CN105803274B - 一种太阳能光伏用铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及硅镁硅铝合金，尤其是一种太阳能光伏用铝合金及其制备方法；其质量百分比组成如下：Si 0.38‑0.55％，Cu 0.035‑0.185％，Mg 0.50‑0.68％，Fe 0.1‑0.18％，Zr 0.15‑0.28％，Ti 0.15‑0.20％，混合稀土Re 0.15‑0.48％，Mn<0.1％，Cr<0.1％，Zn<0.05％，其余为Al，总量为100％；合金组份配比合理，具有工艺操作简单，对提升铝镁硅合金抗拉强度、延伸率、断裂韧性、抗腐蚀性能、导电导热率、氧化膜成膜质量等综合性能方面效果显著。特别适用于高品质要求的太阳能光伏铝材的使用，也可适用于综合性能要求高的铝材之用；抗拉强度达到240MPa以上，延伸率达到12％以上；氧化膜表面光洁，致密，成膜质量好。
Description
技术领域
本发明涉及硅镁硅铝合金，尤其是一种太阳能光伏用铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金活泼的化学性质使得其在使用过程中容易发生多种形式的腐蚀，如点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等。对铝材进行阳级氧化，能改善铝合金的耐蚀性能。目前，太阳能光伏边框及支架系统一般采用6063铝型材制作，其具备质量轻，中等强度，易加工成形，易进行阳极氧化表面处理的特点。
近年来，太阳能光伏产业竞争进一步加剧，为了缩短太阳能电站的投资回收期，延长太阳能电站的使用寿命，投资获得更高回报，各大厂家及电站都把降低边框及支架系统在整个电站组件系统的所占成本的比例及增加使用年限，放在科研的重要位置。因此，在强化6063合金优异的加工成形性基础上，必须把提高其抗拉强度、抗腐蚀性能，提高断裂韧性，提高导电导热性，减小应力腐蚀开裂倾向，提高氧化膜质量，延长其使用寿命等作为太阳能光伏产业的技术攻关方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种组分配比更加优化，工艺操作简单方便的太阳能光伏用铝合金及其制备方法，采用该方法制得的太阳能光伏用铝合金在抗拉强度、延伸率、断裂韧性、抗腐蚀性能、导电导热性方面均有提高，应力腐蚀开裂倾向小，氧化膜质量高，使用寿命长的太阳能光伏用铝合金及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种太阳能光伏用铝合金，其质量百分比组成如下：Si 0.38-0.55％，Cu 0.035-0.185％，Mg 0.50-0.68％，Fe 0.1-0.18％，Zr 0.15-0.28％，Ti 0.15-0.20％，混合稀土Re0.15-0.48％，Mn<0.1％，Cr<0.1％，Zn<0.05％，其余为Al，总量为100％。
进一步的，所述稀土Re的分子是为CeLaNdPr，其中Ce的质量百分含量为45-50％，La的质量百分含量为25-30％，Nd的质量百分含量为15-20％，其余为Pr，总量为100％。
进一步的，所述稀土Re的分子是为CeLaNdPr，其中Ce的质量百分含量为48％，La的质量百分含量为28％，Nd的质量百分含量为18％，其余为Pr 6％。
进一步的，所述Ti以Al5TiB丝方式添加。
进一步的，其质量百分比组成如下：Si 0.45％，Cu 0.12％，Mg 0.6％，Fe 0.14％，Zr 0.16％，Ti 0.18％，混合稀土Re 0.32％，Mn<0.1％，Cr<0.1％，Zn<0.05％，其余为Al，总量为100％。
制备一种太阳能光伏用铝合金的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)按上述各组分重量百分比称取除Ti和Re以外原料；
(2)将步骤(1)中的原料置于炉膛中加热至740℃以上，待完全熔化后，静置15-20min得到铝液混合物；；
(3)待步骤(2)中的混合物的温度降至700-730℃时，将四氯乙烷与混合稀土Re按质量比1:1加入炉膛内的铝液混合物中，精炼；
(4)步骤(3)中精炼操作结束后静置20min，扒渣后，钛以Al5TiB丝方式，在铸造设备前端的流槽中加入，然后采用同水平热顶铸造法，将上述铝液铸造挤压铝棒；
(5)将步骤(4)中制得的铝棒进行均匀化处理，控制温度为530-580℃保温8-12h，用常温水冷却1-5min后在炉内强风冷却，得到均匀化后的铝棒；
(6)按常规挤压工艺将挤压筒、挤压模具加热并保温；
(7)将步骤(5)中均匀化后的铝棒加热至480-510℃，待均热后，进行挤压成型，在挤压成型过程中，利用在线热淬火设备，对高温热挤压型材进行风冷或水雾冷却；
(8)待高温热挤压型材、冷却至50℃以下时，进行拉伸，并将拉伸过后的型材按一定长度剧切装筐；
(9)在3h内，将装筐的铝型材推进时效炉，在160-200℃下人工时效360-480min；
(10)人工时效完毕，将铝型材推出时效炉外，采用强风冷却至80℃以下，自然冷却至室温即可。
进一步的，所述方法包括以下步骤：
(1)按上述各组分重量百分比称取除Ti和Re以外原料；
(2)将步骤(1)中的原料置于炉膛中加热至740℃以上，待完全熔化后，静置15-20min得到铝液混合物；
(3)待步骤(2)中的混合物的温度降至720℃时，将四氯乙烷与混合稀土Re按质量比1:1加入炉膛内的铝液混合物中，精炼；
(4)步骤(3)中精炼操作结束后静置20min，扒渣后，钛以Al5TiB丝方式，在铸造设备前端的流槽中加入，然后采用同水平热顶铸造法，将上述铝液铸造挤压铝棒；
(5)将步骤(4)中制得的铝棒进行均匀化处理，控制温度为560℃保温10h，用常温水冷却2min后在炉内强风冷却，得到均匀化后的铝棒；
(6)按常规挤压工艺将挤压筒、挤压模具加热并保温；
(7)将步骤(5)中均匀化后的铝棒加热至480-510℃，待均热后，进行挤压成型，在挤压成型过程中，利用在线热淬火设备，对高温热挤压型材进行风冷或水雾冷却；
(8)待高温热挤压型材I、冷却至50℃以下时，进行拉伸，并将拉伸过后的型材按一定长度剧切装筐；
(9)在3h内，将装筐的铝型材推进时效炉，在180℃下人工时效360-480min；
(10)人工时效完毕，将铝型材推出时效炉外，采用强风冷却至80℃以下，自然冷却至室温即可。
本发明的技术原理是：①按一定比例的镁硅比配料，对铝镁硅合金进行主要强化相Mg2Si的比例控制及总量控制，有利于在保证易加工成形性的基础上，合金强度的提高；②在合金成份中加入锆和钛，并优化合金比例，利用锆及钛元素合金化，能够在合金凝固过程中形成一定数量的Al3Ti质点及高密度的亚稳定相(Al3Zr)，这些高密度的亚稳定相(Al3Zr)颗粒细小弥散，与基体有良好的半共格关系，且稳定性好，是一种极为有效的强化弥散体和再结晶抑制剂，对合金性能如断裂韧性，抗应力腐蚀性能极为有利，可以提高合金的断裂韧性、抗应力腐蚀和抗剥落腐蚀性能，能降低材料的淬火的敏感性，并在后续均匀化处理、挤压过程中，由于显微硬度高亚稳定相(Al3Zr)弥散一旦析出，很难再溶解或聚集，因而阻碍位错运动和起到钉扎作用，抑制再结晶晶粒长大，使得材料在变形过程中产生的大量位错和纤维组织保存下来，具有很大的形变强化效果，并在较高温度下变形材料也能得到均匀的细晶组织；钛起到细化晶粒作用，效果好；锆细化晶粒的作用比钛小，但其最重要的作用是对铝再结晶的影响，可使铝的再结晶温度上升100K。③采用四氯乙烷与混合稀土Re在一定铝液温度下边精炼，边掺加稀土元素Ce等的方式，可以起到除杂净化、除氢气强化和细化晶粒的作用。首先，四氯乙烷加入高温铝液后，会与铝液反应，产生气体，形成气泡，气泡吸附氢，并与浮渣混合，一起排出，反应速度快，可以起到吸氢排渣作用，其次，加入的稀土元素与氢有较强的亲和力，可以吸附和溶解氢，与四氯乙烷相互促进，可以起到净化氢的作用，从而有效消除组织疏松、针孔作用；再其次，在合金的凝固过程中，稀土元素在固液界面大量聚集，从而减小枝晶间距，细化晶粒，并随着稀土元素的加入，铝材料经阳极氧化后，形成的氧化膜更加致密，连续性更好，缺陷减少，针孔变小且孔分布均匀，耐蚀性增强，氧化膜与基材的粘附性提高；然后，加入的稀土元素与有害杂质形成多元化合物，减小其不利影响；加入的稀土可减小氧化物夹杂作用；另外，通过这些精炼过程，可以显著提高铝合金材料的导电导热性能。
采用本发明的技术方案的有益效果是：
本发明的合金组份配比合理，具有工艺操作简单，对提升铝镁硅合金抗拉强度、延伸率、断裂韧性、抗腐蚀性能、导电导热率、氧化膜成膜质量等综合性能方面效果显著。特别适用于高品质要求的太阳能光伏铝材的使用，也可适用于综合性能要求高的铝材之用；抗拉强度达到240MPa以上，延伸率达到12％以上；氧化膜表面光洁，致密，成膜质量好。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种太阳能光伏用铝合金，其质量百分比组成如下：Si 0.38％，Cu 0.035％，Mg0.50％，Fe 0.1％，Zr 0.15％，Ti 0.15％，混合稀土Re 0.15％，Mn<0.1％，Cr<0.1％，Zn<0.05％，其余为Al，总量为100％。
其中，所述稀土Re的分子是为CeLaNdPr，其中Ce的质量百分含量为45％，La的质量百分含量为25％，Nd的质量百分含量为20％，其余为Pr10％。
其中，所述Ti以Al5TiB丝方式添加。
制备方法包括以下步骤：
(1)按上述各组分重量百分比称取除Ti和Re以外原料；
(2)将步骤(1)中的原料置于炉膛中加热至740℃以上，待完全熔化后，静置15min得到铝液混合物；
(3)待步骤(2)中的混合物的温度降至700℃时，将四氯乙烷与混合稀土R按质量比1:1加入炉膛内的铝液混合物中，精炼；
(4)步骤(3)中精炼操作结束后静置20min，扒渣后，钛以Al5TiB丝方式，在铸造设备前端的流槽中加入，然后采用同水平热顶铸造法，将上述铝液铸造挤压铝棒；
(5)将步骤(4)中制得的铝棒进行均匀化处理，控制温度为530℃保温8h，用常温水冷却1min后在炉内强风冷却，得到均匀化后的铝棒；
(6)按常规挤压工艺将挤压筒、挤压模具加热并保温；
(7)将步骤(5)中均匀化后的铝棒加热至480℃，待均热后，进行挤压成型，在挤压成型过程中，利用在线热淬火设备，对高温热挤压型材进行风冷或水雾冷却；
(8)待高温热挤压型材、冷却至50℃以下时，进行拉伸，并将拉伸过后的型材按一定长度剧切装筐；
(9)在3h内，将装筐的铝型材推进时效炉，在160℃下人工时效360min；
(10)人工时效完毕，将铝型材推出时效炉外，采用强风冷却至80℃以下，自然冷却至室温即可。
铝材的抗拉强度达到240MPa以上，延伸率达到12％以上。
实施例2
一种太阳能光伏用铝合金，其质量百分比组成如下：Si 0.42％，Cu 0.056％，Mg0.56％，Fe 0.15％，Zr 0.18％，Ti 0.18％，混合稀土Re0.23％，Mn<0.1％，Cr<0.1％，Zn<0.05％，其余为Al，总量为100％。
其中，所述稀土Re的分子是为CeLaNdPr，其中Ce的质量百分含量为48％，La的质量百分含量为28％，Nd的质量百分含量为16％，其余为Pr6％。
其中，所述Ti以Al5TiB丝方式添加。
制备方法包括以下步骤：
(1)按上述各组分重量百分比称取除Ti和Re以外原料；
(2)将步骤(1)中的原料置于炉膛中加热至740℃以上，待完全熔化后，静置15-20min得到铝液混合物；
(3)待步骤(2)中的混合物的温度降至715℃时，将四氯乙烷与混合稀土Re按质量比1:1加入炉膛内的铝液混合物中，精炼；
(4)步骤(3)中精炼操作结束后静置20min，扒渣后，钛以Al5TiB丝方式，在铸造设备前端的流槽中加入，然后采用同水平热顶铸造法，将上述铝液铸造挤压铝棒；
(5)将步骤(4)中制得的铝棒进行均匀化处理，控制温度为545℃保温9h，用常温水冷却2min后在炉内强风冷却，得到均匀化后的铝棒；
(6)按常规挤压工艺将挤压筒、挤压模具加热并保温；
(7)将步骤(5)中均匀化后的铝棒加热至490℃，待均热后，进行挤压成型，在挤压成型过程中，利用在线热淬火设备，对高温热挤压型材进行风冷或水雾冷却；
(8)待高温热挤压型材、冷却至50℃以下时，进行拉伸，并将拉伸过后的型材按一定长度剧切装筐；
(9)在3h内，将装筐的铝型材推进时效炉，在180℃下人工时效380min；
(10)人工时效完毕，将铝型材推出时效炉外，采用强风冷却至80℃以下，自然冷却至室温即可。
铝材的抗拉强度达到240MPa以上，延伸率达到12％以上。
实施例3
一种太阳能光伏用铝合金，其质量百分比组成如下：其质量百分比组成如下：Si0.45％，Cu 0.12％，Mg 0.6％，Fe 0.14％，Zr 0.16％，Ti 0.18％，混合稀土Re 0.32％，Mn<0.1％，Cr<0.1％，Zn<0.05％，其余为Al，总量为100％。
其中，所述稀土Re的分子是为CeLaNdPr，其中Ce的质量百分含量为48％，La的质量百分含量为28％，Nd的质量百分含量为18％，其余为Pr 6％。
其中，所述Ti以Al5TiB丝方式添加。
制备方法包括以下步骤：
(1)按上述各组分重量百分比称取除Ti和Re以外原料；
(2)将步骤(1)中的原料置于炉膛中加热至740℃以上，待完全熔化后，静置15-20min得到铝液混合物；
(3)待步骤(2)中的混合物的温度降至720℃时，将四氯乙烷与混合稀土Re按质量比1:1加入炉膛内的铝液混合物中，精炼；
(4)步骤(3)中精炼操作结束后静置20min，扒渣后，钛以Al5TiB丝方式，在铸造设备前端的流槽中加入，然后采用同水平热顶铸造法，将上述铝液铸造挤压铝棒；
(5)将步骤(4)中制得的铝棒进行均匀化处理，控制温度为560℃保温10h，用常温水冷却2min后在炉内强风冷却，得到均匀化后的铝棒；
(6)按常规挤压工艺将挤压筒、挤压模具加热并保温；
(7)将步骤(5)中均匀化后的铝棒加热至480-510℃，待均热后，进行挤压成型，在挤压成型过程中，利用在线热淬火设备，对高温热挤压型材进行风冷或水雾冷却；
(8)待高温热挤压型材I、冷却至50℃以下时，进行拉伸，并将拉伸过后的型材按一定长度剧切装筐；
(9)在3h内，将装筐的铝型材推进时效炉，在180℃下人工时效360-480min；
(10)人工时效完毕，将铝型材推出时效炉外，采用强风冷却至80℃以下，自然冷却至室温即可。
铝材的抗拉强度达到240MPa以上，延伸率达到12％以上。
实施例4
一种太阳能光伏用铝合金，其质量百分比组成如下：Si 0.5％，Cu 0.15％，Mg0.62％，Fe 0.16％，Zr 0.24％，Ti 0.18％，混合稀土Re 0.45％，Mn<0.1％，Cr<0.1％，Zn<0.05％，其余为Al，总量为100％。
其中，所述稀土Re的分子是为CeLaNdPr，其中Ce的质量百分含量为48％，La的质量百分含量为28％，Nd的质量百分含量为18％，其余为Pr6％。
其中，所述Ti以Al5TiB丝方式添加。
制备方法包括以下步骤：
(1)按上述各组分重量百分比称取除Ti和Re以外原料；
(2)将步骤(1)中的原料置于炉膛中加热至740℃以上，待完全熔化后，静置18min得到铝液混合物；
(3)待步骤(2)中的混合物的温度降至725℃时，将四氯乙烷与混合稀土Re按质量比1:1加入炉膛内的铝液混合物中，精炼；
(4)步骤(3)中精炼操作结束后静置20min，扒渣后，钛以Al5TiB丝方式，在铸造设备前端的流槽中加入，然后采用同水平热顶铸造法，将上述铝液铸造挤压铝棒；
(5)将步骤(4)中制得的铝棒进行均匀化处理，控制温度为560℃保温10h，用常温水冷却4min后在炉内强风冷却，得到均匀化后的铝棒；
(6)按常规挤压工艺将挤压筒、挤压模具加热并保温；
(7)将步骤(5)中均匀化后的铝棒加热至500℃，待均热后，进行挤压成型，在挤压成型过程中，利用在线热淬火设备，对高温热挤压型材进行风冷或水雾冷却；
(8)待高温热挤压型材、冷却至50℃以下时，进行拉伸，并将拉伸过后的型材按一定长度剧切装筐；
(9)在3h内，将装筐的铝型材推进时效炉，在180℃下人工时效450min；
(10)人工时效完毕，将铝型材推出时效炉外，采用强风冷却至80℃以下，自然冷却至室温即可。
铝材的抗拉强度达到240MPa以上，延伸率达到12％以上。
实施例5
一种太阳能光伏用铝合金，其质量百分比组成如下：Si 0.55％，Cu 0.185％，Mg0.68％，Fe 0.18％，Zr 0.28％，Ti 0.20％，混合稀土Re 0.48％，Mn<0.1％，Cr<0.1％，Zn<0.05％，其余为Al，总量为100％。
其中，所述稀土Re的分子是为CeLaNdPr，其中Ce的质量百分含量为50％，La的质量百分含量为30％，Nd的质量百分含量为20％。
其中，所述Ti以Al5TiB丝方式添加。
制备方法包括以下步骤：
(1)按上述各组分重量百分比称取除Ti和Re以外原料；
(2)将步骤(1)中的原料置于炉膛中加热至740℃以上，待完全熔化后，静置20min得到铝液混合物；
(3)待步骤(2)中的混合物的温度降至730℃时，将四氯乙烷与混合稀土Re按质量比1:1加入炉膛内的铝液混合物中，精炼；
(4)步骤(3)中精炼操作结束后静置20min，扒渣后，钛以Al5TiB丝方式，在铸造设备前端的流槽中加入，然后采用同水平热顶铸造法，将上述铝液铸造挤压铝棒；
(5)将步骤(4)中制得的铝棒进行均匀化处理，控制温度为580℃保温12h，用常温水冷却5min后在炉内强风冷却，得到均匀化后的铝棒；
(6)按常规挤压工艺将挤压筒、挤压模具加热并保温；
(7)将步骤(5)中均匀化后的铝棒加热至510℃，待均热后，进行挤压成型，在挤压成型过程中，利用在线热淬火设备，对高温热挤压型材进行风冷或水雾冷却；
(8)待高温热挤压型材、冷却至50℃以下时，进行拉伸，并将拉伸过后的型材按一定长度剧切装筐；
(9)在3h内，将装筐的铝型材推进时效炉，在200℃下人工时效480min；
(10)人工时效完毕，将铝型材推出时效炉外，采用强风冷却至80℃以下，自然冷却至室温即可。
铝材的抗拉强度达到240MPa以上，延伸率达到12％以上。
尽管上述实施例已对本发明的技术方案进行了详细地描述，但是本发明的技术方案并不限于以上实施例，在不脱离本发明的思想和宗旨的情况下，对本发明的技术方案所做的任何改动都将落入本发明的权利要求书所限定的范围。
Claims (5)
1.一种太阳能光伏用铝合金，其特征在于，其质量百分比组成如下：Si0.38-0.55％，Cu0.035-0.185％，Mg0.50-0.68％，Fe0.1-0.18％，Zr0.15-0.28％，Ti0.15-0.20％，混合稀土Re0.15-0.48％，Mn<0.1％，Cr<0.1％，Zn<0.05％，其余为Al，总量为100％；
所述稀土Re的分子是为CeLaNdPr，其中Ce的质量百分含量为45-50％，La的质量百分含量为25-30％，Nd的质量百分含量为15-20％，其余为Pr，总量为100％；
所述太阳能光伏用铝合金的制备方法包括以下步骤：
(1)按上述各组分重量百分比称取除Ti和Re以外原料；
(2)将步骤(1)中的原料置于炉膛中加热至740℃以上，待完全熔化后，静置15-20min得到铝液混合物；
(3)待步骤(2)中的混合物的温度降至700-730℃时，将四氯乙烷与混合稀土Re按质量比1:1加入炉膛内的铝液混合物中，精炼；
(4)步骤(3)中精炼操作结束后静置20min，扒渣后，钛以Al5TiB丝方式，在铸造设备前端的流槽中加入，然后采用同水平热顶铸造法，将上述铝液铸造挤压铝棒；
(5)将步骤(4)中制得的铝棒进行均匀化处理，控制温度为530-580℃保温8-12h，用常温水冷却1-5min后在炉内强风冷却，得到均匀化后的铝棒；
(6)按常规挤压工艺将挤压筒、挤压模具加热并保温；
(7)将步骤(5)中均匀化后的铝棒加热至480-510℃，待均热后，进行挤压成型，在挤压成型过程中，利用在线热淬火设备，对高温热挤压型材进行风冷或水雾冷却；
(8)待高温热挤压型材、冷却至50℃以下时，进行拉伸，并将拉伸过后的型材按一定长度锯切装筐；
(9)在3h内，将装筐的铝型材推进时效炉，在160-200℃下人工时效360-480min；
(10)人工时效完毕，将铝型材推出时效炉外，采用强风冷却至80℃以下，自然冷却至室温即可。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏用铝合金，其特征在于：所述稀土Re的分子是为CeLaNdPr，其中Ce的质量百分含量为48％，La的质量百分含量为28％，Nd的质量百分含量为18％，其余为Pr6％。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏用铝合金，其特征在于：所述Ti以Al5TiB丝方式添加。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏用铝合金， 其特征在于：其质量百分比组成如下：Si0.45％，Cu0.12％，Mg0.6％，Fe0.14％，Zr0.16％，Ti0.18％，混合稀土Re0.32％，Mn<0.1％，Cr<0.1％，Zn<0.05％，其余为Al，总量为100％。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏用铝合金，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)按上述各组分重量百分比称取除Ti和Re以外原料；
(2)将步骤(1)中的原料置于炉膛中加热至740℃以上，待完全熔化后，静置15-20min得到铝液混合物；
(3)待步骤(2)中的铝液混合物的温度降至720℃时，将四氯乙烷与混合稀土Re按质量比1:1加入炉膛内的铝液混合物中，精炼；
(4)步骤(3)中精炼操作结束后静置20min，扒渣后，钛以Al5TiB丝方式，在铸造设备前端的流槽中加入，然后采用同水平热顶铸造法，将上述铝液铸造挤压铝棒；
(5)将步骤(4)中制得的铝棒进行均匀化处理，控制温度为560℃保温10h，用常温水冷却2min后在炉内强风冷却，得到均匀化后的铝棒；
(6)按常规挤压工艺将挤压筒、挤压模具加热并保温；
(7)将步骤(5)中均匀化后的铝棒加热至480-510℃，待均热后，进行挤压成型，在挤压成型过程中，利用在线热淬火设备，对高温热挤压型材进行风冷或水雾冷却；
(8)待高温热挤压型材、冷却至50℃以下时，进行拉伸，并将拉伸过后的型材按一定长度锯切装筐；
(9)在3h内，将装筐的铝型材推进时效炉，在180℃下人工时效360-480min；
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