CN117888007A - 一种高强度高导电导热铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高强度高导电导热铝合金及其制备方法,铝合金由以下质量百分比的成分组成:Si 0.3‑0.5%,Mg 0.4‑0.6%,Cu0.02‑0.05%,Mn 0.02‑0.5%,Ti 0.01‑0.015%,B 0.002‑0.003%,Fe0.1‑0.3%,余量为Al和不可避免的杂质元素,单个杂质≤0.05%,杂质总量≤0.15%。制备方法包括熔炼配制铝合金液、炉内除气除杂、炉外在线晶粒细化、炉外在线除气过滤、半连续铸造、均质、挤压和时效处理。本发明解决了强度与导电导热性能之间相互制约、此消彼长的矛盾问题,使铝合金的强度和导电导热性能同时获得大幅提高,铝合金的室温抗拉强度≥250MPa,屈服强度≥210MPa,断后伸长率≥12%,20℃电阻率≤0.03Ω·mm2/m,导电率≥57.5%IACS,导热率≥195W/(m·K)。
Description
技术领域
本发明属于铝合金制备技术领域,具体是涉及一种高强度高导电导热铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金具有密度低、易加工成形、可回收利用等优点,广泛应用于电力、电子电器、交通运输、机械装备等领域。随着我国特高压输电、光伏发电、风力发电、5G通讯、新能源汽车、高速铁路等新能源和新基建产业的快速发展,对铝合金产品的综合性能要求越来越高,一方面要求铝合金具有更高的导电率或导热率,以提高输电效率,降低电能损耗,提高散热效果。另一方又要求铝合金具有更高的强度,以提高仪器设备等安全性和服役寿命。
公开号为CN110983124A的专利申请公开了一种高导电率6系铝合金及其生产工艺,铝合金的成分为:Si 0.55-0.60%,Fe 0.10-0.15%,Cu 0.05-0.08%,Mn 0.01-0.02%,Mg 0.60-0.65%,Cr 0.01-0.02%,Ti≤0.01%,Zn 0.05-0.08%,V≤0.01%,Gd0.15-0.18%,B0.015-0.02%,单个杂质≤0.03%,杂质合计≤0.10%,余量为Al,铝合金的抗拉强度达250Mpa,屈服强度达210Mpa,断后伸长率达16.7%,电导率为32.52MS/m,硬度HB为65。
公开号为CN109207817A的专利申请公开了一种高导电率和高强度的铝合金制备工艺及其铝合金,制备工艺包括熔化纯铝,加入硅、镁、铁、铜、锰和锌,各组分为:硅0.15~0.3%、铁≤0.2%、铜≤0.1%、锰0.04~0.06%、镁0.3~0.5%、锌0.08~0.12%及余量铝,挤压成型,时效,该铝合金的导电率为34.2Ms/m,拉伸强度为176MPa。该铝合金的导电率虽然较高,但强度仍然较低。
公开号为CN111961890A的专利申请公开了一种高导电率高强度铝合金电气设备用型材生产工艺方法,该专利通过控制铝合金的熔炼、精炼、铸造、均质、挤压和时效工艺,使铝合金型材的抗拉强度≥350Mpa,屈服强度≥320Mpa,电导率≥46%IACS。该铝合金型材的强度虽然较高,但导电率仍然较低。
从生产实践和文献资料检索结果来看,由于铝合金的强度与导电导热性能之间存在互相制约、此消彼长的矛盾问题,导致提高铝合金的强度和导电导热性能难以兼顾,使得现有铝合金仍旧难以满足我国新能源、新基建产业发展对高强度高导电导热铝合金的需求。因此,现有铝合金及其制备方法仍有待改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足,提供一种高强度高导电导热铝合金及其制备方法,通过科学设计铝合金的成分组成,优化铝合金的制备方法,解决强度与导电导热性能之间相互制约的问题,提高铝合金的强度、导电和导热性能。
本发明的技术方案是这样实现的:
本发明第一方面提供了一种高强度高导电导热铝合金,其特点是,由以下质量百分比的成分组成:Si 0.3-0.5%,Mg 0.4-0.6%,Cu0.02-0.05%,Mn 0.02-0.5%,Ti 0.01-0.015%,B 0.002-0.003%,Fe0.1-0.3%,余量为Al和不可避免的杂质元素,单个杂质≤0.05%,杂质总量≤0.15%。
其中,Si和Mg是铝合金的主要强化元素,Si和Mg在铝合金中具有固溶强化作用外,还可以通过时效析出Mg2Si强化相显著提高铝合金的强度。Si和Mg的含量过低,会导致铝合金的强度过低,Si和Mg的含量越高,铝合金的强度越高,但也会导致铝合金的导电导热性能下降。因此作为优选地,Si的含量为0.3-0.5%,Mg的含量为0.4-0.6%。
Cu在铝合金中具有很强的强化效果,既能通过固溶强化提高铝合金的强度,还能通过时效析出CuAl2相增强铝合金的强度。Cu含量越高,铝合金的强度也越高,但Cu含量太高也会降低铝合金的导电导热性能。因此作为优选地,Cu的含量为0.02-0.05%。
Mn在铝合金中除了可以提高强度外,还能通过抑制再结晶,提高铝合金的再结晶温度,有利于提高铝合金的加热和挤压温度,提高铝合金的挤压速度和生产效率。Mn的含量越高,铝合金的再结晶温度越高,但同时也会降低铝合金的导电导热性能。因此作为优选地,Mn的含量为0.02-0.05%。
Ti和B是以铝钛硼合金杆形式加入到铝合金,主要作用是细化铝合金铸棒的晶粒,改善铝合金铸棒组织成分的均匀性,提高铝合金铸棒的挤压性能。Ti和B的含量太低,晶粒细化效果不理想,Ti和B的含量越高,晶粒越细小,但也会增加生产成本。因此作为优选地,Ti的含量为0.01-0.015%,B的含量为0.002-0.003%。
Fe在铝合金中可与Si、Al形成FeAl3、Fe3SiAl12、Fe2SiAl9等金属间化合物,当这些金属间化合物弥散分布在铝合金中时可以通过弥散强化提高铝合金的强度,但Fe含量太高也会降低铝合金的导电导热性能。因此作为优选地,Fe的含量为0.1-0.3%。
本发明第二方面提供了一种高强度高导电导热铝合金的制备方法,其特点是,依次包括以下步骤:
(1)按铝合金的成分组成及质量百分比,选择铝锭、镁锭、铝硅合金、铝铜合金、铝锰合金、铝铁合金和铝钛硼合金杆为原材料进行配料;
(2)将铝锭、镁锭、铝硅合金、铝铜合金、铝锰合金、铝铁合金加入到熔铝炉中在740-760℃加热熔化成铝合金液;
(3)采用氩气和精炼剂对炉内铝合金液喷吹精炼进行除渣处理,然后扒去铝合金液表面的浮渣;
(4)通过炉底部安装的透气砖向炉内铝合金液通入由氩气和氯气组成的混合气体进行除气处理;
(5)将铝合金液导入流槽,然后加入占原材料总重量0.2-0.3%的铝钛硼合金杆进行在线晶粒细化处理;
(6)将铝合金液依次流过设置在流槽上的除气箱和管式过滤箱进行在线除气和过滤处理;
(7)在铝合金液温度为680-720℃、铸造速度为100-200毫米/分钟、冷却水温度为20-40℃条件下将铝合金液半连续铸造成铝合金铸棒;
(8)将铝合金铸棒在565-575℃加热5-6小时进行均质处理,然后喷水雾冷却至室温;
(9)将铝合金铸棒加热至480-500℃,然后进行挤压成形,得到挤压铝合金;
(10)将挤压铝合金在180-190℃加热4-5小时进行时效处理,得到所述高强度高导电导热铝合金。
作为优选地,所述步骤(1)中铝锭的铝含量≥99.7%,镁锭的镁含量≥99.8%,铝硅合金的硅含量为25%,铝铜合金的铜含量为20%,铝锰合金的锰含量为10%,铝铁合金的铁含量为15%,铝钛硼合金杆的钛含量为5%,硼含量为1%。
作为优选地,所述步骤(3)中氩气的纯度≥99.99%,精炼剂的用量为铝合金液重量的0.1-0.2%,喷吹精炼时间为15-25分钟。
作为优选地,所述步骤(3)中精炼剂由以下质量百分比的成分组成:ZnCl2 40-50%,K2CO3 20-30%,NaNO3 5-10%,KF 8-13%,K2SO4 5-8%,Li2SO4 3-5%。
作为优选地,所述步骤(3)中精炼剂的制备方法依次包括如下步骤:
(31)选用纯度≥99.8%的ZnCl2、K2CO3、NaNO3、KF、K2SO4、Li2SO4为为原材料进行配料;
(32)在纯度≥99.99%的氩气保护下将原材料在1150℃加热熔化,然后冷却凝固成块体精炼剂;
(33)将块体精炼剂粉粹成粒径≤2毫米粉末,得到所述精炼剂。
气孔和夹杂物在铝合金中首先会割裂铝基体,破坏铝基体组织连续性,阻碍自由电子的移动,增加电子的散射,导致铝合金的导电导热性能下降。另外,气孔和夹杂物在铝合金中还造成局部应力集中,成为铝合金断裂的裂纹源和裂纹扩展方向,降低铝合金的强度和塑性。因此,想要解决解决强度与导电导热性能之间相互制约的问题,提高铝合金的强度、导电和导热性能,必须提高铝合金的洁净度。
传统精炼剂主要采用钠盐、氟盐、氯盐、六氯乙烷等原材料直接破碎混合而成,未发挥原材料之间的相互作用,导致精炼剂的熔点高,除渣效率低。为了提高铝合金的纯净度,提高铝合金的强度和导电率,发明人通过大量实验研究,研制了高效环保的精炼剂,精炼剂以ZnCl2为主要成分,再配上少量的K2CO3、NaNO3、KF、K2SO4、Li2SO4,在氩气保护下先将原材料在1150℃加热熔化,然后冷却凝固和粉粹成粉末状精炼剂,ZnCl2的熔点约为290℃,NaNO3的熔点为306.8℃,K2CO3的熔点为891℃,KF的熔点为858℃,K2SO4的熔点为1069℃,Li2SO4的熔点为859℃,虽然K2CO3、KF、K2SO4、Li2SO4的熔点较高,但通过熔化和凝固结晶,K2CO3与KF形成熔点仅为688℃的KF·K2CO3共晶体,K2SO4与Li2SO4形成熔点仅为716℃的K2SO4·Li2SO4共晶体,使精炼剂的熔点大幅下降,精炼剂在铝合金液中更容易熔解,ZnCl2分解出Cl2,K2CO3分解出CO2,NaNO3分解出N2、CO2和NO气体,大量的气泡在上浮过程中捕获铝合金液中的夹杂物,起到除渣效果。K2SO4·Li2SO4共晶体熔解成液态熔盐,对氧化铝等夹杂物具有很好的润湿球化作用,促进夹杂物与铝液的分离,提高除渣效率。另外,该精炼剂不含钠盐和六氯乙烷,只含少量氟盐,使用也更加环保。
作为优选地,所述步骤(4)中氩气的纯度≥99.99%,氯气的纯度≥99.9%,混合气体中氯气的体积百分比为3-5%,且混合气体的流量为0.3-0.6立方米/分钟,除气的时间为10-20分钟。
炉底透气砖除气是在熔铝炉的底部安装多个多孔的透气砖,然后通过透气砖向炉内的铝合金液中通入由氩气和氯气组成的混合气体,混合气体经过多孔透气砖后被分解成细小均匀的小气泡,小气泡在上浮过程中捕获铝合金液中的氢气,然后上浮带出铝合金液,起到除气作用。由于熔铝炉底部均匀安装有多个多孔透气砖,使得气泡在铝合金液分布均匀,同时气泡上浮时对铝合金液还有搅拌作用,避免了炉内铝合金液存在除气的死角,提高了铝合金液的除气效率。混合气体的流量越大,通气时间越长,除气效果越好。作为优选地,混合气体的流量为0.3-0.6立方米/分钟,除气时间为10-20分钟,可将炉内铝合金液的氢含量降低至0.2ml/100gAl以下,大幅提高炉内铝合金液的纯净度。
作为优选地,所述步骤(6)中除气箱内石墨转子的转速为400-500转/分钟,石墨转子上的气体流量为2-3立方米/小时,气体压力为0.4-0.6MPa,所述气体是纯度≥99.99%的氩气和纯度≥99.9%氯气组成的混合气体,且混合气体中氯气的体积百分比为5-10%。
通过除气箱内高速旋转的石墨转子将氩气和氯气组成的混合气体破碎成细小的气泡并进入铝合金液中,利用氢在铝合金液与气泡间的分压差,使铝合金液中的氢原子不断扩散到气泡内,然后随气泡上浮逸出铝合金液,起到除气作用,经过除气箱除气后,铝合金液的氢含量可降低到0.08ml/100gAl以下。
所述步骤(6)中管式过滤箱的过滤介质是陶瓷过滤管,陶瓷过滤管是由粒径3-6mm的氮化硅陶瓷颗粒与粘结剂高温烧结而成,内部有大量曲折的孔隙,当铝合金液流过陶瓷过滤管时,夹杂物被吸附或阻挡在陶瓷过滤管的表面和孔隙内壁上,达到过滤除杂作用。陶瓷过滤管的热强度高,抗热冲击、热侵蚀能力强,过滤量大,过滤效率高。管式过滤箱的结构和使用方法有公开文献资料可查,在此不再赘叙。管式过滤属于高精度过滤,经管式过滤后铝合金液中5μm以上夹杂物的去除率可达到98%以上,铝合金中的渣含量可降低到0.05mm2/kg,从而大幅度提高铝合金的洁净度,提高铝合金强度和导电导热性能。
所述步骤(8)中将铝合金铸棒在565-575℃加热5-6小时进行均质处理,目的是消除铝合金铸棒内部的元素宏微观偏析,熔解粗大的金属间化合物,消除铸棒的内应力,降低铝合金铸棒的变形抗力,提高铸棒的组织成分均匀性。
作为优选地,所述步骤(9)中挤压的挤压比为10-30,挤压速度为5-15mm/s,挤压模具加热温度为420-460℃。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明通过科学设计铝合金的成分组成,优化铝合金的制备方法,提高铝合金的洁净度,解决了强度与导电导热性能之间相互制约、此消彼长的矛盾问题,使铝合金的强度和导电导热性能同时获得大幅提高,铝合金的抗拉强度≥250MPa,屈服强度≥210MPa,断后伸长率≥12%,20℃电阻率≤0.03Ω·mm2/m,导电率≥57.5%IACS,导热率≥195W/(m·K)。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
实施例1:
铝合金由以下质量百分比的成分组成:Si 0.41%,Mg 0.52%,Cu0.04%,Mn0.03%,Ti 0.0125%,B 0.0025%,Fe 0.19%,余量为Al和不可避免的杂质元素,单个杂质≤0.05%,杂质总量≤0.15%。制备方法依次包括以下步骤:
(1)按铝合金的成分组成及质量百分比,选择铝含量≥99.7%的铝锭、镁含量≥99.8%的镁锭、硅含量为25%的铝硅合金、铜含量为20%的铝铜合金、锰含量为10%的铝锰合金、铁含量为15%的铝铁合金和钛含量为5%、硼含量为1%的铝钛硼合金杆为原材料进行配料;
(2)将铝锭、镁锭、铝硅合金、铝铜合金、铝锰合金、铝铁合金加入到熔铝炉中在750℃加热熔化成铝合金液;
(3)采用纯度≥99.99%的氩气和铝合金液重量0.15%的精炼剂对炉内铝合金液喷吹精炼20分钟进行除渣处理,然后扒去铝合金液表面的浮渣;
(4)通过炉底部安装的透气砖向炉内铝合金液通入由纯度≥99.99%的氩气和纯度≥99.9%的氯气组成的混合气体进行除气处理,混合气体中氯气的体积百分比为4%,混合气体的流量为0.45立方米/分钟,除气的时间为15分钟;
(5)将铝合金液导入流槽,然后加入占原材料总重量0.25%的铝钛硼合金杆进行在线晶粒细化处理;
(6)将铝合金液依次流过设置在流槽上的除气箱和管式过滤箱进行在线除气和过滤处理,除气箱内石墨转子的转速为450转/分钟,石墨转子上的气体流量为2.5立方米/小时,气体压力为0.5MPa,气体是纯度≥99.99%的氩气和纯度≥99.9%氯气组成的混合气体,混合气体中氯气的体积百分比为7%;
(7)在铝合金液温度为700℃、铸造速度为150毫米/分钟、冷却水温度为30℃条件下将铝合金液半连续铸造成铝合金铸棒;
(8)将铝合金铸棒在570℃加热5.5小时进行均质处理,然后喷水雾冷却至室温;
(9)将铝合金铸棒加热至490℃,然后在挤压比为18、挤压速度为11mm/s、挤压模具加热温度为440℃条件下进行挤压成形,得到挤压铝合金;
(10)将挤压铝合金在185℃加热4.5小时进行时效处理,得到所述高强度高导电导热铝合金。
其中,步骤(3)中所述精炼剂由以下质量百分比的成分组成:ZnCl2 45.7%,K2CO324.3%,NaNO3 8.8%,KF 10.1%,K2SO4 7.5%,Li2SO43.6%,所述精炼剂的制备方法依次包括如下步骤:(31)选用纯度≥99.8%的ZnCl2、K2CO3、NaNO3、KF、K2SO4、Li2SO4为为原材料进行配料;(32)在纯度≥99.99%的氩气保护下将原材料在1150℃加热熔化,然后冷却凝固成块体精炼剂;(33)将块体精炼剂粉粹成粒径≤2毫米粉末,得到所述精炼剂。
实施例2:
铝合金由以下质量百分比的成分组成:Si 0.3%,Mg 0.6%,Cu0.05%,Mn0.02%,Ti 0.01%,B 0.002%,Fe 0.1%,余量为Al和不可避免的杂质元素,单个杂质≤0.05%,杂质总量≤0.15%。制备方法依次包括以下步骤:
(1)按铝合金的成分组成及质量百分比,选择铝含量≥99.7%的铝锭、镁含量≥99.8%的镁锭、硅含量为25%的铝硅合金、铜含量为20%的铝铜合金、锰含量为10%的铝锰合金、铁含量为15%的铝铁合金和钛含量为5%、硼含量为1%的铝钛硼合金杆为原材料进行配料;
(2)将铝锭、镁锭、铝硅合金、铝铜合金、铝锰合金、铝铁合金加入到熔铝炉中在760℃加热熔化成铝合金液;
(3)采用纯度≥99.99%的氩气和铝合金液重量0.2%的精炼剂对炉内铝合金液喷吹精炼25分钟进行除渣处理,然后扒去铝合金液表面的浮渣;
(4)通过炉底部安装的透气砖向炉内铝合金液通入由纯度≥99.99%的氩气和纯度≥99.9%的氯气组成的混合气体进行除气处理,混合气体中氯气的体积百分比为5%,混合气体的流量为0.3立方米/分钟,除气的时间为20分钟;
(5)将铝合金液导入流槽,然后加入占原材料总重量0.2%的铝钛硼合金杆进行在线晶粒细化处理;
(6)将铝合金液依次流过设置在流槽上的除气箱和管式过滤箱进行在线除气和过滤处理,除气箱内石墨转子的转速为500转/分钟,石墨转子上的气体流量为2立方米/小时,气体压力为0.6MPa,气体是纯度≥99.99%的氩气和纯度≥99.9%氯气组成的混合气体,混合气体中氯气的体积百分比为10%;
(7)在铝合金液温度为680℃、铸造速度为200毫米/分钟、冷却水温度为20℃条件下将铝合金液半连续铸造成铝合金铸棒;
(8)将铝合金铸棒在575℃加热5小时进行均质处理,然后喷水雾冷却至室温;
(9)将铝合金铸棒加热至500℃,然后在挤压比为30、挤压速度为5mm/s、挤压模具加热温度为460℃条件下进行挤压成形,得到挤压铝合金;
(10)将挤压铝合金在190℃加热4小时进行时效处理,得到所述高强度高导电导热铝合金。
其中,步骤(3)中所述精炼剂由以下质量百分比的成分组成:ZnCl2 49.9%,K2CO324.5%,NaNO3 5.1%,KF 7.8%,K2SO4 8.3%,Li2SO44.4%,所述精炼剂的制备方法依次包括如下步骤:(31)选用纯度≥99.8%的ZnCl2、K2CO3、NaNO3、KF、K2SO4、Li2SO4为为原材料进行配料;(32)在纯度≥99.99%的氩气保护下将原材料在1150℃加热熔化,然后冷却凝固成块体精炼剂;(33)将块体精炼剂粉粹成粒径≤2毫米粉末,得到所述精炼剂。
实施例3:
铝合金由以下质量百分比的成分组成:Si 0.5%,Mg 0.4%,Cu0.02%,Mn 0.5%,Ti 0.015%,B 0.003%,Fe 0.1%,余量为Al和不可避免的杂质元素,单个杂质≤0.05%,杂质总量≤0.15%。制备方法依次包括以下步骤:
(1)按铝合金的成分组成及质量百分比,选择铝含量≥99.7%的铝锭、镁含量≥99.8%的镁锭、硅含量为25%的铝硅合金、铜含量为20%的铝铜合金、锰含量为10%的铝锰合金、铁含量为15%的铝铁合金和钛含量为5%、硼含量为1%的铝钛硼合金杆为原材料进行配料;
(2)将铝锭、镁锭、铝硅合金、铝铜合金、铝锰合金、铝铁合金加入到熔铝炉中在740℃加热熔化成铝合金液;
(3)采用纯度≥99.99%的氩气和铝合金液重量0.1%的精炼剂对炉内铝合金液喷吹精炼15分钟进行除渣处理,然后扒去铝合金液表面的浮渣;
(4)通过炉底部安装的透气砖向炉内铝合金液通入由纯度≥99.99%的氩气和纯度≥99.9%的氯气组成的混合气体进行除气处理,混合气体中氯气的体积百分比为3%,混合气体的流量为0.6立方米/分钟,除气的时间为10分钟;
(5)将铝合金液导入流槽,然后加入占原材料总重量0.3%的铝钛硼合金杆进行在线晶粒细化处理;
(6)将铝合金液依次流过设置在流槽上的除气箱和管式过滤箱进行在线除气和过滤处理,除气箱内石墨转子的转速为400转/分钟,石墨转子上的气体流量为3立方米/小时,气体压力为0.4MPa,气体是纯度≥99.99%的氩气和纯度≥99.9%氯气组成的混合气体,混合气体中氯气的体积百分比为5%;
(7)在铝合金液温度为720℃、铸造速度为100毫米/分钟、冷却水温度为40℃条件下将铝合金液半连续铸造成铝合金铸棒;
(8)将铝合金铸棒在565℃加热6小时进行均质处理,然后喷水雾冷却至室温;
(9)将铝合金铸棒加热至480℃,然后在挤压比为10、挤压速度为15mm/s、挤压模具加热温度为420℃条件下进行挤压成形,得到挤压铝合金;
(10)将挤压铝合金在180℃加热5小时进行时效处理,得到所述高强度高导电导热铝合金。
其中,步骤(3)中所述精炼剂由以下质量百分比的成分组成:ZnCl2 40.3%,K2CO328.7%,NaNO3 9.8%,KF 12.8%,K2SO4 5.1%,Li2SO43.3%,所述精炼剂的制备方法依次包括如下步骤:(31)选用纯度≥99.8%的ZnCl2、K2CO3、NaNO3、KF、K2SO4、Li2SO4为为原材料进行配料;(32)在纯度≥99.99%的氩气保护下将原材料在1150℃加热熔化,然后冷却凝固块体精炼剂;(33)将块体精炼剂粉粹成粒径≤2毫米粉末,得到所述精炼剂。
实施例4:
铝合金由以下质量百分比的成分组成:Si 0.38%,Mg 0.47%,Cu0.04%,Mn0.03%,Ti 0.0125%,B 0.0025%,Fe 0.1-0.3%,余量为Al和不可避免的杂质元素,单个杂质≤0.05%,杂质总量≤0.15%。制备方法依次包括以下步骤:
(1)按铝合金的成分组成及质量百分比,选择铝含量≥99.7%的铝锭、镁含量≥99.8%的镁锭、硅含量为25%的铝硅合金、铜含量为20%的铝铜合金、锰含量为10%的铝锰合金、铁含量为15%的铝铁合金和钛含量为5%、硼含量为1%的铝钛硼合金杆为原材料进行配料;
(2)将铝锭、镁锭、铝硅合金、铝铜合金、铝锰合金、铝铁合金加入到熔铝炉中在750℃加热熔化成铝合金液;
(3)采用纯度≥99.99%的氩气和铝合金液重量0.5%的精炼剂对炉内铝合金液喷吹精炼20分钟进行除渣处理,然后扒去铝合金液表面的浮渣;
(4)通过炉底部安装的透气砖向炉内铝合金液通入由纯度≥99.99%的氩气和纯度≥99.9%的氯气组成的混合气体进行除气处理,混合气体中氯气的体积百分比为4%,混合气体的流量为0.4立方米/分钟,除气的时间为13分钟;
(5)将铝合金液导入流槽,然后加入占原材料总重量0.25%的铝钛硼合金杆进行在线晶粒细化处理;
(6)将铝合金液依次流过设置在流槽上的除气箱和管式过滤箱进行在线除气和过滤处理,除气箱内石墨转子的转速为480转/分钟,石墨转子上的气体流量为2.6立方米/小时,气体压力为0.5MPa,气体是纯度≥99.99%的氩气和纯度≥99.9%氯气组成的混合气体,混合气体中氯气的体积百分比为7%;
(7)在铝合金液温度为690℃、铸造速度为170毫米/分钟、冷却水温度为28℃条件下将铝合金液半连续铸造成铝合金铸棒;
(8)将铝合金铸棒在570℃加热5.5小时进行均质处理,然后喷水雾冷却至室温;
(9)将铝合金铸棒加热至490℃,然后在挤压比为20、挤压速度为13mm/s、挤压模具加热温度为450℃条件下进行挤压成形,得到挤压铝合金;
(10)将挤压铝合金在185℃加热4.5小时进行时效处理,得到所述高强度高导电导热铝合金。
其中,步骤(3)中所述精炼剂由以下质量百分比的成分组成:ZnCl2 43.6%,K2CO330.0%,NaNO3 7.8%,KF 9.5%,K2SO4 5.4%,Li2SO43.7%,所述精炼剂的制备方法依次包括如下步骤:(31)选用纯度≥99.8%的ZnCl2、K2CO3、NaNO3、KF、K2SO4、Li2SO4为为原材料进行配料;(32)在纯度≥99.99%的氩气保护下将原材料在1150℃加热熔化,然后冷却凝固成块体精炼剂;(33)将块体精炼剂粉粹成粒径≤2毫米粉末,得到所述精炼剂。
对比例1:
铝合金的成分组成及其制备工艺参数与实施例1相同,区别在于步骤(3)中所用精炼剂是目前常用的市售精炼剂,精炼剂由以下质量百分比的成分组成:26.1%的NaCl,10.6%的Na2SiF6,17.1%的Na2SO4,6.9%的CaF2,9.3%的C6Cl6,14.3%的Na2S2O3和15.7%的NaF,该精炼剂的制备方法是将原材料直接破碎成粒径≤2毫米粉末后混合而成。
对比例2:
铝合金的成分组成及其制备工艺参数与实施例2相同,区别在于步骤(4)中未采用炉底透气砖向炉内铝合金液通入由氩气和氯气组成的混合气体进行除气处理。
对比例3:
铝合金的成分组成及其制备工艺参数与实施例3相同,区别在于步骤(6)中未采用管式过滤箱对铝合金液进行过滤处理。
对比例4:
铝合金的成分组成及其制备工艺参数与实施例4相同,区别在于步骤(6)中本对比例未采用除气箱箱对铝合金液进行除气处理。
验证例1:
采用OXFORD-DSC500型差式扫描量热仪分别检测实施例1和对比例1所用精炼剂的熔点,结果如表1所示。从表1可看到,实施例1精炼剂的熔化起始温度为290℃,熔化结束温度仅为716℃。对比例1精炼剂的熔化起始温度为564℃,熔化结束温度为1249℃。通过比较可以看到,本发明研制的精炼剂具有更低的熔化起始温度和熔化结束温度,表明本发明研制的精炼剂更容易熔解于铝合金液,有利于提高除渣效果。
表1实施例1和对比例1精炼剂的熔点
实施例1 | 对比例1 | |
熔化起始温度/℃ | 290 | 564 |
熔化结束温度/℃ | 716 | 1249 |
验证例2:
采用HDA-V测氢仪和Analyze PoDFA测渣仪现场检测实施例1-4和对比例1-4半连续铸造前铝合金液的含氢量和含渣量,结果如表2所示。从表2可看到,实施例1-4铝合金的含氢量低于0.08ml/100gAl,含渣量低于0.05mm2/kg。而对比例1由于采用传统市售精炼剂进行炉内喷吹精炼,对比例2由于未采用炉底透气砖除气,对比例3由于未采用管式过滤,对比例4由于未采用除气箱除气,导致对比例1-4铸造前铝合金液的气渣含量都高于实施例铸造前铝合金液的气渣含量。通过比较可以看到,采用本发明方法可大幅提高铝合金的洁净度。
表2实施例和对比例铸造前铝合金液的含氢量和含渣量
含氢量/(ml/100gAl) | 含渣量/(mm2/kg) | |
实施例1 | 0.073 | 0.044 |
实施例2 | 0.069 | 0.047 |
实施例3 | 0.071 | 0.038 |
实施例4 | 0.076 | 0.045 |
对比例1 | 0.085 | 0.068 |
对比例2 | 0.092 | 0.052 |
对比例3 | 0.077 | 0.114 |
对比例4 | 0.085 | 0.046 |
验证例3:
在实施例1-4和对比例1-4的铝合金上取样,然后分别检测铝合金的室温拉伸力学性能、20℃电阻率和导电率,结果如表3所示。从表3可看到,实施例1-4的铝合金的抗拉强度≥250MPa,屈服强度≥210MPa,断后伸长率≥12%,20℃电阻率≤0.03Ω·mm2/m,导电率≥57.5%IACS,导热率≥195W/(m·K)。而对比例1-4的铝合金的抗拉强度≤240MPa,屈服强度≤200MPa,断后伸长率≤12%,20℃电阻率≥0.03Ω·mm2/m,导电率≤57%IACS,导热率≤190W/(m·K)。通过比较可以看到,本发明通过科学设计铝合金的成分组成,优化铝合金制备方法,提高铝合金的洁净度,使铝合金的强度和导电导热性能同时获得大幅提高。
表3铝合金的室温拉伸力学性能、20℃电阻率、导电率和导热率
本发明是通过实施例来描述的,但并不对本发明构成限制,参照本发明的描述,所公开的实施例的其他变化,如对于本领域的专业人士是容易想到的,这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种高强度高导电导热铝合金,其特征在于,由以下质量百分比的成分组成:Si0.3-0.5%,Mg 0.4-0.6%,Cu 0.02-0.05%,Mn0.02-0.5%,Ti 0.01-0.015%,B 0.002-0.003%,Fe 0.1-0.3%,余量为Al和不可避免的杂质元素,单个杂质≤0.05%,杂质总量≤0.15%。
2.一种高强度高导电导热铝合金的制备方法,该方法用于制备如权利要求1所述的铝合金,其特征在于,依次包括以下步骤:
(1)按铝合金的成分组成及质量百分比,选择铝锭、镁锭、铝硅合金、铝铜合金、铝锰合金、铝铁合金和铝钛硼合金杆为原材料进行配料;
(2)将铝锭、镁锭、铝硅合金、铝铜合金、铝锰合金、铝铁合金加入到熔铝炉中在740-760℃加热熔化成铝合金液;
(3)采用氩气和精炼剂对炉内铝合金液喷吹精炼进行除渣处理,然后扒去铝合金液表面的浮渣;
(4)通过炉底部安装的透气砖向炉内铝合金液通入由氩气和氯气组成的混合气体进行除气处理;
(5)将铝合金液导入流槽,然后加入占原材料总重量0.2-0.3%的铝钛硼合金杆进行在线晶粒细化处理;
(6)将铝合金液依次流过设置在流槽上的除气箱和管式过滤箱进行在线除气和过滤处理;
(7)在铝合金液温度为680-720℃、铸造速度为100-200毫米/分钟、冷却水温度为20-40℃条件下将铝合金液半连续铸造成铝合金铸棒;
(8)将铝合金铸棒在565-575℃加热5-6小时进行均质处理,然后喷水雾冷却至室温;
(9)将铝合金铸棒加热至480-500℃,然后进行挤压成形,得到挤压铝合金;
(10)将挤压铝合金在180-190℃加热4-5小时进行时效处理,得到所述高强度高导电导热铝合金。
3.根据权利要求2所述高强度高导电导热铝合金的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中铝锭的铝含量≥99.7%,镁锭的镁含量≥99.8%,铝硅合金的硅含量为25%,铝铜合金的铜含量为20%,铝锰合金的锰含量为10%,铝铁合金的铁含量为15%,铝钛硼合金杆的钛含量为5%,硼含量为1%。
4.根据权利要求2所述高强度高导电导热铝合金的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中氩气的纯度≥99.99%,精炼剂的用量为铝合金液重量的0.1-0.2%,喷吹精炼时间为15-25分钟。
5.根据权利要求2所述高强度高导电导热铝合金的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中精炼剂由以下质量百分比的成分组成:ZnCl2 40-50%,K2CO3 20-30%,NaNO3 5-10%,KF 8-13%,K2SO4 5-8%,Li2SO4 3-5%。
6.根据权利要求2或5所述高强度高导电导热铝合金的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中精炼剂的制备方法依次包括如下步骤:
(31)选用纯度≥99.8%的ZnCl2、K2CO3、NaNO3、KF、K2SO4、Li2SO4为为原材料进行配料;
(32)在纯度≥99.99%的氩气保护下将原材料在1150℃加热熔化,然后冷却凝固成块体精炼剂;
(33)将块体精炼剂粉粹成粒径≤2毫米粉末,得到所述精炼剂。
7.根据权利要求2所述高强度高导电导热铝合金的制备方法,其特征在于,所述步骤(4)中氩气的纯度≥99.99%,氯气的纯度≥99.9%,混合气体中氯气的体积百分比为3-5%,且混合气体的流量为0.3-0.6立方米/分钟,除气的时间为10-20分钟。
8.根据权利要求2所述高强度高导电导热铝合金的制备方法,其特征在于,所述步骤(6)中除气箱内石墨转子的转速为400-500转/分钟,石墨转子上的气体流量为2-3立方米/小时,气体压力为0.4-0.6MPa,所述气体是纯度≥99.99%的氩气和纯度≥99.9%氯气组成的混合气体,且混合气体中氯气的体积百分比为5-10%。
9.根据权利要求2所述高强度高导电导热铝合金的制备方法,其特征在于,所述步骤(9)中挤压的挤压比为10-30,挤压速度为5-15mm/s,挤压模具加热温度为420-460℃。
10.根据权利要求2所述高强度高导电导热铝合金的制备方法,其特征在于,所述高强度高导电导热铝合金的抗拉强度≥250MPa,屈服强度≥210MPa,断后伸长率≥12%,20℃电阻率≤0.03Ω·mm2/m,导电率≥57.5%IACS,导热率≥195W/(m·K)。
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