電焊機電纜用導電線芯鋁合金及其製造方法
2023-05-11 08:04:36 1
專利名稱：電焊機電纜用導電線芯鋁合金及其製造方法
技術領域：
本發明屬於電線電纜製造工藝設計領域，尤其涉及一種電焊機電纜用導電線芯鋁 合金及其製造方法。
背景技術：
電焊機電纜是一種用於特殊設備及場合的電纜，由於電機引接線電纜頻繁地移 動，扭繞和施放，要求電纜具有柔軟，彎曲性能好、重量輕、外徑小等特性，因而單絲直徑要 求很細，最大不超過0.21mm。並且電焊機電纜的使用環境條件較複雜，如日曬、水沸、接觸泥 水、機油、酸鹼液體等，因而要求有一定的耐氣候性和耐油、耐溶劑性。由於電焊機電纜的要求比苛刻，因而對導電線芯的要求比較高，國內基本上都選 擇鍍錫的退火軟銅，這是由於銅的各方面性能都能較好的滿足該電纜的需求。但出於降低 成本以及減輕電纜重量等因素考慮，以鋁合金替代銅芯用於電焊機電纜也在開發之中，純 鋁是肯定無法滿足要求的，採用鋁合金線不僅要考慮到柔軟性，即能拉製成很細的單絲，還 要考慮到抗疲勞性能及機械強度，以保證在頻繁的移動過程中不會受損，同時還要保證電 性能和耐腐蝕性能等滿足要求，因而面臨著許多要解決的技術難題。
發明內容
本發明目的是提供一種柔韌性、抗疲勞、耐腐蝕性、綜合力學性能好的電焊機電纜 用導電線芯鋁合金。本發明的另一目的是提供一種電焊機電纜用導電線芯鋁合金的製造方法。本發明是通過以下技術方案是實現的一種電焊機電纜用導電線芯鋁合金，該鋁合金材料包含如下成分Fe和Co中的 至少一種，其總質量分數佔鋁合金總質量的0. 4 1. Owt %，Cu佔0. 1 0. 5wt%的，Mg佔 0. 1 0. 5wt%的，Be佔0. 005 0. lwt%，稀土佔0. 05 lwt%，其餘為鋁及不可避免的 雜質。上述技術方案中，所述Fe和Co佔所述鋁合金質量百分含量為0. 6 0. Swt %。稀 土元素由鈰、鑭、鈧中的一種或多種組成。該鋁合金材料還包含Ti、Sr中的一種或兩種，總 百分含量至少不超過所述鋁合金的0. 05wt%。一種電焊機電纜用導電線芯鋁合金的製造方法，包括以下步驟在豎爐中加入純度為99. 7wt %的鋁錠，升溫使其熔化，然後將溫度升至760 800°C，依次加入Fe和Co中的一種或兩種，以及Cu、Mg、Be、Ti、Sr，其中上述合金元素以其 與鋁的中間合金的形式加入，再加入稀土元素，調節成分符合上述技術方案設定範圍後進 行澆鑄。 將鋁合金鑄條導入軋機製成鋁合金杆，導入軋機的溫度為450-500°C，終軋溫度為 250-330，鋁合金杆成圈。 將鋁合金杆放入退火爐中，在500 550°C下保溫處理3 5h，停止加熱，在爐中使其自然冷卻。鋁合金杆先經過大拉、中拉、微拉得到所需的單絲直徑，最後在束絞機上進行束 絞。將導電線芯放入退火爐中，在360 420°C下進行退火處理10 20h，自然冷卻至室溫。上述技術方案中，在依次加入Al、Fe、Co、Cu、Mg、Be、Ti、Sr以及稀土後，採用電 動攪拌裝置攪拌，使攪拌充分均分。將鋁合金杆放入退火爐中，在500 550°C下保溫處理 1.3 3h，停止加熱，在爐中使其自然冷卻。將所述導電線芯放入退火爐中，在360 420°C 下進行退火處理10 20h，再自然冷卻至室溫。本發明獲得如下技術效果1由於鐵在鋁中固熔度相對於其他金屬元素較小的一種，加入一定量的鐵對鋁導 電率影響不大，且鐵可以起到對鋁基的增強作用，提高鋁的抗拉強度和屈服極限，有好的延 展性，因而可以拉製成很細的單絲。鐵還能提高合金的連接熱穩定性，減小蠕變作用。2鈷具有鐵類似的性質，它在鋁中的固熔度相對較小，因而一定量的加入一定量的 鈷對鋁的電導率影響不大，加入鈷可以明顯細化鋁-鐵合金組織，使粗大的組織結構變成 短小的板條狀組織，能明顯起到增加抗拉強度和屈服極限，而又不會惡化延伸率，因而可以 拉製成0. 3mm或更細的單絲，可大大減少電纜在生產過程中線徑被拉細的現象，以防止在 電氣上的不對稱性。鈷可以提高鋁的耐熱性能，蠕變作用很小。3銅是Al-Cu合金中的基本強化元素，它與鋁形成θ (Al2Cu)相起固溶強化和彌散 強化作用，對於提高鋁的拉伸強度和屈服強度能起到很好的效果。4由於鋁能與鐵形成Al3Fe,析出的Al3Fe彌散粒子抑制了合金的蠕變變形，提高連 接的穩定性，而且由於添加了原子半徑比較大的鎂，鎂引起結晶格子產生畸變，引起固溶硬 化。鎂還可以起到提高鋁合金的耐腐蝕性和耐熱性能。5當0. 005 0. 1襯％的Be加入鋁基合金熔體時，引起表面上形成一層保護性氧 化鍍薄膜。這種薄膜減少浮渣，提高臺金產量與純度，並改善流動性。由於Be對氧和氮有 高度親合力，它在熔體脫氣時是高效的。這就得到表面光拮度較好，強度較高和延展性得到 改善的較純淨優質鑄件。在鑄造時，Be還有助於減少金屬與砂型起反應，並防止鎂優先氧 化，因為BeO薄膜對Mg含量很好的控制。沒有Be提供的保護，則因Mg對氧易高度反應，可 能出現大量的Mg損失，氧化鎂單獨並不形成防止或減少連續不斷的Mg損失的保護層，因而 在隨保溫時間變化的無保護加熱時造成Mg損失。6Be能使脆性Fe金屬間晶體由大的針狀形和層狀形轉變成小的等軸晶體。這就改 善強度和延展性，並允許有較高的Fe含量。Be使Al-Si共晶允許有較高的Si含量，以此提 高流動性。7Be還能改善Al-Cu-Co合金的流動性，使熔體的流動性增加，並能提高合金的抗 拉強度和屈服極限。SBe加入鋁基中，能細化晶粒，形成細小的彌散析出相，由於合金中大量的這些彌 散相，晶粒的長大也受到阻礙，因而能顯著提高再結晶溫度，延長再結晶孕育期，降低再結 晶速度。顯著提高強度和延伸性能，保證合金至少能拉製成0. 3mm的單絲，並使得合金具有 較好抗疲勞強度，保證導體線芯在反覆移動過程中不易出現開裂或斷裂的現象。
9加入Ti、Sr中的一種或兩種，百分含量至少不超過0. 05wt%，Ti在高溫澆鑄下 具有抑制鑄造缺陷和結晶細化劑的作用，Sr可防止於由於高溫澆鑄引起的鑄條開裂，獲得 細化鑄條組織，在拉細絲時不易斷線。10稀土元素是一組化學性能極其相似的17種金屬元素的通稱，是一種極活潑的 金屬元素。如果數量較少，不出現稀土相，因而作用效果不明顯，加入過大成本高且可能產 生負面作用。本發明加入0. 05-1%的重量百分含量的混合稀土，稀土主要包含鈰、鑭、鈧，實 驗證明該稀土元素能起到除雜作用，特別是矽的含量。鈰、鑭、鈧等元素均能與鋁形成共晶 型化合物(α Al-化合物)，共晶溫度大約在635-640°C之間，它們促使出生相在不大的過冷 度下能大量析出，細化了初晶。另一方面，鈰、鑭、鈧都能使鋁液表面張力降低，從而破壞相 態平衡，促使初晶快速的擴張，並細化了晶體。因而改善鋁合金的強度和提高延伸性能。由 於稀土元素能形成緻密氧化膜結構，對於提高合金的氧化性和耐電化學腐蝕起到極好的效^ ο11在本發明中，稀土元素與氫、氧、氮、矽、錳、釩、鉻等元素的親和力比鋁更大，形 成多種化合物。因而稀土是鋁合金中一種十分理想的除氣、脫氮、造渣、中和微量低熔點雜 質、改變雜質狀態的淨化劑。可以起到很好的精煉作用、使得鋁合金變得更加純淨，因而能 使導電率得到很大的提高。12稀土元素與鋁合金中不同合金元素的交互作用不同，對於與稀土元素交互作用 大的元素，如鐵、鎂、銅、鈷，稀土元素的加入將產生強烈的交互作用，減少其固溶量，增大化 合物形成的趨勢和能力。而這些高熔點的難熔金屬間化合物相強度較高，分布在鋁組織中， 起到了強化作用，提高合金的韌性和減小對導電性能的影響。13將鋁合金杆放入退火爐中，在500 550°C X 1. 5 3h下保溫處理。在高溫下 對鋁合金杆進行中間處理，退火處理是為了使鋁合金髮生恢復、再結晶過程。這不僅可以消 除合金在鑄造過程中產生的殘餘應力，改善鋁杆隨後的機械加工性能，而且可以消除鑄造、 軋制過程中造成的晶格畸變、位錯等晶體缺陷，析出鐵、鎂、銅、鈷等元素，減小在鋁中的固 熔。同時合金元素與鈹、鈦、鍶、稀土在熱處理過程中形成的彌散化合物能夠提高合金的綜 合力學性能，還能夠提高它的蠕變性能。進而提高合金導體的導電性能和力學性能。另外， 中間退火處理可以使得鋁合金在冷卻過程中收縮均勻，綜合性能較好，從而在後面的冷加 工拉絲過程中不容易斷裂。14鋁合金杆先經過大拉、中拉、微拉得到所需的單絲直徑，最後在束絞機上進行束 絞，經過這些尺寸逐漸變小的步驟，鋁合金杆將不容易斷裂，成品率更高。最後將導電線芯 放入退火爐中，在360 420°C X 10 20h下進行退火處理，自然冷卻，使得鋁合金具有更 好的強度和塑性的匹配。15鋁合金導體線芯經退火處理，其中的鐵起到提高強度和抗蠕變作用，使鋁合金 線具有較好的拉伸性能和抗蠕變性能，同時退火再結晶消除了冷拉和絞制過程中產生的內 應力和改善了合金的組織結構，使合金具有較高的導電率，且具有極佳柔韌性和彎曲性能。
具體實施例方式實施例1一種電焊機電纜用導電線芯鋁合金，該鋁合金材料包含如下成分Fe和Co中的至少一種，其總質量分數佔鋁合金總質量的0. 4 1. Owt %，例如可以選取為0. 5 %，0. 6 %， 0. 8%，0. 9%，Cu 佔 0. 1 0. 5wt%的，例如可以選取為0. 2%,0. 3%，0. 4%，Mg 佔 0. 1 0. 5wt%的，例如可以選取為0. 2%，0. 3%，0. 4%，Be佔0. 005 0. Iwt %，例如可以選 取為0. 008 %,0. 01%,0. 05%,0. 08%，稀土佔 0. 05 Iwt %，例如可以選取為 0. 09%, 0. 2%,0. 5%,0. 9%，其餘為鋁及不可避免的雜質。上述技術方案中，所述Fe和Co佔所述鋁合金質量百分含量優選為0. 6 0.8wt%。稀土元素由鈰、鑭、鈧中的一種或多種組成。該鋁合金材料還包含Ti、Sr中的一 種或兩種，總百分含量至少不超過所述鋁合金的0. 05wt%。其具體合金元素配比見表1。實施例2該導電線芯鋁合金材料包含如下成分0.4 1. Owt % 或和Co，0. 1 0. 5wt%&Cu，0. 1 0. 5wt% Mg,0. 005 0. lwt%&Be，0. 05 Iwt % 的混合稀土，其餘為 鋁及不可避免的雜質。該鋁合金材料還包含鈦、鍶中的一種或兩種，百分含量不超過0. 05wt%。鋁合金材料包含Fe、Co中的一種或兩種，含量為0. 4 1. Owt %，最優選擇為 0. 6 0. 8wt%。稀土元素由鈰、鑭、鈧中的一種或多種組成。電焊機用鋁合金導電線芯是通過以下方法製造的1)按照以上合金元素設定的範圍進行配比，在豎爐中加入純度為99. 7wt%的鋁 錠，升溫至710 760°C，例如可以選取為750°C，使其熔化，然後將溫度升至760 800°C， 例如可以選取為780°C，依次加入Fe、Co、Cu、Mg、Ti、Sr，充分攪拌均勻5min後，最後加入 Be。合金元素以鋁中間合金的形式加入。2)在760 800°C保溫20min，加入稀土元素，攪拌均勻，保溫30min，做爐前分析，
成分符合設定範圍後進行澆鑄。3)將鋁合金鑄條導入軋機製成鋁合金杆，導入軋機的溫度為450-500°C，終軋溫 度為250-330，鋁合金杆成圈。4)將鋁合金杆放入退火爐中，在500 550°C下保溫3 5h處理，例如可以在 540°C下保溫3. 5小時，可以在520°C下保溫4小時，再停止加熱，在爐中使其自然冷卻。5)鋁合金杆先經過大拉、中拉、微拉得到所需的單絲直徑，最後在束絞機上進行束 絞，6)將導電線芯放入退火爐中，在300 340°C下進行退火處理6 10h，例如可以 在330°C下保溫7小時，在310°C下保溫9小時，再自然冷卻至室溫。由此製備的合金導體線芯的性能見表2。評價試驗及其測試方法導電率利用電 橋法測量導體導電率，導體導電率達到或超過58% IACS視為合格。拉伸性能利用拉力試驗機對導體的抗拉強度及斷裂伸長率進行測試，抗拉強度 達到或超過170Mpa，斷裂伸長率達到或超過10%，則視為合格。最小單絲直徑可拉製成 0. 3mmο耐疲勞性利用在不施加拉伸載荷的反向彎曲疲勞測試儀測量通過擠包絕緣的鋁 合金電線的耐疲勞性能。在10_2的應變振幅Δ ε下超過900次的疲勞性以及在10_4的應變振幅Δ ε下超過100000次視為合格耐腐蝕性鹽水噴霧試驗條件NaCl:CuCl，50士5g/L 0. 26士0. 2g/L，PH = 3. 1-3. 3，試驗溫度50士 1°C，試驗周期96小時，腐蝕失重率小於1. 5g/m2 · hr視為合格。表1合金元素組成 表2合金導體線芯的性能對比 實施例1 8中合金元素的成分均符合專利中的要求，因而各項性能滿足要求，對 比例1和2中合金元素的成分高於或低於要求範圍，因而性能無法滿足要求，對比例3中 Fe、Co的含量低於要求範圍，因而拉伸性能不是很好，對比例4中Cu、Mg的含量低於要求， 拉伸性能不是很好，對比例5中沒有添加稀土，電性能和耐腐蝕均比較差，對比例6中沒有 添加Be，影響到耐疲勞性能，對比例7中無Ti、Sc，拉伸性能受到影響。由於本實施例未詳盡所有情況，對於本領域的技術人員來說，在本發明構思的啟 示下，你能夠從本專利公開的內容聯想出一些變形，或現有技術中常用公知技術的替代，只 要未對本專利做實質性該進而實現相同的功能和效果的均屬於本發明的保護範圍之內。
權利要求
一種電焊機電纜用導電線芯鋁合金，其特徵在於該鋁合金材料包含如下成分Fe和Co中的至少一種，其總質量分數佔鋁合金總質量的0.4～1.0wt％，Cu佔0.1～0.5wt％的，Mg佔0.1～0.5wt％的，Be佔0.005～0.1wt％，稀土佔0.05～1wt％，其餘為鋁及不可避免的雜質。
2.根據權利要求1所述的電焊機電纜用導電線芯鋁合金，其特徵在於所述Fe和Co佔 所述鋁合金質量百分含量為0. 6 0. Swt%。
3.根據權利要求1所述的電焊機電纜用導電線芯鋁合金，其特徵在於稀土元素由鈰、 鑭、鈧中的一種或多種組成。
4.根據權利要求1所述的電焊機電纜用導電線芯鋁合金，其特徵在於該鋁合金材料還 包含Ti、Sr中的一種或兩種，總百分含量至少不超過所述鋁合金的0. 05wt%。
5.一種根據權利要求1所述的電焊機電纜用導電線芯鋁合金的製造方法，其特徵在於 包括以下步驟1)在豎爐中加入純度為99.7wt %的鋁錠，升溫使其熔化，然後將溫度升至760 800°C，依次加入Fe和Co中的一種或兩種，以及Cu、Mg、Be、Ti、Sr，其中上述合金元素以其 與鋁的中間合金的形式加入，再加入稀土元素，調節成分符合設定範圍後進行澆鑄；2)將鋁合金鑄條導入軋機製成鋁合金杆，導入軋機的溫度為450-500°C，終軋溫度為 250-330，鋁合金杆成圈；3)將鋁合金杆放入退火爐中，在500 550°C下保溫處理3 5h，停止加熱，在爐中使 其自然冷卻；4)鋁合金杆先經過大拉、中拉、微拉得到所需的單絲直徑，最後在束絞機上進行束絞；5)將導電線芯放入退火爐中，在360 420°C下進行退火處理10 20h，自然冷卻至室
6.根據權利要求1所述的一種電焊機電纜用導電線芯鋁合金的製造方法，其特徵在於 在依次加入Al、Fe、Co、Cu、Mg、Be、Ti、Sr以及稀土後，採用電動攪拌裝置攪拌，使攪拌充分 均分。
7.根據權利要求6所述的一種電焊機電纜用導電線芯鋁合金的製造方法，其特徵在於 將鋁合金杆放入退火爐中，在500 550°C下保溫處理3 5h，停止加熱，在爐中使其自然 冷卻。
8.根據權利要求6所述的一種電焊機電纜用導電線芯鋁合金的製造方法，其特徵在於 將所述導電線芯放入退火爐中，在360 420°C下進行退火處理10 20h，再自然冷卻至室
全文摘要
本發明公開一種電焊機電纜用導電線芯鋁合金及其製造方法，該導電線芯採用鋁合金材料，鋁合金包含如下成分0.4～1.0wt％的Fe或Co，0.1～0.5wt％的Cu，0.1～0.5wt％的Mg，0.005～0.1wt％的Be，0.05～1wt％的稀土。該合金通過熔煉、鑄條、軋制、中間退火、拉制、束絞、退火，獲得鋁合金線束，該鋁合金線芯具有較好的導電率、抗疲勞性能、柔軟性、彎曲性能和耐腐蝕性能，適用於電焊機電纜導電線芯。
文檔編號C22C21/00GK101921932SQ20101025984
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月20日 優先權日2010年8月20日
發明者林澤民 申請人:安徽欣意電纜有限公司