CN113637882B - 一种电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料及其制备方法，结构件材料主成分含量按重量百分比计：硅6.4‑8.2%、镁3.5‑4.6%、铁0.25‑0.45%、钛2.8‑4.2%、铬0.3‑0.9%、锆0.02‑0.06%、锶0.015‑0.025%、锰0.6‑1.0%、钴0.06‑0.15%、稀土元素0.1‑0.3%、铂0.3‑0.8%、铼0.15‑0.25%，余量为Al。本发明可提高现有电力设施用铝合金结构件的力学性能和耐腐蚀性能，进而提高其使用寿命。

Description

一种电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料及其制备方法，属于铝合金结构件技术领域。
背景技术
电力设备是由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电力生产与消费系统。它将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电力，再经输电、变电和配电将电力供应到各用户。主要包括以发电设备和供电设备两大类，发电设备主要是电站锅炉、蒸汽轮机、燃气轮机、水轮机、发电机、点动机、变压器等等，供电设备主要是各种电压等级的输电线路、互感器、接触器等等。
目前，电力设施大多采用金属材料制作而成，而金属材料中铝合金是电力设施常用的材料之一，但是电力设施用铝合金材料耐腐蚀性能不足，电力设施若是室外使用，容易受到腐蚀造成使用寿命降低。
发明内容
基于上述，本发明提供一种电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料及其制备方法，可提高电力设施用铝合金结构件的力学性能和耐腐蚀性能，进而提高其使用寿命，以克服现有技术的不足。
本发明的技术方案是：一种电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料，主成分含量按重量百分比计：硅6.4-8.2％、镁3.5-4.6％、铁0.25-0.45％、钛2.8-4.2％、铬0.3-0.9％、锆0.02-0.06％、锶0.015-0.025％、锰0.6-1.0％、钴0.06-0.15％、稀土元素0.1-0.3％、铂0.3-0.8％、铼0.15-0.25％，余量为Al。
优选的，主成分含量按重量百分比计：硅7-7.6％、镁3.8-4.2％、铁0.3-0.4％、钛3.2-3.8％、铬0.5-0.7％、锆0.03-0.05％、锶0.018-0.022％、锰0.7-0.9％、钴0.09-0.12％、稀土元素0.15-0.25％、铂0.5-0.6％、铼0.18-0.22％，余量为Al。
优选的，主成分含量按重量百分比计：硅7.3％、镁4％、铁0.35％、钛3.5％、铬0.6％、锆0.04％、锶0.02％、锰0.8％、钴0.11％、稀土元素0.2％、铂0.55％、铼0.2％，余量为Al。
优选的，所述稀土元素为钐和铈的混合物，所述钐和铈的重量比为1：1.2-1.8。
本发明还提供一种所述的电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，在前述重量百分比范围内，选定一组物质组合，确定重量比，推算出每种物料的重量，其中，所述硅、镁、铁、钛、铬、锆、锶、锰、钴、稀土元素、铂、铼和铝分别通过金属硅、铝镁中间合金、铝铁中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金、铝锰中间合金、铝钴中间合金、稀土元素粉、铂锭、铝铼中间合金和铝锭的方式添加；
步骤二，将步骤一中称取的铝锭放入熔炼炉中，在760-780℃下加热熔化，然后加入铝镁中间合金、铝铁中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金、铝锰中间合金、铝钴中间合金、铂锭和铝铼中间合金继续加热熔融形成第一熔融金属液，然后加入稀土元素粉，升温至1100-1180℃将稀土元素粉熔化得到第二熔融金属液；
步骤三，通过氮气将精炼剂吹入至第二熔融金属液液面预定位置处进行精炼，精炼后静置20-25min进行扒渣撇去熔液面上表面的浮渣，然后将第二熔融金属液降温至770-780℃，将金属硅加入到第二熔融金属液中，待金属硅全部熔化后，通过氮气将精炼剂吹入至熔液面预定位置处进行精炼，精炼后静置18-25min进行扒渣撇去熔液面上表面的浮渣，得到铝合金金属液；
步骤四，对铝合金金属液的成分进行检测，根据检测结果进行补料，使得铝合金金属液的成分符合原料配比，然后将得到的铝合金金属液浇注到电力设施结构件成型模具中，浇注完成后进行冷却成型，然后进行固溶处理和均质化处理后得到电力设施用铝合金耐腐蚀结构件。
优选的，所述步骤二中铝镁中间合金、铝铁中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金、铝锰中间合金、铝钴中间合金、铂锭和铝铼中间合金加入第一熔融金属液前先进行预热，预热温度为200-260℃。
优选的，所述步骤二中第一熔融金属液升温时的升温速率为18-25℃/min，所述步骤三中第二熔融金属液的降温速率为20-28℃/min。
优选的，所述步骤三中精炼剂由以下重量份的组分组成：硝酸钠18-25份、氟钛酸钾5-12份、氯化钾33-42份、氯化锌15-20份、硫酸钠3-8份、五氯化磷10-15份、氟硼酸钠12-18份、氟化铝8-14份、木炭粉10-15份、碳酸钠5-10份。
优选的，所述步骤四中固溶处理时将铝合金耐腐蚀结构件加热至550-580℃条件下进行保温6-8h，固溶处理完成冷却至室温，均质化处理时均温度为480-530℃，处理时间为4-6h。
本发明的有益效果是：采用本发明的原料配方所制备出的电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料，在铝镁合金中添加有硅、钛、铬、锆、锶、锰、钴、稀土元素、铂和铼，硅能够在铝镁合金中形成强化相，能够提高铝合金的强度，钛与铝能够形成TiA l2相，起到细化铸造组织和焊缝组织的作用，通过添加铬能够有效提高铝合金的硬度、强度、韧性和耐腐蚀性；锆能够与铝形成ZrAl3化合物，能够阻碍铝合金内部再结晶过程，细化再结晶晶粒，能够有效提高铝合金的力学性能；锶能够改变铝合金内部金属间化合物相，能够减少初晶硅粒子尺寸，改善塑性加工过程，铂和铼添加剂可以提高铝合金的延展性、高温抗氧化性、易加工性、化学稳定性和耐腐蚀性，稀土元素能够起到微合金化的作用，可以在晶粒界面选择性吸附，具有细化晶粒的作用，能够有效提高铝合金的强度。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
本发明电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，在电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料重量百分比范围内，选定一组物质组合，确定重量比，推算出每种物料的重量，其中，硅、镁、铁、钛、铬、锆、锶、锰、钴、稀土元素、铂、铼和铝分别通过金属硅、铝镁中间合金、铝铁中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金、铝锰中间合金、铝钴中间合金、稀土元素粉、铂锭、铝铼中间合金和铝锭的方式添加。
步骤二，将步骤一中称取的铝锭放入熔炼炉中，在770℃下加热熔化，然后加入铝镁中间合金、铝铁中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金、铝锰中间合金、铝钴中间合金、铂锭和铝铼中间合金继续加热熔融形成第一熔融金属液，然后加入稀土元素粉，升温至1150℃将稀土元素粉熔化得到第二熔融金属液，升温速率为22℃/min。其中，铝镁中间合金、铝铁中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金、铝锰中间合金、铝钴中间合金、铂锭和铝铼中间合金加入第一熔融金属液前先进行预热，预热温度为240℃。
步骤三，通过氮气将精炼剂吹入至第二熔融金属液液面2/3处进行精炼，精炼后静置23min进行扒渣撇去熔液面上表面的浮渣，然后将第二熔融金属液降温至775℃，降温速率为24℃/min，将金属硅加入到第二熔融金属液中，待金属硅全部熔化后，通过氮气将精炼剂吹入至熔液面2/3处进行精炼，精炼后静置20min进行扒渣撇去熔液面上表面的浮渣，得到铝合金金属液。本实施例中，精炼剂由以下重量份的组分组成：硝酸钠20份、氟钛酸钾8份、氯化钾37份、氯化锌18份、硫酸钠5份、五氯化磷12份、氟硼酸钠15份、氟化铝9份、木炭粉12份、碳酸钠8份。
步骤四，对铝合金金属液的成分进行检测，根据检测结果进行补料，使得铝合金金属液的成分符合原料配比，然后将得到的铝合金金属液浇注到电力设施结构件成型模具中，浇注完成后进行冷却成型，然后进行固溶处理和均质化处理，其中，固溶处理时将铝合金耐腐蚀结构件加热至570℃条件下进行保温7h，固溶处理完成冷却至室温，均质化处理时均温度为500℃，处理时间为5h，完成后即得电力设施用铝合金耐腐蚀结构件。
实施例1：
一种电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料成分重量百分比为：硅6.4％、镁3.5％、铁0.25％、钛2.8％、铬0.3％、锆0.02％、锶0.015％、锰0.6％、钴0.06％、稀土元素0.1％、铂0.3％、铼0.15％，余量为Al和不可避免的杂质。本实施例中，稀土元素为钐和铈的混合物，其中钐和铈的重量比为1：1.5。制备方法如前所述。
实施例2：
一种电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料成分重量百分比为：硅7.3％、镁4％、铁0.35％、钛3.5％、铬0.6％、锆0.04％、锶0.02％、锰0.8％、钴0.11％、稀土元素0.2％、铂0.55％、铼0.2％，余量为Al和不可避免的杂质。本实施例中，稀土元素为钐和铈的混合物，其中钐和铈的重量比为1：1.5。制备方法如前所述。
实施例3：
一种电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料成分重量百分比为：硅8.2％、镁4.6％、铁0.45％、钛4.2％、铬0.9％、锆0.06％、锶0.025％、锰1.0％、钴0.15％、稀土元素0.3％、铂0.8％、铼0.25％，余量为Al和不可避免的杂质。本实施例中，稀土元素为钐和铈的混合物，其中钐和铈的重量比为1：1.5。制备方法如前所述。
实施例4：
一种电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料成分重量百分比为：硅6.4％、镁3.5％、铁0.25％、钛2.8％、铬0.3％、锆0.02％、锶0.015％、锰0.6％、钴0.06％、铂0.3％、铼0.15％，余量为Al和不可避免的杂质。制备方法如前所述。
实施例5：
一种电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料成分重量百分比为：硅6.4％、镁3.5％、铁0.25％、钛2.8％、铬0.3％、锆0.02％、锶0.015％、锰0.6％、钴0.06％、稀土元素0.1％、铼0.15％，余量为Al和不可避免的杂质。制备方法如前所述。
实施例6：
一种电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料成分重量百分比为：硅6.4％、镁3.5％、铁0.25％、钛2.8％、铬0.3％、锆0.02％、锶0.015％、锰0.6％、钴0.06％、稀土元素0.1％、铂0.3％、铼0.15％，余量为Al和不可避免的杂质。本实施例中，稀土元素为钐和铈的混合物，其中钐和铈的重量比为1：1.5。制备方法如前所述，但不同之处在于，将得到的铝合金金属液浇注到电力设施结构件成型模具中，浇注完成后进行冷却成型即得到电力设施用铝合金耐腐蚀结构件，即本制备方法无固溶处理和均质化处理。
取上述实施例1-6所制得的电力设施用铝合金结构件分别作为实验组1、实验组2、实验组3、实验组4、实验组5和实验组6，采用市售电力设施铝合金结构件作为对照组，对选取的铝合金结构件力学性能以及不同条件下耐腐蚀效果，力学性能测试时包括屈服强度(MPa)、拉伸强度(MPa)和延伸率(％)，而耐腐蚀测试时将铝合金结构件样品(1mm*10mm*120mm)薄片放入10％氢氧化钠和10％盐酸溶液中浸泡100h，然后测量样品薄片减少的重量(g)，测试结果如表1：
表1测试结果
Figure BDA0003210954720000051
Figure BDA0003210954720000061
由表1可知，采用本发明生产的电力设施铝合金结构件相比较传统的铝合金结构件，力学性能和耐腐蚀效果显著提高，实施例4和实施例5分别去掉原料中的稀土元素和铂，与实施例1相比，力学性能和耐腐蚀效果降低，而实施例6未经过固溶处理和均质化处理，其力学性能和耐腐蚀性能显著降低。本发明在铝镁合金中添加有硅、钛、铬、锆、锶、锰、钴、稀土元素、铂和铼，硅能够在铝镁合金中形成强化相，能够提高铝合金的强度，钛与铝能够形成TiA l2相，起到细化铸造组织和焊缝组织的作用，通过添加铬能够有效提高铝合金的硬度、强度、韧性和耐腐蚀性；锆能够与铝形成ZrAl3化合物，能够阻碍铝合金内部再结晶过程，细化再结晶晶粒，能够有效提高铝合金的力学性能；锶能够改变铝合金内部金属间化合物相，能够减少初晶硅粒子尺寸，改善塑性加工过程，铂和铼添加剂可以提高铝合金的延展性、高温抗氧化性、易加工性、化学稳定性和耐腐蚀性，稀土元素能够起到微合金化的作用，可以在晶粒界面选择性吸附，具有细化晶粒的作用，能够有效提高铝合金的强度。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料，其特征在于，主成分含量按重量百分比计：硅6.4-8.2％、镁3.5-4.6％、铁0.25-0.45％、钛2.8-4.2％、铬0.3-0.9％、锆0.02-0.06％、锶0.015-0.025％、锰0.6-1.0％、钴0.06-0.15％、稀土元素0.1-0.3％、铂0.3-0.8％、铼0.15-0.25％，余量为Al；
所述电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一，在前述重量百分比范围内，选定一组物质组合，确定重量比，推算出每种物料的重量，其中，所述硅、镁、铁、钛、铬、锆、锶、锰、钴、稀土元素、铂、铼和铝分别通过金属硅、铝镁中间合金、铝铁中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金、铝锰中间合金、铝钴中间合金、稀土元素粉、铂锭、铝铼中间合金和铝锭的方式添加；
步骤二，将步骤一中称取的铝锭放入熔炼炉中，在760-780℃下加热熔化，然后加入铝镁中间合金、铝铁中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金、铝锰中间合金、铝钴中间合金、铂锭和铝铼中间合金继续加热熔融形成第一熔融金属液，然后加入稀土元素粉，升温至1100-1180℃将稀土元素粉熔化得到第二熔融金属液；
步骤三，通过氮气将精炼剂吹入至第二熔融金属液液面预定位置处进行精炼，精炼后静置20-25min进行扒渣撇去熔液面上表面的浮渣，然后将第二熔融金属液降温至770-780℃，将金属硅加入到第二熔融金属液中，待金属硅全部熔化后，通过氮气将精炼剂吹入至熔液面预定位置处进行精炼，精炼后静置18-25min进行扒渣撇去熔液面上表面的浮渣，得到铝合金金属液；
步骤四，对铝合金金属液的成分进行检测，根据检测结果进行补料，使得铝合金金属液的成分符合原料配比，然后将得到的铝合金金属液浇注到电力设施结构件成型模具中，浇注完成后进行冷却成型，然后进行固溶处理和均质化处理后得到电力设施用铝合金耐腐蚀结构件。
2.根据权利要求1所述的电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料，其特征在于，主成分含量按重量百分比计：硅7-7.6％、镁3.8-4.2％、铁0.3-0.4％、钛3.2-3.8％、铬0.5-0.7％、锆0.03-0.05％、锶0.018-0.022％、锰0.7-0.9％、钴0.09-0.12％、稀土元素0.15-0.25％、铂0.5-0.6％、铼0.18-0.22％，余量为Al。
3.根据权利要求2所述的电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料，其特征在于，主成分含量按重量百分比计：硅7.3％、镁4％、铁0.35％、钛3.5％、铬0.6％、锆0.04％、锶0.02％、锰0.8％、钴0.11％、稀土元素0.2％、铂0.55％、铼0.2％，余量为Al。
4.根据权利要求1所述的电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料，其特征在于，所述稀土元素为钐和铈的混合物，所述钐和铈的重量比为1：1.2-1.8。
5.根据权利要求1所述的电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料，其特征在于，所述步骤二中铝镁中间合金、铝铁中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金、铝锰中间合金、铝钴中间合金、铂锭和铝铼中间合金加入第一熔融金属液前先进行预热，预热温度为200-260℃。
6.根据权利要求1所述的电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料，其特征在于，所述步骤二中第一熔融金属液升温时的升温速率为18-25℃/min，所述步骤三中第二熔融金属液的降温速率为20-28℃/min。
7.根据权利要求1所述的电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料，其特征在于，所述步骤三中精炼剂由以下重量份的组分组成：硝酸钠18-25份、氟钛酸钾5-12份、氯化钾33-42份、氯化锌15-20份、硫酸钠3-8份、五氯化磷10-15份、氟硼酸钠12-18份、氟化铝8-14份、木炭粉10-15份、碳酸钠5-10份。
8.根据权利要求1所述的电力设施用铝合金耐腐蚀结构件材料，其特征在于，所述步骤四中固溶处理时将铝合金耐腐蚀结构件加热至550-580℃条件下进行保温6-8h，固溶处理完成冷却至室温，均质化处理时均温度为480-530℃，处理时间为4-6h。
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