一种高强-高导-高韧的超细铝-镁-硅合金线制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金线材研究领域，具体涉及一种高强-高导-高韧的超细铝-镁-硅合金线制备方法。

背景技术

新能源汽车是新能源产业的重要组成部分，是我国重要的战略新兴产业。并且，近五年，我国新能源汽车的销量也在逐年的稳步增加。新能源汽车持有量的增加也对充电桩的数量提出了更高的需求。要求“建设充电桩，推动新能源汽车建设”，预计未来10年，新能源汽车用充电桩将迎来建设的高峰。

电缆是连接充电桩和新能源汽车的关键零部件，要求电缆具有良好的强度、延伸率和导电率性能匹配，由于6xxx系铝合金(铝-镁-硅系合金)兼具了较好的机械性能和电学性能、同时成本低廉，铝-镁-硅合金电子线广泛应用于新能源汽车充电电缆。所以，新能源汽车销量的增加和充电桩建设的推动将进一步扩大对铝-镁-硅合金电子线的需求。所以，新能源汽车用铝-镁-硅合金线的未来市场前景非常广阔。

铝-镁-硅合金的强度、延伸率和导电率与其合金元素含量、元素分布状态和微观组织状态密切相关。人工时效处理是调控铝-镁-硅合金强度和导电率的常用手段，通过时效处理将固溶的Mg和Si原子以第二相形式析出相，既可起到析出相强化作用，又可降低基体晶格畸变，提高导电率。所以，时效处理可同步提高铝-镁-硅合金的强度和延伸率。相同时效温度下，随着时效时间的延长，铝-镁-硅合金的导电率逐渐增大，强度先增大再下降，延伸率先下降再增加。因此，仅控制合金元素难以实现强度、延伸率和导电率的同步提高。所以，通过微观组织与合金元素的综合调控是实现铝-镁-硅合金强度、延伸率和导电率的关键，但目前仍缺乏相应的理论指导去设计制备兼具高强、高导和高韧铝-镁-硅合金线。

发明内容

根据新能源汽车充电桩对高强、高导、高韧铝合金电子线的迫切需求，本发明的目的在于提供一种高强-高导-高韧的超细铝-镁-硅合金线制备方法，该方法提出了位错、晶粒和析出相综合设计的思路，并开发了相应的制备工艺，通过熔炼、连铸连轧、一次拉拔、高温热处理、时效热处理、二次拉拔，获得了直径为0.3mm的兼具高强、高导和高韧的超细铝-镁-硅合金电子线。

本发明所采用的技术方案如下：

一种高强-高导-高韧的超细铝-镁-硅合金线制备方法，该方法包括：熔炼、连铸连轧、一次拉拔、高温热处理、时效热处理、二次拉拔，获得直径为0.18～0.32mm的超细铝-镁-硅合金线；其中，高温热处理的温度为480～530℃，保温时间为1～6小时；时效热处理的温度为150～190℃，保温时间为10～48小时。

所述的高强-高导-高韧的超细铝-镁-硅合金线制备方法，以重量百分比计，铝-镁-硅合金化学成分和含量为：Mg 0.25％～0.45％，Si 0.12％～0.22％，Fe 0.08％～0.12％，Mn0.001％～0.003％，Zn 0.01％～0.02％，La 0.08％～0.15％，Ce 0.12％～0.25％，B0.01％～0.025％，Cu＜0.005％，Cr＜0.005％，Al余量。

所述的高强-高导-高韧的超细铝-镁-硅合金线制备方法，熔炼工艺如下：采用纯度为99.6wt.％的工业纯铝锭加入到真空感应熔炼炉中，升温至720～770℃，待铝锭全部熔化后，依次加入Mg、KBF

所述的高强-高导-高韧的超细铝-镁-硅合金线制备方法，连铸连轧工艺如下：铝-镁-硅合金液进入结晶轮式铸造机，铸造温度为670～730℃，铸造后的铸坯进入三辊轧机连轧，进入轧机口温度为480～520℃，轧制后温度为430～460℃，随后进行水冷至室温，轧制获得的铝合金杆直径为8.0～10.0mm。

所述的高强-高导-高韧的超细铝-镁-硅合金线制备方法，轧制后铝合金杆冷却方式为水冷。

所述的高强-高导-高韧的超细铝-镁-硅合金线制备方法，一次拉拔为将铝-镁-硅合金杆进行冷拉拔，一次拉拔时采用水溶性冷却液，保证拉拔过程为冷拉拔，拉拔获得直径为1.5～2.2mm的铝-镁-硅合金线。

所述的高强-高导-高韧的超细铝-镁-硅合金线制备方法，二次拉拔为将铝-镁-硅合金线进行冷拉拔，二次拉拔时采用水溶性冷却液，保证拉拔过程为冷拉拔，拉拔获得直径为0.18～0.32mm的超细铝-镁-硅合金线，完成高强-高导-高韧超细铝-镁-硅合金线的制备。

所述的高强-高导-高韧的超细铝-镁-硅合金线制备方法，超细铝-镁-硅合金线的抗拉强度为220～240MPa，超细铝-镁-硅合金线的导电率为60～61IACS％，超细铝-镁-硅合金线的延伸率为10～11％。

所述的高强-高导-高韧的超细铝-镁-硅合金线制备方法，高温热处理后冷却至室温，冷却方式为水冷。

所述的高强-高导-高韧的超细铝-镁-硅合金线制备方法，时效热处理后冷却至室温，冷却方式为空冷。

本发明设计原理及有益效果如下：

1、组织设计与工艺控制，本发明基于位错、晶粒和析出相对强度、导电率和延伸率的影响机理，通过协同调控位错、晶粒和析出相实现了超细铝-镁-硅合金线强度、导电率和延伸率三者的良好匹配。下面，将分别阐述本发明对位错、晶粒和析出相的调控原理和工艺。

1)位错设计与工艺调控：拉拔态铝-镁-硅合金线内可积累大量位错，并引起位错强化，提高铝-镁-硅合金线强度；此外，与固溶原子和析出相相比，位错对导电率的影响可忽略不计。所以，在铝-镁-硅合金线内引入位错可明显提高强度，损失较小的导电率和延伸率，但传统铝-镁-硅合金线的制备工艺是在拉拔态铝-镁-硅合金线处进行时效处理，这会导致位错的回复，损失位错强化。因此，本发明在二次拉拔之前进行人工时效处理，因而经过二次拉拔的铝-镁-硅合金线内可存储大量位错，提高铝-镁-硅合金线强度。

2)晶粒设计与工艺调控：铝-镁-硅合金线晶粒尺寸减小，强度增加，但延伸率和导电率下降，为了满足延伸率要求，需要避免铝-镁-硅合金线内晶粒尺寸严重细化。所以，本发明在二次拉拔之前，对一次拉拔后的铝-镁-硅合金线进行高温的充分退火，使铝-镁-硅合金线内晶粒发生完全再结晶。因此，完全再结晶的铝-镁-硅合金线经过二次拉拔之后，晶粒尺寸可维持在相对较大的水平。此外，二次拉拔后的铝-镁-硅合金线内沿轴向可形成硬取向的<111>丝织构，进一步提高铝-镁-硅合金线的强度，并不损害导电率和延伸率。

3)析出相设计与工艺调控：在时效温度不变时，随着时效时间延长，铝-镁-硅合金线强度先增加再下降，延伸率先下降再增加，导电率持续增大，产生上述性能演化规律的本质是固溶原子的不断析出和析出相的不断长大。固溶原子的析出相和析出相长大对强度、延伸率和导电率的影响程度不同，对导电率影响尤为严重，所以延长时效时间可明显提高导电率，上述通过位错和晶粒的调控已经提高了铝-镁-硅合金线的强度和延伸率。因而，析出相的调控则主要侧重于导电率的调控，本发明采用过时效处理，即进行较长时间的时效处理，保证铝-镁-硅合金线具有较高的导电率。

综上，本发明通过高温热处理、人工过时效和二次拉拔的工序，可实现铝-镁-硅合金线内位错、晶粒尺寸、晶粒取向和析出相的协同调控，实现了铝-镁-硅合金线强度、导电率和延伸率的良好匹配。

2、有益效果：本发明通过对超细铝-镁-硅合金线制备工序中高温热处理、人工时效处理和二次拉拔工序的设计，可实现对铝-镁-硅合金线强度、导电率和延伸率的调控，制备了高强-高导-高韧的超细铝-镁-硅合金线。未来将本发明制备的超细铝-镁-硅合金电子线应用于新能源汽车充电桩连接线，可显著提高其服役安全性和节能特性。

附图说明

图1为本发明超细铝-镁-硅合金线制备工艺流程图。

具体实施方式：

在具体实施过程中，本发明依次首先通过熔炼和连铸连轧获得直径为8.0～10.0mm的铝-镁-硅合金杆；再进行一次拉拔获得直径为1.5～2.2mm的铝-镁-硅合金线；对铝-镁-硅合金线进行高温热处理和时效热处理，高温热处理温度为480～530℃，保温时间为1～6小时，时效热处理温度为150～190℃，保温时间为10～48小时；对时效后的铝-镁-硅合金线进行二次拉拔，完成超细铝-镁-硅合金电子线的制备。

下面，将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员经改进或润饰的所有其它实例，都属于本发明保护的范围。应理解，本发明实施例仅用于说明本发明的技术效果，而非用于限制本发明的保护范围。实施例中，所用方法如无特别说明，均为常规方法。

实施例1

如图1所示，本发明实施例1提出一种高强-高导-高韧的超细铝-镁-硅合金线制备方法，其工艺流程图包括：熔炼→连铸连轧→一次拉拔→高温热处理→时效热处理→二次拉拔。

步骤1：熔炼，采用纯度为99.6wt.％的工业纯铝锭加入到真空感应熔炼炉中，升温至750℃，待铝锭全部熔化后，依次加入Mg、KBF

步骤2：连铸连轧，铝-镁-硅合金液进入结晶轮式铸造机，铸造温度为710℃，铸造后的铸坯进入三辊轧机连轧，进入轧机口温度为495℃，轧制后温度为450℃，随后进行水冷，冷却至室温，轧制获得的铝合金杆直径为9.5mm；

步骤3：一次拉拔，将铝-镁-硅合金杆进行拉拔，拉拔时采用常规的水溶性冷却液(如：主要成分为矿物油、乳化剂、防锈剂、稳定剂和水)，确保拉拔过程为冷拉拔即可，拉拔道次为16，减径过程为9.0mm→8.0mm→7.0mm→6.2mm→5.5mm→5.0mm→4.4mm→3.9mm→3.5mm→3.25mm→3.0mm→2.65mm→2.32mm→2.1mm→1.95mm→1.7mm，拉丝出线速度为40m/min，拉拔获得铝线直径为1.7mm的铝-镁-硅合金线；

步骤4：高温热处理，将直径为1.7mm的铝-镁-硅合金线进行高温热处理，温度为495℃，保温时间为4小时，水冷至室温；

步骤5：时效热处理，将经过高温热处理的铝-镁-硅合金线进行人工时效处理，温度为170℃，保温时间为24小时，空冷至室温；

步骤6：二次拉拔，将时效后的铝-镁-硅合金线进行拉拔，冷却液为常规的水溶性冷却液(如：主要成分为矿物油、乳化剂、防锈剂、稳定剂和水)，确保拉拔过程为冷拉拔即可，拉拔道次为28，减径过程为1.6mm→1.5mm→1.42mm→1.32mm→1.24mm→1.16mm→1.12mm→1.08mm→1.04mm→1.0mm→0.95mm→0.91mm→0.86mm→0.82mm→0.78mm→0.74mm→0.70mm→0.66mm→0.63mm→0.6mm→0.56mm→0.52mm→0.48mm→0.44mm→0.40mm→0.36mm→0.32mm→0.3mm，拉丝出线速度为50m/min，获得直径为0.3mm的超细铝-镁-硅合金线。

对比例1

对比例1的铝-镁-硅合金线制备工艺流程为：实施例1的步骤1；实施例1的步骤2；实施例1的步骤3；实施例1的步骤4；将步骤4获得的高温热处理的铝-镁-硅合金线进行人工时效处理，温度为170℃，保温时间为4小时，空冷至室温；实施例1的步骤6。

对比例2

对比例2的铝-镁-硅合金线制备工艺流程为：实施例1的步骤1；实施例1的步骤2；实施例1的步骤3；实施例1的步骤4；实施例1的步骤6；实施例1的步骤5。

对比例3

对比例3的铝-镁-硅合金线制备工艺流程为：实施例1的步骤1；实施例1的步骤2；实施例1的步骤3；实施例1的步骤4；实施例1的步骤6；将二次拉拔获得的铝-镁-硅合金线进行人工时效处理，温度为170℃，保温时间为4小时，空冷至室温。

对比例4

对比例4的铝-镁-硅合金线制备工艺流程为：实施例1的步骤1；实施例1的步骤2；实施例1的步骤3；实施例1的步骤5；二次拉拔，将时效后的铝-镁-硅合金线进行拉拔，冷却液为水溶性冷却液，拉拔至直径为1.6mm时，继续拉拔铝-镁-硅合金线出现断丝情况，无法继续拉拔加工。

表1实施例1和对比例1～4制备的铝-镁-硅合金线宏观线径以及性能对比结果

由表1可知，实施例1与对比例1相比，实施例1制备的铝-镁-硅合金线性能更优，尤其导电率优势明显，说明与欠时效工艺相比，过时效处理可显著净化基体，提高铝-镁-硅合金线导电率；实施例1与对比例2相比，在导电率和延伸率相近的情况下，实施例1具有更高的抗拉强度，表明先进行过时效处理再进行二次拉拔的工艺可保留一维的位错等缺陷，而先二次拉拔再过时效处理则会导致位错回复，损失一定的强度；实施例1与对比例3相比，实施例1制备的超细铝-镁-硅合金线强度、导电率和延伸率均优于对比例3，说明先过时效再二次拉拔的工艺可获得较好的强度、导电率和延伸率性能匹配；实施例1与对比例4对比，实施例1制备的铝-镁-硅合金线直径为0.3mm，而对比例4制备的铝-镁-硅合金线直径为1.6mm，表明如果不进行高温热处理，一次拉拔后，直接进行过时效和二次拉拔处理则会导致铝-镁-硅合金线二次拉拔时的塑性变形能力严重不足，进而导致二次拉拔无法继续进行，最终无法制备超细铝-镁-硅合金线。此外，虽然与实施例1制备的铝-镁-硅合金线相比，对比例4制备的铝-镁-硅合金线强度较高，但导电率和延伸率更低，尤其延伸率大幅下降。综上，通过一次拉拔、高温热处理、过时效处理和二次拉拔处理的工艺可制备强度、导电率和延伸率综合性能最优的超细铝-镁-硅合金线。

实施结果表明，本发明制备的超细铝-镁-硅合金电子线兼具了高强、高导和高韧特性，未来应用于充电桩和新能源汽车连接线，可显著提高其服役寿命并降低连接线电能损耗。