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CN111826558B - 一种铝-镁-硅合金单丝及其制备方法 - Google Patents

一种铝-镁-硅合金单丝及其制备方法 Download PDF

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CN111826558B CN202010504114.5A CN202010504114A CN111826558B CN 111826558 B CN111826558 B CN 111826558B CN 202010504114 A CN202010504114 A CN 202010504114A CN 111826558 B CN111826558 B CN 111826558B
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Abstract

本发明提供了一种铝‑镁‑硅合金单丝及其制备方法，所述合金单丝包括按质量百分比计的：镁:0.50～0.70％，硅:0.30～0.50％，铒:0.30～0.50％，镧(铈):0～0.08％，硼:0.01～0.02％，杂质元素钒+钛+铬+锰≤0.01％，其余为铝和不可避免的杂质。所述单丝制备方法包括：冶炼、精炼、浇铸、轧制、拔丝和时效处理。本发明通过调节铝‑镁‑硅合金单丝包括的各组分的量的配比，选择与之相应的制备工艺，获得了导电率≥56％IACS(20℃)、抗拉强度≥300MPa、延伸率≥3.0％的铝合金单丝。

Description

一种铝-镁-硅合金单丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种电工导体材料，具体讲设计及一种铝合金单丝。
背景技术
随着工业的快速发展，对电力的需求逐年攀升。作为电网电能传输重要载体的架空导线的综合性能直接影响电力传输的安全和能源的输送效率。高强度架空导线不仅可以保证导线在覆冰、风载等严苛服役环境下的运行安全，所具有的高导电率则可提升输电线路电能输送效率、减少输电损耗。
铝-镁-硅系合金以其合金化程度低，比强度高，良好的力学与导电性，较高耐腐蚀性能，是长距离大跨越输电线路的首选材料。但现有的铝-镁-硅合金导线的导电率低，难以满足节能降损的输电要求。
因此，需要提供一种强度高、导电率高的铝-镁-硅合金导线材质。
发明内容
本发明目的在于以纯度为99.7％的电工铝锭为原材料，制备一种高强度高导电率的铝-镁-硅合金单丝材料，来满足现有技术的需要。
本发明通过加入微量铒、镧(铈)、硼元素和相应的制备工艺两方面来改善合金微观组织与综合性能，获得导电率≥56％IACS(20℃)、抗拉强度≥300MPa、延伸率≥3.0％的铝合金单丝。
实施上述目的的技术方案如下：
一种铝-镁-硅合金单丝，其改进之处在于，所述合金单丝包括按质量百分比计的下述组分：
镁:0.50～0.70％，硅:0.30～0.50％，铒:0.30～0.50％，镧(铈):0～0.08％，硼:0.01～0.02％，杂质元素钒+钛+铬+锰≤0.01％，其余为铝和不可避免的杂质。
其中，铒为0.30～0.50％，镧(铈)为0～0.08％，硼为0.01～0.02％。
其中，所述单丝的制备工艺包括：将纯度高于预设纯度阈值的铝锭于730～750℃的熔炼炉熔炼；
于730～740℃下的所得熔液中加入铝-镧中间合金、铝-铈中间合金或镧-铈混合稀土，并加入铝-硼中间合金，熔化后静置第一时间除杂；
将静置除杂的熔液于730～750℃下加入纯镁、铝-硅中间合金和铝-铒中间合金，熔化、搅拌后静置第二时间除杂；
于710～730℃下的熔液中吹入压力为0.5～0.8MPa的氮气，静置第三时间并扒渣；
将700～720℃的熔液浇入金属型模具，得铸锭；
将510～530℃下保温1～2h的铸锭轧制或挤压成φ9.5mm的杆材，水淬和拉丝。
其中，所述铸锭轧制为连铸连轧，所述连铸连轧包括，对所述扒渣所得的熔液经入轧温度为510～530℃，终轧温度不低于400℃，冷却液冷却，90～100℃下出杆，得杆材。
其中，所述挤压包括，将所述扒渣后的熔液浇铸所得铸锭于510～530℃温度下挤压为，不低于400℃温度下挤出，冷却液冷却，90～100℃下出杆，得杆材。
其中，将所述杆材经8～12道次拉拔，获得φ3～4mm单丝；和将单丝在175～190℃下时效6～10h，得铝-镁-硅合金单丝。
其中，所述静置第一时间除杂，包括：静置40～60min，从所述熔炼炉上部将溶液的4/5倒入另一保温炉，得到静置除杂的溶液。
其中，所述第二时间为15～20min；所述第三时间为20～30min。
其中，搅拌时间和吹入氮气的时间均为10～15min。
其中，将纯度高于预设纯度阈值的铝锭于730～750℃的熔炼炉熔炼；
于730～740℃下的所得熔液中加入铝-镧中间合金、铝-铈中间合金或镧-铈混合稀土，并加入铝-硼中间合金，熔化后静置第一时间除杂；
将静置除杂的熔液于730～750℃下加入纯镁、铝-硅中间合金和铝-铒中间合金，熔化、搅拌后静置第二时间除杂；
于710～730℃下的熔液中吹入压力为0.5～0.8MPa的氮气，静置第三时间并扒渣；
将700～720℃的熔液浇入金属型模具，得铸锭；
将510～530℃下保温1～2h的铸锭轧制或挤压成的杆材，水淬和拉丝，得到下述组分的铝-镁-硅合金单丝：镁:0.50～0.70％，硅:0.30～0.50％，铒:0.30～0.50％，镧(铈):0～0.08％，硼:0.01～0.02％，杂质元素钒+钛+铬+锰≤0.01％，其余为铝和不可避免的杂质。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
本发明提供的技术方案中的镁对铝具有明显的强化作用，每增加1％镁，所得产品的抗拉强度约升高34MPa。铝-镁-硅系合金中对合金起强化作用的是强化相硅化镁；而硅化镁强化相也会对合金的导电性能产生一定的影响。当镁含量较低时，合金的导电率一般较高而强度较低，但适度过量的镁经热处理会使硅化镁充分沉淀的同时，对合金导电率的提高也有益。
作为铝合金最普通的元素之一的本发明技术方案中的硅在合金中能形成一些化合物，从而可对铝合金可进行热处理，提高铝合金的铸造性及焊接流动性，使铝合金有较高的力学性能。
其中的稀土元素铒可以明显提高铝合金的强度。不仅如此，铒的加入还能减少铝合金的枝晶偏析，并可显著细化合金的晶粒组织，本发明提供的技术方案注意到了铒对晶粒的细化机理与其添加量有关，当铒含量较低时，符合传统的稀土细化机理，当铒含量较高时，由于在熔体中形成了初生铝3铒质点，结晶形核时可以作为非均质形核核心，从而显著细化晶粒组织；此外铒还可与铝合金中的部分杂质元素反应，将杂质元素从原子态转变为析出态，从而提高铝合金的导电率。
本发明的技术方案从镧、铈或镧-铈混合稀土中选出的稀土，具有净化合金液，使铁、硅等杂质元素从固溶原子变为第二相，降低晶格畸变，提高铝合金的导电性能。
本发明技术方案中的硼能和作为杂质元素铬、锰、钒、钛的过渡族组分发生反应，使之由固溶态转变为化合态并沉积于熔体底部，从而提高铝合金的导电性能，本发明提供的硼化处理不失为一种降低铝合金杂质的有效方法。
再者，本发明技术方案中的钒、锰、铬、钛均为铝合金中的杂质元素，对铝合金的导电性能影响较大。铝合金导体中的钛、钒、锰、铬等杂质元素以固溶态存在时，很容易吸收导体材料内的自由电子而填充它们不完整的电子层，使传导电子数目减少导致铝合金导体导电性的降低。发现，(铬+钛+锰+钒)的含量每增加1％，对铝导电性的有害作用，相当于每增加1％硅的5倍。本发明的技术方案中通过严格控制这几种元素的含量对保证铝导体的质量具有重要作用在。
本发明提供的技术方案由于在铝-镁-硅合金中加入稀土元素铒、镧(铈)、硼，并采用了相应的时效处理工艺使部分杂质原子生成了第二相通过沉淀去除，进而采用相应的时效处理使熔质原子析出，既起到了强化作用，又减小了晶格畸变，从而提高了导电性能，由此得到导电率≥56％IACS(20℃)、抗拉强度≥300MPa、延伸率≥3.0％的铝合金单丝。
具体实施方案
下面通过具体实施例的方式对本发明提供的技术方案进行详细说明。
其中的“从熔炼炉上部”意指将“熔炼炉上部”的熔液取出至另一保温炉。
本申请各实施例的导电率是按照GB/T 23308架空绞线用铝-镁-硅合金圆线要求进行性能检测，将TEGAM 1750高精密高速可编程微欧计测量的单丝电阻换算的导电率；抗拉强度用三思CMT6104微机控制电子万能试验机测得的。
实施例1
一种铝-镁-硅合金单丝，其各组分及其质量百分比为：
元素 镁 硅 铒 镧(铈) 硼 钒+钛+铬+锰 铝
质量分数/wt.％ 0.50 0.30 0.50 0.08 0.01 0.01 余量
将纯度为99.7％的电工纯铝锭加入730℃的熔炼炉中熔炼；
待熔化后，于740℃下加入铝-镧中间合金和铝-硼中间合金，完全熔化后进行充分搅拌，静置40min；
从熔炼炉上部将熔液的4/5倒入另一保温炉中，730℃下加入纯镁、铝-硅中间合金、铝-铒中间合金，完全熔化后搅拌15min，静置15min；
715℃下吹入0.5～0.8MPa的氮气15min，静置20min后扒渣；
将700℃的铝合金液浇入金属型模具，得22×22×200mm的铸锭；
将510℃下保温2h的铸锭轧制成φ9.5mm的铝合金圆杆，然后迅速水淬，经过8道次拉拔后得到φ4mm铝合金单丝后在175℃下保温10h得铝-镁-硅合金单丝，单丝的导电率为56.2％IACS(20℃)，抗拉强度为307MPa，延伸率为3.2％。
实施例2
一种铝-镁-硅合金单丝，其各组分的质量百分比为：
元素 镁 硅 铒 镧(铈) 硼 钒+钛+铬+锰 铝
质量分数/wt.％ 0.70 0.50 0.40 0.05 0.015 0.008 余量
纯度为99.7％的电工纯铝锭加入熔炼炉中，熔炼温度为750℃；待纯铝完全熔化后，730℃加入铝-铈中间合金并同时加入铝-硼中间合金，完全熔化后进行充分搅拌，静置50min；将熔炼炉4/5的上部铝液倒入另一保温炉中，750℃加入纯镁、铝-硅中间合金、铝-铒中间合金，完全熔化后搅拌10min，静置20min。使它们的最终含量如上所示。720℃时吹入0.5～0.8MPa的氮气10min，静置30min后扒渣。710℃将铝合金液浇入金属型模具，获得22×22×200mm的铸锭。铸锭在520℃保温1.5h，经轧制成φ9.5mm的铝合金圆杆，然后迅速水淬。经过10道次拉拔后得到φ3.5mm铝合金单丝后在185℃保温8h，单丝的导电率为56％IACS(20℃)，抗拉强度为311MPa，延伸率为3.0％。
实施例3
一种铝-镁-硅合金单丝，其各组分的质量百分比为：
元素 镁 硅 铒 镧(铈) 硼 钒+钛+铬+锰 铝
质量分数/wt.％ 0.60 0.40 0.30 0.04 0.02 0.007 余量
纯度为99.7％的电工纯铝锭加入熔炼炉中，熔炼温度为740℃；待纯铝完全熔化后，735℃加入镧-铈混合稀土并同时加入铝-硼中间合金，完全熔化后进行充分搅拌，静置50min；将熔炼炉4/5的上部铝液倒入另一保温炉中，740℃加入纯镁、铝-硅中间合金、铝-铒中间合金，完全熔化后搅拌15min，静置20min。使它们的最终含量如上所示。730℃时吹入0.5～0.8MPa的氮气15min，静置25min后扒渣。720℃将铝合金液浇入金属型模具，获得22×22×200mm的铸锭。铸锭在530℃保温1h，经轧制成φ9.5mm的铝合金圆杆，然后迅速水淬。经过12道次拉拔后得到φ3.0mm铝合金单丝后在190℃保温6h，单丝的导电率为56.1％IACS(20℃)，抗拉强度为308MPa，延伸率为3.2％。
实施例4
一种铝-镁-硅合金单丝，其各组分及其重量百分比为：
元素 镁 硅 铒 镧(铈) 硼 钒+钛+铬+锰 铝
质量分数/wt.％ 0.65 0.35 0.35 0.02 0.02 0.006 余量
纯度为99.7％的电工纯铝锭加入熔炼炉中，熔炼温度为740℃；待纯铝完全熔化后，735℃加入镧-铈混合稀土并同时加入铝-硼中间合金，完全熔化后进行充分搅拌，静置50min；将熔炼炉4/5的上部铝液倒入另一保温炉中，740℃加入纯镁、铝-硅中间合金、铝-铒中间合金，完全熔化后搅拌15min，静置20min。使它们的最终含量如上所示。730℃时吹入压力为0.5～0.8MPa的氮气15min，静置25min后扒渣。720℃将铝合金液浇入金属型模具，获得22×22×200mm的铸锭。铸锭在530℃保温1h，经轧制成φ9.5mm的铝合金圆杆，然后迅速水淬。经过11道次拉拔后得到φ3.2mm铝合金单丝后在180℃保温9h，单丝的导电率为56.2％IACS(20℃)，抗拉强度为305MPa，延伸率为3.1％。
实施例5
一种铝-镁-硅合金单丝，其各组分及其重量百分比为：
纯度为99.7％的电工纯铝锭加入熔炼炉中，熔炼温度为750℃；待纯铝完全熔化后，740℃加入铝-镧中间合金并同时加入铝-硼中间合金，完全熔化后进行充分搅拌，静置45min；将熔炼炉4/5的上部铝液倒入另一保温炉中，750℃加入纯镁、铝-硅中间合金、铝-铒中间合金，完全熔化后搅拌15min，静置15min，使它们的最终含量如上所示。20℃时吹入压力为0.5～0.8MPa氮气10min，静置30min后扒渣。710℃将铝合金液浇入金属型模具，获得22×22×200mm的铸锭。铸锭在515℃保温2h，经轧制成φ9.5mm的铝合金圆杆，然后迅速水淬。经过9道次拉拔后得到φ3.7mm铝合金单丝后在185℃保温8h，单丝的导电率为56.1％IACS(20℃)，抗拉强度为301MPa，延伸率为3.3％。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在算机或其他可编程数据处理设备上执行。

Claims (9)

1.一种铝-镁-硅合金单丝，其特征在于，所述合金单丝包括按质量百分比计的下述组分：
镁:0.55~0.70%，硅:0.30~0.50%，铒:0.35~0.50%，镧和/或铈:0~0.08%，硼:0.01~0.02%，杂质元素钒+钛+铬+锰≤0.01%，其余为铝和不可避免的杂质；
在熔炼过程中，先于730～740℃下的所得熔液中加入铝-镧中间合金、铝-铈中间合金或镧-铈混合稀土，并加入铝-硼中间合金，熔化后静置第一时间除杂；然后于730～750℃下加入纯镁、铝-硅中间合金和铝-铒中间合金，熔化、搅拌后静置第二时间除杂。
2.根据权利要求1所述的一种铝-镁-硅合金单丝，其特征在于，所述单丝的制备工艺包括：
将纯度高于预设纯度阈值的铝锭于730~750℃的熔炼炉熔炼；
于730~740℃下的所得熔液中加入铝-镧中间合金、铝-铈中间合金或镧-铈混合稀土，并加入铝-硼中间合金，熔化后静置第一时间除杂；
将静置除杂的熔液于730~750℃下加入纯镁、铝-硅中间合金和铝-铒中间合金，熔化、搅拌后静置第二时间除杂；
于710~730℃下的熔液中吹入压力为0.5~0.8MPa的氮气，静置第三时间并扒渣；
将700~720℃的熔液浇入金属型模具，得铸锭；
将510~530℃下保温1~2h的铸锭轧制或挤压成φ9.5mm的杆材，水淬和拉丝。
3.根据权利要求2所述的一种铝-镁-硅合金单丝，其特征在于，
所述铸锭轧制为连铸连轧，所述连铸连轧包括，对所述扒渣所得的熔液经入轧温度为510~530℃，终轧温度不低于400℃，冷却液冷却，90~100℃下出杆，得杆材。
4.根据权利要求2所述的一种铝-镁-硅合金单丝，其特征在于，所述挤压包括，将所述扒渣后的熔液浇铸所得铸锭于510~530℃温度下挤压为，不低于400℃温度下挤出，冷却液冷却，90~100℃下出杆，得杆材。
5.根据权利要求3或4所述的一种铝-镁-硅合金单丝，其特征在于，
将所述杆材经8~12道次拉拔，获得φ3~4mm单丝；和
将单丝在175~190℃下时效6~10h，得铝-镁-硅合金单丝。
6.根据权利要求2所述的一种铝-镁-硅合金单丝，其特征在于，
所述静置第一时间除杂，包括：静置40~60min，从所述熔炼炉上部将溶液的4/5倒入另一保温炉，得到静置除杂的溶液。
7.根据权利要求2所述的一种铝-镁-硅合金单丝，其特征在于，
所述第二时间为15~20min；所述第三时间为20~30min。
8.根据权利要求2所述的一种铝-镁-硅合金单丝，其特征在于，
搅拌时间和吹入氮气的时间均为10~15min。
9.一种铝-镁-硅合金单丝的制备方法，其特征在于，包括：
将纯度高于预设纯度阈值的铝锭于730~750℃的熔炼炉熔炼；
于730~740℃下的所得熔液中加入铝-镧中间合金、铝-铈中间合金或镧-铈混合稀土，并加入铝-硼中间合金，熔化后静置第一时间除杂；
将静置除杂的熔液于730~750℃下加入纯镁、铝-硅中间合金和铝-铒中间合金，熔化、搅拌后静置第二时间除杂；
于710~730℃下的熔液中吹入压力为0.5~0.8MPa的氮气，静置第三时间并扒渣；
将700~720℃的熔液浇入金属型模具，得铸锭；
将510~530℃下保温1~2h的铸锭轧制或挤压成φ9.5mm的杆材，水淬和拉丝，得到下述组分的铝-镁-硅合金单丝：镁:0.55~0.70%，硅:0.30~0.50%，铒:0.35~0.50%，镧和/或铈:0~0.08%，硼:0.01~0.02%，杂质元素钒+钛+铬+锰≤0.01%，其余为铝和不可避免的杂质。
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