CN108456796B - 一种高强度高导电性铝镁硅钙合金的制备方法 - Google Patents

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    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon

Abstract

本发明涉及一种高强度高导电性铝镁硅钙合金的制备方法，是针对铝镁硅合金强度低、导电性差、力学性能不稳定的缺点，采用在铝镁硅合金中掺杂钙元素，采用真空熔炼、氩气底吹保护、浇铸成锭，经等通道转角挤压及时效处理制成高强度、高导电性特点的合金，此制备工艺方法先进，数据翔实准确，制备的合金屈服强度为370MPa、抗拉强度为370MPa、伸长率为12％，导电率达到57.2％IACS；其抗拉强度比现有技术提高17.5％，其导电率比现有技术提高8.9％，显著提高了铝镁硅合金的力学性能和导电性能，扩大了使用范围，是先进的高强度高导电性铝镁硅钙合金的制备方法。

Description

一种高强度高导电性铝镁硅钙合金的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强度高导电性铝镁硅钙合金的制备方法，属有色金属提高强度、增强导电性的制备及应用的技术领域。
背景技术
随着电力需求的不断扩张，迫切需求轻质、高强度、高导电性、耐热铝合金架空输电线路用导线材料。6201铝合金是常用的架空输电导线用铝合金，属于高强度铝合金，直径≥3.5mm的高强度铝合金导线LHA1抗拉强度为315MPa、伸长率为3％、导电率为52.5％IACS(国际退火铜标准)。目前工业中使用的6201铝合金存在的问题是强度稍高、导电性差，互为矛盾，不能满足大跨越远距离输电线路的需求。如何解决强度、导电性、耐热性问题，是国内外研究的热点。
6201铝镁硅合金采用合金化法制备，常添加Zr、B、RE、Sc等元素来提高合金耐热温度，并通过轧制、拉拔丝等大塑性变形结合退火处理获得高强度特性；CN 201610057588.3专利介绍了“一种高强度高导电的高硼铝合金线材及其制备方法”，该方法所制备的铝合金导线导电率达到60.6～62.2％IACS，但抗拉强度为288～298MPa，伸长率也仅为3.10～3.25％；CN 201611143869.7专利介绍了“一种智能电网用高导电高强度铝合金导线的制造方法”，该方法所制备的铝合金抗拉强度达到345MPa，但其由四根导线绞合才能达到，单根导线强度仅为170～200MPa，导电率也仅为54％IACS。
Ca资源丰富，成本低廉，可与Al、Mg元素形成高熔点Al2Ca、Mg2Ca相而显著改善合金的耐热性，这一技术还在科学研究中。
发明内容
发明目的
本发明的目的是针对背景技术的状况，采用在6201铝镁硅合金中添加镁钙中间合金，结合等通道转角挤压变形以及热处理，使铝镁硅合金基体组织细化，Mg2Si、Al2Ca相均匀弥散析出，增强其强度、导电性，制成高强度高导电性铝镁硅钙合金，扩大铝镁硅钙合金的使用范围。
技术方案
本发明使用的化学物材料为：铝、镁钙中间合金、硅、无水乙醇、石墨润滑剂、石墨、氩气，其准备用量如下：以毫米、克、毫升、厘米3为计量单位
制备方法如下：
(1)制备开合式浇铸模具
开合式浇铸模具用不锈钢材料制作，模具型腔呈矩形，型腔表面粗糙度Ra 0.08-0.16μm；
(2)制备铝镁硅钙合金
铝镁硅钙合金的制备是在真空熔炼炉内进行的，是在抽真空、中频感应加热、氩气底吹过程中完成的；
①清理熔炼坩埚，打开真空熔炼炉，用金属铲、金属刷清理熔炼坩埚，然后用无水乙醇清洗熔炼坩埚内腔，使其洁净；
②加料：称取铝493.08g±0.01g、硅2.7g±0.01g，镁钙中间合金4.21g±0.01g，加入熔炼坩埚内；
③密闭炉腔，开启真空泵，抽出炉内空气，使炉内压强达1Pa；
④开启真空熔炼炉的中频感应加热器，加热熔炼坩埚内的合金材料，加热温度740℃±1℃；
⑤开启熔炼坩埚内底部的氩气底吹管，氩气底吹流量为300cm3/min，使炉内压强恒定在1个大气压；熔炼时间20min，使其熔化，成混合熔液；
混合熔液在熔炼过程中发生合金化反应，反应式如下：
式中：AlMgSiCa：铝镁硅钙合金
⑥熔炼后，停止加热，停止氩气底吹；
⑦浇铸，打开真空熔炼炉，取出熔炼坩埚，对准模具浇口进行浇铸，浇满为止；
⑧浇铸后，将模具及其内的铸件埋入细砂中，冷却至25℃；
⑨开模、打磨、清洗
打开开合式模具，取出铸件；
用400目砂纸打磨铸件周边及正反表面，使其光洁；
用无水乙醇进行清洗，清洗后晾干；
(3)线切割铸件
将铸件用线切割机床加工成矩形块状，块状尺寸为12mm×12mm×70mm；
(4)固溶、淬火
将矩形块用铝箔包裹，并填埋到装有石墨粉的铁盒中，然后置于加热炉内固溶处理，固溶温度550℃，固溶时间60min；
固溶后，将矩形块快速置于冷水箱内淬火，冷水温度20℃，淬火时间≤30s；
固溶后用400目砂纸打磨，然后用无水乙醇清洗，清洗后晾干；
(5)等通道转角挤压
①制备等通道转角挤压模具
等通道转角挤压模具用铬钼钢制作；
模具凹模型腔呈矩形，垂直型腔尺寸为12mm×12mm×80mm，横型腔尺寸为12mm×12mm×60mm；型腔表面粗糙度为Ra 0.08-0.16μm；
垂直型腔与横型腔垂直夹角为90°；
挤压凸模与凹模配合制作，凸模表面粗糙度为Ra 0.08-0.16μm；
②将等通道转角挤压模具垂直安放在立式挤压机上；
③将石墨润滑剂均匀加入到模具凹模型腔表面；
④将矩形铸件垂直加入模具型腔的垂直型腔内；
⑤压力机的垂直压力杆压住挤压凸模，并伸入垂直型腔内，压住矩形铸件，并施压，施压压强30MPa；矩形铸件进入模具型腔内；
⑥将挤压凸模垂直对准模具垂直型腔内的铸件，垂直施压，施压压强为40MPa；
矩形铸件在垂直型腔内进行塑性变形，并在横型腔挤出；
矩形铸件挤压四次，相邻道次铸件沿相同方向旋转90°，再次挤压；
⑦清洗
等通道转角挤压后，将挤压件用无水乙醇清洗，清洗后晾干；
(6)时效处理
将晾干后的矩形块用铝箔包裹并填埋到装有石墨粉的铁盒中，然后置于加热炉内时效处理，时效温度130℃，时效时间45h；
时效后，将矩形块置于空气中冷却至25℃；
冷却后用400目砂纸打磨，然后用无水乙醇清洗，清洗后晾干；
(7)检测、分析、表征
对制备的铝镁硅钙合金块的微观组织、化学成分和力学性能进行检测、分析、表征；
用扫描电子显微镜、能谱仪、透射电子显微镜和X射线衍射仪进行微观组织和化学成分分析；
用万能电子拉伸试验机进行拉伸力学性能测试；
用涡流电导率测试仪进行导电率测定；
结论：铝镁硅钙合金基体组织细化，纳米尺度的Mg2Si、Al2Ca颗粒均匀弥散分布于基体中，表明微量钙的加入促进了纳米尺度的Mg2Si颗粒析出，降低了铝基体中Mg、Si固溶元素的含量，在提高合金力学性能的同时、改善了合金的导电性及耐热性能；合金屈服强度达370MPa、抗拉强度达370MPa、伸长率达到12％，导电率为57.2％IACS，其抗拉强度比现有技术提高17.5％，导电率比现有技术提高8.9％。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对铝镁硅合金强度低、导电性差、力学性能不稳定的缺点，先制备铝镁硅钙合金，经等通道转角挤压、时效处理，制成高强度高导电性的合金，此制备工艺方法先进，数据翔实准确，合金屈服强度为370MPa、抗拉强度为370MPa、伸长率为12％、导电率达到57.2；其抗拉强度比现有技术提高17.5％，导电率比现有技术提高8.9％，是先进的高强度高导电率的铝镁硅钙合金的制备方法。
附图说明
图1、铝镁硅钙合金等通道转角挤压状态图
图2、等通道转角挤压模具图
图3、图2的A-A剖面图
图4、铝镁硅钙合金X射线衍射强度图谱
图5、铝镁硅钙合金SEM组织图
图6、铝镁硅钙合金TEM组织图
图7、铝镁硅钙合金应力-应变曲线图
图中所示，附图标记清单如下：
1、等通道转角挤压机，2、底座，3、左立柱，4、右立柱，5、工作台，6、顶梁，7、平衡块，8、压头，9、挤压凸模，10、等通道转角挤压模具，11、压力电机，12、电控箱，13、显示屏，14、指示灯，15、电源开关，16、压力电机控制器，17、导线，18、竖通道，19、横通道，20、铝镁硅钙合金块。
垂直夹角90°，α、引入角30°，β、变形角45°，L、引入段。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明：
图1所示，为铝镁硅钙合金等通道转角挤压状态图，各部位置、连接关系要正确，安装牢固。
等通道转角挤压机为立式，在等通道转角挤压机1的底部为底座2，在底座2的上部为工作台5，工作台5的上部分左右设有左立柱3、右立柱4，并在其上部与顶梁6垂直连接；在工作台5上部中间位置置放等通道转角挤压模具10，等通道转角挤压模具10型腔内上部为挤压凸模9，挤压凸模9上部连接平衡块7、压头8，压头8上部通过顶梁6连接压力电机11；等通道转角挤压模具10内为铝镁硅钙合金块20；在等通道转角挤压机1右部设有电控箱12，在电控箱12上设有显示屏13、指示灯14、电源开关15、压力电机控制器16；电控箱12通过导线17连接压力电机11。
图2、3所示，为等通道转角挤压模具结构图，等通道转角挤压模具为圆柱体，在圆柱体上部中间位置垂直设有竖通道18，竖通道18内中间位置设有横通道19，竖通道18与横通道19之间的夹角为90°，引入角α为30°，变形角β为45°，横通道19的引入段为L。
图4所示，为铝镁硅钙合金X射线衍射强度图谱，图中所示，合金主要由α-Al基体、Mg2Si和Al2Ca组成。
图5所示，为铝镁硅钙合金SEM组织图，图中所示，合金基体内均匀弥散分布有高密度Mg2Si颗粒相、Al2Ca颗粒相。
图6所示，为铝镁硅钙合金TEM组织图，图中所示，铝合金基体晶粒尺寸≤0.5μm。
图7所示，为铝镁硅钙合金应力-应变曲线图，图中所示，挤压时效态铝镁硅钙合金拉伸屈服、抗拉强度均达到370MPa，伸长率达到12％。

Claims (3)

1.一种高强度高导电性铝镁硅钙合金的制备方法，其特征在于：使用的化学物材料为：铝、镁钙中间合金、硅、无水乙醇、石墨润滑剂、石墨、氩气，其准备用量如下：以毫米、克、毫升、厘米3为计量单位
制备方法如下：
(1)制备开合式浇铸模具
开合式浇铸模具用不锈钢材料制作，模具型腔呈矩形，型腔表面粗糙度Ra0.08-0.16μm；
(2)制备铝镁硅钙合金
铝镁硅钙合金的制备是在真空熔炼炉内进行的，是在抽真空、中频感应加热、氩气底吹过程中完成的；
①清理熔炼坩埚，打开真空熔炼炉，用金属铲、金属刷清理熔炼坩埚，然后用无水乙醇清洗熔炼坩埚内腔，使其洁净；
②加料：称取铝493.08g±0.01g、硅2.7g±0.01g，镁钙中间合金4.21g±0.01g，加入熔炼坩埚内；
③密闭炉腔，开启真空泵，抽出炉内空气，使炉内压强达1Pa；
④开启真空熔炼炉的中频感应加热器，加热熔炼坩埚内的合金材料，加热温度740℃±1℃；
⑤开启熔炼坩埚内底部的氩气底吹管，氩气底吹流量为300cm3/min，使炉内压强恒定在1个大气压；熔炼时间20min，使其熔化，成混合熔液；
混合熔液在熔炼过程中发生合金化反应，反应式如下：
式中：AlMgSiCa：铝镁硅钙合金
⑥熔炼后，停止加热，停止氩气底吹；
⑦浇铸，打开真空熔炼炉，取出熔炼坩埚，对准模具浇口进行浇铸，浇满为止；
⑧浇铸后，将模具及其内的铸件埋入细砂中，冷却至25℃；
⑨开模、打磨、清洗
打开开合式模具，取出铸件；
用400目砂纸打磨铸件周边及正反表面，使其光洁；
用无水乙醇进行清洗，清洗后晾干；
(3)线切割铸件
将铸件用线切割机床加工成矩形块状，块状尺寸为12mm×12mm×70mm；
(4)固溶、淬火
将矩形块用铝箔包裹，并填埋到装有石墨粉的铁盒中，然后置于加热炉内固溶处理，固溶温度550℃，固溶时间60min；
固溶后，将矩形块快速置于冷水箱内淬火，冷水温度20℃，淬火时间≤30s；
固溶后用400目砂纸打磨，然后用无水乙醇清洗，清洗后晾干；
(5)等通道转角挤压
①制备等通道转角挤压模具
等通道转角挤压模具用铬钼钢制作；
模具凹模型腔呈矩形，垂直型腔尺寸为12mm×12mm×80mm，横型腔尺寸为12mm×12mm×60mm；型腔表面粗糙度为Ra0.08-0.16μm；
垂直型腔与横型腔垂直夹角为90°；
挤压凸模与凹模配合制作，凸模表面粗糙度为Ra0.08-0.16μm；
②将等通道转角挤压模具垂直安放在立式挤压机上；
③将石墨润滑剂均匀加入到模具凹模型腔表面；
④将矩形铸件垂直加入模具型腔的垂直型腔内；
⑤压力机的垂直压力杆压住挤压凸模，并伸入垂直型腔内，压住矩形铸件，并施压，施压压强30MPa；矩形铸件进入模具型腔内；
⑥将挤压凸模垂直对准模具垂直型腔内的铸件，垂直施压，施压压强为40MPa；
矩形铸件在垂直型腔内进行塑性变形，并在横型腔挤出；
矩形铸件挤压四次，相邻道次铸件沿相同方向旋转90°，再次挤压；
⑦清洗
等通道转角挤压后，将挤压件用无水乙醇清洗，清洗后晾干；
(6)时效处理
将晾干后的矩形块用铝箔包裹并填埋到装有石墨粉的铁盒中，然后置于加热炉内时效处理，时效温度130℃，时效时间45h；
时效后，将矩形块置于空气中冷却至25℃；
冷却后用400目砂纸打磨，然后用无水乙醇清洗，清洗后晾干；
(7)检测、分析、表征
对制备的铝镁硅钙合金块的微观组织、化学成分和力学性能进行检测、分析、表征；
用扫描电子显微镜、能谱仪、透射电子显微镜和X射线衍射仪进行微观组织和化学成分分析；
用万能电子拉伸试验机进行拉伸力学性能测试；
用涡流电导率测试仪进行导电率测定；
结论：铝镁硅钙合金基体组织细化，纳米尺度的Mg2Si、Al2Ca颗粒均匀弥散分布于基体中；合金屈服强度达370MPa、抗拉强度达370MPa、伸长率达到12％，导电率为57.2％IACS。
2.根据权利要求1所述的一种高强度高导电性铝镁硅钙合金的制备方法，其特征在于：等通道转角挤压机为立式，在等通道转角挤压机(1)的底部为底座(2)，在底座(2)的上部为工作台(5)，工作台(5)的上部分左右设有左立柱(3)、右立柱(4)，并在其上部与顶梁(6)垂直连接；在工作台(5)上部中间位置置放等通道转角挤压模具(10)，等通道转角挤压模具(10)型腔内上部为挤压凸模(9)，挤压凸模(9)上部连接平衡块(7)、压头(8)，压头(8)上部通过顶梁(6)连接压力电机(11)；等通道转角挤压模具(10)内为铝镁硅钙合金块(20)；在等通道转角挤压机(1)右部设有电控箱(12)，在电控箱(12)上设有显示屏(13)、指示灯(14)、电源开关(15)、压力电机控制器(16)；电控箱(12)通过导线(17)连接压力电机(11)。
3.根据权利要求1所述的一种高强度高导电性铝镁硅钙合金的制备方法，其特征在于：所述的合金基体内均匀弥散分布有高密度Mg2Si颗粒相、Al2Ca颗粒相。
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