CN107723529B - 一种Al-Mg-Si合金单丝及其制备方法 - Google Patents

一种Al-Mg-Si合金单丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种Al‑Mg‑Si合金单丝及其制备方法，按质量百分比计由下述组份组成：Mg：0.32～0.45％，Si：0.18～0.25％，B：0.05～0.15％，Er：0.05～0.10％，Sn：0.05～0.15％，Fe：0.08～0.12％，其余为铝和不可避免的微量杂质，其中杂质元素Cr+Mn+V+Ti≤0.001％。本发明提供的技术方案主要通过微合金化的方式添加合金元素Er和Sn、控制合金中杂质元素含量，优化热处理工艺，从而提高合金的力学性能与导电性能，制得具有导电率≥59.5％IACS(20℃)、抗拉强度≥250MPa、延伸率不低于4.0％的Al‑Mg‑Si合金单丝。

Description

一种Al-Mg-Si合金单丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种电力行业输电线路用中强度铝合金架空导线，具体涉及一种Al-Mg-Si合金单丝及其制备方法。
背景技术
用全铝合金导线(AAAC)做输电线路较常规钢芯铝导线(ACSR)具有线路损耗小、拉重比大、弧垂特性好、表面耐划伤、施工简单方便，耐蚀性能好、线路服役生命长等优点。国内外目前所用的热处理型中强全铝合金导线主要为Al-Mg-Si合金体系，导电率为58.5％～59％IACS，抗拉强度为240MPa，延伸率为3.5％。因此，在保证力学性能的前提下，如何提高现有中强全铝合金导线的导电率，减少输电线损，实现节能减排，成为目前中强度铝合金导线迫切的技术需求。
CN 104975211 A中国专利公开了一种高导电率热处理型中强铝合金导电单丝，其通过控制B、Mg、Si、Cu微合金化元素的含量及热处理工艺来调整合金的微观组织以改善导电率；CN 104862541 A中国专利公开了一种中强度铝合金线及其制备方法，其通过控制B、Mg、Cu、Er微合金化元素的含量及热处理工艺来调整合金的微观组织来改善导电率。然而所得产品的性能还不够理想，基于以上研究及应用背景，需提供一种高导电率中强度铝合金导线制备方法，以获得高导电率的中强度铝合金导线，达到提高输送容量、降低输电线路损耗的目的，从而满足大容量输电线路建设需求。
发明内容
本发明目的在于提供一种架空Al-Mg-Si合金单丝，解决现有Al-Mg-Si合金导体材料导电率低的技术难题。本发明提供的技术方案包括以微合金化的方式添加合金元素、控制合金中杂质元素含量，优化热处理工艺改进合金的力学性能与导电性能，获得具有导电率≥59.5％IACS(20℃)、抗拉强度≥250MPa、延伸率至少为4.0％的Al-Mg-Si合金单丝。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的，另有说明除外，本发明的各组份均按质量百分比计：
一种Al-Mg-Si合金单丝，合金导线按质量百分比计由下述组份组成：Mg：0.32～0.45％，Si：0.18～0.25％，B：0.05～0.15％，Er：0.05～0.10％，Sn：0.05～0.15％，Fe：0.08～0.12％，其余为铝和不可避免的微量杂质，其中杂质元素Cr+Mn+V+Ti≤0.001％。
一种Al-Mg-Si合金单丝的第一优选方案，Mg：0.35～0.4％，Si：0.20～0.23％，B：0.06～0.11％，Er：0.06～0.08％，Sn：0.07～0.10％，Fe：0.09～0.11％。
一种Al-Mg-Si合金单丝的第二优选方案，Mg：0.4％，Si：0.22％，B：0.08％，Er：0.07％，Sn：0.08％，Fe：0.09％，Cr+Mn+V+Ti＝0.0009％。
一种Al-Mg-Si合金单丝的制备方法包括以下步骤：
(1)冶炼：于720～750℃下熔炼铝锭，待所述铝锭熔化后于730～750℃下加入除渣剂，静置15～20min后扒渣，于730～750℃下加入Al-B中间合金，待所述Al-B中间合金熔化后充分搅拌，静置15～20min后于730～750℃下加入Al-Si、Al-Er中间合金，待所述Al-Si、Al-Er中间合金熔化后充分搅拌，于730～750℃加入Mg和Sn，待所述Mg和Sn熔化后充分搅拌；
(2)精炼：于720～730℃下用N2载气向铝合金液中吹入精炼剂进行除气、除渣，静置30min后扒渣；
(3)浇铸：于710～720℃将铝合金液浇铸至φ45mm的铜模具中得铝合金铸锭；
(4)均匀化：铝合金铸锭于450～500℃下保温8-10h；
(5)制杆：于450～500℃下将铝合金铸锭挤压成φ9.5mm的铝合金杆；
(6)拉丝：以10～15m/s的速度、15～20％的变形量，拉丝铝合金单丝；
(7)固溶：铝合金单丝于530～550℃下保温4～10h，用室温水淬火；
(8)时效：铝合金单丝于165～185℃的箱式炉中时效4～8h后空冷至室温。
一种Al-Mg-Si合金单丝的制备方法的第一优选方案，除渣剂加入量为铝合金液质量的0.8％；精炼剂加入量为铝合金液质量的0.5％。
一种Al-Mg-Si合金单丝的制备方法的第二优选方案，步骤(3)浇铸过程用循环水冷却。
一种Al-Mg-Si合金单丝的制备方法的第三优选方案，步骤(5)制杆过程用水淋冷却。
一种Al-Mg-Si合金单丝的制备方法的第四优选方案，步骤(6)拉丝的铝合金单丝的直径为3.0～4.0mm。
一种Al-Mg-Si合金单丝的制备方法的第五优选方案，步骤(6)拉丝速度15m/s，变形量15％。
一种Al-Mg-Si合金单丝的制备方法的第六优选方案，步骤(1)中铝锭的纯度≥99.7％。
各合金元素的作用及机理如下：
Mg(镁)：镁对铝具有明显的强化作用，每增加1％镁，所得产品的抗拉强度约升高34MPa。镁和硅在Al-Mg-Si系合金中对合金起强化作用的Mg2Si强化相；同时，Mg2Si强化相也会对合金的导电性能产生一定的影响。当Mg含量较低时，合金的电导率一般较高而强度较低，但镁适度过量且经热处理使Mg2Si充分沉淀时，合金也有高的电导率。
Si(硅)：作为铝合金的最普通的元素之一的硅能提高铝合金的铸造性能及焊接流动性，不仅如此还能使铝合金有较高的力学性能，这是由于其在合金中能形成了一些化合物，使铝合金可进行热处理强化。
B(硼)：在众多的影响因素中，化学成分硼是影响铝导体电导率最基本的因素，因此将其作为降低杂质元素对电导率的影响来提高铝导体电导率的关键之举。如果以固溶状态存在，杂质元素对导电性能的影响更大。因此硼化处理是降低杂质含量的一种有效方法，在铝合金中加入一定量的B元素，能够和过渡族的杂质元素Cr、Mn、V、Ti等发生反应，使之由固溶态转变为化合态沉积于熔体底部，从而提高铝合金的导电性能。
Er(铒)：稀土元素Er可以明显提高铝合金的强度。不仅如此，Er的加入还能减少铝合金的枝晶偏析，并可显著细化合金的晶粒组织，Er对晶粒的细化机理与其添加量有关，当Er含量较低时，符合传统的稀土细化机理，当Er含量较高时，由于在熔体中形成了初生Al3Er质点，在结晶形核时可以作为非均质形核核心，从而显著细化晶粒组织；此外Er还可以与铝合金中的部分杂质元素反应，将杂质元素从原子态转变为析出态，从而提高铝合金的导电率。
Sn(锡)：铝合金中加入微量的Sn元素可以改善合金的组织和性能。Sn的加入在富Sn的粒子或者快速冷却所形成位错环能够直接或者间接的起到促进非均匀形核的作用。
Fe(铁)：铝中的铁是高纯铝中的一种主要杂质。因为熔炼与铸造使用的工具一般都是钢的或铸铁制的，由此将铁带入铝中，而且在重熔废料时，则会混入铁与铁屑。铁对铸造铝的力学性能是有害的，因为其通常以粗大的一次晶体出现，或以铝-铁-硅化合物形式存在，它们一定程度上都提高了铝的硬度，而使铝的塑性降低。最新研究表明，铁可以提高铝导体强度，并不显著降低其导电性。但也有资料表明在实际生产中，铁含量过高则会使其电阻率显著升高，所以须注意控制铁的含量。
Cr、Mn、V、Ti：这几种元素均为合金中的杂质元素。铝导体中的Cr、Mn、V、Ti等杂质元素在固溶态存在时，很容易吸收导体材料内的自由电子而填充它们不完整的电子层。这种传导电子数目的减少导致了铝导体导电性的降低。研究表明，对铝导电性的不利影响每1％(Cr+Mn+V+Ti)是每1％Si的5倍。所以严格控制这几种元素在铝中的含量对保证铝导体的质量具有重要的实际应用意义。
本发明的工艺特点在于：按冶炼→加入除渣剂除渣→加入Al-B合金降低Cr、Mn、V、Ti等杂质元素含量这样一个工艺。其中依次加入各中间合金，于730～750℃合金化；搅拌使合金元素充分均匀化；用铝液精炼剂对铝液除气、除渣处理，静置30分钟。冷却圆柱形铜模加快铝合金液的冷却速度获得更加细小的晶粒。用热挤压法制取Ф9.5mm的圆铝杆后拉丝。在拉丝机上以15m/s的速度冷拉丝，通过多套配模(金刚石模具)，多道次拉制，以每次15％左右的变形量获得3.0～4.0mm的单丝。于530～550℃下固溶处理后再于165～185℃下时效处理优化调整合金中的析出相数量与大小。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
1)本发明提供的技术方案在Al-Mg-Si合金中添加了微量元素Er和Sn，经固溶、时效处理，在保证合金强度的的前提下，提高了铝合金单丝的导电率≥59.5％IACS(20℃)；
2)本发明采用热挤压时用冷水急冷方式，避免析出相的出现，提高合金单丝的力学性能；
3)本发明通过调节固溶处理和时效处理的温度和时间，控制析出相的数量和大小，从而提高合金单丝的力学性能和导电性。
具体实施方式
下面结合具体实施例作进一步详细说明，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
制备Al-Mg-Si合金单丝：
(1)冶炼：于720～750℃的熔炼炉中熔炼纯度为99.7％的铝锭，熔化后于730～750℃下加入除渣剂0.8％、静置15min扒渣后，730～750℃下加入Al-B中间合金进行硼化处理，熔化后搅拌，静置15min后再加入Al-Si和Al-Er中间合金，熔化后充分搅拌，加入纯Mg和纯Sn，熔化后充分搅拌。
(2)精炼：用N2向720～730℃的铝合金液中送入0.5％的精炼剂进行除气、除渣，静置30min后扒渣。
(3)浇铸：将710～720℃的铝合金液浇铸至循环水冷却的φ45mm的铜模具中。
(4)均匀化：450～500℃下保温铝合金铸锭8h。
(5)制杆：450～500℃下将圆铝合金铸锭挤压成Ф9.5mm的铝合金杆，水淋冷却。
(6)拉丝：用拉丝机以10m/s的速度冷拉铝合金杆得铝合金丝，用多套配模(金刚石模具)，多道次拉制，以每次约15％得变形量拉制直径为4.0mm的单丝。
(7)固溶：将铝合金丝在530～550℃保温4h，用室温水淬火。
(8)时效：将铝合金单丝在165～185℃的箱式炉中时效4h，取出后空冷至室温。
实施例2
制备Al-Mg-Si合金单丝：
(1)冶炼：于720～750℃的熔炼炉中熔炼纯度为99.7％的铝锭，熔化后于730～750℃下加入除渣剂0.8％，静置20min后扒渣，730～750℃下加入Al-B中间合金进行硼化处理，熔化后搅拌，静置20min后再加入Al-Si和Al-Er中间合金，熔化后充分搅拌，加入纯Mg和纯Sn，熔化后充分搅拌。
(2)精炼：用N2向720～730℃铝合金液中送入0.5％的精炼剂进行除气、除渣，静置30min后扒渣。
(3)浇铸：将710～720℃铝合金液浇铸至循环水冷却的φ45mm的铜模具中。
(4)均匀化：450～500℃保温铝合金铸锭10h。
(5)制杆：450～500℃下将圆铝合金铸锭挤压成Ф9.5mm的铝合金杆，水淋冷却。
(6)拉丝：用拉丝机以15m/s的速度冷拉铝合金杆得铝合金丝，用多套配模(金刚石模具)，多道次拉制，以每次约20％得变形量拉制直径为3.0mm的单丝。
(7)固溶：将铝合金丝在530～550℃保温10h，用室温水淬火。
(8)时效：将铝合金单丝在165～185℃的箱式炉中时效8h，取出后空冷至室温。
实施例3
制备Al-Mg-Si合金单丝：
(1)冶炼：于720～750℃的熔炼炉中熔炼纯度为99.7％的铝锭熔化后于730～750℃下加入除渣剂0.8％，静置20min后扒渣，730～750℃下加入Al-B中间合金进行硼化处理，熔化后搅拌，静置20min后再加入Al-Si和Al-Er中间合金，熔化后充分搅拌，加入纯Mg和纯Sn，熔化后充分搅拌。
(2)精炼：用N2向720～730℃的铝合金液中送入0.5％的精炼剂进行除气、除渣，静置30min后扒渣。
(3)浇铸：将710～720℃铝合金液浇铸至循环水冷却的φ45mm的铜模具中。
(4)均匀化：450～500℃下保温铝合金铸锭8h。
(5)制杆：450～500℃下将圆铝合金铸锭挤压成Ф9.5mm的铝合金杆，水淋冷却。
(6)拉丝：用拉丝机以12m/s的速度冷拉铝合金杆得铝合金丝，用多套配模(金刚石模具)，多道次拉制，以每次约18％得变形量拉制直径为3.5mm的单丝。
(7)固溶：将铝合金丝在530～550℃保温8h，用室温水淬火。
(8)时效：将铝合金单丝在165～185℃的箱式炉中时效6h，取出后空冷至室温。
实施例4
制备Al-Mg-Si合金单丝：
(1)冶炼：于720～750℃的熔炼炉中熔炼纯度为99.7％的铝锭熔化后于730～750℃下加入除渣剂0.8％，静置20min后扒渣，730～750℃下加入Al-B中间合金进行硼化处理，熔化后搅拌，静置20min后加入Al-Si和Al-Er中间合金，熔化后充分搅拌，加入纯Mg和纯Sn，熔化后充分搅拌。
(2)精炼：用N2向720～730℃的铝合金液中送入0.5％的精炼剂进行除气、除渣，静置30min后扒渣。
(3)浇铸：将710～720℃的铝合金液浇铸至循环水冷却φ45mm的铜模具中。
(4)均匀化：450～500℃下保温铝合金铸锭8h。
(5)制杆：450～500℃下将圆铝合金铸锭挤压成Ф9.5mm的铝合金杆，水淋冷却。
(6)拉丝：用拉丝机以15m/s的速度冷拉铝合金杆得铝合金丝，用多套配模(金刚石模具)，多道次拉制，以每次约18％得变形量拉制直径为3.8mm的单丝。
(7)固溶：将铝合金丝在530～550℃保温8h，用室温水淬火。
(8)时效：将铝合金单丝在165～185℃的箱式炉中时效6h，取出后空冷至室温。
实施例5
制备Al-Mg-Si合金单丝：
(1)冶炼：于720～750℃的熔炼炉中熔炼纯度为99.7％的铝锭熔化后于730～750℃加入除渣剂0.8％，静置20min后扒渣，730～750℃下加入Al-B中间合金进行硼化处理，熔化后搅拌，静置20min后再加入Al-Si和Al-Er中间合金，熔化后充分搅拌，加入纯Mg和纯Sn，熔化后充分搅拌。
(2)精炼：用N2向720～730℃的铝合金液中送入0.5％的精炼剂进行除气、除渣，静置30min后扒渣。
(3)浇铸：将710～720℃的合金液浇铸至循环水冷却的φ45mm的铜模具中。
(4)均匀化：450～500℃下温铝合金铸锭8h。
(5)制杆：450～500℃下将铝合金铸锭挤压成Ф9.5mm的铝合金杆，水淋冷却。
(6)拉丝：用拉丝机以15m/s的速度冷拉铝合金杆得铝合金丝，用多套配模(金刚石模具)，多道次拉制，以每次约15％得变形量拉制直径为3.2m的单丝。
(7)固溶：将铝合金丝在530～550℃保温8h，用室温水淬火。
(8)时效：将铝合金单丝在165～185℃的箱式炉中时效6h，取出后空冷至室温。
对比例
制备Al-Mg-Si合金单丝：
(1)冶炼：于720～750℃的熔炼炉中熔炼纯度为99.7％的铝锭熔化后于730～750℃下加入除渣剂0.8％，静置20min后扒渣，730～750℃下加入Al-B中间合金进行硼化处理，熔化后搅拌，静置20min后再加入Al-Si和Al-Er中间合金，熔化后充分搅拌，加入纯Mg和纯Sn，熔化后充分搅拌。
(2)精炼：用N2向720～730℃的铝合金液中送入0.5％的精炼剂进行除气、除渣，静置30min后扒渣。
(3)浇铸：将710～720℃铝合金液浇铸至循环水冷却的φ45mm的铜模具中。
(4)均匀化：450～500℃下保温铝合金铸锭8h。
(5)制杆：450～500℃下将圆铝合金铸锭挤压成Ф9.5mm的铝合金杆，水淋冷却。
(6)拉丝：用拉丝机以12m/s的速度冷拉铝合金杆得铝合金丝，用多套配模(金刚石模具)，多道次拉制，以每次约18％得变形量拉制直径为3.5mm的单丝。
(7)固溶：将铝合金丝在530～550℃保温8h，用室温水淬火。
(8)时效：将铝合金单丝在165～185℃的箱式炉中时效6h，取出后空冷至室温。
以上各实施例中所采用的铝锭优选纯度为99.7％，亦可使用纯度更高的铝锭。
以上各实施例制备的Al-Mg-Si合金导线的成分表(wt％)，如下表1：
Figure BDA0001074606060000071
Figure BDA0001074606060000081
将上述各实施例制得的Al-Mg-Si合金导线进行性能测试，测试结果如下表2：
Figure BDA0001074606060000082
结合表1和表2分析可知，微量元素Er和Sn的加入，显著的提高的合金导线的力学性能和电学性能，本发明提供的技术方案获得Al-Mg-Si合金导线具有导电率≥59.5％IACS(20℃)、抗拉强度≥250MPa、延伸率至少为4.0％的Al-Mg-Si合金单丝。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种Al-Mg-Si合金单丝，其特征在于，
所述Mg：0.4％，Si：0.22％，B：0.08％，Er：0.07％，Sn：0.08％，Fe：0.09％，Cr+Mn+V+Ti＝0.0009％，其余为铝和不可避免的微量杂质；
所述的Al-Mg-Si合金单丝的制备方法包括以下步骤：
(1)于720～750℃下熔炼铝锭，待所述铝锭熔化后于730～750℃下加入除渣剂，静置15～20min后扒渣，于730～750℃下加入Al-B中间合金，待所述Al-B中间合金熔化后充分搅拌，静置15～20min后于730～750℃下加入Al-Si、Al-Er中间合金，待所述Al-Si、Al-Er中间合金熔化后充分搅拌，于730～750℃加入Mg和Sn，待所述Mg和Sn熔化后充分搅拌；
(2)用N2载气向720～730℃铝合金液中吹入精炼剂除气、除渣，静置30min后扒渣；
(3)用φ45mm的铜模具浇铸710～720℃的铝合金液得铝合金铸锭；
(4)于450～500℃下保温铝合金铸锭8-10h；
(5)于450～500℃下将铝合金铸锭挤压成φ9.5mm的铝合金杆；
(6)以10～15m/s的速度、15～20％的变形量，拉丝铝合金单丝；
(7)铝合金单丝于530～550℃下保温4～10h，用室温水淬火；
(8)铝合金单丝于165～185℃的箱式炉中时效4～8h后空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种Al-Mg-Si合金单丝，其特征在于，所述除渣剂加入量为铝合金液质量的0.8％；所述精炼剂加入量为铝合金液质量的0.5％。
3.根据权利要求1所述的一种Al-Mg-Si合金单丝，其特征在于，所述步骤(3)浇铸过程用循环水冷却。
4.根据权利要求1所述的一种Al-Mg-Si合金单丝，其特征在于，所述步骤(5)制杆过程用水淋冷却。
5.根据权利要求1所述的一种Al-Mg-Si合金单丝，其特征在于，所述步骤(6)拉丝的铝合金单丝的直径为3.0～4.0mm。
6.根据权利要求1所述的一种Al-Mg-Si合金单丝，其特征在于，所述步骤(6)拉丝速度15m/s，变形量15％。
7.根据权利要求1所述的一种Al-Mg-Si合金单丝，其特征在于，所述步骤(1)中铝锭的纯度≥99.7％。
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