一種用於製造輸電線路架空導線的高韌性高導電率的耐熱鋁合金材料的製作方法
2023-05-22 13:04:16 2
一種用於製造輸電線路架空導線的高韌性高導電率的耐熱鋁合金材料的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種含鹼土的高導電率耐熱的鋁合金材料，屬於電力行業輸電線路架空導線【技術領域】。本發明提供的鋁合金材料由鋯0.03～0.2％，鈹：0.001～0.1％，釔：0～0.15％，硼：0.01～0.25％，餘量為鋁和不可避免的雜質組成，製得的鋁合金材料的導電率≥61％IACS(20℃)，耐熱溫度≥150℃(230℃條件下保溫1小時剩餘強度>90％)，延伸率≥3％，可廣泛用於製造輸電線路架空導線。
【專利說明】一種用於製造輸電線路架空導線的高韌性高導電率的耐熱f呂合金材料
【【技術領域】】
[0001 ] 本發明涉及一種電力行業輸電線路架空導線，具體講涉及一種用於製造輸電線路架空導線的高韌性高導電率的耐熱鋁合金材料。
【【背景技術】】
[0002]上世紀20年代，已將鋁合金導線應用於高壓輸電線路，從20世紀50年代開始，鋁合金導線已被廣泛採用，一些地方輸電線路50%以上採用鋁合金導線，有的地方高達80%以上。由於鋁合金導線的技術性能優越，運行效果良好，特別是在超高壓線路和大跨越線路上使用效果更好，因而逐漸被世界各國廣泛採用。
[0003]由於覆冰、一定風速等均會使架空導線發生振動、甚至舞動，由此產生的可能的微動磨損行為將對鋁合金材料造成損傷。在製備過程及服役條件下的鋁合金不可避免地會存在著小裂紋或者是類似的各種缺陷，這就要求鋁合金不但要有較高的能夠抵抗材料變形的強度，也要有較好的韌性能夠抵抗微小裂紋的擴展，所以鋁合金強度的高低和韌性的好壞決定了使用壽命的長短。耐熱鋁合金導線在服役過程中容易受到自然界各種外力的影響，因此要求提高耐熱鋁合金導線的耐熱性使其在工作條件下具有較高的強度和較好的韌性，以提高抵抗變形和阻止微小裂紋擴展的能力，降低導線的弧垂和延長使用壽命。
[0004]基於以上研究及應用背景，亟需研發高韌性高導電耐熱鋁合金導線以適應電力行業發展需要，本發明採 用微合金化，控制多種合金元素含量，並採用Be改性，製造具有導電率為61% IACS的耐熱鋁合金單絲，通過以鹼土金屬代替部分稀土來降低成本，為製備高韌性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、降低輸電線路損耗及抗自然災害能力的目的，從而滿足大容量、長距離輸電線路及城市擴容改造的建設需求。
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【發明內容】
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[0005]電力行業中應用於輸電線路架空導線對線路安全、節能降耗、節約走廊、性價比提出了更高的要求，本發明針對上述需求，提供了一種應用於輸電線路架空導線中的高韌性高導電率耐熱鋁合金材料，實現了延伸率及導電率提高的前提下不降低其耐熱特性技術突破。主要採用控制多元合金含量，生產出具有61% IACS (20°C)導電率，耐熱溫度≥150°C,延伸率≥3.0 %的耐熱鋁合金材料。
[0006]為實現上述目的的，本發明採用以下技術措施:
[0007]本發明提供了一種高韌性高導電率的耐熱鋁合金材料，包括鋯0.03~0.2%，鈹:0.001~0.1%，硼:0.01~0.25%，餘為鋁的含量和不可避免的微量雜質。
[0008]本發明提供的高韌性高導電率耐熱鋁合金材料，其中，鋁合金材料包括鋯0.05~0.2%，鈹:0.002~0.1%，硼:0.02~0.25%，餘為鋁的含量和不可避免的微量雜質組成。
[0009]本發明提供的聞朝性聞導電率耐熱招合金材料，其中，招合金材料含有乾:001~0.15%。
[0010]本發明提供的高韌性高導電率耐熱鋁合金材料，其中，鋁合金材料由鋯0.09~
0.2%，鈹:0.005~0.1%，釔:0.01~0.15%，硼:0.04~0.25%，餘為鋁的含量和不可避
免的微量雜質組成。
[0011]本發明還提供了一種製備高韌性高導電率耐熱鋁合金材料方法，包括下述步驟:
[0012]I)將除Be和Zr外的其餘元素加入熔化的純鋁錠中後加熱至650°C~740°C時加入Be和Zr ；
[0013]2)對步驟I)得到的鋁液進行除氫、除渣、精煉，在720~740°C下，攪拌35~40分鐘；
[0014]3)將步驟2)得到的鋁液進行澆鑄、擠壓後進行拉絲，得到鋁合金單絲。
[0015]其中步驟I)中Be和Zr為中間合金體Be-Al和Zr-Al ;步驟I)中在670°C~700°C時加入Be-Al中間合金後在740°C加入Zr-Al中間合金。
[0016]本發明提供的鋁合金材料的導電率≥61% IACS(20°C)，耐熱溫度≥150°C (230°C條件下保溫I小時剩餘強度>90% )，延伸率≥3%。
[0017]本發明提供的的高韌性高導電率耐熱鋁合金材料用於製造輸電線路架空導線領域中。
[0018]本發明中採用的各合金元素的作用及機理如下:
[0019]Zr:鋁合金的耐熱機理與一般金屬的耐熱機理類似，要提高導電鋁合金的耐熱性能就要設法防止合金畸變能的減少，使其機械性能不至於因溫度升高而受到損失。適量鋯的加入能明顯改善鋁合金的耐熱性能，這主要是由於，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A13Zr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。
[0020]Be:由於Be對氧和氮具有很大親和力，可以對鋁合金起到除氣淨化的作用。Be能有效地提高耐熱鋁合金再結晶溫度，降低再結晶速度，明顯提高鋁合金耐熱性能。Be可以和Fe元素反應生成細小彌散的化合物，一方面由於Al中的Fe被置換出來，使Fe以析出相的形式而不是固溶的形式存在，將顯著改善鋁合金的導電性能，降低電阻率；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。
[0021]Y:Y在鋁合金中形成第二相，含釔相主要富集在晶界處，起到阻礙晶粒長大的作用。這些第二相高熔點化合物在高溫下具有較高的熱穩定性，加工及熱處理前後形態基本不變，並以不連續的網狀沿晶界分布，這種網狀分布提高了高溫下晶界抵抗滑移和蠕變的能力，從而提高合金的再結晶溫度。但Y含量超過0.20%後，含Y化合物聚集長大成塊狀，對基體的割裂作用增 強，使合金的力學性能下降；且阻礙晶界運動的作用減弱，高溫性能下降。在鋁合金中加入少量的釔，能細化合金的二次枝晶組織，減小共晶化合物尺寸。當釔較多時，細化作用趨於平緩。因此O~0.15%範圍內不同Y加入量可使鋁合金的電導率增加幅度明顯。
[0022]B:硼元素會使Al-Fe 二元合金中Fe在Al中的固溶度降低，硼化處理可以消除或減少過渡族T1、V、Cr、Mn等微量雜質元素對鋁合金導體材料電學性能和機械性能的影響，即硼元素能以這些過渡族微量雜質元素反應生成不溶解的硼化物，使其由固溶態轉變為化合態析出沉積於底部，進而以爐渣的形式被清除掉。
[0023]其工藝特點在於:先進行冶煉，當純鋁錠完全熔化後依次放入各合金元素，其中在670°C~700°C時加入Be-Al中間合金、在740°C加入Zr-Al中間合金。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720~740°C，保持35~40分鐘。對圓柱形低碳鋼模具進行加熱，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220°C保溫30分鐘，然後進行鋁液澆鑄，澆鑄成Φ80，長IOOmm的圓鋁杆。採用熱擠壓的方式將其擠成ΦΙΟmm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15%左右，最終獲得3.0mm左右的單絲。
[0024]本發明由於添加了 Be，提高了耐熱鋁合金的延伸率、耐熱性及導電率；而且部分取代了目前常規添加的昂貴稀土元素，不僅節約成本，由此出的電線電纜導體可以增大韌性(延伸率≥3% )和提高導電率(61% IACS，20°C )。
【【具體實施方式】】
[0025]所有實施方式都是採用現有的冶煉及軋制設備，按照前面所敘述的步驟進行:
[0026]實施例1
[0027]—種高導電率耐熱鋁合金材料，組分及其重量百分比為:
[0028]
【權利要求】
1.一種高韌性高導電率耐熱鋁合金材料，其特徵在於:所述鋁合金材料包含按質量百分比計的下述組分: 鋯0.03~0.2%，鈹:0.0Ol~0.1 %，硼:0.01~0.25%，餘為鋁的含量和不可避免的雜質。
2.根據權利要求1所述的高韌性高導電率耐熱鋁合金材料，其特徵在於:所述鋁合金材料包含鋯0.05~0.2%，鈹:0.002~0.1%，硼:0.02~0.25%，餘為鋁的含量和不可避免的微量雜質組成。
3.根據權利要求1所述的高韌性高導電率耐熱鋁合金材料，其特徵在於:所述鋁合金材料含有釔:001~0.15%。
4.根據權利要求3所述的高韌性高導電率耐熱鋁合金材料，其特徵在於:所述鋁合金材料由鋯 0.09 ~0.2%，鈹:(λ 005 ~0.1%，釔:0.01 ~0.15%，硼:0.04 ~0.25%，餘為鋁的含量和不可避免的微量雜質組成。
5.根據權利要求1所述的高韌性高導電率耐熱鋁合金材料，其特徵在於:所述鋁合金材料的導電率≥61% IACS，耐熱溫度≥150°C，230°C條件下保溫I小時剩餘強度>90%，延伸率≥3%。
6.一種製備如權利要求1所述的高韌性高導電率耐熱鋁合金材料方法，包括下述步驟: 1)將權利要求1所述的除Be和Zr外其他元素加入鋁錠熔化後的物料中，於650°C~740°C下加入Be和Zr ； 2)720~740°C下，攪拌35~40分鐘對步驟I)得到的鋁液進行除氫、除渣、精煉； 3)將步驟2)得到的鋁液進行澆鑄、擠壓後進行拉絲，得到鋁合金單絲。
7.根據權利要求6所述的製備方法，其特徵在於:所述步驟I)中Be和Zr為中間合金體 Be-Al 和 Zr-Al。
8.根據權利要求6所述的製備方法，其特徵在於:所述步驟I)中於670°C~700°C下加入Be-Al中間合金，740°C下加入Zr-Al中間合金。 根據權利要求4所述的高韌性高導電率耐熱鋁合金材料，其特徵在於:所述鋁合金材料的導電率≥61% IACS，耐熱溫度≥150°C，230°C條件下保溫I小時剩餘強度>90%，延伸率≥3%。
【文檔編號】C22C1/03GK103952600SQ201410178118
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月30日 優先權日:2014年4月30日
【發明者】韓鈺, 陳新, 祝志祥, 陳保安 申請人:國家電網公司, 國網智能電網研究院, 國網河南省電力公司