CN109722572A - 一种输变电设备用高性能铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种输变电设备用高性能铝合金，按照质量分数包括按照质量分数包括以下组分：Mg0.45％至0.90％；Si0.50％至1.20％；Cu0.20％至0.60％；Cr0.15％至0.35％；Fe≤0.5％；Mn0.15％至0.35％；Ti0.04％至0.15％；Zn<0.20％；余量Al；本发明还公开该铝合金的制备方法，包括以下步骤：A、铸造铸锭；B、对铸造后的铸锭进行均匀化；C、通过轧制工艺，将铸锭热加工成预加工工件；D、对工件进行固溶热处理；E、淬火；F、人工时效得成品；该发明具有良好延伸率的同时，还具有高强度的特点。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金领域，特别是涉及一种输变电设备用高性能铝合金及其制备方法。
背景技术
1960年铝合金第一次成为电力结构材料，到2004年我国已经形成完善铝合金结构材料规范，铝合金材料正成为输变电设备结构材料的主流。
为了满足不断提高的输变电设备铝合金材料的高要求，铝合金中厚板需要保持其强度韧性以及耐腐蚀性的同时，也要有良好的氧化效果和外观。Al-Mg-Si系热处理可强化铝合金，由于低密度、优良的力学性能和强度、良好的耐蚀性、良好的焊接性能、易切削性高及热加工性好，该合金氧化效果取决于合金表面的晶粒度大小。高性能输变电铝合金材料正在替代钢铁材料成为新一代输变电设备制造的依赖材料。
申请号为CN2013104765671的中国发明专利公开了一种铝合金中厚板的加工方法，该方法制得的铝合金其延伸率为5至8，其延伸率不足，在一定程度上限制了铝合金在输变电设备方面的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种输变电设备用高性能铝合金，该发明具有良好延伸率的同时，还具有高强度的特点。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种输变电设备用高性能铝合金，按照质量分数包括以下组分：
优选还包括Zr、Sc和V中的一种或者几种；
按照质量分数：
Zr ＜0.4％；Sc ＜0.4％；V ＜0.4％。本发明中优选Zr、Sc和V中的一种或者几种，以抑制晶粒结构和淬火敏感度。同Mn同时添加对再结晶的抑制效果最显著，提高合金的再结晶温度，再结晶晶粒细化，提高合金的塑性，Cr和Ti对强度影响不大，但适当含量的Mn和Zr可提高合金强度，保证本发明具有高强度和高延伸率
优选按照质量分数：
0.10％＜Zr＜0.15％；0.10％＜Sc<0.15％；0.10％＜V<0.15％。进一步提高获得铝合金的晶粒细化，利于获得高强度、高延伸率的铝合金。
优选本发明中Zr和Sc的用量之和小于0.3％；Zr的质量为M1,Sc的质量为M2，其中,0.8＜M1/M2＜1.2。使得Zr和Sc对铝合金晶粒细化的调节作用最佳。
优选按照质量分数包括以下物质：
本发明中通过调整Mg含量0.52～0.65％，避免了热轧时Mg含量过高易产生裂纹的特点，也适用于该板材的后续加工；Ti在微合金时提高强度，又不会降低硬度。
优选按照质量分数：
Cr 0.20％至0.30％；
Fe <0.35％；
Mn 0.15％至0.20％。
通过采用上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明中Mg是用于最终板材制品或最终挤出制品赋予高强度和屈服点所必需元素，本发明制得的铝合金属于可时效强化合金，其主要强化相为Mg2Si。经过时效，过饱和固溶体转化为β强化相Mg2Si，该强化相在金属变形是形成阻碍位错的质点，起到阻碍变形的作用从而使合金强度得到极大提高；
本发明中Cu含量增加可明显提高合金的强度和硬度，但塑性下降。Cu含量增加，合金中的主要时效强化相θ”的数量相对增加；因含CuAl2相的共晶组织熔点较低，合金的过烧敏感倾向增加；合金的沿晶断裂倾向增加。Si加快合金的硬化速度，合金中的针状β”相的析出密度随其含量增加而增大，合金显著强化，但含量过高时合金中析出较多的单晶Si，合金的强度和塑性明显下降。Mn含量增加，增加了粗大夹杂相α(AlMnFeSi)的数量，合金的强度降低。
Cr和Ti减少了铸态组织中粗大含Fe杂质相β(Al9Fe2Si2)的数量，促进了尺寸较小、形状较利于变形的α(Al12(Fe,Cr)3Si)相的形成，增加了含Fe弥散相的体积分数。添加Zn后合金的显微组织发生了明显不同的变化，使合金同时具有高密度细小的晶内析出相和较大、不连续分布的晶界析出相。
从而实现本发明的上述目的。
本发明的另一目的在于提供一种输变电设备用高性能铝合金制备方法，该发明能够制得具有高强度、延伸率高和高电导率的铝合金，适合应用于输变电设备。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种输变电设备用高性能铝合金制备方法，包括以下步骤：
A、铸造铸锭；
B、对铸造后的铸锭进行均匀化；
C、通过轧制工艺，将铸锭热加工成预加工工件；
D、对工件进行固溶热处理；
E、淬火；
F、人工时效得成品。
优选D步骤中固溶热处理工包括第一段加热和第二段加热；
第一段加热的工艺条件是：温度：450℃至500℃；时间：1至2h；
第二段加热的工艺条件是：温度：110℃至130℃；时间：3至5h。
本发明优选固溶热处理阶段为分段式加热，第一段加热的温度较高，利于固溶体的形成，另一方面防止在固溶热处理的过程中发生软化，保证本发明制得的铝合金具有良好的强度。
优选所述淬火的介质为水；水流量为0.5至0.7L/s。通过水快速淬火，降低铝合金的温度，抑制次生相析出，获得不稳定过饱合固溶体，增大固溶体的过饱和度，增大脱溶驱动力，弥散析出效果越好，保证铝合金的强度，同时不损失铝合金的柔韧性。
优选人工时效的工艺条件为：温度为160℃，保温时间为10h。通过人工时效明显提高强度。
通过采用上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明制造工艺简单，通过将分段加热式的固溶热处理，配合Al、Si和Mg的含量，调节合金的力学强度，通过调节元素的配比，如加入具有晶粒细化作用的Ti，细化晶粒，利于固溶体形成，配合固溶热处理、淬火和人工时效，从而获得一种具有高强度、高延伸率的铝合金。
从而实现本发明的上述目的。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
实施例1
本发明公开一种输变电设备用高性能铝合金制备方法，包括以下步骤：
A、铸造铸锭；
将Al、Mg、Si、Cu、Cr、Fe、Mn、Ti和Zn按照表1所示的质量分数加热至700℃，使物料保持熔融状态3h，过滤除去铝熔体中的不熔物，冷却至室温，得到铝合金锭坯，所述的熔炼中，通入氩气进行精炼，并施加电磁搅拌。
B、对铸造后的铸锭进行均匀化；
430℃保温8h；
C、通过轧制工艺，将铸锭热加工成预加工工件；
将铝合金锭坯轧制成6mm厚度的板材；
D、对工件进行固溶热处理；
固溶热处理工包括第一段加热和第二段加热；
第一段加热的工艺条件是：温度：450℃；时间：1h；
第二段加热的工艺条件是：温度：110℃；时间：3h。
E、淬火；
所述淬火的介质为水；水流量为0.5L/s。通过水快速淬火，降低铝合金的温度，抑制次生相析出，获得不稳定过饱合固溶体，增大固溶体的过饱和度，增大脱溶驱动力，弥散析出效果越好，保证铝合金的强度，同时不损失铝合金的柔韧性。将淬火后的板材进行预拉伸3％至4％。
F、人工时效得成品。
温度为160℃，保温时间为10h。通过人工时效明显提高强度。
本实施例制得的铝合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率见表2所示。
实施例2
本发明公开一种输变电设备用高性能铝合金制备方法，包括以下步骤：
A、铸造铸锭；
将Al、Mg、Si、Cu、Cr、Fe、Mn、Ti和Zn按照表1所示的质量分数加热至700℃，使物料保持熔融状态3h，过滤除去铝熔体中的不熔物，冷却至室温，得到铝合金锭坯，所述的熔炼中，通入氩气进行精炼，并施加电磁搅拌。
B、对铸造后的铸锭进行均匀化；
430℃保温8h；
C、通过轧制工艺，将铸锭热加工成预加工工件；
将铝合金锭坯轧制成6mm厚度的板材；
D、对工件进行固溶热处理；
固溶热处理工包括第一段加热和第二段加热；
第一段加热的工艺条件是：温度：450℃；时间：1.5h；
第二段加热的工艺条件是：温度：110℃；时间：4h。
E、淬火；
所述淬火的介质为水；水流量为0.52L/s。通过水快速淬火，降低铝合金的温度，抑制次生相析出，获得不稳定过饱合固溶体，增大固溶体的过饱和度，增大脱溶驱动力，弥散析出效果越好，保证铝合金的强度，同时不损失铝合金的柔韧性。将淬火后的板材进行预拉伸3％至4％，以释放应力。
F、人工时效得成品。
温度为160℃，保温时间为10h。通过人工时效明显提高强度。
本实施例制得的铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率和硬度见表2所示。
实施例3
本发明公开一种输变电设备用高性能铝合金制备方法，包括以下步骤：
A、铸造铸锭；
将Al、Mg、Si、Cu、Cr、Fe、Mn、Ti和Zn按照表1所示的质量分数加热至700℃，使物料保持熔融状态3h，过滤除去铝熔体中的不熔物，冷却至室温，得到铝合金锭坯，所述的熔炼中，通入氩气进行精炼，并施加电磁搅拌。
B、对铸造后的铸锭进行均匀化；
430℃保温8h；
C、通过轧制工艺，将铸锭热加工成预加工工件；
将铝合金锭坯轧制成6mm厚度的板材；
D、对工件进行固溶热处理；
固溶热处理工包括第一段加热和第二段加热；
第一段加热的工艺条件是：温度：450℃；时间：2h；
第二段加热的工艺条件是：温度：110℃；时间：5h。
E、淬火；
所述淬火的介质为水；水流量为0.55L/s。通过水快速淬火，降低铝合金的温度，抑制次生相析出，获得不稳定过饱合固溶体，增大固溶体的过饱和度，增大脱溶驱动力，弥散析出效果越好，保证铝合金的强度，同时不损失铝合金的柔韧性。将淬火后的板材进行预拉伸3％至4％，以释放应力。
F、人工时效得成品。
温度为160℃，保温时间为10h。通过人工时效明显提高强度。
本实施例制得的铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率和硬度见表2所示。
实施例4
本发明公开一种输变电设备用高性能铝合金制备方法，包括以下步骤：
A、铸造铸锭；
将Al、Mg、Si、Cu、Cr、Fe、Mn、Ti和Zn按照表1所示的质量分数加热至700℃，使物料保持熔融状态3h，过滤除去铝熔体中的不熔物，冷却至室温，得到铝合金锭坯，所述的熔炼中，通入氩气进行精炼，并施加电磁搅拌。
B、对铸造后的铸锭进行均匀化；
430℃保温8h；
C、通过轧制工艺，将铸锭热加工成预加工工件；
将铝合金锭坯轧制成6mm厚度的板材；
D、对工件进行固溶热处理；
固溶热处理工包括第一段加热和第二段加热；
第一段加热的工艺条件是：温度：470℃；时间：1h；
第二段加热的工艺条件是：温度：115℃；时间：5h。
E、淬火；
所述淬火的介质为水；水流量为0.57L/s。通过水快速淬火，降低铝合金的温度，抑制次生相析出，获得不稳定过饱合固溶体，增大固溶体的过饱和度，增大脱溶驱动力，弥散析出效果越好，保证铝合金的强度，同时不损失铝合金的柔韧性。将淬火后的板材进行预拉伸3％至4％，以释放应力。
F、人工时效得成品。
温度为160℃，保温时间为10h。通过人工时效明显提高强度。
本实施例制得的铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率和硬度见表2所示。
实施例5
本发明公开一种输变电设备用高性能铝合金制备方法，包括以下步骤：
A、铸造铸锭；
将Al、Mg、Si、Cu、Cr、Fe、Mn、Ti和Zn按照表1所示的质量分数加热至700℃，使物料保持熔融状态3h，过滤除去铝熔体中的不熔物，冷却至室温，得到铝合金锭坯，所述的熔炼中，通入氩气进行精炼，并施加电磁搅拌。
B、对铸造后的铸锭进行均匀化；
430℃保温8h；
C、通过轧制工艺，将铸锭热加工成预加工工件；
将铝合金锭坯轧制成6mm厚度的板材；
D、对工件进行固溶热处理；
固溶热处理工包括第一段加热和第二段加热；
第一段加热的工艺条件是：温度：470℃；时间：1.5h；
第二段加热的工艺条件是：温度：120℃；时间：4h。
E、淬火；
所述淬火的介质为水；水流量为0.6L/s。通过水快速淬火，降低铝合金的温度，抑制次生相析出，获得不稳定过饱合固溶体，增大固溶体的过饱和度，增大脱溶驱动力，弥散析出效果越好，保证铝合金的强度，同时不损失铝合金的柔韧性。将淬火后的板材进行预拉伸3％至4％，以释放应力。
F、人工时效得成品。
温度为160℃，保温时间为10h。通过人工时效明显提高强度。
本实施例制得的铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率和硬度见表2所示。
实施例6
本发明公开一种输变电设备用高性能铝合金制备方法，包括以下步骤：
A、铸造铸锭；
将Al、Mg、Si、Cu、Cr、Fe、Mn、Ti和Zn按照表1所示的质量分数加热至700℃，使物料保持熔融状态3h，过滤除去铝熔体中的不熔物，冷却至室温，得到铝合金锭坯，所述的熔炼中，通入氩气进行精炼，并施加电磁搅拌。
B、对铸造后的铸锭进行均匀化；
430℃保温8h；
C、通过轧制工艺，将铸锭热加工成预加工工件；
将铝合金锭坯轧制成6mm厚度的板材；
D、对工件进行固溶热处理；
固溶热处理工包括第一段加热和第二段加热；
第一段加热的工艺条件是：温度：470℃；时间：2h；
第二段加热的工艺条件是：温度：125℃；时间：4h。
E、淬火；
所述淬火的介质为水；水流量为0.63L/s。通过水快速淬火，降低铝合金的温度，抑制次生相析出，获得不稳定过饱合固溶体，增大固溶体的过饱和度，增大脱溶驱动力，弥散析出效果越好，保证铝合金的强度，同时不损失铝合金的柔韧性。将淬火后的板材进行预拉伸3％至4％，以释放应力。
F、人工时效得成品。
温度为160℃，保温时间为10h。通过人工时效明显提高强度。
本实施例制得的铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率和硬度见表2所示。
实施例7
本发明公开一种输变电设备用高性能铝合金制备方法，包括以下步骤：
A、铸造铸锭；
将Al、Mg、Si、Cu、Cr、Fe、Mn、Ti和Zn按照表1所示的质量分数加热至700℃，使物料保持熔融状态3h，过滤除去铝熔体中的不熔物，冷却至室温，得到铝合金锭坯，所述的熔炼中，通入氩气进行精炼，并施加电磁搅拌。
B、对铸造后的铸锭进行均匀化；
430℃保温8h；
C、通过轧制工艺，将铸锭热加工成预加工工件；
将铝合金锭坯轧制成6mm厚度的板材；
D、对工件进行固溶热处理；
固溶热处理工包括第一段加热和第二段加热；
第一段加热的工艺条件是：温度：500℃；时间：1h；
第二段加热的工艺条件是：温度：130℃；时间：3h。
E、淬火；
所述淬火的介质为水；水流量为0.67L/s。通过水快速淬火，降低铝合金的温度，抑制次生相析出，获得不稳定过饱合固溶体，增大固溶体的过饱和度，增大脱溶驱动力，弥散析出效果越好，保证铝合金的强度，同时不损失铝合金的柔韧性。将淬火后的板材进行预拉伸3％至4％，以释放应力。
F、人工时效得成品。
温度为160℃，保温时间为10h。通过人工时效明显提高强度。
本实施例制得的铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率和硬度见表2所示。
实施例8
本发明公开一种输变电设备用高性能铝合金制备方法，包括以下步骤：
A、铸造铸锭；
将Al、Mg、Si、Cu、Cr、Fe、Mn、Ti和Zn按照表1所示的质量分数加热至700℃，使物料保持熔融状态3h，过滤除去铝熔体中的不熔物，冷却至室温，得到铝合金锭坯，所述的熔炼中，通入氩气进行精炼，并施加电磁搅拌。
B、对铸造后的铸锭进行均匀化；
430℃保温8h；
C、通过轧制工艺，将铸锭热加工成预加工工件；
将铝合金锭坯轧制成6mm厚度的板材；
D、对工件进行固溶热处理；
固溶热处理工包括第一段加热和第二段加热；
第一段加热的工艺条件是：温度：500℃；时间：1.5h；
第二段加热的工艺条件是：温度：120℃；时间：3h。
E、淬火；
所述淬火的介质为水；水流量为0.70L/s。通过水快速淬火，降低铝合金的温度，抑制次生相析出，获得不稳定过饱合固溶体，增大固溶体的过饱和度，增大脱溶驱动力，弥散析出效果越好，保证铝合金的强度，同时不损失铝合金的柔韧性。将淬火后的板材进行预拉伸3％至4％，以释放应力。
F、人工时效得成品。
温度为160℃，保温时间为10h。通过人工时效明显提高强度。
本实施例制得的铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率和硬度见表2所示。
实施例9
本发明公开一种输变电设备用高性能铝合金制备方法，包括以下步骤：
A、铸造铸锭；
将Al、Mg、Si、Cu、Cr、Fe、Mn、Ti和Zn按照表1所示的质量分数加热至700℃，使物料保持熔融状态3h，过滤除去铝熔体中的不熔物，冷却至室温，得到铝合金锭坯，所述的熔炼中，通入氩气进行精炼，并施加电磁搅拌。
B、对铸造后的铸锭进行均匀化；
430℃保温8h；
C、通过轧制工艺，将铸锭热加工成预加工工件；
将铝合金锭坯轧制成6mm厚度的板材；
D、对工件进行固溶热处理；
固溶热处理工包括第一段加热和第二段加热；
第一段加热的工艺条件是：温度：500℃；时间：2h；
第二段加热的工艺条件是：温度：130℃；时间：3h。
E、淬火；
所述淬火的介质为水；水流量为0.63L/s。通过水快速淬火，降低铝合金的温度，抑制次生相析出，获得不稳定过饱合固溶体，增大固溶体的过饱和度，增大脱溶驱动力，弥散析出效果越好，保证铝合金的强度，同时不损失铝合金的柔韧性。将淬火后的板材进行预拉伸3％至4％，以释放应力。
F、人工时效得成品。
温度为160℃，保温时间为10h。通过人工时效明显提高强度。
本实施例制得的铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率和硬度见表2所示。
表1实施例1至实施例9各组分用量列表
表2实施例1至实施例9制得铝合金的评价指标列表
| 项目 | 抗拉强度(Mpa) | 屈服强度(Mpa) | 延伸率(％) | 硬度(HB) |
| 实施例1 | 343 | 319 | 19 | 112 |
| 实施例2 | 331 | 312 | 22 | 118 |
| 实施例3 | 329 | 308 | 20 | 100 |
| 实施例4 | 352 | 334 | 17 | 121 |
| 实施例5 | 340 | 326 | 19 | 109 |
| 实施例6 | 326 | 310 | 18 | 120 |
| 实施例7 | 341 | 327 | 19 | 108 |
| 实施例8 | 335 | 318 | 21 | 117 |
| 实施例9 | 330 | 310 | 23 | 102 |
对比例
某公司6061合金-T651热轧预拉伸板材的性能，如表4所示。
| 抗拉强度(Mpa) | 屈服强度(Mpa) | 延伸率(％) | 硬度(HB) |
| 300 | 275 | 12 | 105 |
结合对比例和实施例1至9的数据可知，本发明制得的铝合金其抗拉强度、屈服强度、延伸率和硬度均得到了提高，实施例4制得的铝合金其指标最佳，主要原因是其添加的Zr和Sc以及V与其他组分的比例适宜，并且与制备方法相匹配；其中实施例1、4和5通过控制Zr和Sc的总量分别为0.22％、0.285％和0.234％以下，且Zr/Sc在0.8至1.2之间，使得Zr和Sc对铝合金晶粒细化的调节作用最佳，其抗拉强度均在340Mpa以上，显著的提升了铝合金的强度，以及延伸率。
实施例3由于镁和硅的质量比严重不符合形成强化相Mg2Si的比例，因此实施例3的强度最差，即使Zr和Sc与其他组分的比例适宜，其制得的铝合金性能也不如其他实施例，但仍高于对比例。
Claims (10)
1.一种输变电设备用高性能铝合金，其特征在于：按照质量分数包括以下组分：
2.如权利要求1所述的一种输变电设备用高性能铝合金，其特征在于：还包括Zr、Sc和V中的一种或者几种；
按照质量分数：
Zr＜0.4％；
Sc＜0.4％；
V＜0.4％。
3.如权利要求2所述的一种输变电设备用高性能铝合金，其特征在于：按照质量分数：
0.10％＜Zr＜0.15％；0.10％＜Sc<0.15％；0.10％＜V<0.15％。
4.如权利要求3所述的一种输变电设备用高性能铝合金，其特征在于：Zr和Sc的用量之和小于0.3％；Zr的质量为M1,Sc的质量为M2，其中,0.8＜M1/M2＜1.2。
5.如权利要求3所述的一种输变电设备用高性能铝合金，其特征在于：按照质量分数包括以下物质：
6.如权利要求5所述的一种输变电设备用高性能铝合金，其特征在于：按照质量分数：
Cr 0.20％至0.30％；
Fe <0.35％；
Mn 0.15％至0.20％。
7.一种如权利要求1至6任一项所述一种输变电设备用高性能铝合金制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、铸造铸锭；
B、对铸造后的铸锭进行均匀化；
C、通过轧制工艺，将铸锭热加工成预加工工件；
D、对工件进行固溶热处理；
E、淬火；
F、人工时效得成品。
8.如权利要求7所述一种输变电设备用高性能铝合金制备方法，其特征在于：D步骤中固溶热处理工包括第一段加热和第二段加热；
第一段加热的工艺条件是：温度：450℃至500℃；时间：1至2h；
第二段加热的工艺条件是：温度：110℃至130℃；时间：3至5h。
9.如权利要求7所述一种输变电设备用高性能铝合金制备方法，其特征在于：所述淬火的介质为水；水流量为0.5至0.7L/s。
10.如权利要求7所述一种输变电设备用高性能铝合金制备方法，其特征在于：人工时效的工艺条件为：温度为160℃，保温时间为10h。
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