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高导电率轨道交通铝型材的研究与生产---山东裕航合金

来源 :山东裕航特种合金装备有限公司     发布时间 : 2016-12-02     pv :

  随着市场对节能环保、轻量化的重视,铝合金材料以其优良的质轻和比强性等优点受到市场的青睐。铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能、物理性能和抗腐蚀性能。综上所述,铝合金材料广泛运用于轨道交通、航空航天、船舶等领域是最佳选择。

  地铁因其运量大、速度快、无污染、准时、方便、舒适等优点,日益受到人们青睐,在特大城市或大城市里,建设轨道交通网络是解决城市中心人口集中度大与交通拥堵等问题的最佳措施。地铁运营一般均为双线运行,而且地铁线还需建设延长线、停车线、检修线等,据此预计地铁线路总长至少还需求1500km。伴随地铁线路建设大力开展的同时,供电线路必然随之同步进行,导电轨(俗称第三轨)是地铁车辆运行中供电的主体型材,从目前接触到的导电轨材料来看,平均每千米需10 ~ 12t 铝型材,由此可以推测,我国地铁导电轨总需求应该在15 ~ 18 万t 之间,加上导电轨使用安装中所需的鱼尾板、压板、接线柱等材料,总需求量至少在20 万t 以上,需求量之大可想而知,铝型材生产厂家---山东裕航合金(www.yuhang666.com)顺应市场发展,对导电轨型材进行立项研究,解决了导电轨型材需求量大的同时还保证强度性能和电导率的问题,现在导电轨产品已批量生产,并受到了客户的一致好评。

  1、导电轨型材的技术难点:

  导电轨型材因其重要的供电作用,对它的力学性能及导电率均有特殊要求,且均高于普通材料。而力学性能与导电率是两个相互制约的因素,故给导电轨型材的研发带来了以下两大困难。

  困难一:导电轨型材电导率一般要求为32.5ms/m(即56.03%iacs),而一般的6063-t6铝型材的导电率为51%iacs,提高了5%iacs。

  困难二:导电轨型材一般为6063-t6,其力学性能要求为:抗拉强度215mpa,规定塑性延伸强度170mpa,断后延伸率8%。而普通的6063-t6铝型材的力学性能标准为195mpa,塑性延伸强度160mpa,断后延伸率8%。由此可见,导电轨型材的抗拉强度提高了20mpa,塑性延伸强度提高了10mpa。同时,导电轨型材壁厚较厚,为保证其整体的力学性能,也使导电轨型材的生产加大了困难。

  2、影响导电轨型材导电率因素的分析及化学成分的优化:

  在导电轨型材中适当添加合金元素可以改善工业纯铝的性能,提高其强度。但是根据金属导电理论可知,金属中导电率对于杂质固溶原子特别敏感,一切添加元素都会降低纯铝的导电率,因此控制杂质含量的比率,是保证力学性能尤其是导电率的关键。

  mg 和si 元素虽然也会使铝的电导率下降,但因其是合金强化的主要元素,必须保证力学性能所需的基本元素。fe元素是铝合金中催化的元素,微量fe 元素对电导率的影响较大,应适当控制,铝合金中含有的微量元素对电导率影响较大的还有mn、cr、v、zr、ti,也应限制这些元素的含量。

  图一 mg\si元素对力学性

  (1)si、mg元素对导电轨型材的影响及元素配比:

  si元素的固溶度比fe元素大,共晶温度的时候(577℃)为1.65%,室温的时候也达到了0.05%,而fe元素在al中的最大固溶度也只有0.052%,所以作为基本杂质元素的si比fe对电阻率的影响大的多,成为影响al导体导电性最主要的杂质元素。通过不同mg、si含量对产品力学性能的影响,总结出的规律如图一:mg/si质量比大于正常值1.73 时材料的抗拉强度急剧下降,二者比值小于1.6时材料的塑性开始降低,mg/si质量比在1.40 时其抗拉强度达到峰值,mg/si 质量比值为1.5 时材料的力学性能达到最佳配合。强化相mg2si 的强化作用不仅与溶解度有关,而且与镁的过剩有关,当mg/si质量比大于1.73 时,过剩mg 的存在显著降低了mg2si 在固态铝中的溶解度,造成强化相从铝基体中析出。综合分析可知,mg/si质量比在1.5 左右时材料力学性能较好。所以应该尽可能减少合金中si的含量,fe 在提高其强度的同时,降低其导电性并不显著。在实际生产中,fe/si比应为1.3~1.5,过高则会使电阻率显著升高,所以也应该注意控制fe的含量,实际生产中si含量控制在0.34-0.40,fe元素控制上限为0.12。

  (2)cu元素对导电轨材电导率的影响及元素配比:

  为研究cu元素对导电轨型材电导率的影响,通过实验对不同含量的cu元素添入到al-mg-si合金导电率数值进行分析,结论为随着cu元素添入量的增多,合金导电率先略有提高而后开始下降,导电率的变化中出现了峰值,即w( cu) = 0.03% 时,合金导电率为60.18%iacs。(如图二)

  图二 cu 含量对6063合金导电率的影响

  根据金属导电理论,金属晶体缺陷越少、晶格畸变越小,导电性越好。同时,铝中杂质元素对导电率的影响非常显著,且以固溶状态存在的元素影响要远远大于第二相析出态,这是由于杂质元素以固溶态存在时,铝原子点阵产生畸变,增加电子散射,使电阻升高。cu原子半径较大,引起点阵静畸变和热振动点阵动畸变较大,会极大影响电阻率,室温时cu在α ( al ) 中的溶解度约为0. 05%,有研究表明,cu元素的添入量不超过0. 1% 时对导电率的影响较小。cu 元素的添入对al-mg-si合金时效状态的导电率影响表现为两个方面: 一方面cu元素促进了β″相的析出,并抑制其继续长大,随着β″析出相的增多,合金在峰时效时消耗了大量溶质原子,从而减少了对自由电子的散射导致导电率升高; 另一方面随着cu含量的增多,其本身的固溶作用会引起晶格畸变,同时cu2feal7、cual2第二相的析出和长大也会加强对电子的散射作用从而导致导电率下降。当cu含量较少时,导电率的“升高”作用大于“下降”作用; 当cu 含量过多时,导电率的“下降”作用大于“升高”作用。这可以解释图4 中导电率的变化情况,其中w( cu) =0. 03%时,为导电率变化的平衡点。

  权衡各杂志元素含量对产品力学性能及导电率的影响,对6063的导电轨型材的合金成分进行了优化,优化的结果如下(表一):

    表一 优化后的元素配比

  3、导电轨材时效制度的优化与调控:

  由于型材要求导电率的同时还要求性能和延伸率,而一般型材的工艺条件和热处理要求不能满足,所以必须研发新的工艺制度。

  经过分析,要保证导电轨型材的性能,必须提高强化项的固溶度,即在淬火过程中将强化项mg2si最大限度的溶解在α铝中,这就要求在挤压时处于单项区。通过对al-mg2si伪二元相图的分析得知6063铝合金淬火的最佳温度为450℃-600℃,时淬火效果最佳。

  为保证出口淬火温度,必修将铸锭加热温度与挤压速度相配合。经工艺研究,可以采取低温高速挤压和高温低速挤压两种方案。当采取高温低速挤压时存在以下问题:

  (1)铸锭加热时间长,晶粒长大,最终型材性能降低;

  (2)加热温度高,时间长,加热成本高;

  (3)生产周期长,效率低;

  (4)挤压前后温差大,挤压制品前后尺寸变化大。

  采取低温高速挤压可避免上述问题,最终决定实际生产时采取低温高速挤压。为保证挤压前后由于变形热的影响,前后温差大的影响,采取梯度加热,两个加热区间存在10℃的梯度。

  最终产品性能和电导率的提升是通过时效处理实现的,不同温度、不同时效时间对导电轨型材的影响差距极大,通过对以下175℃、195 ℃、215℃三种时效制度的性能和电导率的试验,发现175 ℃和215℃强度达到要求时电导率不满足要求,而195℃时性能和电导率都能满足要求。通过性能和电导率相统一,最终确定195℃时效各方面达到最大。

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