一種高導電率中強耐熱鋁合金單絲及其製備方法
2023-06-19 12:44:46
專利名稱：一種高導電率中強耐熱鋁合金單絲及其製備方法
一種高導電率中強耐熱鋁合金單絲及其製備方法
技術領域：
本發明屬於電力行業輸電線路架空導線技術領域，具體講涉及一種高導電率中強耐熱鋁合金單絲及其製備方法。背景技術：
傳統上，架空輸電線路採用的鋼芯鋁絞線由於耐熱性的限制，而多使用耐熱鋁合金導線。為了在正常運行溫度下長期運行過程中不降低強度，不增加導線弧垂明顯，通常在電工純鋁中加入微量合金元素如鋯、鈦等提高鋁的再結晶溫度來提高鋁的耐熱性，但鋯、 鈦合金元素的加入雖然保證了耐熱性，但卻引起鋁導線導電率的降低。早期開發的耐熱鋁合金導線的導電率較低，進一步通過加入稀土元素和硼元素控制雜質元素的存在形態使耐熱鋁合金導線的導電率提高至60% IACS。申請號為201210189763. 6、名稱為高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法中公開了一種由Zr :0. 15 O. 60%，La :0. 03 O. 30%，Ce : O. 03 O. 30%, Y 0. 01 O. 30%, Fe 0. 05 O. 20%, Si 0. 01 O. 10%，其他雜質元素含量< O. 10%，其餘為鋁的高強高導耐熱鋁合金導線，其製備方法為配製原材料放入熔煉爐中、升溫除氣熔煉、造渣、除渣、連鑄連軋成耐熱鋁合金杆材、熱處理、拉絲機拉製成耐熱鋁合金單線。製得的熱鋁合金導線的抗拉強度達到160MPa，導電率可達到61% IACS以上，長期運行溫度可達到180°C，且經得起280°C下加熱I小時考核運行，強度殘存率大於 90%。但上述申請的製備過程中，所製備的鋁合金絲或導線的導電率低、抗拉強度低，並且製備過程中所需的加熱溫度高且需要熱處理，生產成本較·高。
基於以上研究及應用背景，我國亟需研發高導電耐熱鋁合金導線以適應我國電力行業發展需要，本發明採用微合金化，控制多種合金元素含量，並採用稀土改性，製造具有導電率61% IACS的耐熱鋁合金單絲，並取消熱處理工藝以降低成本，為製備高導電耐熱鋁合金導線提供原料基礎，使耐熱鋁合金導線達到提高輸送容量、降低輸電線路損耗的目的， 從而滿足大容量輸電線路及城市擴容改造的建設需求。
發明內容
為克服上述問題，本發明採用微合金化，控制多種合金元素含量，並採用稀土改性，製造具有導電率彡61% IACS、抗拉強度大於180MPa，耐熱溫度彡120°C (180°C條件下保溫I小時剩餘強度> 90%)的耐熱鋁合金單絲，並取消熱處理工藝以降低成本，為製備高導電耐熱鋁合金導線提供原料基礎，使耐熱鋁合金導線達到提高輸送容量、降低輸電線路損耗的目的，從而滿足大容量輸電線路及城市擴容改造的建設需求。
為實現上述目的，本發明採用以下技術方案
一種高導中強耐熱鋁合金單絲，由下述重量百分比的元素組成Zr 0. 01 O. 1%，B :0. 01 O. 2%，Si 0. 01 O. 2%，Fe 0. 05 O. 3%，Mn :0· 2 O. 5%，Er 0. 01 O.15%和/或Y :0. 01 O. 15%，還含有V、T1、Cr中任意2種或3種元素，其餘為Al和不可避免的微量雜質；
所述V 0.1 O. 15%, Ti 0. 01 O. 05%, Cr 0.1 O. 15%。
本發明的一種高導中強耐熱鋁合金單絲，其中，Er和Y的含量之和彡0.25%。
本發明的一種高導中強耐熱鋁合金單絲，其中，V、T1、Cr中任意2種或3種元素的含量之和< O. 3%。
一種製備本發明鋁合金單絲的方法，包括下述步驟
I)冶煉選取純度> 99. 8%的鋁錠熔化後，在720 780°C下按順序加入所述合金元素，得鋁液；
2)合金化攪拌上述鋁液，除氫、除渣，在720 780°C下合金化25 50min ；
3)澆鑄制杆將模具預熱至200 220°C後保溫，將步驟2)所得鋁液澆鑄到模具內製得鋁錠，經熱擠壓後製得尺寸為Φ10 60，80 200mm長的鋁合金杆；
4)拉絲將步驟3)製得鋁合金杆進行拉絲得Φ2 3mm的單絲。
本發明提供的方法，其中，步驟3)中所述鋁液的澆鑄溫度在740°C。
本發明提供的方法，其中，模具預熱保溫的時間為10 30min。
本發明提供的方法，其特徵在於所述步驟I)中加入的合金元素為單質或中間合金。
本發明提供的方法，其中，合金元素的加入順序為最後加入Zr、Er和/或Y。
本發明提供的方法，其中，最後加入的Zr、Er、Y合金元素的加入溫度為740 780。。。
本發明提供的製備方法中，當純鋁錠完全熔化後依次放入各合金元素，其中Zr、 Er、Y元素由於熔點較高，待鋁液溫度升至740°C以上時再依次放入，待爐溫升至780°C，保溫15 35min。採用鋁液精煉劑對鋁液進行除氫、除渣進行精煉，並使用攪拌機對鋁液進行攪拌，使合金元素充分均勻化，合金化溫度為720 780 V，保溫25 50min。對模具進行加熱，防止模具溫度與鋁液溫度相差過大引起鋁液澆鑄過程中引起縮孔，模具加熱至200 220°C保溫l(T30min，然後進行鋁液澆鑄，澆鑄成Φ60 150mm，長20 80mm的鋁錠。採用熱擠壓的方式將其擠成Φ10 60mm的圓鋁杆，然後進行 拉絲。以15m/s的速度在拉絲機上冷拉絲，通過多套配模(金剛石模具)，多道次拉制，每次變形量為10% 15%，最終獲得Φ2 3mm的單絲。
本發明採用的鋁合金單絲中Zr :鋯原子半徑比鋁原子半徑略大，鋯在鋁中以置換方式進行擴散，其擴散激活能高，向亞結晶晶粒邊界析出細微的Al3Zr相，它不易聚集長大， 穩定性高，能防止再結晶的產生，在較高的溫度下仍可有效的釘扎位錯與晶界，阻礙變形與晶內及晶界滑移，使蠕變抗力得以提高，從而使鋁合金的耐熱性能得到了改善。同時，鋯的加入可以改善鋁合金的抗蠕變性能，使鋁合金在高溫下也只有很小的蠕變伸長，因此，能夠使架空輸電線在輸電塔杆之間的間距增大，並且保持鋁合金導線較小的懸垂度；
S1:矽是鋁中含量僅次於鐵的雜質元素，能提高鋁合金的鑄造性能及焊接流動性， 還能使鋁合金有較高的力學性能；
Fe :是工業純鋁中的佔支配地位的一種雜質，而且也是高純鋁中的一種主要雜質。 通常以粗大的一次晶體出現，或以鋁-鐵-矽化合物形式存在，它們一定程度上都 提高了鋁的硬度，但使鋁的塑性降低。儘管有資料表明在實際生產中，鋁導體中的Fe/Si比應為1.3 1. 5，但在本發明中顯示超出該範圍時並不顯著降低其導電性；
V、Mn、Cr、T1:這幾種元素均具有細化晶粒，提高鋁合金室溫抗拉強度及改善耐熱性的效果，然而每(I % Cr+Ti+Mn+V)的有害作用為每I %矽對鋁導電性有害作用的5倍。由此可以看出嚴格控制這幾種元素的含量對保證鋁導體的質量具有重要的實際應用意義；
Er,Y :添加Er和Y可以和Fe、Si元素反應生成細小彌散的化合物，一方面由於Al 中的Fe、Si被置換出來，使Fe、Si析出，降低了電阻率；另一方面由於析出相細小均勻的分布，可以起到細化晶粒的作用，保證鋁杆延伸率較高的同時，提高鋁合金的強度；
B :在鋁導體加入適量的Zr能明顯改善合金的耐熱性能，但是Zr的加入也會對合金的導電性產生負面影響，有研究表明在含Zr的鋁合金中加入適量的B，能在保證合金耐熱性的前提下提高其導電性。現有資料表明在Zr B = I 2的範圍內對合金的導電性不會產生負面影響。過量B的加入對含Zr鋁合金有一定的晶粒細化效果，但它會使合金高溫強度降低，使合金耐熱性變差。
與現有技術相比，本發明的具有以下優點
I)本發明通過調節合金元素的加入順序和保溫時間，取消了熱處理，從而簡化了製備工藝節約了成本；
2)本發明製得的鋁合金單絲導電率高(61% IACS，20°C)，耐熱性好(抗拉強度大於180MPa，耐熱溫度彡120°C，180°C條件下保溫I小時剩餘強度> 90%)。
具體實施方式
實施例1
在中頻感應熔煉爐中加入純度為99. 8%的純鋁錠，將溫度保持在720°C前將純鋁熔化，待溫度升至720°C時，開始以中間合金的方式，按B、S1、Fe、Mn、V、T1、Cr、Zr、Er，Y的順序，依次加入各合金元素，使它們的最終含量為質量分數O. 05%的Zr，O. 02%的Er，O. 1% 的 Y，O. 05%的 B，O. 03%的 Si，O. 055%的 Fe，O. 1%的 V，0. 02%的 Ti，O. 1%的 Cr 及 O. 25% 的Mn，合金元素是以中間合金的形式加入，經攪拌，精煉、除洛，在760°C下，保溫40min後進行澆鑄。澆鑄前將低碳鋼模具加熱至200°C，保溫lOmin，並將鋁液溫度降至740 V，然後將鋁液倒入模具內，形成鋁合金錠，通過擠壓機對鋁合金杆進行熱擠壓，擠壓溫度為150°C。 將擠成的杆材，依次配模,在高速拉絲機上進行冷拉絲,拉絲速度為15m/s，每次截面收縮率為15%左右，最終獲得Φ2. 3mm的耐熱鋁合金單絲。經檢測，耐熱鋁合金絲的抗拉強度為 200MPa，導電率為61. 3% IACS，在180°C下保溫I小時，測試強度為185MPa，大於原強度的 90%。
實施例2
在中頻感應熔煉爐中加入純度為99. 8%的純鋁錠，將溫度保持在720°C前將純鋁熔化，待溫度升至730°C時，開始以單質的形式，按B、S1、Fe、Mn、V、T1、Cr、Zr、Er，Y的順序， 依次加入各合金元素，使它們的最終含量為質量分數O. 09%的Zr，O. 03%的Er，O. 09%的 Y, O. 08% 的 B, O. 05% 的 Si, O. 07% 的 Fe, O. 11% 的 V，O. 04% 的 Ti, O. 12% 的 Cr 及 O. 3% 的Mn，合金元素是以單質的形式加入，經攪拌，精煉、除渣，在750°C下，保溫45min後進行澆鑄。澆鑄前將低碳鋼模具加熱至210°C，保溫20min，然後將鋁液倒入模具內，將鋁液溫度降至740°C，形成鋁合金錠，通過擠壓機對鋁合金杆進行熱擠壓，擠壓溫度為150°C。將擠成的杆材,依次配模,在高速拉絲機上進行冷拉絲,拉絲速度為15m/s，每次截面收縮率為15%左右，最終獲得Φ2. 5mm的耐熱鋁合金單絲。經檢測，耐熱鋁合金絲的抗拉強度為205MPa， 導電率為61. 5% IACS，在180°C下保溫I小時，測試強度為186MPa，大於原強度的90%。
實施例3
在中頻感應熔煉爐中加入純度為99. 8%的純鋁錠，將溫度保持在720°C前將純鋁熔化，待溫度升至725°C時，開始以中間合金的方式，按B、S1、Fe、Mn、V、T1、Cr、Zr、Er, Y 的順序，依次加入各合金元素，使它們的最終含量為質量分數O. 07%的Zr，O. 10%的Er， O. 12% 的 Y，O. 15% 的 B，O. 15% 的 Si，O. 21% 的 Fe，O. 12% 的 V，O. 05% 的 Ti，O. 14% 的 Cr 及 O. 5%的Mn，其中稀土元素是以中間合金的形式加入，其餘合金元素是以中間合金的形式加入，經攪拌，精煉、除渣，在755°C下，保溫50min後進行澆鑄。澆鑄前將低碳鋼模具加熱至 2000C，保溫30min，將鋁液溫度降至740°C，然後將鋁液倒入模具內，形成鋁合金錠，通過擠壓機對鋁合金杆進行熱擠壓，擠壓溫度為150°C。將擠成的杆材，依次配模，在高速拉絲機上進行冷拉絲，拉絲速度為15m/s，每次截面收縮率為15%左右，最終獲得Φ2.1mm的耐熱鋁合金單絲。經檢測，耐熱鋁合金絲的抗拉強度為195MPa，導電率為61. 8% IACS，在180°C下保溫I小時，測試殘餘強度為178MPa，大於原強度的90%。
實施例4
在中頻感應熔煉爐中加入純度為99. 8%的純鋁錠，將溫度保持在720°C前將純鋁熔化，待溫度升至730°C時，開始以中間合金的方式，按B、S1、Fe、Mn、V、T1、Cr、Zr、Er的順序，依次加入各合金元素，使它們的最終含量為質量分數O. 07%的Zr，O. 10%的Er， O. 12% 的 Υ，0· 15% 的 Β，0· 15% 的 Si，0. 21% 的 Fe，0. 12% 的 V，0. 05% 的 Ti，0. 14% 的 Cr 及 O. 5%的Mn，其中稀土元素是以中間合金的形式加入，其餘合金元素是以中間合金的形式加入，經攪拌，精煉、除渣，在750°C下，保溫50min後進行澆鑄。澆鑄前將低碳鋼模具加熱至 2000C，保溫30min，將鋁液溫度降至740V，然後將鋁液倒入模具內，形成鋁合金錠，通過擠壓機對鋁合金杆進行熱擠壓，擠壓溫度為150°C。將擠成的杆材，依次配模，在高速拉絲機上進行冷拉絲，拉絲速度為15m/s，每 次截面收縮率為15%左右，最終獲得Φ2. 2mm的耐熱鋁合金單絲。經檢測，耐熱鋁合金絲的抗拉強度為196MPa，導電率為61. 5% IACS，在180°C下保溫I小時，測試殘餘強度為179MPa，大於原強度的90%。
實施例5
在中頻感應熔煉爐中加入純度為99. 8%的純鋁錠，將溫度保持在720°C前將純鋁熔化，待溫度升至725°C時，開始以中間合金的方式，按B、S1、Fe、Mn、V、T1、Cr、Zr、Y的順序， 依次加入各合金元素，使它們的最終含量為質量分數O. 07%的Zr，O. 10%的Er，O. 12%的 Y, O. 15% 的 B，O. 15% 的 Si，O. 21% 的 Fe，O. 12% 的 V，O. 05% 的 Ti，O. 14% 的 Cr 及 O. 5% 的 Mn，其中稀土元素是以中間合金的形式加入，其餘合金元素是以中間合金的形式加入，經攪拌，精煉、除渣，在755°C下，保溫50min後進行澆鑄。澆鑄前將低碳鋼模具加熱至200°C，保溫30min，將鋁液溫度降至740°C，然後將鋁液倒入模具內，形成鋁合金錠，通過擠壓機對鋁合金杆進行熱擠壓，擠壓溫度為150°C。將擠成的杆材，依次配模，在高速拉絲機上進行冷拉絲，拉絲速度為15m/s，每次截面收縮率為15%左右，最終獲得Φ2. 3mm的耐熱鋁合金單絲。經檢測，耐熱鋁合金絲的抗拉強度為193MPa，導電率為61. 2% IACS，在180°C下保溫I 小時，測試殘餘強度為177MPa，大於原強度的90%。
權利要求
1.一種高導中強耐熱鋁合金單絲，其特徵在於所述鋁合金導線由下述重量百分比的元素組成Zr :0. Ol O. 1%，B 0. 01 O. 2%，Si 0. 01 O. 2%，Fe 0. 05 O. 3%，Mn :O.2 O. 5%, Er 0. 01 O. 15%和 / 或 Y :0. 01 O. 15%，還含有 V、T1、Cr 中任意 2 種或3種元素，其餘為Al和不可避免的微量雜質；所述 V 0.1 O. 15%, Ti 0. 01 O. 05%, Cr 0.1 O. 15%。
2.如權利要求1所述的一種高導中強耐熱鋁合金單絲，其特徵在於所述Er和Y的含量之和≤ O. 25%。
3.如權利要求1所述的一種高導中強耐熱鋁合金單絲，其特徵在於所述V、T1、Cr中任意2種或3種元素的含量之和< O. 3%。
4.一種製備如權利要求1所述的一種高導中強耐熱鋁合金單絲的方法，包括下述步驟 1)冶煉選取純度>99. 8 %的鋁錠熔化後在720 780 V下按順序加入所述合金元素，得鋁液； 2)合金化攪拌上述鋁液，除氫、除渣，在720 780°C下合金化25 50min； 3)澆鑄制杆將模具預熱至200 220°C後保溫，將步驟2)所得鋁液溫度降至740V』澆鑄到模具內製得鋁錠，經熱擠壓後製得尺寸為Φ10 60，80 400mm長的鋁合金杆； 4)拉絲將步驟3)製得鋁合金杆進行拉絲得Φ2 3mm的單絲。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於所述合金元素的加入順序為B、S1、Fe、Mn、V、T1、Cr元素在溫度升至740°C時加入，並保溫lOmin，Zr、Er、Y元素在740 780°C範圍加入，保溫15 35min。
6.如權利要求4所述的方法，其特徵在於步驟3)中所述鋁液的澆鑄溫度在740°C。
7.如權利要求4所述的方法，其特徵在於所述模具預熱保溫的時間為10 30min。
8.如權利要求4所述的方法，其特徵在於所述步驟I)中加入的合金元素為單質或中間合金
9.如權利要求5所述的方法，其特徵在於所述最後加入的合金元素的加入溫度不超過780℃
全文摘要
本發明涉及電力行業輸電線路架空導線技術領域。本發明提供了一種高導中強耐熱鋁合金單絲及其製備方法，鋁合金導線由Zr0.01～0.1％，B0.01～0.2％，Si0.01～0.2％，Fe0.05～0.3％，Mn0.2～0.5％，Er0.01～0.15％和/或Y0.01～0.15％，V、Ti、Cr中任意2種或3種元素，其餘為Al和不可避免的微量雜質組成，其中V0.1～0.15％，Ti0.01～0.05％、Cr0.1～0.15％。本發明製備的鋁合金單絲導電率高、耐熱性好，抗拉強度大。
文檔編號H01B1/02GK103045915SQ201210544420
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月14日 優先權日2012年12月14日
發明者楊富堯, 韓鈺, 馬光, 陳新, 祝志祥 申請人:國網智能電網研究院, 國家電網公司