CN107805745B - 一种高强耐候铝合金导电轨型材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强耐候铝合金导电轨型材及其制备方法，铝合金导电轨型材主要包含下列元素成分：Si=0.5~0.8%，Fe≤0.08%，Mn≤0.005%，Cr≤0.005%，Cu≤0.005%，Mg=0.5~0.9%，Zn≤0.03%，B=0.01~0.09%，且Si/Mg=1.1~1.2，Ti+V+Mn+Cr≤0.03%，B=2~3*（Ti+V+Cr），每种不可避免的元素都低于0.01且总量小于0.05，余量为Al。本发明主要采用熔铸、均热处理、挤压、固溶淬火、人工时效等制备步骤。本发明制备方法制得的铝合金导轨型材抗拉强度大于250MPa，硬度大于90HV，导电率大于58%IACS。

Description

一种高强耐候铝合金导电轨型材及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料及其加工技术领域，涉及一种铝合金型材，尤其涉及一种高强耐候铝合金导电轨型材及其制备方法。
背景技术
随着轨道交通领域的快速发展，城市轨道交通系统对制造技术、材料开发与加工提出了更高的要求。导电轨铝合金型材是一种应用于地铁、跨坐式单轨以及现代有轨电车的一种电力传输材料。导电轨是沿着电气化铁路运行轨并将电力传输给机车的刚性输电导轨，其一般布置在运行轨的两侧或中间，也被称为是轨道交通道路的第三轨。
为了满足日益增长的实际需求，导电轨型材在兼备高电导率的同时，还有较高的强度以及耐候性要求。目前，最为常见的是采用6063和6101铝合金作为导电轨材料。该类合金属于可热处理强化的Al-Mg-Si合金，通过熔铸后挤压成型来制造符合要求的导电轨型材，并通过后期的固溶淬火和时效过程来实现强度和电导率的匹配。现在所制备的6063和6101合金所制备的电导率在51-54%IACS的范围内。微合金化是改善铝合金导电轨型材综合性能提升的较为有效的手段之一，配合与之匹配的成型技术和后期热处理可以进一步的提升传统导电轨在综合性能方面的空间。近年来，有研究表明加入钪、铒等稀土元素能够提高Al-Mg-Si铝合金的强度，然而未见对电导率和耐候性的有益报道。对于工业化生产，加入稀土元素会带来炉内污染不易清除，并需要专炉专用，并不能符合规模化生产的要求。因此，本专利提出通过合金成分设计、熔铸、挤压和热处理方面的调控进一步提升Al-Mg-Si合金的力学强度、电导率及耐候等性能。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明的发明目的是：提供一种高强耐候铝合金导电轨型材及其制备方法，本发明制得的铝合金导轨型材抗拉强度大于250MPa；硬度大于95HV；导电率大于58%IACS，盐雾腐蚀大于1000小时。可广泛用于轨道交通导电轨、导电排等对铝合金材料的导电性、耐候性和力学性能有较高要求的产品。
为了达到上述发明目的，本发明采取的技术方案是：
一种高强耐候铝合金导电轨型材，按质量百分数计，所述铝合金导电轨型材主要包含下列元素成分：Si=0.5~0.8%，Fe≤0.08%，Mn≤0.005%，Cr≤0.005%，Cu≤0.005%，Mg=0.5~0.9%，Zn≤0.03%，B=0.01~0.09%，且Si/Mg=1.1~1.2，Ti+V+Mn+Cr≤0.03%， B=2~3*（Ti+V+Cr），每种不可避免的元素都低于0.01且总量小于0.05，余量为Al。
优选的，按质量百分数计，所述铝合金导电轨型材主要包含下列元素成分：Si=0.6~0.7%，Fe≤0.08%，Mn≤0.005%，Cr≤0.005%，Cu≤0.005%，Mg=0.7~0.8%，Zn≤0.03%，B=0.02~0.03%，且Si/Mg=1.1~1.2，Ti+V+Mn+Cr≤0.03%， B=2.2Ti+2.3V+2.4Cr，每种不可避免的元素都低于0.01且总量小于0.05, 余量为Al。
本发明还进一步提供了以上所述的高强耐候铝合金导电轨型材的制备方法，包括以下步骤：
（1）熔炼：将各种原料按照重量百分比混合，加热至760~780℃，使物料熔化，保温5~7h，其中：B元素以Al-B中间合金的形式添加进行硼化处理；
（2）除气、过滤：将熔化后的铝液进行除气，然后过滤除去铝熔体中的不熔物；
（3）铸造：将除气过滤后的铝液进行浇注，冷却至室温，得到圆形铸锭；
（4）均热处理：将铸锭置于均热炉中加热保温，进行均匀化热处理；
（5）锯切、铣面：将均匀化热处理后的铸锭运至锯床和车床进行锯切和车皮；
（6）预热、挤压：将锯切和车皮后的铸锭在感应预热炉进行预热，预热温度为500~520℃，时间为1~2h，预热后将铸锭经挤压成型，型材挤压速度为5.5~6.5m/min；
（7）固溶淬火：铝合金挤压成型后，立即对挤出型材进行辊底炉固溶淬火；型材固溶温度520~530℃，淬火冷却速度360~400℃/min；
（8）时效：将拉伸后的型材进行双级时效处理；一级时效温度为170~190℃保温12-16小时，二级时效温度为220~240℃保温1~2小时，即可得到成品。
优选的， Al-B中间合金包括AlB3、AlB4、AlB7和AlB8中的一种或两种以上。
优选的，所述步骤（3）中，圆形铸锭直径为390~580mm。
优选的，所述步骤（4）中，均匀化热处理温度为570~580℃，保温8~10小时；均热冷却采用出炉覆盖石棉缓冷方式冷却。
优选的，所述步骤（7）中，固溶淬火为离线淬火：铝合金挤压成型后，立即对挤出型材进行辊底炉离线水淬。
优选的，所述步骤（8）中，双级时效热处理具体为；一级时效温度为180℃保温12-16小时，二级时效温度为230℃保温1~2小时。
优选的，所述步骤（6）中，型材挤压速度为6m/min。
优选的，所述步骤（1）中，各种原料的添加顺序为：熔炼炉中先添加99.85%纯度铝锭、AlSi20 熔炼，然后转入保温炉中，在铸造前20~40min前添加Al-B中间合金和 99.92%Mg中间合金。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
（1）与现有的技术相比，现有的成分设计通常采用Si/Mg=1.4~1.7以获得富Si从而提高强度，但是过剩组分在提高强度的同时，也会降低导电性能。综合电导率提升的考虑，本发明通过调整铝合金中Mg和Si元素的质量百分数比为1.1~1.2，使Mg和Si在合金中可以形成强化相，不产生过剩单质组分。Mg2Si生成强化相，从而提高铝合金的强度和硬度。元素B作为净化剂和变质剂加入到熔体中，由于其产生的硼化物的自由能较高，而形成硼化物，较大的金属化合物在熔炼过程中形成了浮渣，在后续的扒渣过程中除去，一部分溶于铝液的硼化物在后期的时效热处理析出于晶界处，形成较大规则球状的析出相以减少对电子的散射，从而提高导电性能。（2）本发明在工艺上采用对挤出型材进行辊底炉离线水淬，型材固溶温度520~530℃，淬火冷却速度360~400℃/min。相对于传统的立式淬火和在线淬火工艺，辊底式淬火能达到更高的温度控制精度，浮动范围在±1.5℃以内，同时能提高淬火均匀性，降低型材头尾切除量，从而提高成品率。
（3）本发明在工艺上采用双级时效的热处理制度，以确保时效过程弥散析出Mg2Si强化相，同时在晶界析出较为粗大的断续球状硼化物复合相粒子，从而保证了强度和电导率的协调提高。
（4）本发明通过硼化反应的变质作用使晶界连续片状的Al-Fe相变成断续球状的硼化物复合相，既可以减少对电子的散射，提高导电性能，又能改善晶界析出相的形态和分布，从而提高抗腐蚀性能；采用微合金化，降低合金中Cu、Zn合金元素的含量，控制Mg、Si元素比例，使Al与这些合金元素形成的显微组成物的含量降至最低，并通过双级时效热处理制度，使显微组成物的析出更加弥散均匀，降低因显微组成物引起合金表面特定区域不均匀腐蚀、点蚀和晶间腐蚀，从而提高材料抗腐蚀性能。
（5）本发明制得的铝合金导轨型材抗拉强度大于250MPa，硬度大于90HV，导电率大于58%IACS，盐雾腐蚀大于1000小时。可广泛用于轨道交通导电轨、导电排等对铝合金材料的导电性、耐候性和力学性能有较高要求的产品。
具体实施方式
为了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，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种高强耐候铝合金导电轨型材，按质量百分数计，所述铝合金导电轨型材主要包含下列元素成分：Si=0.5%，Fe≤0.08%，Mn≤0.005%，Cr≤0.005%，Cu≤0.005%，Mg=0.6%，Zn≤0.03%，B=0.015%，且Ti+V+Mn+Cr≤0.03%，B=2.2（Ti+V+Cr），每种不可避免的元素都低于0.01且总量小于0.05，余量为Al。
上述高强耐候铝合金导电轨型材的制备方法包括以下步骤：
（1）采用工业级百分比为99.85纯度铝锭作为原材料，以AlB3为中间合金添加进行硼化处理，将各种原料按照重量百分比混合调整为上述高强耐候铝合金导电轨型材的元素成分，加热至760℃，使物料熔化，保温7h；其中：各种原料的添加顺序为：熔炼炉中先添加99.85%纯度铝锭、AlSi20 熔炼，然后转入保温炉中，在铸造前20~40min前添加Al-B中间合金和 99.92% Mg中间合金；
（2）将熔化后的铝液进行除气，然后过滤除去铝熔体中的不熔物；
（3）铸造：将除气过滤的铝液进行浇注，冷却至室温，得到直径为390mm的圆锭；
（4）均热处理：将铸锭置于均热炉中加热保温，进行均匀化热处理，均匀化热处理温度为570℃，保温10小时；均热冷却采用出炉覆盖石棉缓冷方式冷却。
（5）将均匀化热处理后的铸锭运至锯床和车床进行锯切和车皮；
（6）预热、挤压：将加工后的铸锭在感应预热炉进行预热，预热温度为500℃，时间为1h，预热后将铸锭经挤压成型，型材挤压速度为6.2m/min；
（7）固溶淬火：铝合金挤压成型后，立即对挤出型材进行辊底炉离线水淬；型材固溶温度520℃，淬火冷却速度360℃/min。
（8）时效：将拉伸后的型材进行双级时效处理；一级时效温度为170℃保温16小时，二级时效温度为220℃保温2小时，即可得到成品。
本发明制备方法制得的铝合金导轨型材抗拉强度为250MPa；硬度为95HV；导电率为58.5%IACS，盐雾腐蚀大于1000小时。
实施例2
一种高强耐候铝合金导电轨型材，按质量百分数计，所述铝合金导电轨型材主要包含下列元素成分：Si=0.6%，Fe≤0.08%，Mn≤0.005%，Cr≤0.005%，Cu≤0.005%，Mg=0.7%，Zn≤0.03%，B=0.02%，且Ti+V+Mn+Cr≤0.03%，B=2.2Ti+2.3V+2.4Cr，每种不可避免的元素都低于0.01且总量小于0.05，余量为Al。
（1）采用工业级百分比为99.85纯度铝锭作为原材料，以AlB4为中间合金添加进行硼化处理，将各种原料按照重量百分比混合调整为上述高强耐候铝合金导电轨型材的元素成分，加热至770℃，使物料熔化，保温7h；其中：各种原料的添加顺序为：熔炼炉中先添加99.85%纯度铝锭、AlSi20 熔炼，然后转入保温炉中，在铸造前20~40min前添加Al-B中间合金和 99.92% Mg中间合金；
（2）将熔化后的铝液进行除气，然后过滤除去铝熔体中的不熔物；
（3）铸造：将除气过滤的铝液进行浇注，冷却至室温，得到直径为460mm的圆锭；
（4）均热处理：将铸锭置于均热炉中加热保温，进行均匀化热处理，均匀化热处理温度为580℃，保温8小时；均热冷却采用出炉覆盖石棉缓冷方式冷却。
（5）将均匀化热处理后的铸锭运至锯床和车床进行锯切和车皮；
（6）预热、挤压：将加工后的铸锭在感应预热炉进行预热，预热温度为510℃，时间为1.5h，预热后将铸锭经挤压成型，型材挤压速度为6m/min；
（7）固溶淬火：铝合金挤压成型后，立即对挤出型材进行辊底炉离线水淬；型材固溶温度530℃，淬火冷却速度400℃/min。
（8）时效：将拉伸后的型材进行双级时效处理；一级时效温度为180℃保温12小时，二级时效温度为230℃保温1小时，即可得到成品。
本发明制备方法制得的铝合金导轨型材抗拉强度为252MPa；硬度为98HV；导电率为58.3%IACS，盐雾腐蚀大于1000小时。
实施例3
一种高强耐候铝合金导电轨型材，按质量百分数计，所述铝合金导电轨型材主要包含下列元素成分：Si=0.7%，Fe≤0.08%，Mn≤0.005%，Cr≤0.005%，Cu≤0.005%，Mg=0.8%，Zn≤0.03%，B=0.03%，且Ti+V+Mn+Cr≤0.03%，B=2.2Ti+2.3V+2.4Cr，每种不可避免的元素都低于0.01且总量小于0.05，余量为Al。
（1）采用工业级百分比为99.85纯度铝锭作为原材料，以AlB7为中间合金添加进行硼化处理，将各种原料按照重量百分比混合调整为上述高强耐候铝合金导电轨型材的元素成分，加热至780℃，使物料熔化，保温5h；其中：各种原料的添加顺序为：熔炼炉中先添加99.85%纯度铝锭、AlSi20 熔炼，然后转入保温炉中，在铸造前20~40min前添加Al-B中间合金和 99.92% Mg中间合金；
（2）将熔化后的铝液进行除气，然后过滤除去铝熔体中的不熔物；
（3）铸造：将除气过滤的铝液进行浇注，冷却至室温，得到直径为460mm的圆锭；
（4）均热处理：将铸锭置于均热炉中加热保温，进行均匀化热处理，均匀化热处理温度为580℃，保温10小时；均热冷却采用出炉覆盖石棉缓冷方式冷却。
（5）将均匀化热处理后的铸锭运至锯床和车床进行锯切和车皮；
（6）预热、挤压：将加工后的铸锭在感应预热炉进行预热，预热温度为520℃，时间为1h，预热后将铸锭经挤压成型，型材挤压速度为6m/min；
（7）固溶淬火：铝合金挤压成型后，立即对挤出型材进行辊底炉离线水淬；型材固溶温度530℃，淬火冷却速度400℃/min。
（8）时效：将拉伸后的型材进行双级时效处理；一级时效温度为180℃保温12小时，二级时效温度为230℃保温1小时，即可得到成品。
本发明制备方法制得的铝合金导轨型材抗拉强度为255MPa；硬度为99HV；导电率为58.2%IACS，盐雾腐蚀大于1000小时。
实施例4
一种高强耐候铝合金导电轨型材，按质量百分数计，所述铝合金导电轨型材主要包含下列元素成分：Si=0.7%，Fe≤0.08%，Mn≤0.005%，Cr≤0.005%，Cu≤0.005%，Mg=0.8%，Zn≤0.03%，B=0.08%，且Ti+V+Mn+Cr≤0.03%，B=2.2Ti+2.3V+2.4Cr，每种不可避免的元素都低于0.01且总量小于0.05，余量为Al。
（1）采用工业级百分比为99.85纯度铝锭作为原材料，以AlB8为中间合金添加进行硼化处理，将各种原料按照重量百分比混合调整为上述高强耐候铝合金导电轨型材的元素成分，加热至780℃，使物料熔化，保温7h；其中：各种原料的添加顺序为：熔炼炉中先添加99.85%纯度铝锭、AlSi20 熔炼，然后转入保温炉中，在铸造前20~40min前添加Al-B中间合金和 99.92% Mg中间合金；
（2）将熔化后的铝液进行除气，然后过滤除去铝熔体中的不熔物；
（3）铸造：将除气过滤的铝液进行浇注，冷却至室温，得到直径为580mm的圆锭；
（4）均热处理：将铸锭置于均热炉中加热保温，进行均匀化热处理，均匀化热处理温度为570℃，保温8小时；均热冷却采用出炉覆盖石棉缓冷方式冷却。
（5）将均匀化热处理后的铸锭运至锯床和车床进行锯切和车皮；
（6）预热、挤压：将加工后的铸锭在感应预热炉进行预热，预热温度为520℃，时间为2h，预热后将铸锭经挤压成型，型材挤压速度为5.8m/min；
（7）固溶淬火：铝合金挤压成型后，立即对挤出型材进行辊底炉离线水淬；型材固溶温度530℃，淬火冷却速度400℃/min。
（8）时效：将拉伸后的型材进行双级时效处理；一级时效温度为180℃保温16小时，二级时效温度为240℃保温1小时，即可得到成品。
本发明制备方法制得的铝合金导轨型材抗拉强度为260MPa；硬度为105HV；导电率为58.0%IACS，盐雾腐蚀大于1000小时。

Claims (9)

1.一种高强耐候铝合金导电轨型材，其特征在于：按质量百分数计，所述铝合金导电轨型材主要包含下列元素成分：Si=0.5~0.8%，Fe≤0.08%，Mn≤0.005%，Cr≤0.005%，Cu≤0.005%，Mg=0.5~0.9%，Zn≤0.03%，B=0.01~0.09%，且Si/Mg=1.1~1.2，Ti+V+Mn+Cr≤0.03%，B=（2~3）*（Ti+V+Cr），每种不可避免的元素都低于0.01且总量小于0.05，余量为Al；
所述铝合金导电轨型材的制备方法，包括以下步骤：
（1）熔炼：将各种原料按照重量百分比混合，加热至760~780℃，使物料熔化，保温5~7h，其中：B元素以Al-B中间合金的形式添加进行硼化处理；
（2）除气、过滤：将熔化后的铝液进行除气，然后过滤除去铝熔体中的不熔物；
（3）铸造：将除气过滤后的铝液进行浇注，冷却至室温，得到圆形铸锭；
（4）均热处理：将铸锭置于均热炉中加热保温，进行均匀化热处理；
（5）锯切、铣面：将均匀化热处理后的铸锭运至锯床和车床进行锯切和车皮；
（6）预热、挤压：将锯切和车皮后的铸锭在感应预热炉进行预热，预热温度为500~520℃，时间为1~2h，预热后将铸锭经挤压成型，型材挤压速度为5.5~6.5m/min；
（7）固溶淬火：铝合金挤压成型后，立即对挤出型材进行辊底炉固溶淬火；型材固溶温度520~530℃，淬火冷却速度360~400℃/min；
（8）时效：将拉伸后的型材进行双级时效处理；一级时效温度为170~190℃保温12-16小时，二级时效温度为220~240℃保温1~2小时，即可得到成品。
2.根据权利要求1所述的高强耐候铝合金导电轨型材，其特征在于：按质量百分数计，所述铝合金导电轨型材主要包含下列元素成分：Si=0.6~0.7%，Fe≤0.08%，Mn≤0.005%，Cr≤0.005%，Cu≤0.005%，Mg=0.7~0.8%，Zn≤0.03%，B=0.02~0.03%，且Si/Mg=1.1~1.2，Ti+V+Mn+Cr≤0.03%， B=2.2Ti+2.3V+2.4Cr，每种不可避免的元素都低于0.01且总量小于0.05,余量为Al。
3.根据权利要求1所述的一种高强耐候铝合金导电轨型材，其特征在于： Al-B中间合金包括AlB3、AlB4、AlB7和AlB8中的一种或两种以上。
4.根据权利要求1所述的一种高强耐候铝合金导电轨型材，其特征在于：
所述步骤（3）中，圆形铸锭直径为390~580mm。
5.根据权利要求1所述的一种高强耐候铝合金导电轨型材，其特征在于：所述步骤（4）中，均匀化热处理温度为570~580℃，保温8~10小时；均热冷却采用出炉覆盖石棉缓冷方式冷却。
6.根据权利要求1所述的一种高强耐候铝合金导电轨型材，其特征在于：所述步骤（7）中，固溶淬火为离线淬火：铝合金挤压成型后，立即对挤出型材进行辊底炉离线水淬。
7.根据权利要求1所述的一种高强耐候铝合金导电轨型材，其特征在于：所述步骤（8）中，双级时效热处理具体为；一级时效温度为180℃保温12-16小时，二级时效温度为230℃保温1~2小时。
8.根据权利要求1所述的一种高强耐候铝合金导电轨型材，其特征在于：
所述步骤（6）中，型材挤压速度为6m/min。
9.根据权利要求1所述的一种高强耐候铝合金导电轨型材，其特征在于：
所述步骤（1）中，各种原料的添加顺序为：熔炼炉中先添加99.85%纯度铝锭、AlSi20 熔炼，然后转入保温炉中，在铸造前20~40min前添加Al-B中间合金和 99.92% Mg中间合金。
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Effective date of registration: 20221214

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Pledgee: Bank of China Co.,Ltd. Yongcheng Branch of Nanning City

Pledgor: ALNAN ALUMINIUM Inc.

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