专利名称：一种铝合金及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明属于合金材料领域，具体涉及一种铝合金及其制备方法，以及在制备高铁定位器中的应用。
背景技术：
6082属于6X X X系列(Al-Mg-Si)铝合金，是热处理可强化的铝合金，具有中等强度和良好的焊接性能、耐腐蚀性，主要用于交通运输和结构工程工业。如桥梁、起重机、屋顶构架、运输机、运输船等。近年来，高速铁路技术不断升级，过往使用的合金成分所生产的终端产品只能满足一般铁路用铝材的技术要求，为了适应高速铁路的发展，适应速度大幅提升的需求，与此对应的应用材料性能也必须提高。高铁定位器是高铁电气化铁路接触网中使用的定位装置，其作用是保证接触线与受电弓的相对位置在规定范围内，并将接触线 的水平张力传给支柱，6082铝合金具有中等强度和良好的耐蚀性，密度又轻，是制造高铁定位器的理想材料。GB/T3190-2008国标中对6082铝合金的化学成分质量百分比规定如下硅 Si 0. 7 I. 3% ;#Fe ·.( 5. 0% ;铜 Cu :彡 O. 10% ;锰胞0. 4 I. 0% ;镁1% 0. 6
I.2% ;铬Cr O. 25% ;锌Zn O. 20% ;钛Ti O. 10% ;铝Al :余量。其力学性能抗拉强度Qb(MPa) ·) 205 ;条件屈服强度Q0 2(MPa) ·) 110 ;伸长率δ (% ):彡14。但是现有的一般6082铝合金其力学性能无法达到高铁定位器的要求，为满足我国高速铁路对新型材料的要求，对国标中铝合金组成进行剖析、优化，重新设计了合金成分。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的第一个目的在于提供一种满足高速电气化铁路运行的高力学性能铝合金，本发明对其所用的原料材料进行优化设计，以达到综合提高材料性能的目的。本发明的第二个目的在于提供上述铝合金的制备方法。本发明的目的通过下述技术方案实现一种铝合金，由以下按质量百分比计的组分组成Si 0. 8 I. 0%,Mg 0. 75 O. 95%, Cu 0. 01 O. 09%,Mn 0. 45 O. 85%, Cr
O.10 O. 24%, Fe < O. 25，其他杂质总量< O. 15%, Al :余量。所述的铝合金中Mg的质量与Si的质量之比优选为O. 92。上述铝合金的制备方法包括以下操作步骤将铝锭、镁锭、铝硅合金、Mn添加剂、Cr添加剂及电解铜板装炉加热熔化；加入冶炼助熔剂精炼；对得到的熔体进行预处理；然后进行熔炼在线处理;过滤;铸造；均质；冷却最终得到铝合金；所述的铝锭中的铝与铝硅合金中的硅的质量比为(70 80) l;Mn添加剂的加入量为铝锭与硅铝合金总重量的O. 75 O. 82% ；Cr添加剂的加入量为铝锭与硅铝合金总重量的O. 27 O. 33% ;镁锭的加入量为铝锭与硅铝合金总重量的O. 85 O. 95% ;电解铜板的加入量为铝锭与硅铝合金总重量的O. 04 O. 05%。
所述的加热熔化的温度为720 760°C ;所述的精炼温度为720 760°C，精炼时间为30 50分钟，精炼完毕后采用高纯氮气排气；所述的预处理是将熔体在720 760V搅拌15 25分钟，然后扒渣；所述的熔炼在线处理为采用高纯氩气进行排气处理；所述的过滤为采用50目的陶瓷过滤板过滤；所述的铸造温度为680 720V。 上述铝合金在制备高铁定位器中的应用。合金成分组成的分析(I) Si Mg :Si、Mg同时加入合金基体当中会发生相变反应Si+Mg — Mg2Si, Mg2Si以固溶体形式存在于合金基体当中，为合金的主要强化相，本发明设计Mg与Si的质量比为
0.92，Mg与Si相变反应生成Mg2Si,并有富于的Si元素在铝合金基体中，增加Mg2Si在合金基体中的溶解度，提升了 Mg2Si的热处理强化效果；Mg元素如有富余，可以适当提高合金材料的耐腐蚀性能，但阻碍了 Mg2Si的溶解，弱化热处理效果，故不宜有富于的Mg元素存在； 合金材料的力学性能随Mg2Si的增加而提高，但Mg2Si在铝基体中的溶解度为
1.85%，一般不超过此值；(2)Mn =Mn在铝合金基体当中与基体合金铝发生相变反应A1+Mn — MnAl6, MnAl6相能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，细化再结晶组织的晶粒，并且能减少杂质铁的有害影响，生成(Fe、Mn)Al6 ;Mn在合金基体当中对合金的伸长率有很大的影响，本发明Mn质量百分数为O. 45 O. 85%，同时要注意减少MnAl4的产生；(3)Cu =Cu在铝合金基体中与合金基体铝发生相应反应，CuAl2相可以提高合金的强度，合金成分中Cu含量增加，合金材料的抗拉强度会提高，增加了合金材料应力和脆性，但是合金材料的延伸率、耐腐蚀性能会相应降低，相变反应为Cu+Al — CuAl2 ；(4)Cr Cr在铝合金材料中的溶解度极小，Cr能细化合金的组织，阻止再结晶晶粒的增大，并能改变金属组织晶粒的形状，提高合金的韧性，改善合金的耐腐蚀能力，相变反应为 Cr+Al — CrAl7 ；(5)Fe :国标中Fe的质量百分数< O. 5%，Fe在本合金中作为有害杂质元素存在，Fe+Al — FeAl3O在本合金中，Si兀素的含量远远大于杂质Fe的含量，因此还有一部分杂质Fe元素相变，Fe+Si+Al — FeSiAl5 (或者Fe2Si2Al9) ；Fe元素的相变为针状组织,游离于合金基体当中，在其尖锐部位会产生应力集中现象，增加了合金的脆性，降低合金的力学性能，因此要严格控制铁元素在合金中的含量，本发明在国家标准< O. 5%的基础上进一步降低，严格控制在< O. 25%以下。本发明与现有技术相比，具有如下的优点及有益效果采用本发明铝合金所生产的高速铁路用铝材，其抗拉强度同比欧洲标准高3-30 %，屈服强度同比国家标准高出8-36 %，伸长率同比国家标准高2-100 %，适宜在高铁定位器上应用，生产出来的高铁定位器耐疲劳性能达50万次以上。
图I是实施例I铝合金铸棒的制备工艺流程图。
具体实施方案下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例I原料铝锭采用牌号为A199. 7的铝锭，铝锭中Al的质量百分比为99. 70%以上，符合标准GB/T1196-2008《重熔用铝锭》；镁锭采用牌号为Mg-2的镁锭，镁锭中镁的质量百分比符合标准GB/T3499-2003《原生镁锭》;铝硅合金采用牌号为AlSil2的铝硅合金，铝硅合金中硅的质量百分比为12±1%，符合标准YS/T282-2000《铝中间合金锭》；
Mn添加剂采用牌号为75#的锰剂，锰剂中锰的质量百分比为75%，符合标准YS/T492-2005《铝及铝合金成分添加剂》；Cr添加剂采用牌号为75#的铬剂，铬剂中铬的质量百分比为75%，符合标准YS/T492-2005《铝及铝合金成分添加剂》；电解铜板采用牌号为Cu-2的电解铜板，电解铜板中铜的质量百分比符合标准GB/T 5231-2001《加工铜及铜合金化学成分和产品形状》；冶炼助熔剂采用牌号为RJl-I精炼剂，符合标准YS/T491-2005《变形铝及铝合金溶剂》;精炼气体采用高纯氮气,纯度即体积百分数为> 99. 98% ；熔炼在线处理气体采用高纯氩气，纯度即体积百分数为彡99. 999% ；将上述原料投入到双室循环蓄热式节能炉中进行升温冶炼，冶炼炉以天然气为燃料，工艺流程如附图1，具体步骤如下(I)目标设定根据高速铁路用铝材要求，设定目标抗拉强度同比欧洲标准高3-30%，屈服强度同比国家标准高出8-36%，伸长率同比国家标准高2-100% ；(2)成分分析确定根据设定目标，进行成分分析，最后确定各成分质量百分比，见表I ;(3)备料过磅按照国家二级计量标准过磅，铝锭中的铝与铝硅合金中的硅的质量比为75 I ；Mn添加剂的加入量为铝锭与硅铝合金总重量的O. 8% ；Cr添加剂的加入量为铝锭与硅铝合金总重量的O. 3% ;镁锭的加入量为铝锭与硅铝合金总重量的O. 9% ;电解铜板的加入量为铝锭与硅铝合金总重量的O. 05% ;(4)装炉将上述原料装炉；(5)升温使炉内温度控制在740 V，原料熔化得到熔体；(6)精炼在步骤(5)得到的熔体中加入冶炼助熔剂，用量为每吨熔体加入2. Okg冶炼助熔剂，精炼温度为740°C，精炼时间为40分钟，精炼完毕后采用高纯氮气(纯度彡99. 98% )排气，压力控制在O. 15MPa，气浪控制在O 200mm ；(7)合金成分分析对步骤(6)精炼后得到的熔体进行合金元素分析，将合金成分控制在表I所述的范围内；(8)熔体预处理将各元素质量百分比符合表I所述范围内的熔体在740°C搅拌20分钟，然后扒渣；(9)熔炼在线处理采用高纯氩气(纯度> 99.999% )进行排气处理，压力为O. 05MPa ；(10)过滤采用50目的陶瓷过滤板进行过滤；(11)铸造温度控制在680°C ；(12)冷却水冷，水温低于50°C ；(13)均质在550°C ±5保温8小时。实施例2(I)目标设定根据高速铁路用铝材要求，设定目标抗拉强度同比欧洲标准高3-30%，屈服强度同比国家标准高出8-36%，伸长率同比国家标准高2-100% ；(2)成分分析确定根据设定目标，进行成分分析，最后确定各成分质量百分比， 见表I ;(3)备料过磅原料(型号同实施例I)用量如下铝锭中的铝与铝硅合金中的硅的质量比为70 I ;Mn添加剂的加入量为铝锭与硅铝合金总重量的0.75% ;Cr添加剂的加入量为铝锭与硅铝合金总重量的O. 27% ;镁锭的加入量为铝锭与硅铝合金总重量的O. 85% ;电解铜板的加入量为铝锭与硅铝合金总重量的O. 04% ；(4)装炉将上述原料装炉；(5)升温使炉内温度控制在720V，原料熔化得到熔体；(6)精炼在步骤(5)得到的熔体中加入冶炼助熔剂，用量为每吨熔体加入2. Okg冶炼助熔剂，精炼温度为720°C，精炼时间为30分钟，精炼完毕后采用高纯氮气(纯度彡99. 98% )排气，压力控制在O. 15MPa，气浪控制在O 200mm ；(7)合金成分分析对步骤(6)精炼后得到的熔体进行合金元素分析，将合金成分控制在表I所述的范围内；(8)熔体预处理将各元素质量百分比符合表I所述范围内的熔体在720°C搅拌15分钟，然后扒渣；(9)熔炼在线处理采用高纯氩气(纯度彡99.999%)进行排气处理，压力为O. 05MPa ；(10)过滤采用50目的陶瓷过滤板进行过滤；(11)铸造温度控制在720°C ；(12)冷却水冷，水温低于50°C ；(13)均质在550°C ±5保温8小时。实施例3(I)目标设定根据高速铁路用铝材要求，设定目标抗拉强度同比欧洲标准高3-30%，屈服强度同比国家标准高出8-36%，伸长率同比国家标准高2-100% ；(2)成分分析确定根据设定目标，进行成分分析，最后确定各成分质量百分比，见表I ;(3)备料过磅原料(型号同实施例I)用量如下铝锭中的铝与铝硅合金中的硅的质量比为80 I ;Mn添加剂的加入量为铝锭与硅铝合金总重量的0.82% ;Cr添加剂的加入量为铝锭与硅铝合金总重量的O. 33% ;镁锭的加入量为铝锭与硅铝合金总重量的O. 95% ;电解铜板的加入量为铝锭与硅铝合金总重量的O. 05% ；(4)装炉将上述原料装炉；
(5)升温使炉内温度控制在760°C，原料熔化得到熔体；(6)精炼在步骤(5)得到的熔体中加入冶炼助熔剂，用量为每吨熔体加入2. Okg冶炼助熔剂，精炼温度为760°C，精炼时间为50分钟，精炼完毕后采用高纯氮气(纯度彡99. 98% )排气，压力控制在O. 15MPa，气浪控制在O 200mm ；(7)合金成分分析对步骤(6)精炼后得到的熔体进行合金元素分析，将合金成分控制在表I所述的范围内；(8)熔体预处理将各元素质量百分比符合表I所述范围内的熔体在760°C搅拌20分钟，然后扒渣；(9)熔炼在线处理采用高纯氩气(纯度> 99. 999%)进行排气处理，压力为O. 05MPa ；
(10)过滤采用50目的陶瓷过滤板进行过滤；(11)铸造温度控制在700°C ；(12)冷却水冷，水温低于50°C ；(13)均质在5500C ±5保温8小时得到平均直径为150mm的铝合金铸棒。实施结果将实施例I 3制得的铸棒按照标准GB/T7999-2007《铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法》进行成分分析，检测结果如表2。将实施例I 3制得的铸棒按照GB/T 3246. 1-2000《变形铝及铝合金制品显微组织检验方法》检验,检验结果如下合金材料晶粒度1-2级，晶粒面积< O. 4mm2。从实施例I 3制得的铸棒中分别选取13根按照标准GB/T6519-2000《变形铝合金产品超声波检测方法》进行超声波探伤检测，对所选铸棒头部及尾部直径进行检测，检测结果如表3所述，检测结果显示铸棒头部及尾部直径均超过150_，说明铸棒没有裂纹，检测合格。将实施例I 3制得的铸棒挤压成方管(长是41mm,宽是21mm,壁厚是3mm),热处理状态为T6，将方管进行力学性能标准测试，抗拉强度、规定非比例延伸强度、断后伸长率采用德国EN755-2 2008方法测量，表4给出了力学性能标准测试结果，表5给出了德国EN755-2 200力学性能标准，表6给出了中国GB/T6892-2006力学性能标准，将表4、表5和表6对比发现本发明生产的铝合金力学性能都明显高于德国EN755-2 200和中国GB/T6892-2006力学性能标准。将实施例I 3制得的铝合金挤压成方管(长是41mm，宽是21mm，壁厚是3mm)经过机械加工制成中国专利CN201457116U所述的高铁定位器，然后对高铁定位器按照标准TB/T 2075. 3-2002《电气化铁道接触网零部件第3部分横承力索线夹》进行疲劳测试，测试结果如下经频率3Hz，荷载3. 0±0. 9kN，5X IO5次疲劳后试样无变形；疲劳后8. 55kN保荷3分钟未见异常。表I铝合金各成分质量百分比
权利要求
1.一种铝合金，其特征在于所述铝合金由以下按质量百分比计的组分组成Si O. 8 I. O %，Mg :0. 75 O. 95 %，Cu :0. 01 O. 09 %，Mn :0. 45 O. 85 %，Cr :0. 10 O. 24%, Fe < O. 25，其他杂质总量< O. 15%, Al :余量。
2.根据权利要求I所述的一种铝合金，其特征在于所述的铝合金中Mg的质量与Si的质量之比为O. 92。
3.根据权利要求I所述的一种铝合金的制备方法，其特征在于包括以下操作步骤将铝锭、镁锭、铝硅合金、Mn添加剂、Cr添加剂及电解铜板装炉加热熔化；加入冶炼助熔剂精炼；对得到的熔体进行预处理；然后进行熔炼在线处理；过滤；铸造；均质；冷却最终得到招合金； 所述的铝锭中的铝与铝硅合金中的硅的质量比为(70 80) l;Mn添加剂的加入量为铝锭与硅铝合金总重量的O. 75 O. 82% ；Cr添加剂的加入量为铝锭与硅铝合金总重量的O. 27 O. 33% ;镁锭的加入量为铝锭与硅铝合金总重量的O. 85 O. 95% ;电解铜板的加入量为铝锭与硅铝合金总重量的O. 04 O. 05%。
4.根据权利要求3所述的一种铝合金的制备方法，其特征在于所述的加热熔化的温度为720 7600C ο
5.根据权利要求3所述的一种铝合金的制备方法，其特征在于所述的精炼温度为720 760°C，精炼时间为30 50分钟，精炼完毕后采用高纯氮气排气。
6.根据权利要求3所述的一种铝合金的制备方法，其特征在于所述的预处理是将熔体在720 760°C搅拌15 25分钟，然后扒渣。
7.根据权利要求3所述的一种铝合金的制备方法，其特征在于所述的熔炼在线处理为采用高纯氩气进行排气处理。
8.根据权利要求3所述的一种铝合金的制备方法，其特征在于所述的过滤为采用50目的陶瓷过滤板进行过滤。
9.根据权利要求3所述的一种铝合金的制备方法，其特征在于所述的铸造温度为680 720O。
10.根据权利要求I所述的铝合金在高铁定位器中应用。
全文摘要
本发明公开了一种铝合金，由以下按质量百分比计的组分组成Si0.8～1.0％，Mg0.75～0.95％，Cu0.01～0.09％，Mn0.45～0.85％，Cr0.10～0.24％，Fe＜0.25，其他杂质总量＜0.15％，Al余量。铝合金的制备方法为将原料装炉加热熔化；加入冶炼助熔剂精炼；对得到的熔体进行预处理；然后进行熔炼在线处理；过滤；铸造；均质；冷却最终得到铝合金。采用本发明铝合金生产的高速铁路用铝材，其抗拉强度同比欧洲标准高3～30％，屈服强度同比国家标准高出8～36％，伸长率同比国家标准高2～100％，耐疲劳性能达50万次以上，适宜在高铁定位器上应用。
文档编号C22C21/08GK102925759SQ20111022740
公开日2013年2月13日 申请日期2011年8月9日 优先权日2011年8月9日
发明者杨双强, 徐光友, 朱志坚, 谭柳玉, 谭法明, 王顺利 申请人:佛山市鸿金源铝业制品有限公司