一种镀镍Al-Fe-Mg合金导体材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及的是铝合金技术领域，具体涉及一种镀镍Al-Fe-Mg合金导体材料及其制备方法。

背景技术

铝合金电缆在600V-35kV领域应用技术已经成熟，由于但铝的化学性质活泼，在大气中可形成厚约0.005～0.015μm的氧化膜，该膜多孔，不均匀，不连续，且太薄，起不到防护作用，特别是对于沿海地区盐碱度比较高，以及化工厂化合物和酸碱腐蚀较为严重的场所，现有铝合金电缆防腐性能远不能满足工业使用要求。

且配套安装方面也基本成熟，随着铜价暴涨导致对铝合金电缆的需求越来越大，铝合金电缆的技术向更深领域的发展，如今随着国家对新能源的大力发展，光伏发电、风力发电、新能源汽车对电线电缆的需求量剧增，现有的铝合金电缆技术已经不能适应新能源等众多领域发展的需求，特别铝合金导体材料无法满足更多领域的安装连接要求，现有的连接安装技术都是针对铜材设计的，而铝合金材质无法与现有的铜连接端子直接连接，现有的铜铝过渡端子技术可以解决部分铜铝过渡连接的问题，但是对于很多应用场合，无法采用铜铝过渡端子。而更改连接方案，不仅是一个系统工程，而且设计不合理会影响安全可靠性，因此开发以铝合金为基材的导体技术，并适合现有成熟连接方案，是铝合金电线电缆发展面临的一项重大课题，如能解决好，这对铝合金导体材料的发展又是一重大历史性突破。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种镀镍Al-Fe-Mg合金导体材料，极大提高了现有铝合金导体材料的硬度、耐磨性、韧性，特别是耐腐蚀性能，无需铜铝过渡端子，可以与现有端子直接连接安装，极大地提高连接的安全可靠性。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种镀镍Al-Fe-Mg合金，包括铝合金和其上镀有的厚度≧100nm的镀镍层，所述的铝合金包括以下重量百分比的组分：Fe：0.01～1.1％；Mg：0.01～0.5％；余量为Al和杂质；所述的镀镍层包括以下重量百分比的组分：Zn：0.001～3％；Fe：0.002～2％；Cu：0.0015～0.95％；Mg：0.001～0.8％；余量为Ni和杂质。

作为优选，所述的镀镍层还包含0.001～3重量％的Al。

作为优选，所述的镀镍层还包含0.005～0.85重量％的Co。

作为优选，所述的镀镍层还包含0.003～20重量％的C。

一种镀镍Al-Fe-Mg合金导体材料的制备方法，包括以下步骤：

1、铝合金材料通过熔炼、铸造、轧制工序制成铝合金杆，再经拉制成铝合金线；

2、铝合金线材坯表面化学除油→热水洗→冷水洗→强碱浸蚀→水冲洗→出光→水冲洗→浸锌→水冲洗→镀镍→水冲洗→水冲洗→烘干→检验→镀镍铝合金线坯。

作为优选，所述的浸锌工艺如下：

KOH 200～280g/L，ZnO 20～30g/L，酒石酸钾钠60～80g/L，FeCl

浸锌是本工艺的关健所在，浸锌层的好坏直接影响镀镍层的质量。浸锌的作用如下：①除去暴露的表面层，②使铝合金导体表面的相对电位变得高些。

配制时先将ZnO调成糊状加入到氢氧化钠溶液中并不断搅拌，否则易形成Zn(OH)

为了增强镀镍层与铝基体之间的结合力，可以选择镀亮镍工艺或是镀暗镍工艺。

作为优选，所述的电镀亮镍工艺如下：

NiSO

作为优选，所述的电镀暗镍工艺如下：

NiSO

铝工件浸锌后要尽快镀镍，为防止浸锌层在镀镍液中溶解，要使铝基体带电进入镀镍溶液。电镀亮镍可直接镀出光亮的镀层，镀层细致，但镀层内应力大，不能镀得太厚，否则易起皮。

电镀暗镍得到的镀层结晶细致，韧性好内应力较小，耐蚀性比亮镍好。

作为优选，所述的镀镍铝合金材料，可以制作成2类或5类或6类圆形导体，用于电线电缆导体线芯，可以用于制作电力电缆，也可以用于制作成电线或线束类产品，用于新能源汽车、光伏发电、风力发电、电气装备用线或家电等各个领域。镀镍铝合金材料还可以制成条形导体或带状导体，用于汇流条或汇流带，或用于母线排。

本发明提供的镀镍Al-Fe-Mg合金及其制备的电缆有益效果如下：

1、本发明提供的镀镍Al-Fe-Mg合金导体材料具有较好的导电性能、拉伸性能、抗疲劳性能，导电率大于等于61％IACS，断裂伸长率大于等于15％，抗拉强度大于等于100MPa，90度疲劳弯折次数大于等于25次。

2、本发明提供的Al-Fe-Mg合金导体材料，通过对铝合金线材坯表面化学除油→热水洗→冷水洗→强碱浸蚀→水冲洗→出光→水冲洗→浸锌→水冲洗→镀镍→水冲洗→水冲洗→烘干→检验→镀镍铝合金线坯，一整套镀镍工序处理后，制备的镀镍Al-Fe-Mg合金导体线芯具有极好的抗腐蚀性能，大大超过没有镀镍铝合金的防腐性能，也优于铜芯电缆的防腐性能，根据GB 10124《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》进行气氛腐蚀试验以及电解质液腐蚀试验，试验周期720小时条件下，腐蚀速率≤0.05mm/a，在盐雾和盐水中具有很好的稳定性，解决了沿海地区盐碱度比较高、以及化工厂化合物和酸碱腐蚀较为严重不宜使用普通铝合金电缆的问题，采用镀镍Al-Fe-Mg合金导体材料制备的合金电缆，完全满足这些环境较为恶劣场所的需求。

3、本发明提供的镀镍铝合金线缆，通过表面镀镍层的技术，极大提高了现有铝合金材料的硬度、耐磨性和韧性。

4、本发明提供的镀镍Al-Fe-Mg合金导体材料制备的合金电缆，可与铜端子直接连接，免去采用铜铝过渡端子连接带来的不稳定性以及与配套设施不必要的安装问题。由于普通的铝合金电缆是无法与铜端子直接连接的，由于铜铝材料不同，二者直接连接会产生电化学腐蚀，影响电缆的使用寿命以及带来安全隐患，采用铜铝过渡端子可以解决铝合金电缆与端子的连接问题，避免电化学腐蚀的出现，但是采用铜铝过渡端子直接连接也会产生一些问题。比如配电柜是按铜芯电缆的标准设计的，由于铝合金电缆的性价比较高，在安装时换成了铝合金电缆，由于铝合金电缆的导电性能比铜稍微差一点，换成铝合金电缆时，电缆的规格相应的要增加一个或两个，因此铜铝过渡端子也相应的换成对应的规格，这就会导致端子无法与配电柜直接安装。且如果接头部位与端子压接不好，铝合金导体线芯可能会有部分暴露在外面，普铝合金电缆防腐性能不是很好，接头部分可能会出现腐蚀情况，影响电缆的使用寿命。本发明的镀镍Al-Fe-Mg合金铝合金电缆，可与铜端子直接压接，且根据国标GB/T9327《额定电压35kV(Um＝40.5kV)及以下电力电缆导体用压接式和机械式连接金具试验方法和要求》，通过了1000次热循环实验，安装连接稳定可靠，而且还避免了接头部位导体暴露出现易腐蚀的风险，提高电缆的使用寿命。

5、本发明提供的镀镍铝合金导体，解决了铝合金的可焊接性，实现了与配套设施直接焊接连接的方式。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本具体实施方式采用以下技术方案：一种镀镍Al-Fe-Mg合金，包括铝合金和其上镀有的厚度≧100nm的镀镍层，所述的铝合金包括以下重量百分比的组分：Fe：0.01～1.1％；Mg：0.01～0.5％；余量为Al和杂质；所述的镀镍层包括以下重量百分比的组分：Zn：0.001～3％；Fe：0.002～2％；Cu：0.0015～0.95％；Mg：0.001～0.8％；余量为Ni和杂质。

所述的镀镍层的厚度为10μm-100μm.。

所述的镀镍层还包含0.001～3重量％的Al；所述的镀镍层还包含0.005～0.85重量％的Co。所述的镀镍层还包含0.003～20重量％的C。

对于铝合金中的基体铝，可以采用工业用Al99.70的纯铝，使本发明制备的铝合金具有原材料供应充足、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，加工的产品在电性能和机械性能方面更加优势。

本发明中以铝为基体，添加了微量的铁，以实现对铝合金性能的提高，铁可以改善铝合金的机械强度和拉伸性能，可以提高铝的抗张强度、屈服性能、耐热性能和抗蠕变性能，同时还提高铝合金的塑性。添加微量的镁，可以提高铝合金的机械强度以及铝合金的材料的耐热性。

本具体实施方式的Al-Fe-Mg合金材料通过熔炼、铸造、轧制工序制造成铝合金杆，再将铝合金杆制成铝合金线。

为了制备镀镍Al-Fe-Mg合金材料，本具体实施方式还提供了镀镍的工序流程，镀镍工序流程如下：所述的铝合金线材坯表面化学除油→热水洗→冷水洗→强碱浸蚀→水冲洗→出光→水冲洗→浸锌→水冲洗→镀镍→水冲洗→水冲洗→烘干→检验→镀镍铝合金线坯。

为了更详尽的阐述镀镍工序，本具体实施方式进一步的详尽了浸锌工艺，所述的浸锌工艺如下：

KOH 200～280g/L，ZnO 20～30g/L，酒石酸钾钠60～80g/L，FeCl

为了增强镀镍层与铝基体之间的结合力，可以选择镀亮镍工艺或是镀暗镍工艺。

若采用电镀亮镍工序，所述的电镀亮镍工艺如下：

NiSO

若采用电镀暗镍工序，所述的电镀暗镍工艺如下：

NiSO

铝工件浸锌后要尽快镀镍，为防止浸锌层在镀镍液中溶解，要使铝基体带电进入镀镍溶液。电镀亮镍可直接镀出光亮的镀层，镀层细致，但镀层内应力大，不能镀得太厚，否则易起皮。

而采用电镀暗镍得到的镀层结晶细致，韧性好内应力较小，耐蚀性比亮镍好。

按照本申请，通过上述工序制备的镀镍铝合金材料，可以制作成2类或5类或6类圆形导体，用于电线电缆导体线芯，可以用于制作电力电缆，也可以用于制作成电线或线束类产品，用于新能源汽车、光伏发电、风力发电、电气装备用线或家电等各个领域。镀镍铝合金材料还可以制成条形导体或带状导体，用于汇流条或汇流带，或用于母线排。

实施例1

(1)将铝-铁合金、铝镁合金锭投入熔炉中，通过熔炼、铸造、轧制工序制造成铝合金杆，再将铝合金杆制成铝合金线，合金成分列于表1；

(2)将步骤(1)中得到的铝合金线材的表面电镀一层厚度为0.1μm的镍，铝合金线材表面的镀镍工序流程如下：

铝合金线材坯表面化学除油→热水洗→冷水洗→强碱浸蚀→水冲洗→出光→水冲洗→浸锌→水冲洗→镀亮镍→水冲洗→水冲洗→烘干→检验→镀镍铝合金线坯。镀镍层的成分列于表2：

(3)步骤(2)中的浸锌工艺条件如下：

KOH 200g/L，ZnO 20g/L，酒石酸钾钠60g/L，FeCl

(4)步骤(2)中电镀亮镍工艺如下：

NiSO

将按照上述方法制备的铝合金及镀镍工艺后的铝合金性能进行测试，结果参见表3。

实施例2

(1)将铝-铁合金、铝镁合金锭投入熔炉中，通过熔炼、铸造、轧制工序制造成铝合金杆，再将铝合金杆制成铝合金线，合金成分列于表1；

(2)将步骤(1)中得到的铝合金线材的表面电镀一层厚度为1μm的镍，铝合金线材表面的镀镍工序流程如下：

铝合金线材坯表面化学除油→热水洗→冷水洗→强碱浸蚀→水冲洗→出光→水冲洗→浸锌→水冲洗→镀亮镍→水冲洗→水冲洗→烘干→检验→镀镍铝合金线坯。镀镍层的成分列于表2：

(3)步骤(2)中的浸锌工艺条件如下：

KOH 280g/L，ZnO 30g/L，酒石酸钾钠80g/L，FeCl

(4)步骤(2)中电镀亮镍工艺如下：

NiSO

将按照上述方法制备的铝合金及镀镍工艺后的铝合金性能进行测试，结果参见表3。

实施例3

(1)将铝-铁合金、铝镁合金锭投入熔炉中，通过熔炼、铸造、轧制工序制造成铝合金杆，再将铝合金杆制成铝合金线，合金成分列于表1；

(2)将步骤(1)中得到的铝合金线材的表面电镀一层厚度为30μm的镍，铝合金线材表面的镀镍工序流程如下：

铝合金线材坯表面化学除油→热水洗→冷水洗→强碱浸蚀→水冲洗→出光→水冲洗→浸锌→水冲洗→镀亮镍→水冲洗→水冲洗→烘干→检验→镀镍铝合金线坯。镀镍层的成分列于表2：

(3)步骤(2)中的浸锌工艺条件如下：

KOH 230g/L，ZnO 24g/L，酒石酸钾钠71g/L，FeCl

(4)步骤(2)中电镀亮镍工艺如下：

NiSO

将按照上述方法制备的铝合金及镀镍工艺后的铝合金性能进行测试，结果参见表3。

实施例4

(1)将铝-铁合金、铝镁合金锭投入熔炉中，通过熔炼、铸造、轧制工序制造成铝合金杆，再将铝合金杆制成铝合金线，合金成分列于表1；

(2)将步骤(1)中得到的铝合金线材的表面电镀一层厚度为100μm的镍，铝合金线材表面的镀镍工序流程如下：

铝合金线材坯表面化学除油→热水洗→冷水洗→强碱浸蚀→水冲洗→出光→水冲洗→浸锌→水冲洗→镀亮镍→水冲洗→水冲洗→烘干→检验→镀镍铝合金线坯。镀镍层的成分列于表2：(含厚度)

(3)步骤(2)中的浸锌工艺条件如下：

KOH 260g/L，ZnO 22g/L，酒石酸钾钠68g/L，FeCl

(4)步骤(2)中电镀亮镍工艺如下：

NiSO

将按照上述方法制备的铝合金及镀镍工艺后的铝合金性能进行测试，结果参见表3。

实施例5

(1)将铝-铁合金、铝镁合金锭投入熔炉中，通过熔炼、铸造、轧制工序制造成铝合金杆，再将铝合金杆制成铝合金线，合金成分列于表1；

(2)将步骤(1)中得到的铝合金线材的表面电镀一层厚度为190μm的镍，铝合金线材表面的镀镍工序流程如下：

铝合金线材坯表面化学除油→热水洗→冷水洗→强碱浸蚀→水冲洗→出光→水冲洗→浸锌→水冲洗→镀亮镍→水冲洗→水冲洗→烘干→检验→镀镍铝合金线坯。镀镍层的成分列于表2：

(3)步骤(2)中的浸锌工艺条件如下：

KOH 275g/L，ZnO 28g/L，酒石酸钾钠78g/L，FeCl

(4)步骤(2)中电镀亮镍工艺如下：

NiSO

将按照上述方法制备的铝合金及镀镍工艺后的铝合金性能进行测试，结果参见表3。

实施例6

(1)将铝-铁合金、铝镁合金锭投入熔炉中，通过熔炼、铸造、轧制工序制造成铝合金杆，再将铝合金杆制成铝合金线，合金成分列于表1；

(2)将步骤(1)中得到的铝合金线材的表面电镀一层厚度为260μm的镍，铝合金线材表面的镀镍工序流程如下：

铝合金线材坯表面化学除油→热水洗→冷水洗→强碱浸蚀→水冲洗→出光→水冲洗→浸锌→水冲洗→镀暗镍→水冲洗→水冲洗→烘干→检验→镀镍铝合金线坯。镀镍层的成分列于表2：

(3)步骤(2)中的浸锌工艺条件如下：

KOH 223g/L，ZnO 22g/L，酒石酸钾钠65g/L，FeCl

(4)步骤(2)中电镀暗镍工艺如下：

NiSO

将按照上述方法制备的铝合金及镀镍工艺后的铝合金性能进行测试，结果参见表3。

实施例7

(1)将铝-铁合金、铝镁合金锭投入熔炉中，通过熔炼、铸造、轧制工序制造成铝合金杆，再将铝合金杆制成铝合金线，合金成分列于表1；

(2)将步骤(1)中得到的铝合金线材的表面电镀一层厚度为300μm的镍，铝合金线材表面的镀镍工序流程如下：

铝合金线材坯表面化学除油→热水洗→冷水洗→强碱浸蚀→水冲洗→出光→水冲洗→浸锌→水冲洗→镀暗镍→水冲洗→水冲洗→烘干→检验→镀镍铝合金线坯。镀镍层的成分列于表2：(含厚度)

(3)步骤(2)中的浸锌工艺条件如下：

KOH 240g/L，ZnO 30g/L，酒石酸钾钠75g/L，FeCl

(4)步骤(2)中电镀暗镍工艺如下：

NiSO

将按照上述方法制备的铝合金及镀镍工艺后的铝合金性能进行测试，结果参见表3。

实施例8

(1)将铝-铁合金、铝镁合金锭投入熔炉中，通过熔炼、铸造、轧制工序制造成铝合金杆，再将铝合金杆制成铝合金线，合金成分列于表1；

(2)将步骤(1)中得到的铝合金线材的表面电镀一层厚度为400μm的镍，铝合金线材表面的镀镍工序流程如下：

铝合金线材坯表面化学除油→热水洗→冷水洗→强碱浸蚀→水冲洗→出光→水冲洗→浸锌→水冲洗→镀暗镍→水冲洗→水冲洗→烘干→检验→镀镍铝合金线坯。镀镍层的成分列于表2：(含厚度)

(3)步骤(2)中的浸锌工艺条件如下：

KOH 230g/L，ZnO 23g/L，酒石酸钾钠68g/L，FeCl

(4)步骤(2)中电镀暗镍工艺如下：

NiSO

将按照上述方法制备的铝合金及镀镍工艺后的铝合金性能进行测试，结果参见表3。

实施例9

(1)将铝-铁合金、铝镁合金锭投入熔炉中，通过熔炼、铸造、轧制工序制造成铝合金杆，再将铝合金杆制成铝合金线，合金成分列于表1；

(2)将步骤(1)中得到的铝合金线材的表面电镀一层厚度为460μm的镍，铝合金线材表面的镀镍工序流程如下：

铝合金线材坯表面化学除油→热水洗→冷水洗→强碱浸蚀→水冲洗→出光→水冲洗→浸锌→水冲洗→镀暗镍→水冲洗→水冲洗→烘干→检验→镀镍铝合金线坯。镀镍层的成分列于表2：(含厚度)

(3)步骤(2)中的浸锌工艺条件如下：

KOH 260g/L，ZnO 26g/L，酒石酸钾钠75g/L，FeCl

(4)步骤(2)中电镀暗镍工艺如下：

NiSO

将按照上述方法制备的铝合金及镀镍工艺后的铝合金性能进行测试，结果参见表3。

实施例10

(1)将铝-铁合金、铝镁合金锭投入熔炉中，通过熔炼、铸造、轧制工序制造成铝合金杆，再将铝合金杆制成铝合金线，合金成分列于表1；

(2)将步骤(1)中得到的铝合金线材的表面电镀一层厚度为500μm的镍，铝合金线材表面的镀镍工序流程如下：

铝合金线材坯表面化学除油→热水洗→冷水洗→强碱浸蚀→水冲洗→出光→水冲洗→浸锌→水冲洗→镀暗镍→水冲洗→水冲洗→烘干→检验→镀镍铝合金线坯。镀镍层的成分列于表2：(含厚度)

(3)步骤(2)中的浸锌工艺条件如下：

KOH 275g/L，ZnO 29g/L，酒石酸钾钠79g/L，FeCl

(4)步骤(2)中电镀暗镍工艺如下：

NiSO

将按照上述方法制备的铝合金及镀镍工艺后的铝合金性能进行测试，结果参见表3。

表1 实施例制备的铝合金的成分表(wt％)

表2实施例制备的镀镍层的成分表(wt％)

表3实施例制备的镀镍铝合金的性能测试数据表

表4对比实施例制备的未镀镍铝合金的性能测试数据表

通过实施例对比发现，实施例对铝合金导体材料进行了镀镍处理，而对比例未进行镀镍处理，在电性能、抗拉强度、断裂伸长率和90度疲劳弯折性能方面基本没有差别，但是未经镀镍处理的铝合金，在防腐性能和与铜端子连接性能方面明显不如镀镍处理的铝合金材料，而镀镍后的铝合金腐蚀速率≦0.05mm/a，且与铜端子连接后，能通过1000次热循环试验。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。