自然時效處理的中強度鋁鎂矽合金杆和合金線的製備方法
2023-05-27 07:53:01
專利名稱：自然時效處理的中強度鋁鎂矽合金杆和合金線的製備方法
技術領域：
本發明涉及導線材料領域，具體公開了一種自然時效處理的中強度鋁鎂矽合金杆和合金線的製備方法。
背景技術：
架空輸電導線一般由導體材料和加強材料兩部分構成,其中導體材料可分為純鋁和鋁合金兩類，而支撐材料一般為鋼絞線或其他複合材料。目前，國內使用最為廣泛的架空輸電導線為鋼芯鋁絞線，其導體材料為工業純鋁，主要性能指標為鋁單線的抗拉強度介於60MPa和205MPa之間，20°C的直流 電阻率介於0. 02759 Q mm2/m (62. 5%IACS)和0. 028264 Q mm2/m (61%IACS)之間。隨著導體合金化的發展，以鋁合金材料作為導體材料和加強材料的新型架空輸電導線在國內外應用也日趨廣泛，其代表種類包括全鋁合金絞線和鋁合金芯鋁絞線。全鋁合金絞線由同一材料構成，製造工藝非常簡便，且在工程應用上具有諸多優點；而相比傳統的鋼芯鋁絞線，鋁合金芯鋁絞線在保證加強芯材料強度的條件下，可以充分利用加強芯鋁合金材料的導電性能，同時避免了由鋼芯的磁滯作用而引起的電能損耗。同時，以上兩種新型架空導線具有更好的耐腐蝕性，架線施工也更方便，將來在廢舊導線回收時也更具經濟性。因此，全鋁合金絞線和鋁合金芯鋁絞線成為當前架空輸電導線發展的一個重要方向。目前，架空輸電導線用中強度鋁合金主要為鋁鎂矽合金，應用最多的為以下兩類一類為導電率不低於57%IACS，抗拉強度不低於250MPa ;另一類為導電率不低於59%IACS，抗拉強度不低於235MPa。目前國內這種中強度鋁鎂矽合金線的製造方法在製造過程中均需要對鋁合金杆和鋁合金線進行熱處理。專利CN102041418A和專利CN102162050A中分別提到了兩種不同導電率的中強度鋁合金線的製造方法，這兩種方法在製得鋁合金杆後需對其進行固溶處理和人工時效處理，在鋁合金杆拉製成鋁合金線後又需對其進行人工時效處理。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術製備中強度鋁鎂矽合金杆或合金線需要人工時效的缺陷，提供一種在連鑄連軋並淬火後，通過自然時效處理來製備鋁合金杆的工藝方法。本發明方法製備的鋁合金杆經過拉制後，不需要其他熱處理工藝就可用作架空輸電導線用的中強度鋁合金線，大大降低了鋁鎂矽合金線的生產成本，同時達到節能減排的目的。本發明首先公開了一種自然時效的中強度鋁鎂矽合金杆的製備方法，步驟如下I)合金化處理將鋁液裝入保溫爐中，控制鋁液溫度在72(T750°C，加入鋁矽中間合金、鋁稀土中間合金及鋁鎂中間合金/鎂錠，攪拌均勻獲得合金熔液，所述合金熔液的組成為矽 0. 40wt% 0. 60wt%,鎂 0. 30wt% 0. 50wt%,鐵 0. 10wt% 0. 20wt%,銅 < 0. 04wt%,稀土
<0. 12wt%，其他每種雜質元素含量< 0. 03wt%，雜質含量合計< 0. 10wt%，餘量為鋁；2)精煉加入精煉劑對保溫爐中的合金熔液進行精煉，扒渣，靜置不少於35分鐘；
3)爐前分析調整對步驟2)精煉後的合金熔液進行取樣分析，含量偏離時進行調整，確認合金熔液的組成為矽0. 40wt% 0. 60wt%,鎂0. 30wt% 0. 50wt%,鐵0. 10wt% 0. 20wt%，銅< 0. 04wt%，稀土 < 0. 12wt%，其他每種雜質元素含量< 0. 03wt%，雜質含量合計< 0. 10wt%,餘量為招；4) 二次精煉對步驟3)分析調整後的合金熔液進行變質處理，爐外除氣和爐外除渣；5)鑄造對步驟4) 二次精煉後的 合金熔液進行連續澆鑄，澆鑄溫度為6900C 700°C，所得的鑄坯溫度為470°C 490°C之間；6)軋制對步驟5)製得的鑄坯進行校直，進軋機前對鑄坯進行加熱，保持進軋溫度在515°C飛35°C之間，軋制過程中採用乳化液潤滑，軋製得到鋁合金杆；7)淬火對步驟6)軋制所得的鋁合金杆進行淬火處理；8)自然時效對步驟7)所得的鋁合金杆進行自然時效處理，獲得中強度鋁鎂矽合金杆。步驟I)所述鋁液為鋁錠置入豎爐中熔化所得。精選鋁錠合金使Fe < 0. 20wt%,Si < 0. 07wt%, Cu < 0. 01wt%，Mg < 0. 02wt%, Zn < 0. 04wt%，B < 0. 04wt%, Cr < 0. 004wt%，(Mn+Ti+Cr+V) < 0. 02wt%，其它每種雜質元素含量均不得大於0. 03wt%，且雜質元素含量總和不大於0. 10%o較優的，步驟I)所述鋁矽中間合金中矽含量為9Wt9T20wt% ;所述鋁稀土合金中含混合稀土 8wt9TlOwt%，並且混合稀土中鈰的含量不低於混合稀土總量的45wt% ;鋁鎂中間合金中鎂含量為50wt%。步驟2)所述精煉劑為常用鋁合金精煉劑。較優的，所述精煉劑選自固體精煉劑或固氣混合精煉劑，所述精煉劑用量為全部爐料質量的2%。 4%。。在入爐前需要對精煉劑進行預熱乾燥。較優的，步驟2)精煉過程中合金熔體的溫度控制在730°C ^750°C。較優的，步驟2)所述精煉劑的加入方式為利用惰性氣體將精煉劑吹入合金熔液中，同時對合金熔液進行充分攪拌，攪拌方式為人工攪拌的同時進行電磁攪拌。所述扒渣為將合金熔液表面的浮渣扒淨。較優的，步驟2)扒渣過程中合金熔液的溫度控制在720°C 740°C。步驟4)所述變質處理是指在合金熔液進入除氣裝置前，向流槽中的合金熔液中加入變質劑，細化晶粒，改善組織形態。較優的，所述變質劑為Ti的中間合金，控制Ti含量佔合金熔液總質量的0.003% 0. 004%。更優的，所述Ti的中間合金選自鋁鈦中間合金(例如Al_3Ti)或鋁鈦硼中間合金(如 Al-5Ti-lB)。步驟4)所述爐外除氣是指鋁合金熔液流經除氣裝置時，向合金熔液中連續通入惰性氣體，除去合金熔液中游離的氫，達到除氣的目的。較優的，步驟4)所述爐外除渣是指採用陶瓷過濾板對鋁合金熔液進行過濾，所述陶瓷過濾板的孔隙規格為20PP廣60PPI。更優的，所述陶瓷過濾板的孔隙規格為30PPI 40PPI。
較優的，步驟5)中澆鑄溫度為690°C ^695°C，鑄機的結晶輪轉速為I. 8轉/分 I. 5
轉/分。較優的，步驟6)軋制過程中乳化液溫度為40°C 65°C，壓力為2. 0kg/cnT2. 5kg/cm2,軋制所得的招合金杆的規格為直徑9. 5mnTl2. 7mm。本發明所述乳化液為本領域常用潤滑用乳化液。較優的，乳化液的濃度為20% 30%。較優的，步驟7)淬火處理的條件為水溫為25°C "30°C，水壓為2. 5kg/cnT4. Okg/cm2。經淬火處理後鋁合金杆的溫度在60°C以下 ，並保持鋁合金杆表面乾燥。較優的，步驟8)所述自然時效的時間為7天以上。在本發明中強度鋁鎂矽合金杆的製備方法的工藝參數範圍內調整可製得兩種不同導電率的鋁合金杆(直徑為9. 5mm時)——A類抗拉強度彡198MPa，伸長率彡14%，導電率彡59%IACS出類抗拉強度彡190MPa，伸長率彡14%，導電率彡61%IACS。本發明還公開了一種自然時效的中強度鋁鎂矽合金線的製備方法，步驟如下A.鋁鎂矽合金杆的製備採用本發明所述中強度鋁鎂矽合金杆的製備方法製備獲得中強度鋁鎂矽合金杆；B.鋁鎂矽合金成品線的製備將上一步的中強度鋁鎂矽合金杆通過拉絲機拉製成所需形狀和直徑的中強度鋁鎂矽合金線；拉絲速度4mATl0m/s，每道次截面變化率169^24%。較優的，拉絲可採用13模滑動式大拉機拉制圓線、或採用非滑動式型線拉絲機拉制型線。本發明所提供的電工用中強度鋁鎂矽合金線，其截面可以是圓形、梯型或S/Z型；通過對上述兩種不同導電率的中強度鋁鎂矽合金杆進行拉絲，能夠獲得兩種不同導電率的中強度鋁鎂矽合金線，兩種鋁鎂矽合金線的主要性能指標分別為導電率> 57%IACS，抗拉強度彡250MPa，伸長率彡2. 0% ;導電率彡59%IACS，抗拉強度彡235MPa，伸長率彡2. 0%。本發明最後還公開了採用上述方法製備的電工用自然時效中強度鋁鎂矽合金杆，其合金組成如下娃0. 40wt% 0. 60wt%鎂0. 30wt% 0. 50wt%鐵0. 10wt% 0. 20wt%銅< 0. 04wt%稀土< 0. 12wt%其他每種雜質元素< 0. 03wt%,雜質合計< 0. 10wt%餘量為招。相對於其他鋁鎂矽合金杆的製備方法，其製得的鋁鎂矽合金杆後，以及在合金杆拉製成合金線後一般均需要進行人工時效處理才能達到以上性能要求。本發明主要通過熔煉、精煉、鑄造工藝，特別是軋制工藝的控制，製備出具有特定狀態的鋁鎂矽合金杆，經過自然時效後，直接進行拉拔就可獲得符合架空輸電導線使用要求的中強度鋁鎂矽合金線。相比傳統工藝，通過本發明所提供的製備方法所製得的鋁鎂矽合金杆性能穩定，所述鋁鎂矽合金杆拉制後的鋁鎂矽合金線性能穩定，不需要其他任何人工時效處理，在完全滿足架空導線用鋁合金線使用要求的前提下，大大降低了鋁鎂矽合金線的生產成本。
圖I :中強度鋁鎂矽合金線製備工藝流程示意圖
具體實施例方式下面結合實施例進一步闡述本發明。應理解，實施例僅用於說明本發明，而非限制本發明的範圍。實施例I I.材料選用一定成分要求的鋁錠、鋁矽中間合金、鋁鎂中間合金、鋁稀土中間合金作為原材料。鋁錠具體成分要求如下Fe< 0. 20wt%, Si < 0. 07wt%, Cu < 0. 01wt%, Mg <0. 02wt%, Zn < 0. 04wt%, B < 0. 04wt%, Cr < 0. 004wt%, (Mn+Ti+Cr+V) < 0.02wt%，其它每
種雜質元素含量均不得大於0. 03%wt%,且雜質元素含量總和不大於0. 10wt%。(本實施例採用牌號A199. 7E的電工鋁錠)鋁矽中間合金中矽含量為20wt% ;鋁稀土中間合金中含混合稀土 10wt%，其中鈰含量不低於45wt% ;鎂錠為牌號Mg9998的原生鎂錠。2.方法按照如圖I所示的工藝流程，首先將鋁錠置入熔化速度為5噸/小時的豎爐中熔化。將熔化後的鋁液裝入保溫爐並迅速升溫。根據保溫爐中的鋁液量及各中間合金成分計算所需的鋁矽、鎂錠、鋁稀土中間合金的加入量。當鋁液溫度達到720°C時，先加入鋁矽中間合金，再利用工具向保溫爐中加入鎂錠和鋁稀土中間合金，同時迅速壓入熔液中，並伴隨人工攪拌，儘量減少鎂燒損。加料時停止加熱，加熱過程中或加料後，需控制熔體溫度在740 V以上，但不得超過760°C。合金配置完畢後，對熔體進行充分攪拌(包括人工攪拌和電磁攪拌)，攪拌時鋁液溫度控制在720V 730°C之間。充分攪拌後，將鋁液溫度升高到750°C。採用滷鹽類精煉劑(以鈉鹽和鉀鹽為主要成分)進行精煉，用量為全部爐料的2%。；利用氮氣將精煉劑吹入合金熔液中，同時對爐內熔液進行再次充分攪拌。待精煉完畢後，在保持熔體溫度不低於720°C時進行除渣，將鋁液表面的浮渣扒淨。扒渣時需避免劇烈攪動，防止爐渣破碎。在精煉扒渣後將鋁液靜置35分鐘，並保持鋁液溫度在720°C ^735°C，然後對保溫爐中的合金液進行取樣和化學成分分析，確認合金熔液的組成為矽0. 40wt%，鎂0. 50wt%，鐵0. 10wt%，銅< 0. 04wt%，稀土 < 0. 12wt%，其他每種雜質元素含量< 0. 03wt%，雜質含量合計
190MPa，伸長率> 14%，導電率> 61%IACS。採用13模滑動式大拉機拉制圓線，拉絲速度4m/s，每道次截面變化率24%。所製得的中強度鋁合金線的主要性能指標為抗拉強度彡235MPa，導電率彡59%IACS，伸長 率彡2. 0%。由這種中強度鋁鎂矽合金線可以製備架空輸電導線用全鋁合金絞線和鋁合金芯鋁絞線。實施例2I.材料選用一定成分要求的鋁錠、鋁矽中間合金、鋁鎂中間合金、鋁稀土中間合金作為原材料。鋁錠具體成分要求如下Fe< 0. 20wt%, Si < 0. 07wt%, Cu < 0. 01wt%, Mg <0. 02wt%, Zn < 0. 04wt%, B < 0. 04wt%, Cr < 0. 004wt%, (Mn+Ti+Cr+V) < 0.02wt%，其它每
種雜質元素含量均不得大於0. 03%wt%,且雜質元素含量總和不大於0. 10%o (本實施例採用牌號A199. 7E的電工鋁錠)鋁矽中間合金中矽含量為20wt% ;鋁稀土中間合金中含混合稀土 10wt%，其中鈰含量不低於45wt% ;鋁鎂中間合金中鎂含量為50wt%。2.方法按照如圖I所示的工藝流程，首先將鋁錠置入熔化速度為5噸/小時的豎爐中熔化。將熔化後的鋁液裝入保溫爐並迅速升溫。根據保溫爐中的鋁液量及各中間合金成分計算所需的鋁矽、鎂錠、鋁稀土中間合金的加入量。當鋁液溫度達到750°C時，先加入鋁矽中間合金，再利用工具向保溫爐中加入鎂錠和鋁稀土中間合金，同時迅速壓入熔液中，並伴隨人工攪拌，儘量減少鎂燒損。加料時停止加熱，加熱過程中或加料後，需控制熔體溫度在7400C以上，但不得超過760V。合金配置完畢後，對熔體進行充分攪拌(包括人工攪拌和電磁攪拌)，攪拌時鋁液溫度控制在72(T730°C之間。充分攪拌後，將鋁液溫度升高到730°C。採用以鈉鹽和鉀鹽為主要成分的滷鹽類精煉劑進行精煉，用量為全部爐料的4%。，精煉劑加入前需充分乾燥；利用氮氣將精煉劑吹入合金熔液中，同時對爐內熔液進行再次充分攪拌。待精煉完畢後，在保持熔體溫度不低於740°C時進行除渣，將鋁液表面的浮渣扒淨。扒渣時需避免劇烈攪動，防止爐渣破碎。在精煉扒渣後將鋁液靜置35分鐘，並保持鋁液溫度在72(T735°C，然後對保溫爐中的合金液進行取樣和化學成分分析，確認合金熔液的組成為矽 0. 60wt%,鎂 0. 30wt%,鐵 0. 10wt%,銅 < 0. 04wt%,稀土 < 0. 12wt%,其他每種雜質元素含量< 0. 03wt%，雜質含量合計< 0. 10wt%，餘量為鋁。取樣位置至少四處且應均勻分布，如果每次取樣任何兩處鎂或矽的含量相差數超過0. 03%，應重新攪拌，靜置後再取樣。待鋁液成分符合要求後，控制爐內鋁液溫度在72(T735°C之間，然後放出熔液進行二次精煉。即在熔液進入除氣裝置前，向流槽中的合金熔液內連續熔入杆狀鋁鈦硼變質劑，根據熔液在流槽內的流量控制杆狀鋁鈦硼變質劑的熔入速度，使熔液中的Ti含量控制在0. 004%。熔液經除氣、除渣處理(陶瓷過濾板的孔隙規格選用40PPI)後，進入上澆包，保持上澆包鋁液溫度在700°C ^720°C，調節鑄機轉速為2. 5轉/分，澆鑄溫度為690°C。經結晶輪連續鑄造得到鋁合金鑄坯，需對其端部進行剪頭，直至鑄坯溫度達到470°C 485°C後，對其進行校直。校直後鋁合金鑄坯進入中頻爐進行感應升熱，調整中頻爐參數使鑄坯的進軋溫度保持在515°C飛20°C之間，連續軋制過程中採濃度為30%的乳化液進行潤滑，乳化液溫度為65°C，壓力為2. 5kg/cm2，軋制所得的鋁合金杆規格為直徑9. 5mm。經連續軋制後，迅速對鋁合金杆進行淬火處理，淬火水溫為25°C，水壓為4. Okg/cm2。淬火處理後成盤鋁合金杆的溫度應在60°C以下，經壓縮空氣吹乾，保持鋁合金杆表面乾燥。製成的鋁杆應放置14天進行自然時效，這種鋁合金杆直徑為9. 5mm，抗 拉強度彡198MPa，伸長率彡14%，導電率彡59%IACS。採用13模滑動式大拉機拉制圓線，拉絲速度lOm/s，每道次截面變化率16%。所製得的中強度鋁合金線的主要性能指標為抗拉強度彡250MPa，導電率彡57%IACS，伸長率彡2. 0%。由這種中強度鋁鎂矽合金線可以製備架空輸電導線用全鋁合金絞線和鋁合金芯鋁絞線。以上所述，僅為本發明的較佳實施例，並非對本發明任何形式上和實質上的限制，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明方法的前提下，還將可以做出若干改進和補充，這些改進和補充也應視為本發明的保護範圍。凡熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，當可利用以上所揭示的技術內容而做出的些許更動、修飾與演變的等同變化，均為本發明的等效實施例；同時，凡依據本發明的實質技術對上述實施例所作的任何等同變化的更動、修飾與演變，均仍屬於本發明的技術方案的範圍。
權利要求
1.一種自然時效的中強度鋁鎂矽合金杆的製備方法，步驟如下 1)合金化處理將鋁液裝入保溫爐中，控制鋁液溫度在720 750°C，加入鋁矽中間合金、鋁稀土中間合金及鋁鎂中間合金/鎂錠，攪拌均勻獲得合金熔液，所述合金熔液的組成為矽 0. 40wt% 0. 60wt%,鎂 0. 30wt% 0. 50wt%,鐵 0. 10wt% 0. 20wt%,銅 < 0. 04wt%,稀土 < 0. 12wt%，其他每種雜質元素含量< 0. 03wt%，雜質含量合計< 0. 10wt%，餘量為鋁； 2)精煉加入精煉劑對保溫爐中的合金熔液進行精煉，扒渣，靜置不少於35分鐘； 3)爐前分析調整對步驟2)精煉後的合金熔液進行取樣分析，含量偏離時進行調整，確認合金熔液的組成為矽0. 40wt% 0. 60wt%,鎂0. 30wt% 0. 50wt%,鐵0. 10wt% 0.20wt%,銅< 0. 04wt%,稀土 < 0. 12wt%，其他每種雜質元素含量< 0. 03wt%,雜質含量合計< 0. 10wt%，餘量為鋁； 4)二次精煉對步驟3)分析調整後的合金熔液進行變質處理，爐外除氣和爐外除渣； 5)鑄造對步驟4)二次精煉後的合金熔液進行連續澆鑄，澆鑄溫度為690°C 700°C，所得的鑄坯溫度為470°C 490°C之間； 6)軋制對步驟5)製得的鑄坯進行校直，進軋機前對鑄坯進行加熱，保持進軋溫度在515°C 535°C之間，軋制過程中採用乳化液潤滑，軋製得到鋁合金杆； 7)淬火對步驟6)軋制所得的鋁合金杆進行淬火處理； 8)自然時效對步驟7)所得的鋁合金杆進行自然時效處理，獲得中強度鋁鎂矽合金杆。
2.如權利要求I所述的製備方法，其特徵在於，步驟I)所述鋁矽中間合金中矽含量為9wt% 20wt% ;所述招稀土合金中含混合稀土 8wt% 10wt%,並且混合稀土中鋪的含量不低於混合稀土總量的45wt% ;鋁鎂中間合金中鎂含量為50wt%。
3.如權利要求I所述的製備方法，其特徵在於，步驟2)所述精煉劑選自固體精煉劑或固氣混合精煉劑，所述精煉劑用量為全部爐料質量的2%。 4%。。
4.如權利要求I所述的製備方法，其特徵在於，步驟2)精煉過程中合金熔體的溫度控制在 730 °C~ 750 0C o
5.如權利要求I所述的製備方法，其特徵在於，步驟5)中澆鑄溫度為690°C 695°C，鑄機的結晶輪轉速為I. 8轉/分 2. 5轉/分。
6.如權利要求I所述的製備方法，其特徵在於，步驟6)軋制過程中乳化液溫度為40°C 65°C,壓力為2. Okg/cm2 2. 5kg/cm2,軋制所得的招合金杆的規格為直徑9. 5 12. 7mm0
7.如權利要求I所述的製備方法，其特徵在於，步驟7)淬火處理的條件為水溫為25。。 30°C，水壓為 2. 5kg/cm2 4. Okg/cm2。
8.如權利要求I所述的製備方法，其特徵在於，步驟8)所述自然時效的時間為7天以上。
9.一種自然時效的中強度鋁鎂矽合金線的製備方法，步驟如下 A.鋁鎂矽合金杆的製備採用權利要求1-8任一權利要求所述中強度鋁鎂矽合金杆的製備方法製備獲得中強度鋁鎂矽合金杆； B.鋁鎂矽合金成品線的製備將上一步的中強度鋁鎂矽合金杆通過拉絲機拉製成所需形狀和直徑的中強度鋁鎂矽合金線；拉絲速度4m/s lOm/s，每道次截面變化率16% 24%。
10.權利要求1-8任一權利要求所述方法製備的電工用自然時效的中強度鋁鎂矽合金杆，其合金組成如下娃 0. 40wt% 0. 60wt%鎂 0. 30wt% 0. 50wt%鐵 0. 10wt% 0. 20wt%銅 < 0. 04wt% 稀土 < 0. 12wt% 其他每種雜質元素< 0. 03wt%,雜質合計< 0. 10wt% 餘量為招。
全文摘要
本發明涉及導線材料領域，具體公開了一種自然時效處理的中強度鋁鎂矽合金杆和合金線的製備方法，其工藝包括1)合金化處理；2)精煉；3)爐前分析調整；4)二次精煉；5)鑄造；6)軋制；7)淬火；8)自然時效等步驟。相對於其他鋁鎂矽合金杆的製備方法，本發明工藝製得的鋁鎂矽合金杆後，以及在合金杆拉製成合金線後一般不需要進行人工時效處理，只需要自然時效就可獲得符合架空輸電導線使用要求的中強度鋁鎂矽合金線，在完全滿足架空導線用鋁合金線使用要求的前提下，大大降低了鋁鎂矽合金線的生產成本。
文檔編號C22F1/05GK102766788SQ201210283158
公開日2012年11月7日 申請日期2012年8月9日 優先權日2012年8月9日
發明者黨朋, 劉斌, 曾偉, 王晨生, 蔡西川, 鄭秋 申請人:上海電纜研究所