CN110273089A - 一种输电杆塔辅架结构用铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种输电杆塔辅架结构用铝合金及其制备方法，本发明涉及铝合金铸造领域，具体涉及一种输电杆塔辅架结构用铝合金及其制备方法。本发明是要解决现有铝合金不适用于输电杆塔辅助结构制造的问题。铝合金按质量百分比由5～6.1％Zn、1.2～1.9％Mg、0.1～0.3％Mn、0.05～0.25％Cu、0.05～0.25％Zr、0.02～0.1％Ti、Fe≤0.25％、Si≤0.15％，余量为Al和其他不可避免的杂质元素组成。方法：一、备料；二、熔炼；三、双级精炼；四、协调变质；五、铸造。本发明用于输电杆塔辅架结构用高强度铝合金铸造。

Description

一种输电杆塔辅架结构用铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金铸造领域，具体涉及一种输电杆塔辅架结构用铝合金及其制备方法。

背景技术

目前我国的输电杆塔材料绝大多数为钢，而国家输电线路具有路径长、覆盖广、且沿途地形环境复杂，且多高山区域。因此，较重的杆塔构件运输几乎均由人力及畜力完成，难度大，施工成本较高；同时，输电杆塔长期经受大气。雨雪等恶劣环境，对其本身的防腐性能要求也极高，然而，目前杆塔表面防腐处理方法也存在环境污染问题。

铝合金是广泛应用的材料，且本身密度低，约为钢铁的1/3，如用于制造输电杆塔，必然会极大程度的降低杆塔本身的成本和运输成本。杆塔结构中，辅助结构对材料的力学性能要求比较低，实现铝合金替代钢铁输电杆塔辅助结构是可行的，但目前现有铝合金不适用于输电杆塔辅助结构的制造，难以兼具高强度、耐恶劣环境且无需表面处理的铝合金。

因此，亟待开发新型铝合金，具有高强性能的同时，兼具优异的耐腐蚀特性，用于替代输电杆塔辅助结构。

发明内容

本发明是要解决现有铝合金不适用于输电杆塔辅助结构制造的问题，而提供一种输电杆塔辅架结构用铝合金及其制备方法。

本发明一种输电杆塔辅架结构用铝合金按质量百分比由5～6.1％Zn、1.2～1.9％Mg、0.1～0.3％Mn、0.05～0.25％Cu、0.05～0.25％Zr、0.02～0.1％Ti、Fe≤0.25％、Si≤0.15％，余量为Al和其他不可避免的杂质元素组成；其他不可避免的杂质元素的总质量不超过合金总质量的0.15％。

本发明一种输电杆塔辅架结构用铝合金的制备方法是按以下步骤进行：

一、备料：备料依据的铝合金的配方为：按质量百分比计，5～6.1％Zn、1.2～1.9％Mg、0.1～0.3％Mn、0.05～0.25％Cu、0.05～0.25％Zr、0.02～0.1％Ti、Fe≤0.25％、Si≤0.15％，余量为Al和其他不可避免的杂质元素组成；其他不可避免的杂质元素的总质量不超过合金总质量的0.15％；按照铝合金的配方进行配料，分别称取纯铝锭、纯锌锭、阴极铜、纯镁锭、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金、铝铁中间合金、铝锆中间合金及铝钛中间合金作为原料；

二、熔炼：将纯铝锭、纯锌锭、阴极铜、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金、铝铁中间合金、铝锆中间合金及铝钛中间合金装炉，炉气温度设定为950～1050℃，待全部熔化后将炉温降至在760～780℃，在该温度下进行分次搅拌，第一次搅拌后扒渣，随后将纯镁锭加入，再继续进行搅拌，得到熔体；

三、双级精炼：在温度为760～780℃的条件下对步骤二得到的熔体进行一级精炼，一级精炼后将温度升至810～825℃进行二级精炼，得到双极精炼熔体；

四、协调变质：在温度为810～825℃的条件下对双极精炼熔体进行协调变质处理，先加入变质剂A，搅拌10～15min后，再快速加入变质剂B，搅拌10～15min后保温3～5h，得到协调变质后熔体；

五、铸造：将协调变质后熔体导入静置炉中，待熔体温度稳定至770～790℃时，将熔体加入至铸造盘中铸造，即得到铝合金铸锭，将得到的铝合金铸锭进行T6热处理，得到输电杆塔辅架结构用铝合金。

本发明的有益效果是：

本发明通过调整合金元素含量，采用新型的双级精炼方法和协调变质工艺，有效控制合金中杂质含量和晶粒组织，得到一种高强度、耐盐雾腐蚀等综合性能优异的铝合金；该铝合金能够替代输电杆塔辅助结构钢材，有效降低材料，运输成本，具有广阔的应用前景和显著的经济效益。所述输电杆塔辅架结构用铝合金的屈服强度≥360MPa；耐盐雾腐蚀等级为A级。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种输电杆塔辅架结构用铝合金按质量百分比由5～6.1％Zn、1.2～1.9％Mg、0.1～0.3％Mn、0.05～0.25％Cu、0.05～0.25％Zr、0.02～0.1％Ti、Fe≤0.25％、Si≤0.15％，余量为Al和其他不可避免的杂质元素组成；其他不可避免的杂质元素的总质量不超过合金总质量的0.15％。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述输电杆塔辅架结构用铝合金按质量百分比由5.8％Zn、1.8％Mg、0.15％Mn、0.2％Cu、0.1％Zr、0.08％Ti、0.18％Fe、0.1％Si，余量为Al和其他不可避免的杂质元素组成；其他不可避免的杂质元素的总质量不超过合金总质量的0.15％。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述输电杆塔辅架结构用铝合金中Mn、Zr与Ti的含量之和大于0.25％。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述输电杆塔辅架结构用铝合金中Zn与Mg的含量之比大于2.5。其他与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述输电杆塔辅架结构用铝合金的屈服强度≥360MPa；耐盐雾腐蚀等级为A级。其他与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式一种输电杆塔辅架结构用铝合金的制备方法是按以下步骤进行：

一、备料：备料依据的铝合金的配方为：按质量百分比计，5～6.1％Zn、1.2～1.9％Mg、0.1～0.3％Mn、0.05～0.25％Cu、0.05～0.25％Zr、0.02～0.1％Ti、Fe≤0.25％、Si≤0.15％，余量为Al和其他不可避免的杂质元素组成；其他不可避免的杂质元素的总质量不超过合金总质量的0.15％；按照铝合金的配方进行配料，分别称取纯铝锭、纯锌锭、阴极铜、纯镁锭、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金、铝铁中间合金、铝锆中间合金及铝钛中间合金作为原料；

二、熔炼：将纯铝锭、纯锌锭、阴极铜、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金、铝铁中间合金、铝锆中间合金及铝钛中间合金装炉，炉气温度设定为950～1050℃，待全部熔化后将炉温降至在760～780℃，在该温度下进行分次搅拌，第一次搅拌后扒渣，随后将纯镁锭加入，再继续进行搅拌，得到熔体；

三、双级精炼：在温度为760～780℃的条件下对步骤二得到的熔体进行一级精炼，一级精炼后将温度升至810～825℃进行二级精炼，得到双极精炼熔体；

四、协调变质：在温度为810～825℃的条件下对双极精炼熔体进行协调变质处理，先加入变质剂A，搅拌10～15min后，再快速加入变质剂B，搅拌10～15min后保温3～5h，得到协调变质后熔体；

五、铸造：将协调变质后熔体导入静置炉中，待熔体温度稳定至770～790℃时，将熔体加入至铸造盘中铸造，即得到铝合金铸锭，将得到的铝合金铸锭进行T6热处理，得到输电杆塔辅架结构用铝合金。

本实施方式改变现有合金元素含量配比，首先控制锌和镁的比例大于2.5，一方面，使合金中形成MgZn2强化相，有效改善合金的力学性能，另一方面多余的Mg还能进一步改善力学性能；此外，锰、锆、钛含量总和大于0.25％，保证三者元素含量能够保证合金中晶粒细化效果，有效的改善合金的耐腐蚀性能。

本实施方式中双级精炼为氮气精炼和氯盐精炼相结合，低温区间进行气体精炼，通过控制气体的流速和气泡大小，充分发挥气体精炼的作用；高温区间进行氯盐精炼，高温时对于氯盐与铝液的反应具有显著的促进作用，通过双级精炼，能够最大程度除去合金液中的杂质，对于最终合金耐腐蚀性能的提高非常有利。

最后，本实施方式中通过变质剂A和变质剂B的协调变质作用，能够有效的控制合金组织，控制晶粒长大，一方面能够改善合金的力学性能，另一方面能有效的提高耐腐蚀性能。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤二中所述分次搅拌中搅拌次数为3～5次，每次搅拌时间为10～15min，搅拌间隔20min。其他与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是：步骤三中所述一级精炼为喷粉精炼，精炼剂为含钠精炼剂，加入量为0.2％，精炼时间不少于10min；所述二级精炼为氮气精炼，精炼时间为10～15min。其他与具体实施方式六或七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是：步骤四中所述变质剂A为Re；变质剂B的成分为Al-P和ZnS的混合物，其中Al-P和ZnS的质量比为1:(2～3)；所述变质剂A和变质剂B的质量为(3～5):1。其他与具体实施方式六至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是：步骤五中所述T6热处理的工艺为在温度为450～480℃的条件下固溶1h，水淬火后在温度为145～165℃的条件下人工时效6～8h。其他与具体实施方式六至九之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例1：一种输电杆塔辅架结构用铝合金的制备方法是按以下步骤进行：

一、备料：备料依据的铝合金的配方为：按质量百分比计，5.8％Zn、1.8％Mg、0.15％Mn、0.2％Cu、0.1％Zr、0.08％Ti、0.18％Fe、0.1％Si，余量为Al和其他不可避免的杂质元素组成；其他不可避免的杂质元素的总质量不超过合金总质量的0.15％；按照铝合金的配方进行配料，分别称取纯铝锭、纯锌锭、阴极铜、纯镁锭、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金、铝铁中间合金、铝锆中间合金及铝钛中间合金作为原料；

二、熔炼：将纯铝锭、纯锌锭、阴极铜、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金、铝铁中间合金、铝锆中间合金及铝钛中间合金装炉，炉气温度设定为980℃，待全部熔化后将炉温降至在760℃，在该温度下进行分次搅拌，搅拌次数为5次，每次搅拌时间为10min，搅拌间隔20min，第一次搅拌后扒渣，随后将纯镁锭加入，再继续进行搅拌，得到熔体；

三、双级精炼：在温度为760℃的条件下对步骤二得到的熔体进行一级精炼，一级精炼后将温度升至815℃进行二级精炼，得到双极精炼熔体；所述一级精炼为喷粉精炼，精炼剂为含钠精炼剂，加入量为0.2％，精炼时间为10min；所述二级精炼为氮气精炼，精炼时间为15min；

四、协调变质：在温度为815℃的条件下对双极精炼熔体进行协调变质处理，先加入变质剂A，搅拌15min后，再快速加入变质剂B，搅拌15min后保温3h，得到协调变质后熔体；所述变质剂A为Re；变质剂B的成分为Al-P和ZnS的混合物，其中Al-P和ZnS的质量比为1:(2～3)；所述变质剂A和变质剂B的质量为(3～5):1；

五、铸造：将协调变质后熔体导入静置炉中，待熔体温度稳定至770～790℃时，将熔体加入至铸造盘中铸造，即得到铝合金铸锭，将得到的铝合金铸锭进行T6热处理，得到输电杆塔辅架结构用铝合金；所述T6热处理的工艺为在温度为450～480℃的条件下固溶1h，水淬火后在温度为145～165℃的条件下人工时效6～8h。

实施例2：本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤一中按质量百分比计，5.5％Zn、1.5％Mg、0.1％Mn、0.2％Cu、0.1％Zr、0.08％Ti、0.18％Fe、0.1％Si，余量为Al和其他不可避免的杂质元素组成；其他不可避免的杂质元素的总质量不超过合金总质量的0.15％。其他与实施例1相同。

对比例1：

与实施例1不同的是：步骤三中采用单级气体精炼过程，其余与实施例1中均相同。

对比例2：

与实施例1不同的是：步骤三中采用单级氯盐精炼过程，其余与实施例1中均相同。

对比例3：

与实施例1不同的是：步骤四中变质剂A与变质剂B同时加入，其余与实施例1中均相同。

以下是实施例1-2以及对比例1-3的试验结果：

表1实施例和对比例试验结果一览表

项目	屈服强度σb/MPa	耐盐雾腐蚀等级
			实施例1	362	A
实施例2	370	A
			对比例1	340	C
对比例2	345	C
			对比例3	330	B

由上表实施例1和实施例2的试验数据比较可知，证明了本发明中通过合金元素比例的优化，同时采用双级精炼工艺和协调变质处理能够实现铝合金兼具优异的力学性能和耐盐雾腐蚀性能，因此，本发明中的方案是具有先进性的。

由上表实施例1和对比例1及对比例2的的性能数据比较可知：双级精炼过程在制备工艺的关键因素，单独采用气体精炼或者是氯盐精炼均不能使制备得到的铝合金满足输电杆塔辅助结构对材料性能的要求，不仅材料屈服强度有所降低，尤其是耐盐雾腐蚀性能从A级降低至C级。

由上表实施例1和对比例3的试验数据比较可知：同样采用协调变质工艺处理是影响铝合金最终性能的又一重要因素，当变质剂A和B同时加入时，并未是铝合金最终性能满足使用要求，铝合金的屈服强度和耐盐雾腐蚀性能均有不同程度的降低，由此可见，本发明中协调变质工艺对铝合金最终综合性能的的影响是十分显著的。

综上，本发明通过优化现有铝合金元素的比例，同时采取了双级精炼工艺和协调变质工艺处理，不仅改善了铝合金的力学性能，还是其同时具备的优异的耐盐雾腐蚀性能，制备出了一种高强度、耐盐雾腐蚀性能优异且适用于替代钢铁制造输电杆塔辅助结构的铝合金，可见其市场前景十分广阔，经济效益也十分显著。

Claims (10)

1.一种输电杆塔辅架结构用铝合金，其特征在于输电杆塔辅架结构用铝合金按质量百分比由5～6.1％Zn、1.2～1.9％Mg、0.1～0.3％Mn、0.05～0.25％Cu、0.05～0.25％Zr、0.02～0.1％Ti、Fe≤0.25％、Si≤0.15％，余量为Al和其他不可避免的杂质元素组成；其他不可避免的杂质元素的总质量不超过合金总质量的0.15％。

2.根据权利要求1所述的一种输电杆塔辅架结构用铝合金，其特征在于所述输电杆塔辅架结构用铝合金按质量百分比由5.8％Zn、1.8％Mg、0.15％Mn、0.2％Cu、0.1％Zr、0.08％Ti、0.18％Fe、0.1％Si，余量为Al和其他不可避免的杂质元素组成；其他不可避免的杂质元素的总质量不超过合金总质量的0.15％。

3.根据权利要求2所述的一种输电杆塔辅架结构用铝合金，其特征在于所述输电杆塔辅架结构用铝合金中Mn、Zr与Ti的含量之和大于0.25％。

4.根据权利要求3所述的一种输电杆塔辅架结构用铝合金，其特征在于所述输电杆塔辅架结构用铝合金中Zn与Mg的含量之比大于2.5。

5.根据权利要求4所述的一种输电杆塔辅架结构用铝合金，其特征在于所述输电杆塔辅架结构用铝合金的屈服强度≥360MPa；耐盐雾腐蚀等级为A级。

6.如权利要求1所述一种输电杆塔辅架结构用铝合金的制备方法，其特征在于输电杆塔辅架结构用铝合金的制备方法是按以下步骤进行：

一、备料：备料依据的铝合金的配方为：按质量百分比计，5～6.1％Zn、1.2～1.9％Mg、0.1～0.3％Mn、0.05～0.25％Cu、0.05～0.25％Zr、0.02～0.1％Ti、Fe≤0.25％、Si≤0.15％，余量为Al和其他不可避免的杂质元素组成；其他不可避免的杂质元素的总质量不超过合金总质量的0.15％；按照铝合金的配方进行配料，分别称取纯铝锭、纯锌锭、阴极铜、纯镁锭、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金、铝铁中间合金、铝锆中间合金及铝钛中间合金作为原料；

二、熔炼：将纯铝锭、纯锌锭、阴极铜、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金、铝铁中间合金、铝锆中间合金及铝钛中间合金装炉，炉气温度设定为950～1050℃，待全部熔化后将炉温降至在760～780℃，在该温度下进行分次搅拌，第一次搅拌后扒渣，随后将纯镁锭加入，再继续进行搅拌，得到熔体；

三、双级精炼：在温度为760～780℃的条件下对步骤二得到的熔体进行一级精炼，一级精炼后将温度升至810～825℃进行二级精炼，得到双极精炼熔体；

四、协调变质：在温度为810～825℃的条件下对双极精炼熔体进行协调变质处理，先加入变质剂A，搅拌10～15min后，再快速加入变质剂B，搅拌10～15min后保温3～5h，得到协调变质后熔体；

五、铸造：将协调变质后熔体导入静置炉中，待熔体温度稳定至770～790℃时，将熔体加入至铸造盘中铸造，即得到铝合金铸锭，将得到的铝合金铸锭进行T6热处理，得到输电杆塔辅架结构用铝合金。

7.根据权利要求6所述的一种输电杆塔辅架结构用铝合金的制备方法，其特征在于步骤二中所述分次搅拌中搅拌次数为3～5次，每次搅拌时间为10～15min，搅拌间隔20min。

8.根据权利要求6所述的一种输电杆塔辅架结构用铝合金的制备方法，其特征在于步骤三中所述一级精炼为喷粉精炼，精炼剂为含钠精炼剂，加入量为0.2％，精炼时间不少于10min；所述二级精炼为氮气精炼，精炼时间为10～15min。

9.根据权利要求6所述的一种输电杆塔辅架结构用铝合金的制备方法，其特征在于步骤四中所述变质剂A为Re；变质剂B的成分为Al-P和ZnS的混合物，其中Al-P和ZnS的质量比为1:(2～3)；所述变质剂A和变质剂B的质量为(3～5):1。

10.根据权利要求6所述的一种输电杆塔辅架结构用铝合金的制备方法，其特征在于步骤五中所述T6热处理的工艺为在温度为450～480℃的条件下固溶1h，水淬火后在温度为145～165℃的条件下人工时效6～8h。