再加入稀土 RE搅拌20min直至充分搅拌均匀，静置保温30min ;然后对上述合金熔体进行炉内精炼；在合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均匀，再静置保温30min，熔体精炼在密封环境中操作；精炼后打渣、静置、调温至750°C，合金液倾倒出炉，再经除气、除渣处理后，进入铸造机进行铸造，得到招合金铸锭，铸锭成分列于表I ;
(2)将步骤(I)得到的铝合金铸锭进行5°C /min的速度升温，温度至480°C，保温 8h后轧制成杆材；
(3)将步骤(2)得到的杆材在惰性气氛下进行退火处理，加热至350°C保温4h，再将退火温度降至170°C保温3h，冷却至室温；
(4)将步骤(3)得到的杆材在电场强度为12kV/cm的均匀电场中进行时效处理，时效温度为260°C，时效时间为14h，得到铝合金。
将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表2。
实施例5
(I)将铝锭投入熔炉中，加热使之熔化并在800°C下保温，熔化过程在密封环境内完成；先加入 Al_Fe、Al-Cu、Al-Mg、Al-Co、Al-Be、Al-Ca、Al-Zn、Al _Sr、Al _Zr、Al-Si、Al-B、 Al-Li、Al-Na、Al-K、Al-Ti和Al-V中间合金，搅拌均匀后再加入稀土 RE搅拌20min直至充分搅拌均匀，静置保温30min ;然后对上述合金熔体进行炉内精炼；在合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均匀，再静置保温30min，熔体精炼在密封环境中操作；精炼后打渣、静置、调温至700°C，合金液倾倒出炉，再经除气、除渣处理后，进入铸造机进行铸造，得到铝合金铸锭， 铸锭成分列于表I ;
(2)将步骤(I)得到的铝合金铸锭进行6°C /min的速度升温，温度至490°C，保温 18h后轧制成杆材；
(3)将步骤(2)得到的杆材在惰性气氛下进行退火处理，加热至320°C保温6h，再将退火温度降至190°C保温3h，冷却至室温；
(4)将步骤(3)得到的杆材在电场强度为12kV/cm的均匀电场中进行时效处理，时效温度为310°C，时效时间为16h，得到铝合金。
将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表2。
实施例6
(I)将铝锭投入熔炉中，加热使之熔化并在730°C下保温，熔化过程在密封环境内完成；先加入 Al_Fe、Al-Cu、Al-Mg、Al-Co、Al-Be、Al-Ca、Al-Zn、Al _Sr、Al _Zr、Al-Si、Al-B、 Al-Li、Al-Na、Al-K、Al-Ti和Al-V中间合金，搅拌均匀后再加入稀土 RE搅拌20min直至充分搅拌均匀，静置保温30min ;然后对上述合金熔体进行炉内精炼；在合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均匀，再静置保温30min，熔体精炼在密封环境中操作；精炼后打渣、静置、调温至800°C，合金液倾倒出炉，再经除气、除渣处理后，进入铸造机进行铸造，得到铝合金铸锭， 铸锭成分列于表I ;
(2)将步骤(I)得到的铝合金铸锭进行7V /min的速度升温，温度至460°C，保温 14h后轧制成杆材；
(3)将步骤(2)得到的杆材在惰性气氛下进行退火处理，加热至350°C保温7h，再将退火温度降至190°C保温4h，冷却至室温；
(4)将步骤(3)得到的杆材在电场强度为llkV/cm的均匀电场中进行时效处理，时效温度为305°C，时效时间为18h，得到铝合金。
将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表2。
实施例7
(I)将铝锭投入熔炉中，加热使之熔化并在750°C下保温，熔化过程在密封环境内完成；先加入 Fe、Cu、Mg、Co、Be、Ca、Zn、Sr、Zr、Si、B、Li、Na、K、Ti 和 V，搅拌均匀后再加入稀土 RE搅拌20min直至充分搅拌均匀，静置保温30min ;然后对上述合金熔体进行炉内精炼；在合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均匀，再静置保温30min，熔体精炼在密封环境中操作；精炼后打渣、静置、调温至720°C，合金液倾倒出炉，再经除气、除渣处理后，进入铸造机进行铸造，得到招合金铸锭，铸锭成分列于表I ;
(2)将步骤(I)得到的铝合金铸锭进行4°C /min的速度升温，温度至470°C，保温 12h后乳制成杆材；
(3)将步骤(2)得到的杆材在惰性气氛下进行退火处理，加热至340°C保温5h，再将退火温度降至170°C保温4h，冷却至室温；
(4)将步骤(3)得到的杆材在电场强度为12. 5kV/cm的均匀电场中进行时效处理， 时效温度为315°C，时效时间为17h，得到铝合金。
将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表2。
实施例8
(I)将铝锭投入熔炉中，加热使之熔化并在790°C下保温，熔化过程在密封环境内完成；先加入 Fe、Cu、Mg、Co、Be、Ca、Zn、Sr、Zr、Si、B、Li、Na、K、Ti 和 V，搅拌均匀后再加入稀土 RE搅拌20min直至充分搅拌均匀，静置保温30min ;然后对上述合金熔体进行炉内精炼；在合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均匀，再静置保温30min，熔体精炼在密封环境中操作；精炼后打渣、静置、调温至750°C，合金液倾倒出炉，再经除气、除渣处理后，进入铸造机进行铸造，得到招合金铸锭，铸锭成分列于表I ;
(2)将步骤(I)得到的铝合金铸锭进行5°C /min的速度升温，温度510°C，保温13h 后乳制成杆材；
(3)将步骤(2)得到的杆材在惰性气氛下进行退火处理，加热至310°C保温5h，再将退火温度降至170°C保温4h，冷却至室温；
(4)将步骤(3)得到的杆材在电场强度为8kV/cm的均匀电场中进行时效处理，时效温度为285°C，时效时间为14h，得到铝合金。
将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表2。
对比例I
选取99. 7%纯度的标准铝锭，其杂质除硅、铁、铜外含量不超过O. 02wt% ;将所述铝锭放入熔铝炉中熔化，加入O. 15wt%的锆、O. 25wt%的铜、O. 70wt%的铁以及O. 25wt%的钇， 合金化温度为750°C ;经均匀化搅拌、精炼除气、造渣、除渣，铝合金液精炼温度为725°C，用固体覆盖剂覆盖铝合金液表面，静置60min，进行炉前化学成分分析，监测、调整以控制元素含量；将铝液进行连续浇铸，得到铝合金铸条；将铝合金铸条轧成铝合金杆，铝合金铸条进轧温度为500°C，铝合金杆的终轧温度为250°C ;将铝合金杆进行拉线处理，拉线速度为20 米/秒，多次拉线后，拉制成所需的高强度耐热铝合金圆线；将所述铝合金圆线进行调质热处理，温度为200°C，时间为120min，将热处理后的铝合金圆线冷却，得到耐热铝合金圆线。 将制备的铝合金圆线进行性能测试，结果参见表2。
对比例2
选用八吨铝锭，其杂质含量(硅、铁、铜除外)不超过0.02wt%，放入圆形熔铝炉熔化，同时加入O. 10wt%的锆、O. 02wt%的铜、O. 35wt%的铁、O. 20wt%的硅以及O. 35wt%的稀土，合金化温度为730°C;经均匀化搅拌、精炼除气、造渣、除渣，铝合金液精炼温度为725°C， 用固体覆盖剂覆盖铝合金液表面，静置40min，进行炉前化学成分分析，监测、调整以控制元素含量；将铝液进行连续浇铸，得到铝合金铸条；将铝合金铸条轧成铝合金杆，铝合金铸条进轧温度为500°C，铝合金杆的终轧温度为250°C ;将铝合金杆进行拉线处理，拉线速度为 10米/秒，多次拉线后，拉制成所需的高强度耐热铝合金圆线；将所述铝合金圆线进行调质热处理，温度为200°C，时间为200min，将热处理后的铝合金圆线冷却，得到耐热铝合金圆线。将制备的铝合金圆线进行性能测试，结果参见表2。
对比例3
在竖炉中加入纯度大于99. 70wt%的铝锭，升温至750°C，使铝锭熔化，将温度升高至 750 °C，依次加入 O. 86wt% 的 Fe,O. llwt% 的 Cu,O. 15wt% 的 Mg,O. 13wt% 的 Zr,O. 29wt% 的Ca、0. 13wt%的Sc、0. 33wt%的Y、0. 23wt%的Er，使其完全溶解，并调节合金成分至设定范围，合金元素都是以铝中间合金的形式加入；在7601保温30min，再加入O. 15wt%的精炼剂，进行除渣、除气，然后再浇铸成铝合金铸件；将铝合金铸件导入轧机，导入轧机的温度13为450°C，导入轧机成铝合金杆的终轧温度为300°C ;将铝合金杆进行冷拉加工成3. Omm的 铝合金线，将7根拉制成铝合金线进行绞合，制备成导体线芯；将所述铝合金导体进行退火 处理，退火温度为370°C，时间为12h，停止对炉体加热，再退火炉中日然冷却，24h后从炉中 取出，得到铝合金导线。将制备的铝合金导线进行性能测试，结果参见表2。表1实施例制备的招合金的成分表(wt%)
权利要求
1.ー种Al-Fe-V-RE铝合金，包括O. Ol I. 6wt% 的 Fe ；0. 001 O. 3wt% 的 Cu ；0. 001 O. 3wt% 的 Mg ；0. 001 O. 3wt% 的 Co ；O.001 O. 2wt% 的 Be ；0. 001 O. 3wt% 的 Ca ；0. 001 O. 2wt% 的 Zn ；0. 001 O. 3wt% 的 Sr ；O. 001 O. 3wt% 的 Zr ；0. 002 O. 25wt% 的 Li ；0. 001 O. 2wt% 的 Na ；0. 002 O. 25wt% 的 K ；O. 001 O. 2wt% 的 Ti ；0. 001 O. 15wt% 的 V ；0. 01 3. 0wt% 的 RE ;大于零且小于等于 O. 2wt% 的Si ;大于零且小于等于O. 8wt%的B ;余量的铝。
2.根据权利要求I所述的铝合金，其特征在于，包括O.25、. 6wt%的Fe。
3.根据权利要求I所述的铝合金，其特征在于，包括O.Γ0. 6wt%的RE。
4.根据权利要求I所述的铝合金，其特征在于，包含O.ΟΓΟ. 10wt%的V。
5.ー种Al-Fe-V-RE铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 a)铸造如下成分的铝合金铸锭0.01 I. 6wt9^々Fe，0. ΟΟΓΟ. 3wt%的Cu，0. 00Γ0. 3wt%的 Mg,0. 00Γθ. 3wt% 的 Co,0. 00Γθ. 2wt% 的 Be，O. 001 0. 3wt% 的 Ca，0. 001 0. 2wt% 的Ζη,Ο. 00Γ0. 3wt% 的 Sr，O. 00Γ0. 3wt% 的 Zr,0. 002 0. 25wt% 的 Li，O. 00Γ0. 2wt% 的 Na,0.002 0. 25wt% 的 Κ，0· 00Γ0. 2wt% 的 Ti，O. 00Γ0. 15wt% 的 V，O. 01 3. 0wt% 的 RE,大于零且小于等于0. 2wt%的Si，大于零且小于等于0. 8wt%的B和余量的铝； b)将所述铝合金铸锭进行均匀化处理，将均匀化处理后的铝合金铸锭进行轧制，得到铝合金杆材； c)将步骤b)得到的铝合金杆材进行间歇式退火处理； d)将步骤c)得到的铝合金杆材进行时效处理，得到铝合金。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述均匀化处理的温度为45(T550°C，所述均匀化处理的时间为6 16h，所述均匀化处理的升温速度为3 8°C /min。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤c)具体为 将步骤b)得到的铝合金杆材加热至28(T350°C，保温2 8h后进行降温，温度降至150^200 0C，保温2 4h后冷却。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述时效处理在电场强度为5 15KV/cm均匀电场中进行。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述时效处理的温度为25(T320°C，所述时效处理的时间为4 20h。
10.ー种电カ电缆，包括线芯、绝缘层、屏蔽层和保护层，其特征在于，所述线芯为权利要求f 4任意ー项所述的铝合金或权利要求5、任意一项所制备的铝合金。
全文摘要
本发明提供了一种Al-Fe-V-RE铝合金，本发明还提供了一种Al-Fe-V-RE铝合金的制备方法，包括以下步骤a)铸造铝合金铸锭；b)将所述铝合金铸锭进行均匀化处理，将均匀化处理后的铝合金铸锭进行轧制，得到铝合金杆材；c)将步骤b)得到的铝合金杆材进行间歇式退火处理；d)将步骤c)得到的铝合金杆材进行时效处理，得到铝合金。本发明还提供了一种电力电缆。本发明通过对添加元素的选择和控制，并采用合理的制备工艺，使铝合金具有较好的综合性能。
文档编号H01B1/02GK102978462SQ201210445258
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月9日 优先权日2012年11月9日
发明者林泽民 申请人:安徽欣意电缆有限公司