一种获得最佳时效强化效果的Al-Mg-Si合金形变与热处理方法 |
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| 申请号 | CN202311779407.4 | 申请日 | 2023-12-21 | 公开(公告)号 | CN117737491A | 公开(公告)日 | 2024-03-22 |
| 申请人 | 上海应用技术大学; | 发明人 | 刘敏; 郭子銘; 杨凡; 刘腾; 卢佳; 王泽民; 王占勇; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种获得最佳时效强化效果的Al‑Mg‑Si 合金 形变与 热处理 方法，通过此种方法获得的Al‑Mg‑Si合金的通式为aAl‑bMg‑cSi，其中a＝98.6、b＝0.6、c＝0.55，以及极少量的杂质元素，杂质元素含量≤0.03wt.％。属于提高 铝 合金 强度技术领域。本发明所述的工艺基于传统 轧制 工艺和热处理，成本低廉，加工过程可操作性较强且较为方便。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种获得最佳时效强化效果的Al‑Mg‑Si合金形变与热处理方法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种获得最佳时效强化效果的Al‑Mg‑Si合金形变与热处理方法 技术领域背景技术[0002] Al‑Mg‑Si合金是远距离输电线路主要原材料，具有强度高、导电性能好的优点。Al‑Mg‑Si合金作为可以热处理可强化的铝合金，在实际生产中通过拉拔硬化和时效强化相结合的方式，达到提高合金导线强度的目的。 [0003] 在Al‑Mg‑Si合金中，形成Mg2Si相所需Mg/Si质量比为1.73，如果Mg含量较高的话会降低Mg2Si相在基体中的固溶度，从而降低时效强度效果，而且由于Mg在铝中的溶解度大，过剩的镁会以固溶体的形式存在，大幅降低合金的导电率。形变热处理是将塑性变形的形变强化与热处理的析出强化相结合的一种工艺方法。其基本原理是：通过形变增加金属中缺陷(主要是位错)的密度并改变其分布，热处理相变时这些形变时产生的缺陷将影响新相的形核动力学和分布，同时新相的形成又对位错等缺陷的运动起到钉扎、阻滞作用，使金属中的缺陷稳定、组织细化，从而提高其强度和韧性。形变热处理工艺已在钢铁和铝合金中获得应用，以铝合金为例，目前已形成多个状态标准，如：美国2219铝合金T37状态是在淬火后冷变形7％，随后进行自然时效；2024铝合金T861状态是在淬火后冷变形6％，再进行人工时效。通过冷变形与时效热处理相结合的方法是提高铝合金强度的重要途径。 [0004] 因此，本领域亟需一种获得最佳时效强化效果的Al‑Mg‑Si合金形变与热处理方法。 发明内容[0005] 本发明的目的是为解决现有技术中缺少可获得最佳时效强化效果的Al‑Mg‑Si合金形变与热处理工艺方法的问题。 [0006] 为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种获得最佳时效强化效果的Al‑Mg‑Si合金形变与热处理方法。 [0007] 本发明的第一方面，提供了一种获得最佳时效强化效果的Al‑Mg‑Si合金形变与热处理方法，包括以下步骤： [0008] 步骤1：准备原料，将99.7wt.％工业纯铝锭及铝铁合金、铝硅合金、铝硼合金、铝稀土合金加入蓄热式熔炼炉中搅拌熔化，将金属镁锭没入熔体中完全溶解并进行搅拌扒渣，随后将熔体转入静置炉进行炉内精炼和静置处理； [0010] 步骤3：采用轮式结晶器进行连续铸造，浇铸温度690‑730℃，浇铸开始后熔体经过在线除气和过滤除杂进一步提高纯净度得到Al‑Mg‑Si铸态合金； [0012] 步骤5：连铸连轧后得到的直径为9.5mm的铝合金杆材使用电火花线切割和铣床加工得到厚度为5mm，长度为40mm的所述铝合金； [0014] 步骤7：选取时效强度增量最大的轧制变形量，在该形变量的条件下，对其进行不同温度的时效处理，时效时间为3h，确定最佳的时效温度； [0015] 步骤8：选取时效强度最大的时效温度，在该时效温度下对铝合金试样进行等温不同时间的时效处理，确定时效强化效果最佳的时效时间。 [0016] 优选地，所述的步骤1中，各原料的纯度不低于99.95％。 [0017] 优选地，所述步骤2中，保护气体为氩气或其他不与金属原料发生反应的气体，纯度为99.999％。 [0018] 优选地，所述步骤4中，铝合金杆材的直径为9.5mm。 [0019] 优选地，所述步骤6中，轧制实验的形变量控制范围为10％～60％，更优选为30％，且在室温下进行，时效处理在时效温度为165℃，时效时间为3h条件下进行。 [0020] 优选地，所述步骤7中，时效处理的温度范围为150～175℃，更优选为160℃，两次处理温度间隔5℃。 [0021] 优选地，所述步骤8中，时效处理的时间范围为1‑6h，更优选为3h，两次处理时间间隔1小时。 [0022] 本发明的第二方面，提供了一种由上述方法制得的Al‑Mg‑Si合金，所述合金的通式为aAl‑bMg‑cSi，其中a＝98.6、b＝0.6、c＝0.55，以及合金中极少量的杂质元素，总含量为d wt.％，其中d≤0.03，且a+b+c+d＝100。 [0023] 与相比现有技术，本发明具有如下有益效果： [0024] 1、本发明所述的铝合金原料常见易得，成本可控，可以大批量工业化生产。 [0025] 2、本发明所述的工艺基于传统轧制工艺和热处理，成本低廉，加工过程可操作性较强且较为方便。 [0027] 图1为发明所述的Al‑Mg‑Si合金制备、加工和热处理流程图； [0028] 图2为发明所述的Al‑Mg‑Si合金经不同压下量轧制变形和在165℃时效处理3小时的抗拉强度图及形变强度增量与时效强度增量图； [0029] 图3为发明所述的Al‑Mg‑Si合金经30％轧制变形量后，在不同温度时效处理3小时的抗拉强度图； [0030] 图4为发明所述的Al‑Mg‑Si合金经30％轧制变形量后，在160℃时效处理不同时间的抗拉强度图。 具体实施方式[0031] 为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：第一部分试验材料 [0032] 1.1材料制备 [0033] 1.1.1成分设计 [0034] 试验所用的Al‑Mg‑Si合金成分如表1所示。 [0035] 表1Al‑Mg‑Si合金化学成分(wt.％) [0036] [0037] 1.1.2实验流程 [0038] 实验流程如图1所示 [0039] 熔体连续铸造的浇铸温度为690‑730℃，得到铸态试样。连铸坯从结晶轮出来后，通过导入装置送入15机架三辊连轧机组，开轧温度为480‑510℃，终轧温度为300‑350℃，得到直径为9.5mm的铝合金杆材，通过拉拔设备，得到最终的Al‑Mg‑Si合金导线。 [0040] 第二部分实验方法 [0041] 力学性能的实验试样检测和设备 [0042] 拉伸试样制备及试验设备 [0043] 试样制备： [0044] 拉伸试样制备：将铸态合金与不同轧制量试样加工成非标准工字型，厚1mm，长19mm，标距长10mm，标距宽2mm，使用600目、1000目、1500目、2000目砂纸依次将试样表面的氧化皮打磨至光亮，并将试样清洗干净后使用电吹风机吹干。检测标距段平行度，控制标距段宽度、厚度偏差在0.02mm以内。试验设备： [0045] 采用WANCE型电子万能试验机进行室温拉伸试验，拉伸速率选择为1mm/min。 [0046] 实施例 [0047] 一种获得最佳时效强化效果的Al‑Mg‑Si合金形变与热处理方法，所述合金的通式为aAl‑bMg‑cSi，其中a＝98.6、b＝0.6、c＝0.55，以及合金中极少量的杂质元素，总含量为d wt.％，其中d≤0.03，且a+b+c+d＝100。 [0048] 制备方法如下： [0049] 步骤1：合金熔炼浇铸： [0050] 将定量的99.7％工业纯铝锭及铝铁合金、铝硅合金、铝硼合金、铝稀土合金加入蓄热式熔炼炉中搅拌熔化，将金属镁锭没入熔体中完全溶解并进行搅拌扒渣，随后将熔体转入静置炉进行炉内精炼和静置处理。采用轮式结晶器进行连续铸造，浇铸开始后熔体经过在线除气和过滤除杂进一步提高纯净度，通过在线添加0.1wt.％铝钛硼杆进行晶粒细化处理。 [0051] 步骤2：连铸连轧 [0052] 将熔炼过后的合金从连铸坯中的结晶轮取出来后，通过导入装置送入15机架三辊连轧机组，开轧温度为480‑510℃，终轧温度为300‑350℃，最终得到直径为9.5mm的铝合金杆材。 [0053] 步骤3：连铸连轧后得到的直径为9.5mm的铝合金杆材使用电火花线切割和铣床加工得到厚度为5mm，长度为40mm的所述铸造铝合金； [0054] 步骤4：对切割好的铝合金进行不同形变量(10％、20％、30％、40％、50％、60％)的轧制，得到不同厚度轧制态铝合金试样，再在165℃时效处理3小时，测量形变和时效后的抗拉强度，分析形变量对铝合金时效强化效果的影响； [0055] 步骤5：选取时效强度增量最大的轧制变形量，在该形变量下对铝合金试样进行150～175℃时效处理，时间为3小时，确定最佳的时效温度； [0056] 步骤6：选取时效强度最大的时效温度，在该时效温度下对铝合金试样进行等温1～6小时的时效处理，确定时效强化效果最佳的时效时间； [0057] 将本发明实施例制备的Al‑Mg‑Si系铝合金如图1所示，将热轧态铝合金杆作为实验样品，进行轧制变形和时效热处理实验，并检验起抗拉强度，根据图2的结果可知，Al‑Mg‑Si系铝合金随着轧制变形量的增加，合金强度不断增加，经过相同条件的时效处理后，时效产生的强度增量随着轧制变形量的增加呈先增大后减小的趋势，当轧制变形量为30％时，Al‑Mg‑Si合金因时效析出产生强度增量最大。 [0058] 将30％轧制变形量的Al‑Mg‑Si系铝合金作为实验样品，进行不同温度的时效处理，时效时间均为3小时，根据图3的结果可知，在相同轧制量、相同时效时间的条件下，合金强度随着时效温度的增加呈现先增大后减小的趋势，当时效温度为160℃时，强度达到峰值，此时时效析出强化的效果达到最大，随着时效温度的增加，合金再结晶的影响，导致强度下降。 [0059] 将30％轧制变形量的Al‑Mg‑Si系铝合金作为实验样品，在160℃进行不同时间的时效处理，根据图4的结果可知，在相同轧制变形量和相同时效温度的条件下，合金强度随时效时间的延长呈现先增大后减小的趋势，在时效时间为3小时时到达峰值，此时时效后的强度最大，随着时效时间继续延长，合金呈现过时效状态，导致强度下降。 [0060] 因此，本发明实施例制备的Al‑Mg‑Si系铝合金，经过30％轧制形变后，经160℃时效处理3小时，强度达到了峰值，获得了最佳的时效强化效果。 [0061] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。 |
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