TWI877865B

TWI877865B - 鋁合金導電材料及其製造方法

Info

Publication number: TWI877865B
Application number: TW112141078A
Authority: TW
Inventors: 丁仕旋; 徐瑋志; 陳君瑋; 張志溢; 李淑芬; 王國皇
Original assignee: 中國鋼鐵股份有限公司
Priority date: 2023-10-26
Filing date: 2023-10-26
Publication date: 2025-03-21
Also published as: TW202517804A

Abstract

本發明是有關於一種鋁合金導電材料及其製造方法，其藉由在特定溫度下進行均質步驟達特定時間，以使所獲得之鋁合金導電材料的導電率增加。因此，此製造方法容許使用鋁含量較低之熔融鋁合金材料，例如回收鋁，製得高導電率之鋁合金導電材料，從而達到降低成本及/或永續經營的目標。

Description

鋁合金導電材料及其製造方法

本發明是有關於一種鋁合金導電材料及其製造方法，特別是關於一種鋁含量較低的鋁合金導電材料及其製造方法。

鋁是地表上最豐富的金屬之一，具有質輕、強度、耐蝕性、成行性、表面處理性、導電率、導熱性、加工性、熔接性及再生性佳等特性，故廣泛應用於工業中。其中，鋁的導電率為銅之約60%，但質輕價廉，故常用於做為導線。

鋁材中的鋁含量越高，鋁材的導電率越佳。在高導電率的要求下，習知方法是藉由增加鋁材的鋁含量，使鋁材的鋁含量接近純鋁。然而，對鋁材之鋁含量的要求越高，不僅增加成本，也不利於在鋁材中添加回收鋁，不符合近年來增加循環鋁比例之永續發展的趨勢。

因此，亟需一種鋁合金導電材料的製造方法，以解決上述問題。

因此，本發明之一態樣是提供一種鋁合金導電材料的製造方法，其係對鋁含量較低之熔融鋁合金材料進行成型步驟、均質步驟及熱軋延步驟，以製得高導電率的鋁合金導電材料。

本發明之又一態樣是提供一種鋁合金導電材料，其係以上述製造方法製得，而具有高導電率。

根據本發明之上述態樣，提出一種鋁合金導電材料的製造方法。首先，提供熔融鋁合金材料，其中熔融鋁合金材料包含0.05重量百分率至0.20重量百分率的鐵、小於或等於0.10重量百分率的矽、總量係小於或等於0.20重量百分率的一或多種雜質，以及大於或等於99.6重量百分率的鋁。然後，對熔融鋁合金材料進行成型步驟，以獲得鋁胚料。接著，在400℃至500℃下，對鋁胚料進行均質步驟達10小時至15小時，以獲得均質後鋁胚料。接下來，對均質後鋁胚料進行熱軋延步驟，以獲得鋁合金導電材料。

在本發明之一實施例中，此或此些雜質包含鉻、鎂及/或鈦。

在本發明之一實施例中，成型步驟是澆鑄成型步驟。

在本發明之一實施例中，此製造方法可選擇性包含在熱軋延步驟前，於500℃至540℃下，對均質後鋁胚料進行預處理。

在本發明之一實施例中，熱軋延步驟是在300℃至500℃下進行。

在本發明之一實施例中，此製造方法可選擇性包含在熱軋延步驟後，進行冷卻處理，以使鋁合金導電材料冷卻至室溫。

根據本發明之另一態樣，提出一種鋁合金導電材料，其係以上述製造方法製得。此鋁合金導電材料的導電率係大於或等於61%國際退火銅標準(International Annealed Copper Standard，IACS)。

在本發明之一實施例中，鋁合金導電材料包含Al ₃Fe及/或α-AlFeSi的奈米顆粒。

應用本發明的鋁合金導電材料及其製造方法，其中此製造方法包含進行均質步驟，以使雜質析出，故可以鋁含量較低之熔融鋁合金材料製得高導電率之鋁合金導電材料。

藉由以下詳細說明，並參酌所附圖式，以下詳細說明本發明的實施例。圖式及說明書使用之相同圖號，盡可能是指相同或類似的部分。

如前所述，本發明提供一種鋁合金導電材料及其製造方法，其中此製造方法包含進行均質步驟，以使雜質析出，故可利用鋁含量較低之熔融鋁合金材料製得高導電率之鋁合金導電材料。

本發明所述之熔融鋁合金材料的「鋁含量較低」係相對於純鋁。在一些實施例中，鋁含量較低是指熔融鋁合金材料的鋁含量是大於或等於99.6重量百分率。在一些實施例中，鋁含量較低是指熔融鋁合金材料的鋁含量是大於或等於99.6重量百分率且小於99.8重量百分率。

本發明所述之「高導電率」是指鋁合金導電材料之傳輸電流之能力佳。在一些實施例中，高導電率的鋁合金導電材料之導電率係大於或等於60%國際退火銅標準(International Annealed Copper Standard，IACS)。在一些實施例中，高導電率的鋁合金導電材料之導電率係大於或等於60.5% IACS，或者大於或等於61% IACS。補充說明的是，100% IACS是指純度為100%、密度為8.95 g/cm ³的標準退火銅樣品在20℃的導電率。

請參閱圖1，其係根據本發明之一實施例的鋁合金導電材料之製造方法的流程圖。首先，進行步驟110，提供熔融鋁合金材料。此熔融鋁合金材料可包含鐵、矽、一或多種雜質及鋁，其中鐵含量可例如為0.05重量百分率至0.20重量百分率。在一些實施例中，熔融鋁合金材料的鐵含量可例如為0.15重量百分率至0.20重量百分率。如果鐵含量過高，所製得之鋁合金導電材料易產生脆性，影響後續加工性。如果鐵含量過低，所製得之鋁合金導電材料的導電率會過低。

熔融鋁合金材料的矽含量可例如為小於或等於0.10重量百分率，如：大於0重量百分率且小於或等於0.10重量百分率。在一些實施例中，熔融鋁合金材料的矽含量可例如為0.05重量百分率至0.10重量百分率。如果矽含量過高，後續之均質步驟無法使多餘的矽析出，使得所製得之鋁合金導電材料的導電率過低。然而，如使用矽含量過低的熔融鋁合金材料，則會導致成本大幅增長。本發明的特點之一在於容許熔融鋁合金材料擁有較多的矽含量，但仍製得導電率高的鋁合金導電材料。

熔融鋁合金材料的一或多種雜質的總量可例如為小於或等於0.20重量百分率，如：大於0重量百分率且小於或等於0.20重量百分率。雜質是熔融鋁合金材料中，矽、鐵及鋁以外，無法分離的其他元素。在一些實施例中，雜質可包含但不限於鉻、鎂及/或鈦。

熔融鋁合金材料的鋁含量可例如為大於或等於99.6重量百分率。在一些實施例中，熔融鋁合金材料的鋁含量是大於或等於99.6重量百分率至小於99.8重量百分率。在一些實施例中，熔融鋁合金材料的鋁含量是大於或等於99.6重量百分率至小於99.7重量百分率。

接續步驟110的是步驟120，其係對熔融鋁合金材料進行成型步驟，以獲得鋁胚料。成型步驟的方法沒有特別限制，可使熔融鋁合金材料冷卻成型即可。在一些實施例中，成型步驟可例如為澆鑄成型步驟。

接著，對鋁胚料進行均質步驟，以獲得均質後鋁胚料，如步驟130所示。在均質步驟的過程中，鋁胚料中的鐵、矽及/或雜質會自純化鋁基地相中析出，從而形成顆粒。在一些實施例中，此些顆粒是奈米級的顆粒，粒徑可例如為1 nm至50 nm。在一些實施例中，此些顆粒可例如為鐵三鋁(Al ₃Fe)及鐵矽化鋁(α-AlFeSi)。

均質步驟的時間及溫度會影響鐵、矽及雜質的析出程度，從而影響所製得之鋁合金導電材料的導電率。申言之，如果均質步驟的時間過短或者溫度過低，鐵、矽及雜質的析出程度較低。反之，如果均質步驟的時間過長或者溫度過高，鐵、矽及雜質在析出後會回溶，致使所製得之鋁合金導電材料的導電率不佳。

均質步驟的溫度可例如為大於350℃且小於550℃，或者380℃至530℃。在一些較佳實施例中，均質步驟的溫度可例如為400℃至500℃，如：430℃至480℃。在一些實施例中，均質步驟的時間可例如為大於或等於5小時且小於或等於15小時。在一些實施例中，當均質步驟的溫度是大於350℃且小於400℃，或者大於500℃且小於530℃，均質步驟的時間是大於或等於10小時且小於15小時。當均質步驟的溫度是400℃至500℃時，均質步驟的時間可例如為10小時至15小時。

在均質步驟後，可進行步驟140，以對均質後鋁胚料進行熱軋延步驟，從而獲得鋁合金導電材料。熱軋延步驟可以習知方法進行，如在300℃至500℃下進行。熱軋延步驟的時間及熱軋量沒有特別限制。在一些實施例中，熱軋延步驟的時間可例如為0.5小時至2小時。在一些實施例中，熱軋量可例如為30%至80%。

在一些實施例中，在進行熱軋延步驟前，可將均質後鋁胚料放置於預熱爐中，以進行預處理。在一些具體例中，預熱爐的溫度是維持在500℃至540℃。在一些具體例中，預處理的時間可例如為至少2小時，如：2小時至4小時。在一些實施例中，在進行熱軋延步驟後，可選擇性進行冷卻處理，以使鋁合金導電材料冷卻至室溫。冷卻處理的方法沒有特別限制，可例如為將鋁合金導電材料放置在室內。

經實驗證實，在光學顯微鏡下，相較於未經均質步驟的鋁胚料，經均質步驟所獲得之均質後鋁胚料的組織確實有鐵、矽及/或雜質析出的顆粒。

其次，相較於以未經均質步驟的鋁胚料所製得之鋁合金導電材料，以經均質步驟的均質後鋁胚料所製得之鋁合金導電材料具高導電率。在一些實施例中，鋁合金導電材料之導電率可為大於60% IACS，或者大於61% IACS，抑或者大於或等於61.5% IACS。

值得注意的是，經均質步驟所製得之鋁合金導電材料，其導電率甚至可大於利用鋁含量較高的熔融鋁合金材料所製得之鋁合金導電材料的導電率。換言之，為了製得導電率符合要求的鋁合金導電材料，習知製造方法對熔融鋁合金材料的鋁含量有較高的要求，但本發明所述之製造方法因為包含進行均質步驟，故可使用鋁含量較低，而鐵、矽及/或雜質含量較高之熔融鋁合金材料，製得導電率符合或甚至超越要求的鋁合金導電材料，故可解決習知鋁合金導電材料的製造方法不利添加回收鋁的問題。

以下利用數個實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，本發明技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。實施例1

準備熔融鋁合金材料，其包含0.07重量百分率的矽、0.16重量百分率的鐵、總和為0.17重量百分率的雜質，以及99.6重量百分率的鋁。

對熔融鋁合金材料進行成型步驟，以使熔融鋁合金材料經澆鑄形成鋁胚料。然後，將鋁胚料放置於380℃的熱爐中達5小時，以進行均質步驟，從而獲得均質後鋁胚料。接著，將均質後鋁胚料放置於預熱爐中，以進行預處理。其中，預熱爐的溫度是保持在500℃至540℃，且預處理是進行至少2小時。在預處理後，在400℃至500℃下，對均質後鋁胚料進行熱軋延步驟，以形成鋁捲料。實施例2至實施例12

實施例2至實施例12的鋁捲料之製造方法與實施例1相同，差異在於均質步驟的溫度及時間。實施例2至實施例12之均質步驟的溫度及時間是記錄於表1中。比較例1

比較例1的鋁捲料之製造方法與實施例1相同，差異在於未進行均質步驟。比較例2至比較例3

比較例2至比較例3的鋁捲料之製造方法與比較例1相同，差異在於比較例2使用之熔融鋁合金材料包含0.06重量百分率的矽、0.08重量百分率的鐵、總和為0.06重量百分率的雜質，以及99.8重量百分率的鋁，且比較例3使用之熔融鋁合金材料包含0.07重量百分率的矽、0.17重量百分率的鐵、總和為0.06重量百分率的雜質，以及99.7重量百分率的鋁。評價方法材料組織之觀察

利用電子顯微鏡觀察均質步驟前後，實施例1至實施例12的鋁捲料的材料組織中是否有顆粒析出。導電率

依據美國國家標準局(National Bureau of Standard，USA，國家標準暨技術研究院的前身)發行之銅線表(Copper wire table)的規範，利用導電係數儀，檢測鋁捲料的導電率，並以IACS之百分比為單位。導電率的結果是記錄於表1中。表1

	熔融鋁合金材料 (重量百分率)	均質步驟	導電率 (% IACS)
矽	鐵	雜質	鋁	溫度(℃)	時間(小時)
實施例1	0.07	0.16	0.17	99.6	380	5	60
實施例2	430	5	60.2
實施例3	480	5	60.4
實施例4	530	5	60.1
實施例5	380	10	60.7
實施例6	430	10	62.2
實施例7	480	10	62
實施例8	530	10	60.8
實施例9	380	15	60.3
實施例10	430	15	61.7
實施例11	480	15	61.5
實施例12	530	15	60.4
比較例1	N/A	N/A	59.6
比較例2	0.06	0.08	0.06	99.8	N/A	N/A	61.2
比較例3	0.07	0.17	0.06	99.7	N/A	N/A	60.4

如表1所示，由比較例1至比較例3可知，熔融鋁合金材料的鋁含量與所製得之鋁捲材的導電率呈正相關，且如果熔融鋁合金材料中的鋁含量僅有99.6重量百分率，所製得之鋁捲材不具高導電率(即60% IACS)。

然而，如表1中的比較例1及實施例1至實施例12所示，均質步驟確實可增加所製得之鋁捲材的導電率。其次，如比較例2、比較例3及實施例1至實施例12所示，均質步驟可使以鋁含量較低(即99.6重量百分率)之熔融鋁合金材料製得之鋁捲材的導電率是大於以鋁含量較高(即99.7重量百分率至99.8重量百分率)之熔融鋁合金材料製得之鋁捲材的導電率。

申言之，當均質步驟是在380℃或530℃下進行10小時(實施例5及實施例8)，所製得之鋁捲材的導電率係60.7% IACS至60.8% IACS，大於使用鋁含量為99.7重量百分率之熔融鋁合金材料所製得的鋁捲材之導電率(60.4% IACS，比較例2)。

其次，當均質步驟是在430℃至480℃下進行10小時至15小時，所製得之鋁捲材的導電率係61.5% IACS至62.2% IACS(實施例6、實施例7、實施例10及實施例11)，大於使用鋁含量為99.8重量百分率之熔融鋁合金材料所製得的鋁捲材之導電率(61.2% IACS，比較例1)。

然而，如果均質步驟是在380℃至530℃下進行5小時(實施例1至實施例4)，所製得之鋁捲材的導電率僅有60% IACS至60.4% IACS，說明均質步驟的時間過短可能使得鐵、矽及/或雜質的析出量不足，因此所製得之鋁捲材的純鋁化基地相不足。如果均質步驟是在380℃或530℃下進行15小時(實施例9及實施例12)，所製得之鋁捲材的導電率係60.3% IACS至60.4% IACS，略低於均質步驟相同溫度下進行10小時(實施例5及實施例8)，說明均質步驟的時間過長，可能導致鐵、矽及/或雜質析出的顆粒回溶於純化鋁基地相。

如上所述，在均質步驟中，可提升鐵、矽及/或雜質自純化鋁基地相中的析出量，進而增加後續製得的鋁捲材之導電率。請參閱圖2A及圖2B，其係根據本發明之一實施例的鋁胚料(未經均質步驟，圖2A)及均質後鋁胚料(經均質步驟，圖2B)的組織之光學顯微鏡照片。如圖2A及圖2B所示，鋁胚料的奈米顆粒少，但其經均質步驟後，所製得之均質後鋁胚料的奈米顆粒增加。經分析，此奈米顆粒為鐵三鋁(Al ₃Fe)及α-AlFeSi。由此可知，均質步驟確實可使鐵、矽及/或雜質自純化鋁基地相中析出，從而達到與純化鋁合金相同之功效，進而增加所製得的鋁捲材之導電率。

由上述實施例可知，本發明之鋁合金導電材料及其製造方法，其優點在特定溫度下進行均質步驟達特定時間，可利用鋁含量較低之熔融鋁合金材料製得高導電率的鋁合金導電材料，故可應用於製造鋁合金導電材料，特別是製造高導電率之鋁合金導電材料，或者以回收鋁製造鋁合金導電材料。

雖然本發明已以數個特定實施例揭露如上，但可對前述揭露內容進行各種潤飾、各種更動及替換，而且應可理解的是，在不脫離本發明之精神和範圍內，某些情況將採用本發明實施例之某些特徵但不對應使用其他特徵。因此，本發明的精神和權利要求範圍不應限於以上例示實施例所述。

110,120,130,140:步驟

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：圖1係根據本發明之一實施例的鋁合金導電材料之製造方法的流程圖。圖2A及圖2B係根據本發明之一實施例的鋁胚料及均質後鋁胚料的組織之光學顯微鏡照片。

110,120,130,140:步驟

Claims

一種鋁合金導電材料的製造方法，包含：提供一熔融鋁合金材料，其中該熔融鋁合金材料包含：0.05重量百分率至0.16重量百分率的鐵；小於或等於0.10重量百分率的矽；一總量係小於或等於0.20重量百分率的一或多種雜質；以及99.6重量百分率至小於99.7重量百分率的鋁；對該熔融鋁合金材料進行一成型步驟，以獲得一鋁胚料；在400℃至500℃下，對該鋁胚料進行一均質步驟達10小時至15小時，以獲得一均質後鋁胚料；以及對該均質後鋁胚料進行一熱軋延步驟，以獲得該鋁合金導電材料，其中該鋁合金導電材料的一導電率係大於或等於61%國際退火銅標準(International Annealed Copper Standard，IACS)。
如請求項1所述之鋁合金導電材料的製造方法，其中該或該些雜質包含鉻、鎂及/或鈦。
如請求項1所述之鋁合金導電材料的製造方法，其中該成型步驟是一澆鑄成型步驟。
如請求項1所述之鋁合金導電材料的製造方法，更包含在該熱軋延步驟前，於500℃至540℃下，對該均質後鋁胚料進行一預處理。
如請求項1所述之鋁合金導電材料的製造方法，其中該熱軋延步驟是在300℃至500℃下進行。
如請求項1所述之鋁合金導電材料的製造方法，更包含在該熱軋延步驟後，進行一冷卻處理，以使該鋁合金導電材料冷卻至室溫。
一種鋁合金導電材料，其係由請求項1至請求項6任一項所述的製造方法製得。
如請求項7所述之鋁合金導電材料，其中該鋁合金導電材料包含Al₃Fe及/或α-AlFeSi的一奈米顆粒。