CN110284029B - 一种输电杆塔主架结构用铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种输电杆塔主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主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恶劣的自然环境以及耐腐蚀性能差的问题。铝合金按质量百分比由5.5~6.5%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、精炼升温;四、变质处理;五、铸造及双级热处理。本发明用于输电杆塔主架结构用高强度铝合金铸造。

Description

一种输电杆塔主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主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材,同时输电杆塔的搭建大多数都在地形条件恶劣的山区,因此,运输难度高,成本居高不下。因此,降低输电杆塔的运输及构件成本是目前急需解决的主要问题。
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。目前杆塔结构中,主架结构用料占据的绝大多数比例,重量约占杆塔结构重量的80%以上,性能要求为屈服强度超过420MPa,且具备优异的耐腐蚀性能,如能实现铝合金替代输电杆塔主架结构用材,意义非常重大。然而目前现有的部分铝合金虽然强度满足要求,但是面临输电杆塔恶劣的自然环境仍旧难以适应,仍需改善其耐腐蚀性能。热处理是改善铝合金综合性能的一种常用手段,主要方式是改变铝合金的时效析出行为,调整合金析出顺序,使之实现优异的综合性能。
因此,随着铝合金铸造及热处理技术的发展,亟待开发新型高强、耐腐蚀铝合金,用于替代输电杆塔主架结构。
发明内容
本发明是要解决现有铝合金不适用于输电杆塔恶劣的自然环境以及耐腐蚀性能差的问题,而提供一种输电杆塔主架结构用铝合金及其制备方法。
本发明一种输电杆塔主架结构用铝合金按质量百分比由5.5~6.5%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主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,5.5~6.5%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990~1090℃,待全部熔化后将炉温降至在780~800℃,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、精炼升温:在温度为780~800℃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820~840℃进行二级精炼,得到双极精炼熔体;
四、变质处理:在温度为820~840℃的条件下对双极精炼熔体进行变质处理,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,得到变质后熔体;
五、铸造及双级热处理:将变质后熔体导入静置炉中,待熔体温度稳定至780~800℃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双级热处理,得到输电杆塔主架结构用铝合金。
本发明的有益效果是:
本发明通过合金元素含量设计和双级热处理工艺相结合,有效控制合金中晶粒尺寸、强化相种类及数量,得到一种超高强度、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主架结构钢材,有效降低材料和运输成本,具有广阔的应用前景和显著的经济效益。所述输电杆塔主架结构用铝合金的屈服强度≥420MPa;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主架结构用铝合金按质量百分比由5.5~6.5%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:所述输电杆塔主架结构用铝合金按质量百分比由6.2%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:所述输电杆塔主架结构用铝合金中Mn、Zr与Ti的含量之和大于0.3%。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:所述输电杆塔主架结构用铝合金中Zn与Mg的含量之比大于3,且Zn与Mg的含量之和大于7.5%。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:所述输电杆塔主架结构用铝合金的屈服强度≥420MPa;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主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,5.5~6.5%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990~1090℃,待全部熔化后将炉温降至在780~800℃,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、精炼升温:在温度为780~800℃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820~840℃进行二级精炼,得到双极精炼熔体;
四、变质处理:在温度为820~840℃的条件下对双极精炼熔体进行变质处理,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,得到变质后熔体;
五、铸造及双级热处理:将变质后熔体导入静置炉中,待熔体温度稳定至780~800℃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双级热处理,得到输电杆塔主架结构用铝合金。
本实施方式中首先控制锌和镁的比例大于3,且两者的含量之和大于7.5%,一方面,较高的锌含量,能够是使合金中形成更多的镁锌强化相,有效提高合金的力学性能,另一方面多余的Mg除了能够进一步强化铝合金外,还能够提高合金的耐腐蚀性能;此外,锰、锆、钛含量总和大于0.3%,主要的目的是实现较高锌含量铝合金的晶粒细化效果,有效的改善合金的耐腐蚀性能的同时提高合金的力学性能。
本实施方式中热处理工艺中采用了双级时效工艺,一级时效工艺条件下可以实现合金中GP区的强化效果,而二级时效工艺条件下可以充分发挥镁锌析出相的强化作用,最终实现GP区和镁锌析出相的共同强化作用;此外,合金中GP去和镁锌析出相的该热处理工艺能够进一步提高合金的耐腐蚀性能。
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2~3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0.2~0.4%,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:步骤五中所述双级热处理的工艺为在温度为470~500℃的条件下固溶处理1~3h,水淬火后进行一级时效处理,时效温度为220~240℃,保温时间为2~3h;冷却至室温后进行二级时效热处理,时效温度为130~150℃,保温时间为5~8h。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1:一种输电杆塔主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,6.2%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1000℃,待全部熔化后将炉温降至在790℃,在该温度下进行分次搅拌,搅拌次数为3次,每次搅拌时间为15min,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、精炼升温:在温度为790℃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840℃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0.4%,精炼时间为10min;所述二级精炼为氮气精炼,精炼时间为15min;
四、变质处理:在温度为840℃的条件下对双极精炼熔体进行变质处理,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、铸造及双级热处理:将协调变质后熔体导入静置炉中,待熔体温度稳定至800℃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双级热处理,得到输电杆塔主架结构用铝合金;所述双级热处理的工艺为在温度为480℃的条件下固溶处理2h,水淬火后进行一级时效处理,时效温度为220℃,保温时间为2h;冷却至室温后进行二级时效热处理,时效温度为150℃,保温时间为8h。
对比例1:
与实施例1不同的是:步骤一中按质量百分比计,5.6%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:步骤五中采用单级热处理,热处理工艺为480℃固溶处理2小时,水淬火,随后进行时效处理,时效温度为220℃,保温时间为2小时,其余与实施例1中均相同。
对比例3:
与实施例1不同的是:步骤五中采用单级热处理,热处理工艺为480℃固溶处理2小时,水淬火,随后进行时效处理,时效温度为150℃,保温时间为8小时,其余与实施例1中均相同。
以下是实施例1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1 425 A
对比例1 360 A
对比例2 380 B
对比例3 400 B
由上表实施例1和对比例1的试验数据比较可知,证明了本发明中通过合金元素含量的设计和双级处理工艺处理,实现了本发明中铝合金的高强力学性能和耐腐蚀性能,适合用于输电杆塔主架结构材料,当合金中Zn和Mg的合金元素含量之和低于7.5%时,合金的力学性能显著降低,并不能满足输电杆塔主架结构对材料力学性能的要求,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2及对比例3的的性能数据比较可知:双级热处理工艺是实现目前铝合金异性能的关键工艺因素,单级的热处理工艺并不能充分发挥合金中GP区和镁锌析出相的协同强化作用,级时效热处理工艺条件下,不仅铝合金的力学性能显著降低,同时耐腐蚀性能也同时由A级下降至B级可见,本发明中双级热处理工艺是保证该铝合金适用于输电杆塔主架结构材料的又一关键因素。
综上,本发明通过铝合金元素含量的设计,同时采用了双级热处理工艺,不仅实现了铝合金高强度性,还能具备的优异的耐盐雾腐蚀性能,制备出了一种超高强度、耐盐雾腐蚀性能优异且适用于替代钢制造输电杆塔主架结构的铝合金,可见其市场前景十分广阔,经济效益也十分显著。

Claims (3)

1.一种输电杆塔主架结构用铝合金的制备方法,其特征在于输电杆塔主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,6.2%~6.5%Zn、1.2~1.8%Mg、0.15~0.3%Mn、0.2~0.25%Cu、0.1~0.25%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;所述铝合金的配方中Mn、Zr与Ti的含量之和大于0.3%;所述铝合金的配方中Zn与Mg的含量之比大于3,且Zn与Mg的含量之和大于7.5%;
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990~1090℃,待全部熔化后将炉温降至在780~800℃,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、精炼升温:在温度为780~800℃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820~840℃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0.2~0.4%,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;
四、变质处理:在温度为820~840℃的条件下对双极精炼熔体进行变质处理,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、铸造及双级热处理:将变质后熔体导入静置炉中,待熔体温度稳定至780~800℃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双级热处理,得到输电杆塔主架结构用铝合金;所述双级热处理的工艺为在温度为470~500℃的条件下固溶处理1~3h,水淬火后进行一级时效处理,时效温度为220~240℃,保温时间为2~3h;冷却至室温后进行二级时效热处理,时效温度为130~150℃,保温时间为5~8h。
2.根据权利要求1所述的一种输电杆塔主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2~3次,每次搅拌时间为10~15min,搅拌间隔20min。
3.根据权利要求1所述的一种输电杆塔主架结构用铝合金的制备方法,其特征在于步骤五得到的所述输电杆塔主架结构用铝合金的屈服强度≥420MPa;耐盐雾腐蚀等级为A级。
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