CN112453333A - 一种高锆铝合金线坯制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高锆铝合金线坯的制备方法，属于材料制备领域。本发明所述方法：在汇聚型惰性气流约束下，熔液流入挤压轮槽，并在挤压轮槽内向两侧流动；轮槽内的熔液在轮槽上方气孔喷出的惰性气体的作用下，沿轮槽铺展开来，熔液表面快速凝固；呈半固态的合金坯料随轮槽向模腔运动，在堵头处受阻后开始在轮槽内堆积，当坯料充满堵头前的挤压型腔时，剩余液相与液氮冷却的模腔接触，快速凝固为固相；固态坯料在挤压轮槽侧边摩擦力的推动下，转入进料孔，并从模具中挤出形成合金杆。本发明可实现高锆铝合金线坯的连续制备，产品性能好，工艺流程短，生产效率高，且模腔模具使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及一种高锆铝合金线坯制备方法，属于材料制备领域。
背景技术
耐热铝合金导线的允许使用温度(150℃)明显高于普通硬铝线(90℃)，在不改变铁塔高度和线路走廊的情况下，仅用耐热导线替换普通硬铝线，便可使线路容量增加60％以上，经济效益和社会效益十分显著。
Al-Zr合金很适合用于制备耐热铝合金导线，其主要优点如下：(1)合金中细小弥散的Al3Zr(L12)相可钉扎位错以提高合金强度，同时可阻止亚晶界的迁移与合并以提高合金的再结晶温度；(2)Al3Zr(L12)相与基体间具有良好的共格关系(失配率仅为0.8％)，可减小界面能、降低第二相粗化的驱动力，使其具有高温稳定性；(3)平衡状态下，Zr在Al基体中的固溶度极低，如400℃时，其固溶度仅为0.0005at.％，这不仅有利于进行热处理强化，而且有助于延缓弥散相的粗化，同时对合金导电率的提升也十分有益；(4)Zr在Al基体中的扩散速率很低，如400℃时，其扩散系数仅为1.2×10-20m2/s，有利于抑制弥散相的粗化，使其在高温下仍可有效阻碍位错运动；(5)价格低廉，利于工业化应用。因此，自上世纪五十年代以来，该系列合金已引起众多研究者的关注。
Al-Zr合金的主要问题在于平衡凝固时可固溶于铝基体中的Zr元素含量较低，由Al-Zr二元合金相图可知，Zr在α-Al中的最大固溶度仅为0.28wt.％，在采用常规铸造、连铸连轧、连续铸挤等技术制备合金时，Zr的添加量会受到限制，这制约了合金强度水平的进一步提升；因此，为研发强度更高的耐热铝导线，急需探索高锆铝合金线坯的制备新技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高锆铝合金线坯的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将高锆铝合金熔液在感应炉1内熔炼后倒入中间包2，惰性气体喷射装置4喷射出汇聚型惰性气体，汇聚型惰性气体流约束熔液从中间包2下方的导流管3流入挤压轮槽6，并在挤压轮槽6内向两侧流动。
(2)挤压轮槽6内的熔液在挤压轮槽6在惰性气体喷射装置4喷出的惰性气体的作用下，沿挤压轮槽6铺展开来，在上有惰性气体的对流传热，下有挤压轮槽的传导传热，在双重传热作用下熔液表面开始快速凝固。
(3)呈半固态的合金坯料随挤压轮槽6向模腔7运动，在堵头处受阻后开始在挤压轮槽6内堆积，当坯料充满堵头前的挤压型腔时，剩余液相与液氮冷却的模腔7接触，快速凝固为固相；固态坯料在挤压轮槽6侧边摩擦力的推动下，转入进料孔，并从模具8中挤出形成高锆铝合金杆；高锆铝合金杆经人工时效后得到高锆铝合金线坯。
优选的，本发明步骤1中所述感应熔炼炉1位于中间包2的斜上方，便于合金熔液的倾倒转移；中间包2下的导流管3从惰性气体喷射装置4中的圆孔11穿过，导流管出口正对挤压轮槽6的最高点。
优选的，本发明所述导流管3内径为3-6mm。
优选的，本发明所述惰性气体喷射装置4底面上设有多个倾斜气孔12和多排竖直气孔13，倾斜气孔12均匀分布在圆孔11周围，各个气孔轴线延长线交于一点，交点距惰性气体喷射装置4底面的距离为20-50mm；竖直气孔13在圆孔11左右两侧对称分布，竖直气孔13正对挤压轮槽。
优选的，本发明所述倾斜气孔12和竖直气孔13的直径为0.5-2.0mm。
优选的，本发明所述惰性气体喷射装置4下端距轮槽距离为20-50mm，保证倾斜气孔12轴线延长线的交点位于挤压轮槽内。
本发明的原理是：高锆铝合金熔液在感应炉1内熔炼后，倒入有保温功能的中间包2，在倾斜气孔12喷出的汇聚型惰性气流的保护和约束下，熔液从中间包2下方的导流管3流入挤压轮槽6，并在挤压轮槽6内向两侧流动；挤压轮槽6的熔液在轮槽上方竖直气孔13喷出的惰性气体的作用下，沿挤压轮槽6铺展开来，在上有对流传热(竖直气孔13喷出的惰性气体)，下有传导传热(挤压轮槽6)的双重作用下，熔液表面开始快速凝固；呈半固态的合金坯料随挤压轮槽6向模腔运动，在堵头处受阻后开始在挤压轮槽6内堆积，当坯料充满堵头前由挤压轮槽6和模腔7表面构成的挤压型腔时，剩余液相与由液氮冷却的模腔7接触，快速凝固为固相；固态坯料在挤压轮槽侧边摩擦力的推动下，转入进料孔，并从模具8中挤出，形成合金杆9。
本发明的有益效果：
(1)本发明联合使用三种方式快速导出高锆铝合金熔液的凝固潜热，可实现快速凝固，获得Zr在α-Al中的过饱和固溶体，人工时效后可形成大量析出相，提升合金强度：①挤压轮槽上方多个气孔喷出的惰性气体可对合金熔液实现对流传热；②挤压轮内设有冷却水通道，与熔液接触的挤压轮槽可通过冷却水将其热量导出；③模腔上设有液氮冷却通道，与熔液接触的模腔又可通过液氮气化吸热将热量导出，实现传导传热。此外，合金熔液自从导流管流出直至凝固完成都在惰性气氛保护下，可避免氧化，提升合金品质。
(2)本发明采用带有导流管的中间包喂料，只要中间包内液面高度保持在一定水平，供料便可连续稳定，调节好惰性气体、冷却水和液氮流量，便可获得恒定的凝固速率，进而获得均匀的微观组织和稳定的性能。
(3)本发明充分利用了挤压轮槽的长度，即合金熔液从挤压轮槽的最高点流入并向两边铺展，不仅气体与熔液间的接触面积较大，增强了对流传热，而且熔液与挤压轮槽间的接触面积也较大，同时也增强了传导传热，提升了熔液凝固速度；此外，带有液氮冷却的模腔进一步提高了相变潜热的导出速度，因此本发明生产效率较高。
(4)本发明所述模腔上的堵头、槽封块及模具长期处于高温高压高摩擦环境，工况十分恶劣；本发明采用液氮对模腔内的关键部件进行冷却，可明显降低其工作温度，提升承载能力并改善耐磨性，使用寿命显著提高。
附图说明
图1为高锆铝合金线坯制备装置示意图；
图2为惰性气体喷射装置4下底面的平面示意图。
图中：1-感应熔炼炉；2-中间包；3-导流管；4-惰性气体喷射装置；5-挤压轮；6-挤压轮槽；7-模腔；8-模具；9-合金杆；10-液氮冷却通道；11-圆孔；12-倾斜气孔；13-竖直气孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例所用装置如图1所示，该装置主要包括感应熔炼炉1、中间包2、导流管3、惰性气体喷射装置4、挤压轮5(带冷却水通道)、挤压轮槽6、模腔7(带液氮冷却通道10)、模具8；其中，感应熔炼炉1位于中间包2的斜上方，便于合金熔液的倾倒转移；中间包2下的导流管3从惰性气体喷射装置4中的圆孔11穿过，导流管内径为3mm，导流管出口正对挤压轮槽6的最高点；惰性气体喷射装置4底面上有形成汇聚型惰性气流的倾斜气孔12，倾斜气孔12均匀分布在圆孔11周围，各个倾斜气孔12轴线延长线交于一点，交点距惰性气体喷射装置4底面的距离为50mm，倾斜气孔12直径为1.0mm；惰性气体喷射装置4底面上有多排竖直气孔13，竖直气孔13在圆孔11左右两侧对称分布，竖直气孔13正对挤压轮槽，竖直气孔13直径为1.0mm；惰性气体喷射装置4下端距轮槽距离为50mm，保证倾斜气孔12轴线延长线的交点位于挤压轮槽内。
本实施例以Al-0.8wt.％Zr合金线坯为例，结合装置对本发明所述方法进一步详细说明，方法如下：
铝锆合金熔液在感应炉1内熔炼，当过热度达到100-150℃时，倒入已经预热的中间包2；在倾斜气孔12喷出的汇聚型惰性气流(气压为0.15MPa)保护和约束下，熔液从中间包下方的导流管3流入挤压轮槽6，并在挤压轮槽内向两侧流动；轮槽内的熔液在轮槽上方气孔13喷出的惰性气体(气压为0.15MPa)的作用下，沿轮槽铺展开来并开始凝固；呈半固态的合金坯料随轮槽向模腔运动，在堵头处受阻后开始在轮槽内堆积，当坯料充满堵头前的挤压型腔(由挤压轮槽6和模腔7表面构成)时，剩余液相与液氮冷却的模腔7接触，快速凝固为固相；固态坯料在挤压轮槽侧边摩擦力的推动下，转入进料孔，并从模具8中挤出，形成合金杆9；合金杆经人工时效后得到高锆铝合金线坯，线坯抗拉强度为300MPa，导电率为60％IACS。
实施例2
本实施例所用装置如图1所示，该装置主要包括感应熔炼炉1、中间包2、导流管3、惰性气体喷射装置4、挤压轮5(带冷却水通道)、挤压轮槽6、模腔7(带液氮冷却通道10)、模具8；其中，感应熔炼炉1位于中间包2的斜上方，便于合金熔液的倾倒转移；中间包2下的导流管3从惰性气体喷射装置4中的圆孔11穿过，导流管内径为6mm，导流管出口正对挤压轮槽6的最高点；惰性气体喷射装置4底面上有形成汇聚型惰性气流的倾斜气孔12，倾斜气孔12均匀分布在圆孔11周围，各个倾斜气孔12轴线延长线交于一点，交点距惰性气体喷射装置4底面的距离为20mm，倾斜气孔12直径为0.5mm；惰性气体喷射装置4底面上有多排竖直气孔13，竖直气孔13在圆孔11左右两侧对称分布，竖直气孔13正对挤压轮槽，竖直气孔13直径为0.5mm；惰性气体喷射装置4下端距轮槽距离为20mm，保证倾斜气孔12轴线延长线的交点位于挤压轮槽内。
本实施例以Al-0.9wt.％Zr合金线坯为例，结合装置对所述方法进一步详细说明，方法如下：
合金熔液在感应炉1内熔炼，当过热度达到80-120℃时，倒入已经预热的中间包2；在倾斜气孔12喷出的汇聚型惰性气流(气压为0.2MPa)保护和约束下，熔液从中间包下方的导流管3流入挤压轮槽6，并在挤压轮槽6内向两侧流动；挤压轮槽6内的熔液在轮槽上方竖直气孔13喷出的惰性气体(气压为0.2MPa)的作用下，沿挤压轮槽6铺展开来并开始凝固；呈半固态的合金坯料随挤压轮槽6向模腔运动，在堵头处受阻后开始在挤压轮槽6内堆积，当坯料充满堵头前的挤压型腔(由挤压轮槽6和模腔7表面构成)时，剩余液相与液氮冷却的模腔7接触，快速凝固为固相；固态坯料在挤压轮槽6侧边摩擦力的推动下，转入进料孔，并从模具8中挤出，形成合金杆9；合金杆经人工时效后得到高锆铝合金线坯，线坯抗拉强度为320MPa，导电率为59％IACS。
实施例3
本实施例所用装置如图1所示，该装置主要包括感应熔炼炉1、中间包2、导流管3、惰性气体喷射装置4、挤压轮5(带冷却水通道)、挤压轮槽6、模腔7(带液氮冷却通道10)、模具8；其中，感应熔炼炉1位于中间包2的斜上方，便于合金熔液的倾倒转移；中间包2下的导流管3从惰性气体喷射装置4中的圆孔11穿过，导流管内径为4mm，导流管出口正对挤压轮槽6的最高点；惰性气体喷射装置4底面上有形成汇聚型惰性气流的倾斜气孔12，倾斜气孔12均匀分布在圆孔11周围，各个倾斜气孔12轴线延长线交于一点，交点距惰性气体喷射装置4底面的距离为30mm，倾斜气孔12直径为2.0mm；惰性气体喷射装置4底面上有多排竖直气孔13，竖直气孔13在圆孔11左右两侧对称分布，竖直气孔13正对挤压轮槽，气孔直径为2.0mm；惰性气体喷射装置4下端距轮槽距离为30mm，保证倾斜气孔12轴线延长线的交点位于挤压轮槽6内。
本实施例以Al-1.0wt.％Zr合金线坯为例，结合装置对本发明所述方法进一步详细说明，方法如下：
合金熔液在感应炉1内熔炼，当过热度达到90-120℃时，倒入已经预热的中间包2；在倾斜气孔12喷出的汇聚型惰性气流(气压为0.10MPa)保护和约束下，熔液从中间包下方的导流管3流入挤压轮槽6，并在挤压轮槽6内向两侧流动；挤压轮槽6内的熔液在挤压轮槽6上方气孔13喷出的惰性气体(气压为0.10MPa)的作用下，沿挤压轮槽6铺展开来并开始凝固；呈半固态的合金坯料随挤压轮槽6向模腔运动，在堵头处受阻后开始在挤压轮槽6内堆积，当坯料充满堵头前的挤压型腔(由挤压轮槽6和模腔7表面构成)时，剩余液相与液氮冷却的模腔7接触，快速凝固为固相；固态坯料在挤压轮槽6侧边摩擦力的推动下，转入进料孔，并从模具8中挤出，形成合金杆9；合金杆经人工时效后得到高锆铝合金线坯，线坯抗拉强度为345MPa，导电率为58％IACS。
Claims (6)
1.一种高锆铝合金线坯的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)将高锆铝合金熔液在感应炉(1)内熔炼后倒入中间包(2)，惰性气体喷射装置(4)喷射出汇聚型惰性气体，汇聚型惰性气体流约束熔液从中间包(2)下方的导流管(3)流入挤压轮槽(6)，并在挤压轮槽(6)内向两侧流动；
(2)挤压轮槽(6)内的熔液在挤压轮槽(6)在惰性气体喷射装置(4)喷出的惰性气体的作用下，沿挤压轮槽(6)铺展开来，在上有惰性气体的对流传热，下有挤压轮槽的传导传热，在双重传热作用下熔液表面开始快速凝固；
(3)呈半固态的合金坯料随挤压轮槽(6)向模腔(7)运动，在堵头处受阻后开始在挤压轮槽(6)内堆积，当坯料充满堵头前的挤压型腔时，剩余液相与液氮冷却的模腔(7)接触，快速凝固为固相；固态坯料在挤压轮槽(6)侧边摩擦力的推动下，转入进料孔，并从模具(8)中挤出形成高锆铝合金杆；高锆铝合金杆经人工时效后得到高锆铝合金线坯。
2.根据权利要求1所述高锆铝合金线坯的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述感应熔炼炉(1)位于中间包(2)的斜上方，便于合金熔液的倾倒转移；中间包(2)下的导流管(3)从惰性气体喷射装置(4)中的圆孔(11)穿过，导流管出口正对挤压轮槽(6)的最高点。
3.根据权利要求2所述高锆铝合金线坯的制备方法，其特征在于：所述导流管(3)内径为3-6mm。
4.根据权利要求1所述高锆铝合金线坯的制备方法，其特征在于：惰性气体喷射装置(4)底面上设有多个倾斜气孔(12)和多排竖直气孔(13)，倾斜气孔(12)均匀分布在圆孔(11)周围，各个倾斜气孔(12)轴线延长线交于一点，交点距惰性气体喷射装置(4)底面的距离为20-50mm；竖直气孔(13)在圆孔(11)左右两侧对称分布，竖直气孔(13)正对挤压轮槽。
5.根据权利要求4所述高锆铝合金线坯的制备方法，其特征在于：倾斜气孔(12)和竖直气孔(13)的直径为0.5-2.0mm。
6.根据权利要求4所述高锆铝合金线坯的制备方法，其特征在于：惰性气体喷射装置(4)下端距轮槽距离为20-50mm，保证倾斜气孔(12)轴线延长线的交点位于挤压轮槽内。
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