CN111549262A - 一种低电阻率高强度的铝合金导电管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低电阻率高强度的铝合金导电管，其质量百分比组成如下：Si：0.50—0.55%，Fe：0.15%，Cu：0.01%，Mn：0.01%，Mg：0.52—0.58%，Cr：0.01%，Zn：0.01%，Ti：0.02%，Zr≤0.05%，混合稀土Re≤0.05%，Pb＜0.01%，B≤0.05%，V≤0.05%，其余为Al，总量为100%；Zr、Re、Pb、B和V的总含量要≤0.15%，Mn、V、Cr和Ti的总含量低于0.012%时，B的添加量为0，Mn、V、Cr和Ti的总含量超过0.012%时，B的添加量为Mn、V、Cr和Ti与B形成的硼化合物所需B的化学计量数的1.25‑1.5倍即可；本发明中严格控制镁、硅元素的含量，降低其他杂质元素的含量，通过后续挤压、淬火、拉伸、时效等工艺的规范限定，提高了管材的导电率和性能。

Description

一种低电阻率高强度的铝合金导电管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金加工领域，特别是涉及一种低电阻率高强度的铝合金导电管及其制造方法。
背景技术
铝具有优良的导电和导热性，其导电性仅次于银和铜，约为铜导电率的62%，为了节约铜的用量，目前在电气工业中大量采用铝代替铜制作导电元件，但由于铝的强度低，对于导电性及其他性能要求高的导电元件，则通常用铝合金材料；Al-Si-Mg合金是亚共晶型可热处理强化的铸造合金，具有强度高、气密性好，铸造性能优良且机械性能良好等优点，所以目前国内将其开发并广泛应用于超高压输变电设备中，但在实际生产中存在的主要问题是电导率偏低、强度偏低，常常达不到设计要求。因此，研制开发一种低电阻率高强度的新型铝合金就成了亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，通过合理的调整化学成分配比及铸造工艺流程，提高管材导电率和性能的一种低电阻率高强度的铝合金导电管及其制造方法。
本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：
一种低电阻率高强度的铝合金导电管，其质量百分比组成如下：Si：0.50—0.55%，Fe：0.15%，Cu：0.01%，Mn：0.01%，Mg：0.52—0.58%，Cr：0.01%，Zn：0.01%，Ti：0.02%，Zr≤0.05%，混合稀土Re≤0.05%，Pb＜0.01%，B≤0.05%，V≤0.05%，其余为Al，总量为100%。
进一步的，所述Zr、Re、Pb、B和V的总含量要≤0.15%。
进一步的，所述Mn、V、Cr和Ti的总含量低于0.012%时，所述B的添加量为0，所述Mn、V、Cr和Ti的总含量超过0.012%时，所述B的添加量为所述Mn、V、Cr和Ti与B形成的硼化合物所需B的化学计量数的1.25-1.5倍即可。
一种低电阻率高强度的铝合金导电管的制造方法，包括以下步骤：
步骤一、按照上述各组分质量百分比称取除Ti和Re以外原料；
步骤二、将步骤一中的原料置于炉膛中加热至750℃以上，待完全融化后，静置15-20min后得到铝液混合物；
步骤三、将步骤二中的铝液混合物的温度降至700℃时，将四氯乙烷与混合稀土Re按照质量比为1:1加入炉膛内的铝液混合物中，精炼；
步骤四、步骤三中精炼操作结束后静置20min，扒渣后，在铸造设备前端的溜槽中加入Ti，然后采用同水平热顶铸造法，将上述铝液铸造挤压成铝棒；
步骤五、将步骤四中得到的铝棒进行均匀化处理，控制温度在510-520℃，保温10h，用常温水冷却1-5min后再炉内强风冷却，得到均匀化后的铝棒；
步骤六、按照常规挤压工艺将挤压筒、挤压模具加热并保温；
步骤七、将步骤五中均匀化后的铝棒采用阶梯式加热方式进行铝棒加热处理，铝棒头端温度加热至510-515℃，尾端温度加热至520-525℃，加热时间为5-8min；
步骤八、待步骤七中加热过后的铝棒进行全部分阶梯加热后，进行挤压成型，挤压过程中，最大挤压力为60MN，正常挤压力为50MN，经10s达到最大挤压力后下降，挤压力达到25MN时进行排气动作，得到外径为210mm，壁厚为5mm的铝合金导电管；
步骤九、在铝合金导电管挤压成型过程中，利用在线热淬火设备，对高温热挤压型材进行水冷淬火冷却，淬火过程中，保证淬火温度520-530℃，经由10m水冷淬火通道进行淬火冷却；
步骤十、在淬火后的铝合金导电管温度低于50℃时，进行拉伸，拉伸率0.8-1.0%，并将拉伸后的铝合金导电管按一定长度锯切装筐；
步骤十一、规定时间内，将装筐的铝合金导电管推进时效炉，在220℃下进行时效3h；
步骤十二、时效完成后，将铝合金导电管推出时效炉，采用强风冷却至80℃以下，自然冷却至室温即可。
时效温度和时效时间对合金强度和导电率有显著硬性，随着时效温度和时效时间的延长，铝合金的导电率增加，合金的导电率随时效温度的升高而升高，这是由于随着时效温度的升高和时间的延长，空位和溶质原子的扩散加快，沉淀相不断从基体中析出并长大，弥散度不断减少，沉淀相与基体的共格关系不断减弱，从而使基体点阵内的晶格歪扭程度不断降低，基体点阵中电子散射源的数量和密度不断减少，导电电子的自由程增加，从而使导电率增加，铝合金的时效处理将改变其内部组织，合金强度和导电率与合金的时效制度有一定的对应关系，随着时效过程的进行（温度升高或时间延长），淬火得到的过饱和固溶体将逐步析出溶质原子，使合金的晶格畸变程度减少，内应力降低，从而使电子运动变得容易，此时合金的电导率和强度逐步增大，当时效的温度越高，时间越长，强化相析出越充分，合金的导电率越高，但强度开始下降。
进一步的，在步骤八中，开始挤压时，前200mm长度速度不宜过快，一般挤压速度为0.2-0.4mm/s，而后制品完全从模具中挤出时，可均匀提速至最大速度，保证制品速度为2-2.5m/min。
本发明的积极有益效果是：
本发明技术方案中严格控制镁、硅元素的含量，降低其他杂质元素的含量，通过后续挤压、淬火、拉伸、时效等工艺的规范限定，提高了管材的导电率和性能，所得铝合金导电管的抗拉强度为210-230Mpa，屈服强度为180-190Mpa，延伸率为10%-13%，导电率为55%-57%IACS，完全满足客户使用要求，具有很好的实用效果和经济效益。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明：
实施例一
一种低电阻率高强度的铝合金导电管，其质量百分比组成如下：Si：0.50%，Fe：0.15%，Cu：0.01%，Mn：0.01%，Mg：0.52%，Cr：0.01%，Zn：0.01%，Ti：0.02%，Zr=0.05%，混合稀土Re=0.05%，Pb=0.01%，B=0.01%，V=0.01%，其余为Al，总量为100%。
实施例二
一种低电阻率高强度的铝合金导电管，其质量百分比组成如下：Si：0.50%，Fe：0.15%，Cu：0.01%，Mn：0.01%，Mg：0.52%，Cr：0.01%，Zn：0.01%，Ti：0.02%，Zr=0.01%，混合稀土Re=0.01%，Pb=0.008%，B=0.05%，V=0.05%，其余为Al，总量为100%。
实施例三
一种低电阻率高强度的铝合金导电管，其质量百分比组成如下：Si：0.55%，Fe：0.15%，Cu：0.01%，Mn：0.01%，Mg：0.58%，Cr：0.01%，Zn：0.01%，Ti：0.02%，Zr=0.05%，混合稀土Re=0.05%，Pb=0.01%，B=0.01%，V=0.01%，其余为Al，总量为100%。
实施例四
一种低电阻率高强度的铝合金导电管，其质量百分比组成如下：Si：0.55%，Fe：0.15%，Cu：0.01%，Mn：0.01%，Mg：0.58%，Cr：0.01%，Zn：0.01%，Ti：0.02%，Zr=0.01%，混合稀土Re=0.01%，Pb=0.008%，B=0.05%，V=0.05%，其余为Al，总量为100%。
实施例五
一种低电阻率高强度的铝合金导电管，其质量百分比组成如下：Si：0.55%，Fe：0.15%，Cu：0.01%，Mn：0.01%，Mg：0.58%，Cr：0.01%，Zn：0.01%，Ti：0.02%，Zr=0.02%，混合稀土Re=0.02%，Pb=0.01%，B=0.05%，V=0.05%，其余为Al，总量为100%。
实施例六
一种低电阻率高强度的铝合金导电管的制造方法，包括以下步骤：
步骤一、按照上述实施例一至实施例五中各组分质量百分比称取除Ti和Re以外原料；
步骤二、原料置于炉膛中加热至750℃以上，待完全融化后，静置15min后得到铝液混合物；
步骤三、铝液混合物的温度降至700℃时，将四氯乙烷与混合稀土Re按照质量比为1:1加入炉膛内的铝液混合物中，精炼；
步骤四、精炼操作结束后静置20min，扒渣后，在铸造设备前端的溜槽中加入Ti，然后采用同水平热顶铸造法，将上述铝液铸造挤压成铝棒；
步骤五、铝棒进行均匀化处理，控制温度在510℃，保温10h，用常温水冷却1min后再炉内强风冷却，得到均匀化后的铝棒；
步骤六、按照常规挤压工艺将挤压筒、挤压模具加热并保温；
步骤七、将均匀化后的铝棒采用阶梯式加热方式进行铝棒加热处理，铝棒头端温度加热至510℃，尾端温度加热至520℃，加热时间为5min；
步骤八、待步骤七中加热过后的铝棒进行全部分阶梯加热后，进行挤压成型，挤压过程中，最大挤压力为60MN，正常挤压力为50MN，经10s达到最大挤压力后下降，挤压力达到25MN时进行排气动作，得到外径为210mm，壁厚为5mm的铝合金导电管；
步骤九、在铝合金导电管挤压成型过程中，利用在线热淬火设备，对高温热挤压型材进行水冷淬火冷却，淬火过程中，保证淬火温度520℃，经由10m水冷淬火通道进行淬火冷却；
步骤十、在淬火后的铝合金导电管温度低于50℃时，可保证管材性能，在此时进行拉伸，拉伸率0.8%，保证管材表面无橘皮，并将拉伸后的铝合金导电管按一定长度锯切装筐；
步骤十一、在规定的时间内，将装筐的铝合金导电管推进时效炉，在220℃下进行时效3h，可的得到最大强度和最高导电率，即抗拉强度为210Mpa，屈服强度为180Mpa，延伸率为10%%，导电率为55%%IACS；
步骤十二、时效完成后，将铝合金导电管推出时效炉，采用强风冷却至60℃，自然冷却至室温即可。
在步骤八中，开始挤压时，前200mm长度速度不宜过快，一般挤压速度为0.2mm/s，而后制品完全从模具中挤出时，可均匀提速至最大速度，保证制品速度为2m/min。
实施例七
一种低电阻率高强度的铝合金导电管的制造方法，包括以下步骤：
步骤一、按照上述实施例一至实施例五中各组分质量百分比称取除Ti和Re以外原料；
步骤二、原料置于炉膛中加热至750℃以上，待完全融化后，静置20min后得到铝液混合物；
步骤三、铝液混合物的温度降至700℃时，将四氯乙烷与混合稀土Re按照质量比为1:1加入炉膛内的铝液混合物中，精炼；
步骤四、精炼操作结束后静置20min，扒渣后，在铸造设备前端的溜槽中加入Ti，然后采用同水平热顶铸造法，将上述铝液铸造挤压成铝棒；
步骤五、铝棒进行均匀化处理，控制温度在520℃，保温10h，用常温水冷却5min后再炉内强风冷却，得到均匀化后的铝棒；
步骤六、按照常规挤压工艺将挤压筒、挤压模具加热并保温；
步骤七、将均匀化后的铝棒采用阶梯式加热方式进行铝棒加热处理，铝棒头端温度加热至515℃，尾端温度加热至525℃，加热时间为8min；
步骤八、待步骤七中加热过后的铝棒进行全部分阶梯加热后，进行挤压成型，挤压过程中，最大挤压力为60MN，正常挤压力为50MN，经10s达到最大挤压力后下降，挤压力达到25MN时进行排气动作，得到外径为210mm，壁厚为5mm的铝合金导电管；
步骤九、在铝合金导电管挤压成型过程中，利用在线热淬火设备，对高温热挤压型材进行水冷淬火冷却，淬火过程中，保证淬火温度530℃，经由10m水冷淬火通道进行淬火冷却；
步骤十、在淬火后的铝合金导电管温度低于50℃时，可保证管材性能，在此时进行拉伸，拉伸率1.0%，保证管材表面无橘皮，并将拉伸后的铝合金导电管按一定长度锯切装筐；
步骤十一、在规定的时间内，将装筐的铝合金导电管推进时效炉，在220℃下进行时效3h，可的得到最大强度和最高导电率，即抗拉强度为230Mpa，屈服强度为190Mpa，延伸率为13%，导电率为57%IACS；
步骤十二、时效完成后，将铝合金导电管推出时效炉，采用强风冷却至80℃，自然冷却至室温即可。
在步骤八中，开始挤压时，前200mm长度速度不宜过快，一般挤压速度为0.4mm/s，而后制品完全从模具中挤出时，可均匀提速至最大速度，保证制品速度为2.5m/min。
实施例八
一种低电阻率高强度的铝合金导电管的制造方法，包括以下步骤：
步骤一、按照上述实施例一至实施例五中各组分质量百分比称取除Ti和Re以外原料；
步骤二、原料置于炉膛中加热至750℃以上，待完全融化后，静置18min后得到铝液混合物；
步骤三、铝液混合物的温度降至700℃时，将四氯乙烷与混合稀土Re按照质量比为1:1加入炉膛内的铝液混合物中，精炼；
步骤四、精炼操作结束后静置20min，扒渣后，在铸造设备前端的溜槽中加入Ti，然后采用同水平热顶铸造法，将上述铝液铸造挤压成铝棒；
步骤五、铝棒进行均匀化处理，控制温度在515℃，保温10h，用常温水冷却3min后再炉内强风冷却，得到均匀化后的铝棒；
步骤六、按照常规挤压工艺将挤压筒、挤压模具加热并保温；
步骤七、将均匀化后的铝棒采用阶梯式加热方式进行铝棒加热处理，铝棒头端温度加热至513℃，尾端温度加热至523℃，加热时间为7min；
步骤八、待步骤七中加热过后的铝棒进行全部分阶梯加热后，进行挤压成型，挤压过程中，最大挤压力为60MN，正常挤压力为50MN，经10s达到最大挤压力后下降，挤压力达到25MN时进行排气动作，得到外径为210mm，壁厚为5mm的铝合金导电管；
步骤九、在铝合金导电管挤压成型过程中，利用在线热淬火设备，对高温热挤压型材进行水冷淬火冷却，淬火过程中，保证淬火温度525℃，经由10m水冷淬火通道进行淬火冷却；
步骤十、在淬火后的铝合金导电管温度低于50℃时，可保证管材性能，在此时进行拉伸，拉伸率0.9%，保证管材表面无橘皮，并将拉伸后的铝合金导电管按一定长度锯切装筐；
步骤十一、在规定的时间内，将装筐的铝合金导电管推进时效炉，在220℃下进行时效3h，可的得到最大强度和最高导电率，即抗拉强度为220Mpa，屈服强度为185Mpa，延伸率为12%，导电率为55%IACS；
步骤十二、时效完成后，将铝合金导电管推出时效炉，采用强风冷却至70℃，自然冷却至室温即可。
在步骤八中，开始挤压时，前200mm长度速度不宜过快，一般挤压速度为0.3mm/s，而后制品完全从模具中挤出时，可均匀提速至最大速度，保证制品速度为2.4m/min。
时效温度和时效时间对合金强度和导电率有显著硬性，随着时效温度和时效时间的延长，铝合金的导电率增加，合金的导电率随时效温度的升高而升高，这是由于随着时效温度的升高和时间的延长，空位和溶质原子的扩散加快，沉淀相不断从基体中析出并长大，弥散度不断减少，沉淀相与基体的共格关系不断减弱，从而使基体点阵内的晶格歪扭程度不断降低，基体点阵中电子散射源的数量和密度不断减少，导电电子的自由程增加，从而使导电率增加，铝合金的时效处理将改变其内部组织，合金强度和导电率与合金的时效制度有一定的对应关系，随着时效过程的进行（温度升高或时间延长），淬火得到的过饱和固溶体将逐步析出溶质原子，使合金的晶格畸变程度减少，内应力降低，从而使电子运动变得容易，此时合金的电导率和强度逐步增大，当时效的温度越高，时间越长，强化相析出越充分，合金的导电率越高，但强度开始下降。
化学元素是影响铝合金导电性能的主要原因，其影响取决与元素的加入量和存在形式，与化学元素本身导电性能无关，在铝合金的各种元素中，除少量以单质存在外，其余都将进入铝的晶格或形成各类化合物，影响铝合金的相图、基本组织、凝固过程、工艺性能等，加入合金也会影响晶粒的大小，增大晶界面积形成杂质等，因而化学元素对铝基合金电导率的影响，大多可通过最终形成的组织表现出来，一般来说，合金元素影响基体组织和纯净度不利于导电。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种低电阻率高强度的铝合金导电管，其特征在于，其质量百分比组成如下：Si：0.50—0.55%，Fe：0.15%，Cu：0.01%，Mn：0.01%，Mg：0.52—0.58%，Cr：0.01%，Zn：0.01%，Ti：0.02%，Zr≤0.05%，混合稀土Re≤0.05%，Pb＜0.01%，B≤0.05%，V≤0.05%，其余为Al，总量为100%。
2.根据权利要求1所述的一种低电阻率高强度的铝合金导电管，其特征在于，所述Zr、Re、Pb、B和V的总含量要≤0.15%。
3.根据权利要求1所述的一种低电阻率高强度的铝合金导电管，其特征在于，所述Mn、V、Cr和Ti的总含量低于0.012%时，所述B的添加量为0，所述Mn、V、Cr和Ti的总含量超过0.012%时，所述B的添加量为所述Mn、V、Cr和Ti与B形成的硼化合物所需B的化学计量数的1.25-1.5倍即可。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种低电阻率高强度的铝合金导电管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤；
步骤一、按照上述各组分质量百分比称取除Ti和Re以外原料；
步骤二、将步骤一中的原料置于炉膛中加热至750℃以上，待完全融化后，静置15-20min后得到铝液混合物；
步骤三、将步骤二中的铝液混合物的温度降至700℃时，将四氯乙烷与混合稀土Re按照质量比为1:1加入炉膛内的铝液混合物中，精炼；
步骤四、步骤三中精炼操作结束后静置20min，扒渣后，在铸造设备前端的溜槽中加入Ti，然后采用同水平热顶铸造法，将上述铝液铸造挤压成铝棒；
步骤五、将步骤四中得到的铝棒进行均匀化处理，控制温度在510-520℃，保温10h，用常温水冷却1-5min后再炉内强风冷却，得到均匀化后的铝棒；
步骤六、按照常规挤压工艺将挤压筒、挤压模具加热并保温；
步骤七、将步骤五中均匀化后的铝棒采用阶梯式加热方式进行铝棒加热处理，铝棒头端温度加热至510-515℃，尾端温度加热至520-525℃，加热时间为5-8min；
步骤八、待步骤七中加热过后的铝棒进行全部分阶梯加热后，进行挤压成型，挤压过程中，最大挤压力为60MN，正常挤压力为50MN，经10s达到最大挤压力后下降，挤压力达到25MN时进行排气动作，得到外径为210mm，壁厚为5mm的铝合金导电管；
步骤九、在铝合金导电管挤压成型过程中，利用在线热淬火设备，对高温热挤压型材进行水冷淬火冷却，淬火过程中，保证淬火温度520-530℃，经由10m水冷淬火通道进行淬火冷却；
步骤十、在淬火后的铝合金导电管温度低于50℃时，进行拉伸，拉伸率0.8-1.0%，并将拉伸后的铝合金导电管按一定长度锯切装筐；
步骤十一、规定时间内，将装筐的铝合金导电管推进时效炉，在220℃下进行时效3h；
步骤十二、时效完成后，将铝合金导电管推出时效炉，采用强风冷却至80℃以下，自然冷却至室温即可。
5.根据权利要求4所述的一种低电阻率高强度的铝合金导电管的制造方法，其特征在于，在步骤八中，开始挤压时，前200mm长度速度不宜过快，一般挤压速度为0.2-0.4mm/s，而后制品完全从模具中挤出时，可均匀提速至最大速度，保证制品速度为2-2.5m/min。
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