CN117127035A - 一种用于电力设备的轻质化高强度铝合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电力设备的轻质化高强度铝合金的制备方法，该制备方法主要包括确定合金成分、熔炼、热处理、冷加工等步骤。首先在真空感应熔炼炉中进行熔炼，调控铝合金中的元素含量，如锂、镁、锌、铜、锰、钛等。熔炼过程中采用氩气保护，确保合金中锂的含量在适当范围内；热处理过程包括固溶处理、淬火、时效处理；冷加工过程包括冷轧、拉伸、冷挤压；通过调控合金成分及采用合适的工艺参数，本发明制备出的轻质化高强度铝合金可广泛应用于电力设备中，满足轻量化和高强度的需求，具有较高的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金的制备领域，更具体的是涉及一种用于电力设备的轻质化高强度铝合金的制备方法。
背景技术
电力设备在现代社会中扮演着至关重要的角色，对于输电线路、变压器等设备的选材尤为关键。传统的金属材料如铜和钢铁等在电力设备中具有广泛的应用，但这些材料往往存在重量较大、成本较高等缺点，不仅增加了设备的负载，还限制了设备性能的提升。
近年来，铝合金材料因其轻量化、高强度、良好导电性等优良特性，在电力设备领域应用逐渐受到关注。然而，目前市场上的铝合金材料在强度、耐腐蚀性等方面仍存在不足，例如铝合金材料在高负荷作业下容易损坏，使用寿命较短，从而增加电力设备的运维成本。
为了解决上述问题，有必要研发一种具有优良强度、较低密度、良好耐腐蚀性和导电性的轻质化铝合金材料及其制备方法。开发一种性能优越、成本低廉且易于大规模生产的轻质化高强度铝合金材料，意义重大，可以推动电力设备的性能提升和电力能源的高效利用。
因此，本发明旨在提供一种用于电力设备的轻质化高强度铝合金材料及其制备方法，以期解决现有技术中铝合金在电力设备中应用的上述问题。
发明内容
为解决现有技术中铝合金在电力设备中应用的问题，本发明提供了一种用于电力设备的轻质化高强度铝合金材料及其制备方法，具体方案如下：
一种用于电力设备的轻质化高强度铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、确定合金成分，包括Al、Mg、Zn、Ti、Li、Cu、Mn；
Al作为基体元素为合金提供较低的密度以及良好的导电性和热传导性；
Mg是一种常用的合金强化元素，添加适量的镁可以显著提高材料的强度，同时能够减小合金的密度，进一步降低重量；
Zn也是一种常用的合金强化元素，锌的加入可以提高铝合金的强度，同时能够提高材料对于应力腐蚀的抵抗能力；
Ti作为合金的微量元素，作为晶粒细化剂，钛的加入能改善材料的组织结构，并提高合金的疲劳性能、抗应力腐蚀性能和抗氧化性能；
Li作为一种轻合金元素，锂的加入能减轻合金密度，增强热处理强化效果，增加塑性和韧性，同时提高合金的应变硬化速率和蠕变性能。
按照合金的组分进行熔炼，采用真空感应熔炼炉以及使用氩气进行保护，在熔炼过程中定期抽样分析铝合金熔炼过程中的锂含量并控制在范围内，对锂的含量进行控制一方面可以有效降低铝合金的密度实现最终铝合金成品的轻质化，另一方面锂能与其他合金元素例如Mg、Cu形成强化相，进一步提高材料的强度；
S2、热处理：包括以下子步骤：
S201、固溶处理：将铝合金加热至固溶处理温度，保持一段时间；合金先进行固溶处理，以消除铸态组织、均匀合金元素分布并预备组织；
S202、淬火：将铝合金从固溶处理温度快速冷却至室温，以形成过饱和固溶体；快速冷却可以防止晶格间的过饱和固溶体形成共晶相或其他不稳定相，从而对合金的性能产生不利影响；
S203将淬火后的铝合金进行时效处理，使合金中的过饱和固溶体析出，提高合金的强度和硬度；
S3、冷加工：包括以下子步骤：
S301、冷轧：将时效处理后的铝合金进行冷轧，通过控制减厚率在40％-60％之间，改善铝合金的晶粒结构和组织形态，以增强合金的强度；冷轧过程中的轧制速度设定在200-400m/min，以保持轧制品质；
通过冷轧制备过程，可以调整铝合金板材、带材和箔材的厚度和宽度，同时改善其表面质量和尺寸精度，提高了合金材料的抗拉强度和抗弯强度。通过控制轧制过程的减厚率，可以在一定程度上调整合金中的晶粒尺寸和形状，从而优化其力学性能和塑性。冷轧制过程与热处理过程相辅相成，通过灵活控制两个工艺，可在实现降低合金密度的同时，提高其强度和韧性。
S302、拉伸：将冷轧后的铝合金进行拉伸处理，对合金进行塑性加工，实施拉伸变形量为5-10％，使其晶粒结构继续优化，同时保持较好的塑性；拉伸速度为25-50mm/min，以获得合适的拉伸效果；
将铝合金进行冷拉伸操作，可以使合金材料的细长率得到提高，提高合金线材的抗拉强度和尺寸精度。通过调整拉伸速度和道次等参数，可以对合金材料是否需要进行中间退火以及退火时的具体温度和时间进行合理选择，实现对力学性能和塑性的进一步优化。
S303、冷挤压：冷挤压：将拉伸后的铝合金进行冷挤压，进一步改善合金的微观组织及性能表现；挤压过程中，挤压变形量设定为10％-15％，挤压速度控制在10-20mm/s，以便达到电力设备所需的轻质化高强度目标。
进一步的，S1中各元素的质量百分比为Mg0.6～0.8％、Zn≤0.05％、Ti≤0.08％、Li≤0.1％、Cu≤0.03％、Mn0.4～0.6％、其余为Al。
进一步的，S1中熔炼温度为700～750℃，熔炼时间为2～4h；氩气的流量为4～6L/min；氩气的压力为0.1～0.3MPa。
进一步的，S201固溶处理的工艺参数为固溶处理温度为400～550℃，固溶时间为0.5～2h。
进一步的，S203中时效处理温度为150～250℃，时效保温时间为5～20h。
进一步的，S301冷轧中，轧制的道次为3次，在每道轧制之后进行中间退火处理，退火温度控制咋200～300℃，保温时间为1～2h。
进一步的，S302拉伸速度为100-20mm/min。
进一步的，S303挤压变形量设定为10％～12％，挤压速度控制在10～15mm/s。
进一步的，真空感应熔炼炉的真空度为1～50Pa。
有益效果：
本发明提供了一种用于电力设备的轻质化高强度铝合金材料及其制备方法，具有以下有益效果：
(1)通过优化合金成分和制备工艺，提高了铝合金的强度、塑性和韧性，满足了电力设备对高强度和轻质化铝合金材料的需求。
(2)本发明采用真空感应熔炼炉和氩气保护，在熔炼过程中有效降低了锂元素的挥发损失，保证了锂含量稳定，并以此提升了合金材料的力学性能。
(3)通过本发明提供的热处理工艺方法，实现了对铝合金的固溶处理、淬火和时效处理，使合金中过饱和固溶体析出，增强合金的强度和硬度，降低其内部应力。
(4)本发明提供了冷加工方法，包括冷轧、拉伸和冷挤压等步骤，进一步优化了合金微观组织和性能，使铝合金在一定程度上具备较好的抗拉强度、抗弯强度和塑性。
(5)本发明提供的各工艺参数及真空度设置具有较好的可行性和实用性，使轻质化高强度铝合金的制备过程得到了优良的控制，提高了合金制品的性能和应用范围。
综合上述有益效果，本发明提供了一种用于电力设备的轻质化高强度铝合金材料及其制备方法，对于确保电力设备的安全稳定运行、提高生产效率和降低能耗具有重要的实际意义。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种用于电力设备的轻质化高强度铝合金材料的制备方法，步骤如下：
S1、根据下表确定合金的成分：
| 合金 | Mg | Zn | Ti | Li | Cu | Mn | Al |
| 质量百分比/％ | 0.7％ | 0.04％ | 0.06％ | 0.08％ | 0.02％ | 0.5％ | 其余 |
S2、使用真空感应熔炼炉进行熔炼，熔炼温度为730℃，熔炼时间为3h，氩气流量为5L/min，氩气压力为0.2MPa。在熔炼过程中定期抽样分析铝合金熔炼过程中的锂含量并控制在范围内；
S3、将铝合金加热到固溶处理温度500℃，保持1h，然后快速冷却至室温；
S4、对淬火后的铝合金进行时效处理，时效处理温度为225℃，时效保温时间为10h；
S5、冷轧时，控制减厚率为50％，轧制道次为3次，在每道轧制之后进行中间退火处理，退火温度为250℃，保温时间为1.5h；
S6、对冷轧后的铝合金进行拉伸处理，实施拉伸变形量为7.5％，拉伸速度为26mm/min；
S7、将拉伸后的铝合金进行冷挤压，挤压变形量设定为11％，挤压速度控制在12mm/s。
实施例2：
S1、根据下表确定合金的成分：
| 合金 | Mg | Zn | Ti | Li | Cu | Mn | Al |
| 质量百分比/％ | 0.7％ | 0.04％ | 0.06％ | 0.08％ | 0.02％ | 0.5％ | 其余 |
S2、使用真空感应熔炼炉进行熔炼，熔炼温度为750℃，熔炼时间为2.5h，氩气流量为6L/min，氩气压力为0.25MPa。在熔炼过程中定期抽样分析铝合金熔炼过程中的锂含量并控制在范围内；
S3、将铝合金加热到固溶处理温度500℃，保持1h，然后快速冷却至室温；
S4、对淬火后的铝合金进行时效处理，时效处理温度为225℃，时效保温时间为10h；
S5、冷轧时，控制减厚率为50％，轧制道次为3次，在每道轧制之后进行中间退火处理，退火温度为300℃，保温时间为1h；
S6、对冷轧后的铝合金进行拉伸处理，实施拉伸变形量为7.5％，拉伸速度为27mm/min；
S7、将拉伸后的铝合金进行冷挤压，挤压变形量设定为11％，挤压速度控制在12mm/s。
实施例3：
S1、根据下表确定合金的成分：
| 合金 | Mg | Zn | Ti | Li | Cu | Mn | Al |
| 质量百分比/％ | 0.7％ | 0.04％ | 0.06％ | 0.08％ | 0.02％ | 0.5％ | 其余 |
S2、使用真空感应熔炼炉进行熔炼，熔炼温度为750℃，熔炼时间为2.5h，氩气流量为6L/min，氩气压力为0.25MPa。在熔炼过程中定期抽样分析铝合金熔炼过程中的锂含量并控制在范围内；
S3、将铝合金加热到固溶处理温度500℃，保持1h，然后快速冷却至室温；
S4、对淬火后的铝合金进行时效处理，时效处理温度为225℃，时效保温时间为10h；
S5、冷轧时，控制减厚率为50％，轧制道次为3次，在每道轧制之后进行中间退火处理，退火温度为300℃，保温时间为1h；
S6、对冷轧后的铝合金进行拉伸处理，实施拉伸变形量为7.5％，拉伸速度为27mm/min；
S7、将拉伸后的铝合金进行冷挤压，挤压变形量设定为11％，挤压速度控制在12mm/s。
实施例4：
S1、根据下表确定合金的成分：
| 合金 | Mg | Zn | Ti | Li | Cu | Mn | Al |
| 质量百分比/％ | 0.7％ | 0.04％ | 0.06％ | 0.08％ | 0.02％ | 0.5％ | 其余 |
S2、使用真空感应熔炼炉进行熔炼，熔炼温度为730℃，熔炼时间为3h，氩气流量为5L/min，氩气压力为0.2MPa。在熔炼过程中定期抽样分析铝合金熔炼过程中的锂含量并控制在范围内；
S3、将铝合金加热到固溶处理温度500℃，保持1h，然后快速冷却至室温；
S4、对淬火后的铝合金进行时效处理，时效处理温度为225℃，时效保温时间为10h；
S5、冷轧时，控制减厚率为45％，轧制道次为3次，在每道轧制之后进行中间退火处理，退火温度为250℃，保温时间为1.5h；
S6、对冷轧后的铝合金进行拉伸处理，实施拉伸变形量为5％，拉伸速度为27mm/min；
S7、将拉伸后的铝合金进行冷挤压，挤压变形量设定为6％，挤压速度控制在15mm/s。
实施例5：
S1、根据下表确定合金的成分：
| 合金 | Mg | Zn | Ti | Li | Cu | Mn | Al |
| 质量百分比/％ | 0.8％ | 0.05％ | 0.08％ | 0.1％ | 0.03％ | 0.6％ | 其余 |
S2、使用真空感应熔炼炉进行熔炼，熔炼温度为700℃，熔炼时间为4h，氩气流量为5L/min，氩气压力为0.2MPa。在熔炼过程中定期抽样分析铝合金熔炼过程中的锂含量并控制在范围内；
S3、将铝合金加热到固溶处理温度550℃，保持2h，然后快速冷却至室温；
S4、对淬火后的铝合金进行时效处理，时效处理温度为150℃，时效保温时间为20h；
S5、冷轧时，控制减厚率为60％，轧制道次为3次，在每道轧制之后进行中间退火处理，退火温度为200℃，保温时间为2h；
S6、对冷轧后的铝合金进行拉伸处理，实施拉伸变形量为5％，拉伸速度为25mm/min；
S7、将拉伸后的铝合金进行冷挤压，挤压变形量设定为10％，挤压速度控制在10mm/s。
作为进一步改进，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于电力设备的轻质化高强度铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定合金成分，包括Al、Mg、Zn、Ti、Li、Cu、Mn；进行熔炼，采用真空感应熔炼炉以及使用氩气进行保护，在熔炼过程中定期抽样分析铝合金熔炼过程中的锂含量并控制在范围内；
S2、热处理：包括以下子步骤：
S201、固溶处理：将铝合金加热至固溶处理温度，保持一段时间；
S202、淬火：将铝合金从固溶处理温度快速冷却至室温；
S203将淬火后的铝合金进行时效处理，使合金中的过饱和固溶体析出；
S3、冷加工：包括以下子步骤：
S301、冷轧：将时效处理后的铝合金进行冷轧，通过控制减厚率在40％-60％之间；
S302、拉伸：将冷轧后的铝合金进行拉伸处理，对合金进行塑性加工，实施拉伸变形量为5-10％；
S303、冷挤压：将拉伸后的铝合金进行冷挤压。
2.根据权利要求1所述的一种用于电力设备的轻质化高强度铝合金的制备方法，其特征在于，S1中各元素的质量百分比为Mg0.6～0.8％、Zn≤0.05％、Ti≤0.08％、Li≤0.1％、Cu≤0.03％、Mn0.4～0.6％、其余为Al。
3.根据权利要求1所述的一种用于电力设备的轻质化高强度铝合金的制备方法，其特征在于，S1中熔炼温度为700～750℃，熔炼时间为2～4h；氩气的流量为4～6L/min；氩气的压力为0.1～0.3MPa。
4.根据权利要求1所述的一种用于电力设备的轻质化高强度铝合金的制备方法，其特征在于，S201固溶处理的工艺参数为固溶处理温度为400～550℃，固溶时间为0.5～2h。
5.根据权利要求1所述的一种用于电力设备的轻质化高强度铝合金的制备方法，其特征在于，S203中时效处理温度为150～250℃，时效保温时间为5～20h。
6.根据权利要求1所述的一种用于电力设备的轻质化高强度铝合金的制备方法，其特征在于，S301冷轧中，轧制的道次为3次，在每道轧制之后进行中间退火处理，退火温度控制咋200～300℃，保温时间为1～2h。
7.根据权利要求1所述的一种用于电力设备的轻质化高强度铝合金的制备方法，其特征在于，S302拉伸速度为25-50mm/min。
8.根据权利要求1所述的一种用于电力设备的轻质化高强度铝合金的制备方法，其特征在于，S303挤压变形量设定为10％～12％，挤压速度控制在10～15mm/s。
9.根据权利要求1所述的一种用于电力设备的轻质化高强度铝合金的制备方法，其特征在于，真空感应熔炼炉的真空度为1～50Pa。
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