一种稀土改性铝镁硅合金及其制备方法与应用

1.本发明属于有色金属及其加工技术领域，具体涉及一种稀土改性铝镁硅合金及其制备方法与应用。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.导电管铝合金一般采用t6状态，行业上要求导电率达到50％iacs，而抗拉强度205mpa(硬度65hb)以上即可。随着国家节能减排政策的实施，以及极端天气大风、对流、严寒等天气增多，现有铝合金导电管的性能已不能满足工业生产发展的需要。
4.现有的铝镁硅合金制备方法有的只考虑了产品强度问题，未考虑其导电性能，不适于高导电率要求的铝合金导电管生产。有的铝镁硅合金制备方法采用热轧法，但是热轧法受其精度和生产效率的限制，无法高速、高精度生产铝合金导电管。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种稀土改性铝镁硅合金及其制备方法与应用。
6.为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
7.一种稀土改性铝镁硅合金的制备方法，所述方法为：
8.铸棒：首先熔化铝锭，熔化完成后加入al—si中间合金、al—ti中间合金、al—稀土合金，然后添加镁锭；熔化进行精炼过程，精炼完成后进行浇注铝棒；在铝棒浇注过程中进行在线过滤并加入al—ti—b细化剂后，采用铸造机铸造成实心铝棒；
9.将铸棒进行均质化后进行挤压成型或者直接进行挤压成型，在挤压成型过程中进行在线淬火处理；
10.将挤压型材进行时效处理，时效处理后得到铝镁硅合金。
11.铝-镁-硅合金具有中等强度，耐蚀性高、无应力腐蚀破裂倾向、焊接性能良好、焊接区腐蚀性能不变、成形性和工艺性能良好等优点，已在航空、航天、汽车、建筑、电力、船舶及输送管道等领域大量使用。随着电力行业超高压、特高压输电设备的应用与生产，对导电管的要求日渐苛刻。特高压电网导电管为铝—镁—硅系列铝合金，比强度和比刚度高，易于成型，具有良好的抗蚀性和可焊性。本发明对添加稀土元素的铝镁硅合金的制备方法进行改进，使得到的铝镁硅合金能够同时具有高强度、高导电性的优点。高导电率铝合金，并建立快速、低成本的制备方法，对我国电力行业远距离传输的原材料、人工及能源等方面的成本控制具有极其重要的意义。
12.本发明铸棒后可以直接进行挤压成型或者经过均质化后再挤压成型。得到的铝镁硅合金具有相近的强度和导电率。
13.本发明的制备方法中采用时效处理的方法对添加稀土元素铸棒进行处理，有利同时于提高力学性能和导电率。
14.在本发明的一些实施方式中，均质化的过程：将铝棒放入均质炉中，保温处理后取出铝棒，将其进行降温处理后得到均质化铸棒。
15.在本发明的一些实施方式中，al—稀土合金中稀土质量含量占到9-11％，且ce：la的质量比为60-70：35；进一步，ce：la的质量比为65：35。
16.在本发明的一些实施方式中，铸棒过程中铝锭熔化的温度为800-950℃，精炼过程的温度为700-800℃；进一步，铸棒过程中铝锭熔化的温度为800-950℃，精炼过程的温度为740-780℃。铸棒过程中先使铝锭完全熔化，然后加入al—si中间合金、al—ti中间合金、al—稀土合金进行混合，精炼过程包括除气、除渣、静置等精炼过程。
17.在本发明的一些实施方式中，通过铸造机进行铸造的过程中，铸造速度为500-1200mm/min。在铸棒的过程中，所述操作过程需要保证铝镁硅合金中各元素的含量，并且fe、cu、cr、mn、b、ni及zn元素为杂质，在熔铸过程中需严格控制其含量。
18.在本发明的一些实施方式中，得到的铸棒直径为100—305mm的实心铝棒。
19.在本发明的一些实施方式中，挤压成型的过程中，挤压筒温度420—460℃，模具温度470—510℃，铝棒温度470—510℃，挤压速度3—8m/min，压余厚度30—40mm。
20.在本发明的一些实施方式中，挤压过程中的淬火方法为：自然冷却、强风冷或水冷。
21.在本发明的一些实施方式中，时效处理的温度为170-200℃，时效时间为2-8小时；进一步为170-180℃，时效时间为7-8小时；进一步为190-200℃，时效时间为2-3小时；进一步为190-200℃，时效时间为5-6小时；更进一步为175℃，时效时间为8小时；更进一步为200℃，时效时间为2小时；更进一步为200℃，时效时间为5小时。现有的一种方法中采用分段梯度固溶的方法，减少了铝合金棒材表面与棒材中心的温度差，在保证力学性能的条件下，有效避免了粗晶环的产生。这种方法为铝合金棒材产品，并且只考虑了产品强度问题，未考虑其导电性能，不适于高导电率要求的铝合金导电管生产。
22.第二方面，一种稀土改性铝镁硅合金，由以下重量百分数的组分组成：mg 0.45—0.85％，si 0.35—0.7％，fe 0.1—0.2％，cu≤0.1％，ti≤0.1％，cr≤0.1％，mn≤0.1％，稀土0.1—0.3％，b ni zn＜0.05％，余量为al。
23.在本发明的一些实施方式中，由以下重量百分数的组分组成：mg 0.62％，si 0.42％，fe 0.15％，cu≤0.1％，ti≤0.1％，cr≤0.1％，mn≤0.1％，稀土0.2％，b ni zn＜0.05％，余量为al。
24.第三方面，上述稀土改性铝镁硅合金的制备方法或稀土改性铝镁硅合金在制造导电管中的应用。
25.本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
26.本发明中选择带有稀土元素的原料制备铝镁硅合金，稀土元素ce、la及混合稀土都具有细化纯铝铸态组织的作用，稀土元素可以在晶界处形成金属间化合物，成为异质形核的核心，使得其它合金元素易于在晶间偏聚和吸附，从而起到细化晶粒的作用。同时可以将危害材料导电性较强的fe、si元素以al
3.2
1si
0.47
、feal3的形式从铝基体中析出，大大提高了材料的导电性。
27.将稀土改性的铸造铝棒进行均质化处理后用于挤压成形，或者直接将铸造铝棒进行挤压成形，对挤压型材进行时效强化处理后，最终获得高强度、高导电率铝合金。相比于现有的制备方法，能够达到铝镁硅合金高强度和高导电率的平衡和同时提高，有利于其作为导电管中的应用。
28.铝镁硅合金在室温下的导电率超过60％iacs，力学性能强度超过240mpa，非比例延伸强度超过240mpa，断后伸长率达到15％以上，具有优良的导电性能和力学性能。
附图说明
29.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
30.图1为不同实施例抗拉强度对比。
31.图2为不同实施例导电率对比。
具体实施方式
32.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
33.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
34.实施例1-实施例6的铸棒过程为：首先熔化99.7％铝锭，完全融化温度达850℃左右，熔化完成后加入al—si中间合金、al—ti中间合金、al—稀土合金，搅拌均匀后添加99.9％镁锭；完全熔化后进行除气、除渣、静置等精炼过程，精炼温度控制在740—780℃，精炼完成后即可进行浇注铝棒；在铝棒浇注过程中进行在线过滤并加入al—ti—b细化剂后，采用多头结晶器的立式半连续铸造机铸造成直径为φ100—φ305mm的实心铝棒，铸造速度500—1200mm/min。
35.下面结合实施例对本发明进一步说明
36.实施例1
37.采用立式半连续铸造方法制备稀土改性铝—镁—硅铸棒，铸棒元素成分配比为：mg 0.62％，si 0.42％，fe 0.15％，cu≤0.1％，ti≤0.1％，cr≤0.1％，mn≤0.1％，稀土0.2％，b ni zn＜0.05％，余量为al。将铸造铝棒直接用于挤压成形，挤压工艺参数为：挤压筒温度440℃，模具温度490℃，铝棒温度490℃，挤压速度5m/min，压余厚度30mm。挤压型材采用自然冷却的方式降温，当型材温度降至室温后，对挤压型材进行不同的时效处理，时效处理过程如下：时效温度175℃、时效时间8小时；时效温度200℃，时效时间2小时；时效温度200℃，时效时间5小时。
38.实施例2
39.采用立式半连续铸造方法制备稀土改性铝—镁—硅铸棒，铸棒元素成分配比为：mg 0.62％，si 0.42％，fe 0.15％，cu≤0.1％，ti≤0.1％，cr≤0.1％，mn≤0.1％，稀土
0.2％，b ni zn＜0.05％，余量为al。将铸棒放入均质炉中，在560℃下保温6小时，保温时间达到时将铝棒取出，采用强风冷却至铝棒温度为200℃时转为水喷淋冷却至室温，得到均质化铸棒。利用均质化铝棒进行挤压成形，挤压工艺参数为：挤压筒温度440℃，模具温度490℃，铝棒温度490℃，挤压速度5m/min，压余厚度30mm。。挤压型材采用自然冷却的方式降温，当型材温度降至室温后，对挤压型材进行不同的时效处理，时效处理过程如下：时效温度175℃、时效时间8小时；时效温度200℃，时效时间2小时；时效温度200℃，时效时间5小时。
40.实施例3
41.采用立式半连续铸造方法制备稀土改性铝—镁—硅铸棒，铸棒元素成分配比为：mg 0.62％，si 0.42％，fe 0.15％，cu≤0.1％，ti≤0.1％，cr≤0.1％，mn≤0.1％，稀土0.2％，b ni zn＜0.05％，余量为al。将铸造铝棒直接用于挤压成形，挤压工艺参数为：挤压筒温度440℃，模具温度490℃，铝棒温度490℃，挤压速度5m/min，压余厚度30mm。挤压型材采用在线强风冷的方式降温，当型材温度降至室温后，对挤压型材进行不同的时效处理，时效处理过程如下：时效温度175℃、时效时间8小时；时效温度200℃，时效时间2小时；时效温度200℃，时效时间5小时。
42.实施例4
43.采用立式半连续铸造方法制备稀土改性铝—镁—硅铸棒，铸棒元素成分配比为：mg 0.62％，si 0.42％，fe 0.15％，cu≤0.1％，ti≤0.1％，cr≤0.1％，mn≤0.1％，稀土0.2％，b ni zn＜0.05％，余量为al。将铸棒放入均质炉中，在560℃下保温6小时，保温时间达到时将铝棒取出，采用强风冷却至铝棒温度为200℃时转为水喷淋冷却至室温，得到均质化铸棒。利用均质化铝棒进行挤压成形，挤压工艺参数为：挤压筒温度440℃，模具温度490℃，铝棒温度490℃，挤压速度5m/min，压余厚度30mm。挤压型材采用在线强风冷的方式降温，当型材温度降至室温后，对挤压型材进行不同的时效处理，时效处理过程如下：时效温度175℃、时效时间8小时；时效温度200℃，时效时间2小时；时效温度200℃，时效时间5小时。
44.实施例5
45.采用立式半连续铸造方法制备稀土改性铝—镁—硅铸棒，铸棒元素成分配比为：mg 0.62％，si 0.42％，fe 0.15％，cu≤0.1％，ti≤0.1％，cr≤0.1％，mn≤0.1％，稀土0.2％，b ni zn＜0.05％，余量为al。将铸造铝棒直接用于挤压成形，挤压工艺参数为：挤压筒温度440℃，模具温度490℃，铝棒温度490℃，挤压速度5m/min，压余厚度30mm。挤压型材采用在线水冷的方式降温，当型材温度降至室温后，对挤压型材进行不同的时效处理，时效处理过程如下：时效温度175℃、时效时间8小时；时效温度200℃，时效时间2小时；时效温度200℃，时效时间5小时。
46.实施例6
47.采用立式半连续铸造方法制备稀土改性铝—镁—硅铸棒，铸棒元素成分配比为：mg 0.62％，si 0.42％，fe 0.15％，cu≤0.1％，ti≤0.1％，cr≤0.1％，mn≤0.1％，稀土0.2％，b ni zn＜0.05％，余量为al。将铸棒放入均质炉中，在560℃下保温6小时，保温时间达到时将铝棒取出，采用强风冷却至铝棒温度为200℃时转为水喷淋冷却至室温，得到均质化铸棒。利用均质化铝棒进行挤压成形，挤压工艺参数为：挤压筒温度440℃，模具温度490℃，铝棒温度490℃，挤压速度5m/min，压余厚度30mm。挤压型材采用在线水冷的方式降温，
当型材温度降至室温后，对挤压型材进行不同的时效处理，时效处理过程如下：时效温度175℃、时效时间8小时；时效温度200℃，时效时间2小时；时效温度200℃，时效时间5小时。
48.对实施例1—6制备的铝合金型材利用电子万能试验机进行室温拉伸性能测试，结果如表1所示。与铝合金导电管行业通用要求的抗拉强度205mpa相比，稀土改性铝合金挤压导电管的抗拉强度性能更加优良，最高提高幅度为41.6mpa，提高了20.3％。同时对挤压铝合金型材进行20℃的导电性能测试，结果如表2所示。与行业上要求的铝合金导电管导电率50％iacs相比，稀土改性铝合金导电管的导电率高达60％iacs，导电能力提高了20％。除此之外，稀土改性铝合金铸棒可以直接进行挤压过程，获得的型材经时效处理后其力学性能和导电性能均较优良，从而省去耗时耗能的均质化过程，对行业节能减排及成本控制具有极其重要的意义。
49.表1实施例1—6制备铝合金型材的拉伸性能
[0050][0051]
表2实施例1—6制备铝合金型材的导电性能
[0052][0053]
通过表1和图1的力学性能结果可以看到，实施例1-实施例6得到的铝镁硅合金具有较高的力学性能，抗拉强度最高达到246.6mpa，非比例延伸强度达到219.6，断后伸长率达到10.7-17.3％。
[0054]
通过表2和图2的导电率的结果，可以看到实施例1-实施例6制备得到的铝镁硅合金导电率达到61％。
[0055]
实施例1、实施例3、实施例5利用非均质铝棒直接进行挤压成形，并采用不同的在线淬火方式，得到的铝合金型材的力学性能和导电性能不同，实施例1采用自然冷却的在线淬火方式，实施例3采用在线强风冷却的在线淬火方式，实施例5采用在线水冷的在线淬火方式；实施例2、实施例4、实施例6利用均质铝棒进行挤压成形，并采用不同的在线淬火方式，得到的铝合金型材的力学性能和导电性能也不同，实施例2采用自然冷却的在线淬火方式，实施例4采用在线强风冷却的在线淬火方式，实施例6采用在线水冷的在线淬火方式。实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5、实施例6每个实施例中均采用不同的时效温
度、时效时间进行处理，可以看到，冷却方式、均质化处理、时效处理的条件都会影响得到的型材的力学性能和导电性能。实施例6得到的型材在力学性能和导电性能方面是综合较好的。
[0056]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。