CN113652583B - 高强高导抗晶间腐蚀铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强高导抗晶间腐蚀铝合金，包含如下的组分：Si 0.50～0.55wt％，Fe0.24～0.26wt％，Mn 0.00001～0.001wt％，Mg 0.62～0.66wt％，Cr≤0.001wt％，V≤0.001wt％，Ti 0.008～0.015wt％，Be 0.008～0.01wt％，Y 0.01～0.02wt％，以及余量的Al。本发明还公开了所述高强高导抗晶间腐蚀铝合金的制备方法。本发明的高强高导抗晶间腐蚀铝合金，抗拉强度可达320‑350MPa，导电率能够达到55IACS。

Description

高强高导抗晶间腐蚀铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金技术领域，具体涉及一种高强高导抗晶间腐蚀铝合金及其制备方法。
背景技术
目前架空导线用铝合金主要使用6XXX系Al-Mg-Si系铝合金材料，该系铝合金是可热处理型铝合金，具有比强度高、密度低、导电性能好等优点。铝合金导线的性能主要受合金元素、加工工艺及其热处理工艺等方面影响。由于材料配方及制造工艺及后续加工方式的不同，目前用于架空导线的6201铝合金材料的抗拉强度偏低，抗拉强度在320MPa以下，导电率在52.5IACS以下，在使用过程中发生的晶间腐蚀使得导线的使用寿命受限。因此，有必要提供一种抗拉强度高、导电率好，同时抗晶间腐蚀性能好的铝合金。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够提高6系铝合金抗拉强度、电导率以及抗晶间腐蚀性能的高强高导抗晶间腐蚀铝合金。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提供了一种高强高导抗晶间腐蚀铝合金，包含如下的组分：Si 0.50～0.55wt％，Fe 0.24～0.26wt％，Mn 0.00001～0.001wt％，Mg 0.62～0.66wt％，Cr≤0.001wt％，V≤0.001wt％，Ti 0.008～0.015wt％，Be 0.008～0.01wt％，Y 0.01～0.02wt％，以及余量的Al。
发明人经过研究发现，向铝合金中加入金属钇(Y)，Y会与铝合金中的硅元素能够形成YSi、YSi2等金属间化合物，改善铝基体中过剩硅的固溶分布，从而提高了铝合金的导电率。但是，钇与铝之间也能够形成金属间化合物Y2Al，这种Y2Al会降低铝基体的导电率。为了解决这一问题，发明人向铝合金中添加了铍(Be)元素，Be可以提高铝合金表面抗氧化和抗腐蚀的性能，并且能够使得脆性的铁形成金属间化合物的针状晶粒结构转变为等轴晶粒；同时Be能够降低钇与铝基体的反应，从而使得在提高导电率的同时提升材料的抗晶间腐蚀性能。因此，本发明通过向铝合金中添加适量的Be元素和Y元素，可以起到提高导电率，使晶粒细化及提高抗腐蚀性能的作用。
本发明中，所述铝合金中的镁/硅比优选为1.20-1.24。铝合金中的镁/硅比处于这一范围，在制备过程中能够形成大量的Mg2Si质点以及过剩Si细化的Mg2Si质点，从而有利于提高材料的抗拉强度。
本发明还提供了所述的高强高导抗晶间腐蚀铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1.将配方量的铝源投入熔化炉中熔化，再添加铝硼合金以除去铝液中的钒；接着，对铝液进行精炼、静置；
S2.将静置后的铝液转入保温炉中，向保温炉中加入配方量的中间合金，搅拌，形成均一的铝液；接着，对铝液进行取样检测，确认各元素含量是否达到目标值；若铝液成分未达到目标值，对铝液进行调整，再取样分析；若达到目标值时，对铝液再次进行精炼，接着静置后进行扒渣，再继续静置；
S3.将静置后的铝液进行连续浇铸得到铸坯，浇铸温度控制在680-700℃；
S4.对浇铸得到的铸坯进行连续轧制得到铝杆，入轧的温度控制为480-570℃，且每炉次的进轧温度波动≤30℃；轧制结束后，进行淬火处理；
S5.将轧制的铝杆进行冷拉拔，得到单丝；
S6.对所述单丝进行时效热处理，即得到所述高强高导抗晶间腐蚀铝合金。
进一步地，步骤S1中，所述铝源为99.80％铝锭。
进一步地，步骤S1中，铝液熔化后，按照5-10kg/T的量向熔化炉中投入铝硼合金。
进一步地，步骤S1中，所述精炼具体为：将铝液温度升至730±10℃，按照铝液重量的0.08-0.12％向熔化炉中加入精炼剂，并使用99.999％的氩气进行精炼，精炼时间为20-30分钟。
进一步地，步骤S1中，为保证精炼的效果，要求吹粉时间为15-20分钟。
进一步地，步骤S1中，所述静置的时间为2-3小时，保证铝液中的杂质元素有充分的时间上浮和下沉分离。
进一步地，步骤S2中，向保温炉中加入中间合金(铝铁20％，铝硅20％，镁锭100％，铝铜50％，铝铍3％，铝钇10％，铝钛10％)后，开启电磁搅拌，搅拌30-35分钟，静置30-35分钟后取样检测成分。
进一步地，步骤S2中，所述精炼具体为：按照铝液重量的0.2-0.4％向保温炉中加入精炼剂，使用99.999％的氩气进行精炼，精炼时间为40-45分钟。
进一步地，步骤S2中，精炼结束后，静置30-35分钟再进行扒渣；扒渣结束后，继续静置2-3小时。
进一步地，步骤S2中，所述精炼剂为颗粒除钠精炼剂，这种精炼剂有利于降低熔体中的杂质含量。
进一步地，步骤S3中，精炼静置后的铝合金熔体使用倾动方式放出，在进行过滤、除气及细化处理后进行连续浇铸。优选地，过滤采用60目陶瓷过滤板，除气采用纯度大于99.999％氩气，细化处理采用铝钛硼丝。
进一步地，步骤S3中，采用水平浇铸的方式进行浇铸，浇铸时控制结晶轮的速度为5.0-7.0t/h，冷却温度为25-35℃，冷却水压力为350-400MPa，控制从结晶轮出来到引桥上的铸坯温度为400-460℃。
进一步地，步骤S4中，采用轧制和铸造连续进行，目的是充分利用铸造材料的热量；然后使用加热器进行二次在线加热，保证进轧前铸坯的温度为480-570℃。每炉次的进轧温度波动不能超过30℃，目的是保证铸坯具有足够的塑性，极大的降低了制造成本，提高了生产效率。
本发明步骤S4中，连铸连轧时，采用高温进轧+快速降温淬火的方式，保证了Mg2Si及过剩的Si充分固溶。进一步地，步骤S4中，所述淬火处理具体为：将轧制变形后的铝杆浸入冷水中快速降温，使铝杆在5秒内将温度从300-400℃降低至120℃以下。
进一步地，其特征在于，步骤S6中，所述时效工艺为：以80-100℃/h的升温速率升温至130-160℃，然后保温30-40小时，接着以100-150℃/h的冷却速率冷却至室温。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明的高强高导抗晶间腐蚀铝合金，通过向铝基体中加入0.01～0.02wt％的金属钇和0.008～0.01wt％的金属铍，不仅能够起到提高导电率的作用，而且能够使晶粒细化，提高铝合金的抗腐蚀性能。
2.本发明的高强高导抗晶间腐蚀铝合金，通过控制铝合金中的镁/硅比为1.20-1.24，从而能够在铝合金中形成大量的Mg2Si质点及过剩Si细化Mg2Si质点，有利于提高铝合金的抗拉强度。
3.本发明的高强高导抗晶间腐蚀铝合金的制备工艺中，通过熔化炉和保温炉双精炼和长时间的双级静置，提高了熔体的纯净度，降低了铝合金中的杂质含量，有利于提高铝合金的综合性能。
4.本发明的高强高导抗晶间腐蚀铝合金的制备工艺中，在连铸连轧时，采用高温进轧+快速降温淬火的方式，保证了铝合金中的Mg2Si及过剩Si充分固溶，从而有利于提高铝合金的抗拉强度。
5.本发明的高强高导抗晶间腐蚀铝合金的制备工艺中，采用快速升温+长时间保温+快速降温的时效工艺，保证在保温阶段缓慢均匀析出Mg2Si强化相，有利于保证产品的稳定性。
6.本发明的高强高导抗晶间腐蚀铝合金，抗拉强度可达320-350MPa，导电率能够达到55IACS。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例
本发明提供一种高强高导抗晶间腐蚀铝合金丝，以其总重为基准，包括以下质量百分比的各组分：Si 0.50～0.55wt％；Fe 0.24～0.26wt％；Mn 0.00001～0.001wt％；Mg0.62～0.66wt％；Cr≤0.001wt％；V≤0.001wt％；Ti 0.008～0.015wt％；Be0.008～0.01wt％；Y0.01～0.02wt％，余量为Al及不可避免杂质。
本发明的高强高导抗晶间腐蚀铝合金丝的制备方法包括以下步骤：
(1)熔炼：
将99.80％铝锭投入熔化炉熔化，熔化后根据直读光谱仪检测铝液钒含量，并按照5.5kg/T(铝液重量)投入铝硼合金，除掉铝液中的钒含量。将熔化后的合金升温至734℃，按照铝液重量的0.1％加入精炼剂并使用99.999％的氩气进行精炼，精炼时间30分钟。为保证精炼效果，要求吹粉时间为17分钟。铝液精炼结束后静置2小时，保证铝液中的杂质元素有充分时间上浮和下沉分离。
(2)合金化：
将熔化炉中精炼、静置后的从液面中间部分倾倒铝液至保温炉，铝液温度为730±10℃。按照合金成分及铝液重量，通过计算确定中间合金量，加入到保温炉中，开启电磁搅拌，搅拌30分钟，静置30分钟后取样检测成分。成分合格后，按照铝液重量的0.4％往精炼罐加入颗粒精炼剂，使用99.999％氩气进行精炼，精炼时间45分钟。精炼结束后静置35分钟，将液面上的渣拔干净，静置3小时。
铝液成分如表1所示。
表1 实施例及对比例的铝液成分
Figure BDA0003209299520000051
(3)铸造：
将精炼静置后的铝合金熔体使用倾动方式放出，在进行过滤(60目陶瓷过滤板)、除气(纯度大于99.999％氩气)及细化处理(铝钛硼丝)后进行连续浇铸，浇铸温度控制在685-695℃，使从结晶轮出来到引桥上的铸坯温度为430-460℃。
(4)轧制：
采用轧制和铸造连续进行，充分利用铸造材料的热量，然后使用加热器进行二次在线加热，保证进轧前铸坯的温度为480-570℃，但是每炉次的进轧温度波动不能超过30℃，保证铸坯足够的塑性，极大的降低了制造成本和提高生产效率。轧制结束后进行淬火处理，将轧制变形后的铝杆浸入冷水中快速降温，在5秒内将温度从300-400℃降低至120℃以下。
(5)拉拔：
上述所得线径Φ9.5mm杆材冷拉拔至Φ3.55mm，拉拔时，每道次变形量不能超过20％，按照(9.5-9.05-8.12-7.28-6.54-5.88-5.29-4.77-4.31-3.90-3.55)的配模比，经过10道次联拉至
Figure BDA0003209299520000061
Figure BDA0003209299520000062
(6)时效：
将上述所得的线径
Figure BDA0003209299520000063
的单丝放入箱式烘箱里，按照升温105min(升温速率83℃/h)，保温2280min，降温60min(降温速率120℃/h)，保温温度145℃的时效工艺将其时效。
对所得到的合金丝(Φ3.55mm)进行性能测试(执行标准GB/T 1179-2017)，使用万能拉力机和数字电桥检测性能。结果显示，实施例1和2的铝合金，其抗拉强度≥320MPa，导电率≥55.5IACS，延伸率为4.5％。而对比例1的铝合金，其抗拉强度308-319MPa，导电率≥54.0IACS，延伸率为4.0％。
晶间腐蚀实验：使用腐蚀液(HNO3：HCl：HF：H2O＝20ml：20ml：10ml：50ml)，将时效后单丝放入腐蚀液中开始计时，待晶粒肉眼清晰可见停止，对比前后时间。结果显示，实施例1和2的腐蚀时间分别为：45S、48S、46S、47S、45S、48S，对比例1的腐蚀时间为：30S、31S、29s。因此，本发明的铝合金具有更好的抗晶间腐蚀特性，与不添加Be、Y元素的样品(对比例1)比，抗晶间腐蚀性能提升了约40％。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (3)

1. 一种高强高导抗晶间腐蚀铝合金，其特征在于，包含如下的组分：Si 0.50～0.55wt%，Fe 0.24~0.26wt%，Mn 0.00001～0.001wt%，Mg 0.62～0.66wt%，Cr≤0.001wt%，V≤0.001wt%，Ti 0.008～0.015 wt%，Be 0.008~0.01wt%，Y 0.01~0.02wt%，以及余量的Al；
所述高强高导抗晶间腐蚀铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1. 将配方量的铝源投入熔化炉中熔化，再添加铝硼合金以除去铝液中的钒；接着，对铝液进行精炼、静置；
S2. 将静置后的铝液转入保温炉中，向保温炉中加入配方量的中间合金，搅拌，形成均一的铝液；接着，对铝液进行取样检测，确认各元素含量是否达到目标值；若铝液成分未达到目标值，对铝液进行调整，再取样分析；若达到目标值时，对铝液再次进行精炼，接着静置后进行扒渣，再继续静置；
S3. 将扒渣后的铝液静置后，进行连续浇铸得到铸坯，浇铸温度控制在680-700℃；
S4. 对浇铸得到的铸坯进行连续轧制得到铝杆，入轧的温度控制为480-570℃，且每炉次的进轧温度波动≤30℃；轧制结束后，进行淬火处理；
S5. 将轧制的铝杆进行冷拉拔，得到单丝；
S6. 对所述单丝进行时效热处理，即得到所述高强高导抗晶间腐蚀铝合金；
步骤S1中，所述精炼具体为：将铝液温度升至730±10℃，按照铝液重量的0.08-0.12%向熔化炉中加入精炼剂，并使用99.999%的氩气进行精炼，精炼时间为20-30分钟；所述静置的时间为2-3小时；
步骤S2中，所述精炼具体为：按照铝液重量的0.2-0.4%向保温炉中加入精炼剂，使用99.999%的氩气进行精炼，精炼时间为40-45分钟；精炼结束后，静置30-35分钟再进行扒渣；扒渣结束后，继续静置2-3小时；
步骤S4中，所述淬火处理具体为：将轧制变形后的铝杆浸入冷水中，使铝杆在5秒内将温度从300-400℃降低至120℃以下；
步骤S6中，所述时效工艺为：以80-100℃/h的升温速率升温至130-160℃，然后保温30-40小时， 接着以100-150℃/h的冷却速率冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的高强高导抗晶间腐蚀铝合金，其特征在于，步骤S1中，铝液熔化后，按照5-10kg/t的量向熔化炉中投入铝硼合金。
3.根据权利要求1所述的高强高导抗晶间腐蚀铝合金，其特征在于，步骤S2中，向保温炉中加入中间合金后，开启电磁搅拌，搅拌30-35分钟，静置30-35分钟后取样检测成分。
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