CN110172621B - 一种高强高导Al-Mg-Si系合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强高导Al‑Mg‑Si系合金，由以下质量百分比合金元素组成：Mg：0.4～0.9％，Si：0.6～1.2％，Cu：0.2～0.5％，余量为Al以及不可避免的杂质。本发明还公开了上述高强高导Al‑Mg‑Si系合金的制备方法，通过铸造‑挤压‑固溶处理‑淬火‑预时效处理‑冷变形‑再时效处理，得到Al‑Mg‑Si系合金。本发明提供的方法制备得到的Al‑Mg‑Si系合金的导电率和强度均得到显著的提高。

Description

一种高强高导Al-Mg-Si系合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种高强高导Al-Mg-Si系合金及其制备方法。
背景技术
Al-Mg-Si系合金以其合金化程度低，比强度高，良好的力学与导电性，较高耐腐蚀性能，广泛应用于电工领域。在架空输电线路方面，为了满足导线材料的最小工程要求，要求导线必须具备足够高的强度，以承载导线的恒载、风荷载和冰荷载。同时，它还必须具有高电导率以增加导体的电流承载能力，减少输电线路中的功率损耗。在汽车方面，电工铝替代铜在达到相同导电要求的条件下，会大幅度降低重量和成本，每辆汽车约降低30Kg重量，代表了未来汽车主要电工材料的发展方向，欧美和日本汽车已经大量采用铝合金，而且发展越来越快。另外，在轻型电机方面，铝替代铜具有不可比拟的优势。在3C行业，采用高导热的铝合金材料也成为国内外追求的目标。而金属的热导率与导电率成正比关系，通过提高合金的导电率可以提高其热导率。因此，开发高导电率、高强度6xxx铝合金的设计、制备、加工技术已经成为发展的必然趋势。
目前6xxx系铝合金的主要强化机制有固溶强化，析出强化，细晶强化，形变强化。而现有的提高铝合金强度的方法都会降低铝合金的导电率。因此获得同时具备高强度和导电率的Al-Mg-Si系合金是目前面临的最大挑战。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高强高导Al-Mg-Si系合金及其制备方法。本发明提供的Al-Mg-Si系合金具有较高的强度和导电率，且本发明提供的方法不需要加入稀土等其它微合金化元素，降低了成本、绿色、环保，同时加工工艺简单，操作方便，无需特殊设备，易于大规模工业化应用。
本发明的第一个目的是提供一种高强高导Al-Mg-Si系合金，由以下质量百分比合金元素组成：Mg：0.4～0.9％，Si：0.6～1.2％，Cu：0.01～0.5％，余量为Al以及不可避免的杂质。
较佳地，本发明提供的高强高导Al-Mg-Si系合金，由以下质量百分比合金元素组成：Mg：0.85％，Si：1.15％，Cu：0.35％，余量为Al以及不可避免的杂质。
本发明的第二个目的是提供一种上述高强高导Al-Mg-Si系合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照以下质量百分比的合金元素组成：Mg：0.4～0.9％，Si：0.6～1.2％，Cu：0.01～0.5％，余量为Al以及不可避免的杂质，分别称取纯铝锭、Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金和Al-Cu中间合金；
S2、将S1中称取的纯铝锭加热到700～780℃，接着加入S1中称取的Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金和Al-Cu中间合金进行熔炼，完全熔化后得到熔体，调整温度至700～750℃，保温5～10min，加入精炼剂精炼，然后于700～750℃保温10～20min，扒渣，浇注，得到铸锭；
S3、将S2得到的铸锭锯切、车皮、预热、挤压，得到铝合金棒材；
S4、将S3得到的铝合金棒材在510～560℃下，保温0.5～4h，然后水冷淬火至室温，接着在150～200℃下，保温0.5～24h，然后进行冷变形处理，得到铝合金体；
S5、将S4得到的铝合金体在120～200℃下，保温3～100h，即得到高强高导Al-Mg-Si系合金。
较佳地，步骤S1中，所述纯铝锭的纯度不低于99.7％。
较佳地，步骤S2中，所述浇注的温度为680～750℃。
较佳地，步骤S2中，所述精炼剂为六氯乙烷(C2Cl6)，且所述C2Cl6的用量为熔体质量的0.2～0.6％。
较佳地，步骤S3中，所述预热温度为350～400℃，预热时间为1～2h。
较佳地，步骤S3中，所述挤压过程在挤压筒中进行，且模孔口速率为1.0～1.7m/min。
较佳地，步骤S3中，所述铝合金棒材的直径为10mm。
较佳地，步骤S4中，所述冷变形处理为冷拉、冷锻或轧制，且每道次的变形量为1～20％。
本发明通过铸造-挤压-固溶处理-淬火-预时效处理-冷变形-再时效处理，使获得的Al-Mg-Si合金的强度和导电率均得到提高，具体是因为经过固溶和预时效处理后，可以获得大量的弥散纳米相β″、含Cu原子的Q″相和L/C相以及部分的GP区，并且在随后的冷变形过程中，这些弥散的纳米相能钉扎位错，提高位错密度，同时在冷变形过程中，高密度位错会不断切割这些纳米相使其回溶于基体中，这些纳米相会以原子团簇形式不均匀的原位分布在基体中，这是因为冷变形过程中温度较低，原子的扩散速度慢。在后续的时效过程中，这些原子团簇作为形核核心加速沉淀相的析出过程，而冷变形过程形成高密度的位错，也会作为形核核心和固溶原子扩散通道加速沉淀析出过程。最终在纳米相和高密度位错的协同作用下，使得合金的导电率和强度得到显著的提高。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
(1)本发明制备的Al-Mg-Si系合金具有较高的强度和导电率，抗拉强度为286.56～450MPa，导电率为54～60.08％IACS；
(2)本发明制备的Al-Mg-Si系合金不仅能够用于导线的生产，还可用于制造板材和型材，具有良好的市场适应性。
(3)本发明提供的制备方法不需加入稀土等其它微合金化元素，降低了成本、绿色、环保，材料的可持续性大幅度提高；
(4)本发明提供的制备方法包括铸造-挤压-固溶处理-淬火-预时效处理-冷变形-再时效处理几个步骤，操作方便，无需特殊设备，易于大规模工业化应用。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的高强高导Al-Mg-Si系合金的透射电镜图；
其中：图1(a)为合金中沉淀粒子的透射电镜图；图1(b)为合金的高密度位错的透射电镜图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
以下实施例中采用的纯铝锭的纯度不低于99.7％。
实施例1
一种高强高导Al-Mg-Si系合金，具体由以下质量百分比合金元素组成：Mg：0.85％，Si：1.15％，Cu：0.35％，余量为Al以及不可避免的杂质。
一种上述高强高导Al-Mg-Si系合金的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、按照以下质量百分比的合金元素组成：Mg：0.85％，Si：1.15％，Cu：0.35％，余量为Al以及不可避免的杂质，分别称取纯铝锭、Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金和Al-Cu中间合金；
S2、将S1中称取的纯铝锭置于电阻炉中加热到760℃，接着加入S1中称取的Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金和Al-Cu中间合金，搅拌并保温10min，完全熔化后得到熔体，调整温度至730℃，保温10min，加入C2Cl6除气除渣，然后于720℃保温15min，扒渣，接着在熔体温度为700℃时，将合金熔体浇注到底下垫有钢板的圆柱形钢模中，得到直径40mm的铸锭；
其中，C2Cl6的用量为熔体质量的0.5％。
S3、将S2得到的铸锭锯切、车皮，然后将加工后的铸锭进行预热，预热温度为350℃，加热时间为2h，然后将预热后的铸锭放到挤压筒中进行挤压，模孔口速率为1.5m/min，得到直径为10mm的铝合金棒材；
S4、将S3得到的铝合金棒材在热处理炉中于555℃下保温0.5h，然后水冷淬火至室温，接着置于烘箱中在195℃下保温5h，控温精度在±2℃，然后进行冷锻处理，其中，每道次的变形量为1～20％，得到直径为3mm的铝合金体；
S5、将S4得到的铝合金体置于烘箱中在120℃下保温8h，即得到高强高导Al-Mg-Si系合金。
图1为本发明实施例1制备的Al-Mg-Si系合金的TEM图，通过图1(a)和(b)可以看出，Al-Mg-Si合金导线的内部存在大量的纳米相和高密度位错。在纳米相和高密度位错的协同作用下，使得Al-Mg-Si合金导线的导电率和强度得到显著的提高。
对本发明实施例制备的Al-Mg-Si系合金进行材料性能测试，测试结果为：抗拉强度为450MPa，导电率为54％IACS。
实施例2
一种高强高导Al-Mg-Si系合金，具体由以下质量百分比合金元素组成：Mg：0.45％，Si：0.65％，Cu：0.02％，余量为Al以及不可避免的杂质。
一种上述高强高导Al-Mg-Si系合金的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、按照以下质量百分比的合金元素组成：Mg：0.45％，Si：0.65％，Cu：0.02％，余量为Al以及不可避免的杂质，分别称取纯铝锭、Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金和Al-Cu中间合金；
S2、将S1中称取的纯铝锭置于电阻炉中加热到760℃，接着加入S1中称取的Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金和Al-Cu中间合金，搅拌并保温10min，完全熔化后得到熔体，调整温度至730℃，保温10min，加入C2Cl6除气除渣，然后于720℃保温15min，扒渣，接着在熔体温度为700℃时，将合金熔体浇注到底下垫有钢板的圆柱形钢模中，得到直径40mm的铸锭；
其中，C2Cl6的用量为熔体质量的0.5％；
S3、将S2得到的铸锭锯切、车皮，然后将加工后的铸锭进行预热，预热温度为350℃，加热时间为2h，然后将预热后的铸锭放到挤压筒中进行挤压，模孔口速率为1.5m/min，得到直径为10mm的铝合金棒材；
S4、将S3得到的铝合金棒材在热处理炉中于510℃下保温4h，然后水冷淬火至室温，接着置于烘箱中在155℃下保温12h，控温精度在±2℃，然后进行冷锻处理，其中，每道次的变形量为1～20％，得到直径为3mm的铝合金体；
S5、将S4得到的铝合金体置于烘箱中在220℃下保温16h，即得到高强高导Al-Mg-Si系合金。
对本发明实施例制备的Al-Mg-Si系合金进行材料性能测试，测试结果为：抗拉强度为286.56MPa，导电率为60.08％IACS。
综上，本发明实施例制备的Al-Mg-Si系合金具有较高的强度和导电率，不仅能够用于导线的生产，还可用于制造板材和型材，具有良好的市场适应性。
需要说明的是，本发明权利要求书中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，由于采用的步骤方法与实施例相同，为了防止赘述，本发明描述了优选实施例及其效果，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种高强高导Al-Mg-Si系合金，其特征在于，由以下质量百分比合金元素组成：Mg：0.85％，Si：1.15％，Cu：0.35％，余量为Al以及不可避免的杂质；
所述的高强高导Al-Mg-Si系合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照以下质量百分比的合金元素组成：Mg：0.85％，Si：1.15％，Cu：0.35％，余量为Al以及不可避免的杂质，分别称取纯铝锭、Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金和Al-Cu中间合金；
S2、将S1中称取的纯铝锭加热到760℃，接着加入S1中称取的Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金和Al-Cu中间合金进行熔炼，完全熔化后得到熔体，调整温度至730℃，保温10min，加入精炼剂精炼，然后于720℃保温15min，扒渣，浇注，得到铸锭；
所述浇注的温度为700℃；
S3、将S2得到的铸锭锯切、车皮、预热、挤压，得到铝合金棒材；
所述预热温度为350℃，预热时间为2h；
所述挤压过程在挤压筒中进行，且模孔口速率为1.5m/min；
所述铝合金棒材的直径为10mm；
S4、将S3得到的铝合金棒材在555℃下保温0.5h，然后水冷淬火至室温，接着在195℃下，保温5h，然后进行冷变形处理，得到铝合金体；
S5、将S4得到的铝合金体在120～200℃下保温3～100h，即得到高强高导Al-Mg-Si系合金。
2.根据权利要求1所述的高强高导Al-Mg-Si系合金，其特征在于，步骤S1中，所述纯铝锭的纯度不低于99.7％。
3.根据权利要求1所述的高强高导Al-Mg-Si系合金，其特征在于，步骤S2中，所述精炼剂为六氯乙烷，且所述六氯乙烷的用量为熔体质量的0.2～0.6％。
4.根据权利要求1所述的高强高导Al-Mg-Si系合金，其特征在于，步骤S4中，所述冷变形处理为冷拉、冷锻或轧制，且每道次的变形量为1～20％。
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