[12]发明专利申请公布说明书
[21]申请号200610051147.9
[51]Int.CI.
C22C 21/08 (2006.01)C22C 1/03 (2006.01)C22B 9/05 (2006.01)C22B 9/02 (2006.01)
[43]公开日2007年1月3日[22]申请日2006.07.14[21]申请号200610051147.9[71]申请人中国铝业股份有限公司
地址100814北京市复兴路乙12号
[72]发明人杨孟刚 谢青松 龚春雷 文东辉 王先黔
刘钢 刘世恒 张培青 王黔生 袁斌 钟均勇 姜治国 张金明 刘力军 王顺辉 李世军
[11]公开号CN 1888107A
[74]专利代理机构贵阳中新专利商标事务所
代理人刘楠
B21B 1/16 (2006.01)
权利要求书 2 页 说明书 11 页 附图 1 页
[54]发明名称
一种高强度铝合金线杆及其制备工艺
[57]摘要
本发明公开了一种高强度铝合金线杆及其制备工艺，它含有铝、铁、镁、硅、铜、锌、锰、铬、硼、钛元素，各元素的质量百分比为：铁0.15～0.25％，镁0.65～0.75％，硅0.56～0.66％，铜≤0.10％，锌≤0.10％，锰≤0.03％，铬≤0.03％，硼≤0.06％，钛0.006～0.009％，杂质含量≤0.10％，其余为铝；本发明填补了国内6201合金线杆的生产空白，对推动我国铝及铝合金熔铸技术的整体进步，缩短与国际熔铸先进技术水平的差距以及提高我国工业材料的整体质量，改变高性能材料长期依赖进口的现状起到了重要的作用。
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权 利 要 求 书
第1/2页
1、一种高强度铝合金线杆，它含有铝、铁、镁、硅、铜、锌、锰、铬、硼、钛元素，其特征在于：各元素的质量百分比为：铁0.15～0.25％，镁0.65～0.75％，硅0.56～0.66％，铜≤0.10％，锌≤0.10％，锰≤0.03％，铬≤0.03％，硼≤0.06％，钛0.006～0.009％，杂质含量≤0.10％，其余为铝。
2、一种如权利要求1所述的高强度铝合金线杆的制备工艺，其特征在于：该工艺包括以下步骤：
A、铝合金的熔炼：在保持炉中先加入中间合金块和金属镁锭，合金块应符合GB/TB733-2000《ZLD102合金锭》的标准要求，金属镁锭应符合GB/T3499-83标准要求，然后再由保持炉的进铝口向保持炉中加入温度为760～780℃的电解铝液，熔化后得到铝合金熔体，熔体中WMg/WSi＜1.73； B、铝合金的浇铸：采用喂丝机向上述铝合金熔体中喂入Al-5Ti-1B合金线，使熔体内Ti含量在0.006％～0.009％之间，然后在浇注温度为700～720℃，浇注速度为6～6.3t/h的条件下进行浇注，得到铝合金铸坯； C、铝合金线杆的轧制：将步骤B得到的铝合金铸坯经电磁感应加热炉预热至487±6℃后送入轧机轧制成一定线径的线杆，轧辊乳液的体积浓度为8～10％，轧辊乳液的温度为54～66℃，出车温度大于400℃，得到铝合金线杆；
D、将步骤C得到的铝合金线杆在自然时效下放置128小时，即得本发明的高强度铝合金线杆。
3、根据权利要求2所述的高强度铝合金线杆的制备工艺，其特征在于：
2
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步骤A得到的铝合金熔体在进行步骤B的浇铸之前，先采用双转子除气炉进行在线除气净化，除气介质为氩气，氩气的气体流量为0.2～0.3m/min，转子转速为200～300转/分，以去除铝合金熔体中的氢气。
4、根据权利要求3所述的高强度铝合金线杆的制备工艺，其特征在于：可在双转子除气炉的流槽始末两端设置14～15目的过滤网或30PPI的陶瓷3
过滤板，对铝合金熔体进行双级过滤，3
以去除铝合金熔体中的夹杂。
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说 明 书
第1/11页
一种高强度铝合金线杆及其制备工艺
技术领域：
本发明涉及一种铝合金线杆及其制备工艺，特别是一种6201铝合金线杆及其制备工艺。 背景技术：
6201铝合金线杆具有高强度、高拉制性，可直接制成高强度的电线或电缆，应用于大跨度、高运载能力的高压输送电网，另外，合金线杆可以用来做光纤复合架空导线(OPGW)，还可以用做CATV宽带接入用户电缆的编制线。由于经济的高速增长，能源与需求矛盾的日益突出，国家对高压输送电网使用的钢丝芯输送电线、电缆要进行改造和扩容，需要大量的铝合金线杆拉制的高性能高强度的电缆、电线产品，但目前国内生产的线杆主要是普通铝杆，不能满足高压输送电网的需要，而6201合金线杆的生产在国内处于空白状态。 发明内容：
本发明的目的在于：提供一种6201高强度铝合金线杆及其制备工艺，以满足市场对6201高强度铝合金线杆的需求。
本发明是这样实现的：一种高强度铝合金线杆，它含有铝、铁、镁、硅、铜、锌、锰、铬、硼、钛元素，各元素的质量百分比为：铁0.15～0.25％，镁0.65～0.75％，硅0.56～0.66％，铜≤0.10％，锌≤0.10％，锰≤0.03％，铬≤0.03％，硼≤0.06％，钛0.006～0.009％，杂质含量≤0.10％，其余为铝。
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上述高强度铝合金线杆的制备工艺，该工艺包括以下步骤： A、铝合金的熔炼：在保持炉中先加入中间合金块和金属镁锭，合金块应符合GB/TB733-2000《ZLD102合金锭》的标准要求，金属镁锭应符合GB/T3499-83标准要求，然后再由保持炉的进铝口向保持炉中加入温度为760～780℃的电解铝液，熔化后得到铝合金熔体，熔体中WMg/WSi＜1.73； B、铝合金的浇铸：采用喂丝机向上述铝合金熔体中喂入Al-5Ti-1B合金线，使熔体内Ti含量在0.006％～0.009％之间，然后在浇注温度为700～720℃，浇注速度为6～6.3t/h的条件下进行浇注，得到铝合金铸坯； C、铝合金线杆的轧制：将步骤B得到的铝合金铸坯经电磁感应加热炉预热至487±6℃后送入轧机轧制成一定线径的线杆，轧辊乳液的体积浓度为8～10％，轧辊乳液的温度为54～66℃，出车温度大于400℃，得到铝合金线杆；
D、将步骤C得到的铝合金线杆在自然时效下放置128小时，即得本发明的高强度铝合金线杆。
在上述的高强度铝合金线杆的制备工艺中，步骤A得到的铝合金熔体在进行步骤B的浇铸之前，先采用双转子除气炉进行在线除气净化，除气介质为氩气，氩气的气体流量为0.2～0.3m/min，转子转速为200～300转/分，以去除铝合金熔体中的氢气。
前述的高强度铝合金线杆的制备工艺中，可在双转子除气炉的流槽始末两端设置14～15目的过滤网或30PPI的陶瓷过滤板，对铝合金熔体进行双级过滤，以去除铝合金熔体中的夹杂。
本发明填补了国内6201合金线杆的生产空白，为以高强度铝合金线杆作为原料的大跨越导线在高压输送电网中的使用起着独特的、不可替代的
5
3
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作用，对推动我国铝及铝合金熔铸技术的整体进步，缩短与国际熔铸先进技术水平的差距以及提高我国工业材料的整体质量，改变高性能材料长期依赖进口的现状起到了重要的作用。同时，本发明采用电解铝液直接铸造成铝合金锭坯，减少了重熔锭重新熔铸的中间环节，减少了能源的浪费，避免了铝加工企业的重复投资和因重熔加工带来的环境污染，每吨6201合金线杆可创造经济效益1397.5万元，以年产2000吨计，直接经济效益可达到279.5万元。 附图说明：
附图1为本发明的高强度铝合金线杆的结晶过程示意图。 具体实施方式：
本发明的实施例：高强度铝合金线杆，它含有铝、铁、镁、硅、铜、锌、锰、铬、硼、钛元素，各元素的质量百分比为：铁0.20％，镁0.65％，硅0.60％，铜≤0.10％，锌≤0.10％，锰≤0.03％，铬≤0.03％，硼≤0.06％，钛0.006％，杂质含量≤0.10％，其余为铝。 在制备上述的高强度铝合金线杆时，包括以下步骤：
A、铝合金的熔炼：在保持炉中先加入102中间合金块和金属镁锭，102合金质量应符合GB/TB733-2000《ZLD102合金锭》的标准要求，化学成份应符合下表要求：
化学成份％
牌号
主要成份
牌号ZALSi2D
代号ZLD102
Si10.0-13.0
Al
杂质不大于Fe
Cu
Mg
Mn
Zn
Ti
总和
余量0.600.300.100.500.100.201.60
金属镁锭质量应符合GB/T3499-83标准二级或二级以上要求，化学成分应符合下表的规定。
6
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级别
牌号
Mg％不小于
杂质元素％，不大于Fe
Si
Ni
Cu
Al
Cl
Mn
杂质总和0.05
一级
Mg99.999.955
Mg99.999.900
Mg99.9.80
0.020.010.0010.0050.010.0030.015
二级0.040.010.0010.010.020.0050.030.10
三级
然后再由保持炉的进铝口向保持炉中加入温度为760～780℃的电解铝0液，熔化后得到铝合金熔体，并使熔体中WMg/WSi＜1.73；其中Si、Mg元素的添加在生产前1个小时之内进行，该过程控制在10～15分钟完成，Fe元素的添加在生产前2个小时就完成，合金熔炼Fe元素以母合金压块的形式进行，在进铝过程中，抛投在保持炉进铝口下部，通过铝水的不断冲刷熔化进行添加；
B、铝合金的浇铸：采用喂丝机向上述铝合金熔体中喂入Al-5Ti-1B合金线，使熔体内Ti含量为0.006％，喂丝速度为38mm/min，然后在浇注温度为710℃，浇注速度为6.0t/h的条件下进行浇注，得到铝合金铸坯； C、铝合金线杆的轧制：将步骤B得到的铝合金铸坯经电磁感应加热炉预热至487±6℃后送入轧机轧制成一定线径的线杆，轧辊乳液的体积浓度为8～10％，轧辊乳液的温度为54～66℃，出车温度大于400℃，得到铝合金线杆；
D、将步骤C得到的铝合金线杆在自然时效下放置128小时，即得本发明的高强度铝合金线杆。
在将步骤A得到的铝合金熔体在进行步骤B的浇铸之前，先采用双转子除气炉进行在线除气净化，除气介质为氩气，氩气的气体流量为0.2～0.3m/min，转子转速为250转/分，以去除铝合金熔体中的氢气，并在双转
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3
0.050.030.0020.020.050.0050.060.20
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子除气炉的流槽始末两端设置14目的过滤网或30PPI的陶瓷过滤板，对铝合金熔体进行双级过滤，以去除铝合金熔体中的夹杂。
铝合金是Al-Mg-Si系合金，其基本组织为Al-Mg2Si，有中等强度和优秀的焊接与抗蚀性能。Mg2Si中的镁硅比为1.73∶1，所以Al-Mg-Si系铝合金中，有的属于硅过剩，有的属于镁过剩，6201铝合金属于Si过剩合金，如合金中有过剩的镁(Mg∶Si＞1.73)，镁会降低Mg2Si在铝中的固溶度，从而降低Mg2Si在合金中的强化效果，如果合金中有过剩硅(Mg∶Si＜1.73)，它能细化Mg2Si质点，还能析出过剩硅质点，使强度进一步提高。这种过剩Si存在能细化Mg2Si质点，还能析出过剩Si质点使强度进一步提高，当Si含量过剩0.11％左右时，可以降低金属的变形抗力，有利于提高生产率。Mg、Si的加入是为了在熔体中形成Mg2Si强化相，通过Mg2Si强化相析出硬化作用来实现线杆的高强度。在室温下金属镁元素保留在固熔体中会降低导电率；另外游离镁会降低Mg2Si的溶解度，降低溶液热处理的效果。故所有的镁元素都必须完全化合。通过加入过量的硅就可以使其完全化合。并且过量的硅还可与铁发生反应，生成α-铝-铁-硅化合物(Fe3SiAl12)，这类化合物可起到二次强化剂的作用。可根据产品性能的需要加入铜以及硼添加剂。
氢气是6201铝合金线杆中的主要气体杂质，过量的氢气含量将严重影响到线杆的抗拉性能和导电率，本发明采用在线双转子除气炉进行除气，能够有效的去除氢气。为了确认除气炉参数，进行了除气效率实验，实验数据见表1。
表1 除气效率实验数据表
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序号
浇注速度t/h
℃
123456710111213141516
6.06.26.26.06.25.86.05.86.26.25.86.06.26.25.86.0
752748740750746742740748738742748750748742740746
0.200.210.280.320.290.610.0.0.590.620.650.0.60.590.60.59
铝液温度
除气炉除气效率
ml./100g0.4730.4610.4820.5010.4930.5220.5340.4860.4960.5060.5170.520.4990.4650.5120.487
ml./100g0.3780.30.3470.3410.350.2020.1910.1750.2010.1950.1830.1870.2010.1910.2050.199
0.3800.3710.3520.3440.3800.2120.2130.1840.2210.2120.1980.1990.2170.2100.2150.210
0.10.10.10.10.20.20.20.20.30.30.30.30.40.40.40.4
100200300400100200300400100200300400100200300400
保持炉出口处
除氢炉出口处
浇包处ml./100g
转子转速转/分
根据试验结果，设计在线除气净化工艺制度如下：气体流量：0.2～0.3m/min；转子转速为200～300转/分。
从上表浇包处数据来看，铝液经过除气炉后含气量明显降低，但是到达浇包处时又有所回升。可以知道铝液发生了气体二次吸附。为了提高除气的效果，保证铝液的纯净度。在流槽始末两端设置双级过滤，使用14～15目的过滤网或者30PPI的陶瓷过滤板。通过实验证明铝液含气量基本不再发生回升，实验结果见表2。
表2 采用多级除渣过滤技术后氢含量检测情况
保持炉出口处
序号
ml./100g
1234
0.4730.4610.5220.534
ml./100g0.2860.2840.3120.315
ml./100g0.1610.1590.1620.165
除氢炉出口处
浇包处
3
铝液中的含氢量受夹杂的影响很大，铝液中的气体与夹杂存在着某种共生互存的相互作用关系，夹杂越多，氢含量越高。因此，本发明在净化
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工艺设计上以排除夹杂为主，辅以除氢，除氢必排除夹杂，排除夹杂是除氢的基础技术路线。
本发明采用Al-5Ti-1B合金线杆对铝合金熔体进行细化处理以获得等轴晶组织，其主要原理是向铝溶液中在线添加Al--5Ti--1B形成晶核，分布于铝熔体中，这些大量的格点在冷却过程中使固体铝成核，从而得到等轴晶组织。为了使铝液得到充分的细化且不使Ti含量过高而影响导电率。熔体内Ti含量需控制在0.006～0.009％之间。
铝合金线杆的铸造的过程必须实现产品外观质量优良、逆偏析现象，因此在生产中应使浇铸始点的冷却水量最小，以后冷却水量逐步加大。采用这种冷却方式不仅可以得到结晶好、缺陷小的线坯还能使铝液在最短的时间内完成结晶，使Mg2Si强化相更多的保持在固溶体中，确保强化作用。本发明6201铝合金线杆的结晶过程见图1，从图1中可以看到，铸锭中间有一条长且薄的区域，该区域处于运动铸坯(棒)的中心线。随着运动铸坯(棒)的冷却，该区域逐渐凝固。随着铝液的凝固，其会产生收缩。理论上，该锥形区域在小截面端凝固成固体，接近浇注点的大截面端不断填充铝水，使该区域保满。在某些情况下，若该区域未填充新铝水，由于收缩而使铸坯中心线产生孔隙。这类孔隙将对线杆的质量造成不利的影响。表3是试验研究过程中收集的铸造水配方数据表：
表3 铸造水配方数据表
样号配点钢带区域1钢带区域2钢带区域3
1
2
3
4
5
6
7
8
铸造水流量(L/S)
1818181616161320
5858313838383133
4338399441
10
441441459498
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钢带区域4内部喷射1内部喷射2内部喷射3内部喷射4侧喷(操
#
作)1侧喷(操
#
作)2侧喷(设
#
备)1侧喷(设
#
备)2浇包温度℃浇铸速度(T/H)
182180443388388388484452
1717201818182120
4242403939394040
35695
35796
368212
431251
431251
431251
438332
452360
38385960606046
12812811912112112195134
4546596060604546
142702
143718
121708
121711
121713
121710
95709
134700
6.56.565.86666.2
在生产过程中样号为1、2的铸坯经常出现大裂口发生断坯，而后面四个样号的铸坯发生断坯现象明显的减少。 根据工业试验研究，确定铸造水配方见表4：
表4 铸造水配方
钢带1
(L/S)
钢带2
(L/S)
钢带3
(L/S)
钢带4
(L/S)
内喷1
(L/S)
内喷2
(L/S)
内喷3
(L/S)
内喷4
(L/S)
操作员侧#1
(L/S)55
操作员侧#2
(L/S)118
设备
#
侧1(L/S)
设备#
侧2(L/S)
1735447424194042527655119
6201合金线杆属可热处理强化铝合金，固溶强化相为Mg2Si相，利用自然时效析出硬化原理来实现高的机械强度，同时得到较好的导电率。本申请人对6201合金线杆的自然时效规律研究进行了研究，其结果见表5、表6、表7、表8、表9和表10。
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表5 6201铝合金抗拉强度自然时效变化统计表
抗拉强度(Mpa)自然时效变化统计表时间H35505-1H35505-2H35508-2H35508-4H35510-2H35510-4H35510-6H35512-2上限下限
01771771631551671611631781193
161851901761701811801801761193
321861861771721771831821811193
4811911751691851821771621193
1861901781701831801811781193
8018811761721801821821791193
9619011771741761621851851193
1121851921761751781831841801193
128111781511871861871851193
14418711821701871861831811193
1601831821971841821881831831193
17619118718517618211861851193
表6 6201铝合金抗拉强度自然时效变化率统计表
抗拉强度变化率％(以第一次样的结果为基准)
均变化率
H35505-1H35505-2H35508-2H35508-4H35510-2H35510-4H35510-6H35512-2
4.51987.34467.97559.67748.383211.80110.429-1.124
5.0855.0858.510.975.98813.6611.661.685
6.787.917.3629.03210.7813.048.5-8.99
5.0857.3459.2029.6779.58111.811.040
6.2156.787.97510.977.78413.0411.660.562
7.3156.788.512.265.30.62113.53.933
4.528.4757.97512.96.58713.6612.881.124
6.786.7.202-2.5811.9815.5314.723.933
5.656.7811.669.67711.9815.5312.271.685
3.392.82520.8618.718.98216.7712.272.809
7.915.6513.513.558.98217.3914.113.933
5.756.5210.2610.448.7612.9912.100.87
分析：从以上统计表来看，抗拉强度总体呈波动上升的趋势。在16小时之内，上升趋势最为明显，而且比较统一。16～32小时，多数仍在上升，总的来说，抗拉强度呈上升趋势，在32小时之内可以达到最高点，然后趋于稳定。通过统计可以知道，总平均上升量为8.8％。
表7 6201铝合金线杆延伸率变化统计表
延伸率(％)时间H35505-1H35505-2H35508-2H35508-4
020191920
1618161817
3218182019
4817182118
18171819
8018161918
9617171719
11217162120
12817171819
14418161919
16018181716
17617181618
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H35510-2H35510-4H35510-6H35512-2上限下限
212121181812
171719191812
191817201812
181919191812
201921181812
192019191812
181918191812
181817201812
171820191812
201919191812
171817161812
171818181812
表8 6201铝合金延伸率变化率统计表
延伸率变化率％
平均
变化率
-10-15.79-5.263-15-19.05-19.05-9.5245.5556
-10-5.265.263-5-9.52-14.3-1911.11
-15-5.2610.53-10-14.3-9.52-9.525.556
-10-10.5-5.26-5-4.76-9.5200
-10-15.80-10-9.52-4.76-9.525.556
-15-10.5-10.5-5-14.3-9.52-14.35.556
-15-15.810.530-14.3-14.3-1911.11
-15-10.5-5.26-5-19-14.3-4.765.556
-10-15.80-5-4.76-9.52-9.525.556
-10-5.26-10.5-20-19-14.3-19-11.1
-15-5.26-15.8-10-19-14.3-14.30
-12.27-10.53-2.39-8.18-13.42-12.12-11.694.041
H35505-1H35505-2H35508-2H35508-4H35510-2H35510-4H35510-6H35512-2
分析：从以上表来看，线杆的延伸率总体呈下降的趋势，并在16小时之内下降最大，最高达到19.05％。上表中出现的正数，这是由于线杆的通条性不好，第一次样延伸率较低造成的。16小时之后，线杆的延伸率总体处在稳定的波动状态。16小时之内前七卷线卷总的平均下降率为13.4％。 表9 6201铝合金线杆导电率变化统计表
导电率(％IACS)时间H35505-1H35505-2H35508-2H35508-4H35510-2H35510-4H35510-6H35512-2下限
052.0652.0651.2452.3651.351.2751.5451.5448.5
1651.9651.8251.52.0251.451.1851.4851.2148.5
3251.951.951.3951.9251.451.1651.4251.2748.5
4851.7951.8251.6251.9251.451.1651.3750.1148.5
51.8151.7351.6751.9551.4251.2851.551.2148.5
8051.4851.5351.651.9451.2550.9351.5351.2748.5
9651.8151.8551.552.0451.4351.2751.3951.38.5
11251.8351.6851.685251.5351.2551.4251.0248.5
12851.51.6851.551.9251.5651.6251.6251.18.5
14451.7351.7151.651.9351.3451.251.3251.4748.5
16051.7151.751.751.9851.451.2151.3451.1848.5
17651.51.7751.7352.2351.3951.1651.3451.1748.5
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表10 6201铝合金线杆导电率变化率统计表
平均
变化率
导电率变化率％(以第一次样的结果为基准)
H35505-1H35505-2H35508-2H35508-4H35510-2H35510-4H35510-6H35512-2
-0.192-0.31-0.52-0.48-1.11-0.48-0.44-0.81-0.63-0.67-0.81-0.59-0.461-0.31-0.46-0.63-1.02-0.4
-0.73-0.73-0.67-0.69-0.56-0.61
0.78060.2930.7420.8390.7030.5070.8590.5070.7030.80.9560.71-0.9-0.84-0.84-0.78-0.80.19490.1950.1950.234-0.1-0.176-0.21-0.210.02
-0.61-0.69-0.84-0.82-0.73-0.25-0.710.2530.4480.5070.0780.1950.1750.22
-0.040.683-0.14-0.12-0.21-0.1
-0.660
-0.116-0.23-0.33-0.08-0.02-0.29-0.230.155-0.43-0.39-0.39-0.21-0.
-0.52-2.77-0.-0.52-0.35-1.01-0.74-0.14-0.7
-0.72-0.80
分析：从以上表来看，线杆导电率变化没有明显的统一趋势，但从平均变化率来看，多数导电率出现了整体下降的趋势，最高下降达到0.796％，最高上升达到0.708％，总平均变化为下降0.318％。
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说 明 书 附 图
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图1
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