一種中高強度鋁合金導線材料及其製備方法與流程

2024-02-19 07:47:15

本發明屬於輸電設備技術領域，尤其涉及鋁合金導線及其生產工藝，具體涉及一種中高強度鋁合金導線材料及其製備方法。

背景技術：

近年來，鋁合金作為導線材料越來越受到大量廣泛的使用，研究鋁合金導體材料也越來越受到國內外的重視。輸電用材質常用的是銅，與鋁相比，銅具有高的強度，好的導電性，而鋁的強度約為銅的39%，導電率約為銅的64%，但是鋁的密度比銅小，同體積下鋁的重量僅為銅的30%，比強度較銅高，同等重量的導電性也比銅高，並且鋁的價格比銅相對要低廉的多，因此，使用鋁及鋁合金作為導體材料可以大大節省成本，節約資源。

20世紀50~60年代，法國、美國、日本和比利時等國家對鋁合金導線進行了大量的實驗，認為鋁合金導體具有良好的導電性能、焊接性能、耐蝕性能、導電容量大、抗拉強度高、質量輕、弧垂特性好等一系列優點，常常被用作架空大跨越鋼芯鋁合金絞線（AACSR）或鋁合金絞線（AAAC）中的輸電導線。當前，在國外，目前正在廣泛應用的一種就叫做全鋁合金鋁導線AAAC的導線材料。日本輸電線路50%以上的導線已開始使用AAAC，法國更高達80%以上。在國外幾十年的使用過程中，也驗證了這種鋁合金導線材料的安全可靠性，電學及力學性能。

但是，目前我國還沒有很好的解決鋁合金導體材料在使用過程中的問題，特別是鋁合金導體材料機械性能與導電性能之間的矛盾一直以來沒有得到很好地解決，我國目前使用的鋁合金導體材料很多都是依靠進口。一直以來國外對於鋁合金導線材料的製備及加工工藝對我國都是採取技術封鎖，到目前為止，我們尚未研製出與國外性能相當的鋁合金導線材料。一方面是由於鋁合金導線材料的合金成分配方不能很好地確定，另一方面是與之成分相對應的加工工藝也未能掌握。

因此，我們嘗試採用多種微量元素複合合金化手段，進行成分優化，以此來提高鋁合金材料的強度和導電性能。通過優化合金元素種類和含量，採用科學的熔煉、鑄造與熱處理工藝，使多種合金能充分融入鋁合金中並相互作用，同時控制合金元素的存在形態和鋁合金的組織結構，使鋁合金在具有優良機械性能的同時，具有良好的導電性能，進一步提高全鋁合金導線在輸電領域的地位與應用，創造更大的社會價值。

技術實現要素：

針對現有產品無法滿足市場迫切需要的問題，本發明提供一種中高強度鋁合金導線材料及其製備方法，通過加入多種微量的合金元素來提高鋁合金導線材料的強度並保持其具有高的導電性，並提供一種加工工藝使最終產品的強度>240Mpa，伸長率>8%，導電率>57%IACS。本發明的技術方案是：

一種中高強度鋁合金導線材料，由0.05~0.4wt%Si，0.035~0.1wt%Er，0.05~0.11wt%Ni，0.06~0.18wt%Se，0.15~0.3Zrwt%，餘量為Al的元素成分組成，且滿足：

Er：Ni原子比為2.0~2.5：1，

Zr：Se原子比為2.0~3.0：1，

質量百分量滿足：2Ni+2Er+3Se=Zr+2Si。

本鋁合金導線材料在室溫下的維氏硬度不小於80HV，室溫抗拉強度不小於240Mpa，伸長率不小於8%，導電率不小於57%IACS。

製備本發明所述的一種中高強度鋁合金導線材料的方法，按照如下步驟進行製備：

步驟1：將20.00Kg工業用鋁、0.50 ~2.00kg的Al-Si中間合金、0.111~0.330Kg 的Al2(SeO3)3粉末均勻混合後加熱，直至充分熔化，得到一次合金化鋁合金熔體。

步驟2：將20.00Kg工業用鋁、0.350~1.000Kg的Al-Er中間合金均勻混合後加熱，直至充分熔化，得到二次合金化鋁合金熔體。

步驟3：將20.00Kg工業用鋁、0.50~1.10Kg的Al-Ni中間合金均勻混合後加熱，直至充分熔化，得到三次合金化鋁合金熔體。

步驟4：將步驟2得到的二次合金化鋁合金熔體，加入步驟3得到的三次合金化鋁合金熔體中，加熱並攪拌，得到四次合金化鋁合金熔體。

步驟5：將20.00~36.00Kg工業用鋁、1.50~3.00Kg的Al-Zr中間合金均勻混合後加熱，直至充分熔化，得到五次合金化鋁合金熔體。

步驟6：將步驟4得到的四次合金化鋁合金熔體，加入步驟5得到的五次合金化鋁合金熔體中，加熱爐體並攪拌，得到六次合金化鋁合金熔體。

步驟7：將步驟6得到的六次合金化鋁合金熔體，加入步驟1得到的一次合金化鋁合金熔體中，加熱並攪拌，得到七次合金化鋁合金熔體。

步驟8：向步驟7得到的七次合金化鋁合金熔體加入1.50~3.00kg Al-Zr中間合金均勻混合後，加熱並攪拌，得到變質的合金化鋁合金熔體。

步驟9：變質的合金化鋁合金熔體進行攪拌和保溫。隨後，加入六氯乙烷精煉劑進行精煉並除渣，得到精煉後鋁合金熔體。

步驟10：將步驟9所得的精煉後鋁合金熔體在710℃保溫靜置30min後，緩慢倒入圓柱形模具型腔中，空冷後得到圓柱形鋁合金鑄錠。

步驟11：將步驟10所得的圓柱形鋁合金鑄錠進行退火處理，隨後置於空氣中自然冷卻，得到退火鑄錠。

步驟12：將步驟11所得的退火鋁合金鑄錠進行表面切削處理，得到鋁合金鑄錠。

步驟13：將步驟12所得的鋁合金鑄錠進行熱擠壓，得到鋁合金圓杆。

步驟14：將步驟13所得的鋁合金圓杆進行固溶處理和淬火處理，得到一次固溶圓杆。

步驟15：將步驟14所得的一次固溶圓杆，進行時效處理和淬火處理，得到一次時效圓杆。

步驟16：將步驟15所得的一次時效圓杆進行固溶處理和淬火處理，得到二次固溶圓杆。

步驟17：將步驟16所得的二次固溶圓杆，進行時效處理並置於空氣中自然冷卻，得到成品。

有益的技術效果

本發明提供一組鋁合金導線材料的合金成分配方，能夠兼顧鋁合金導體材料機械性能與導電性能，從而較好的解決鋁合金導體材料在使用過程中的問題，打破國外在鋁合金導線材料的製備及加工工藝方面對我國的技術封鎖，減少我國對進口鋁合金導體材料的依靠

本發明還提供一套與上述成分相對應的加工工藝，該工藝不僅僅通過實驗室的實驗與論證，還在廠礦進行了多批次的小試與中試。該工藝路線儘可能利用廠礦現有的設備，無需添加額外的設備，對廠礦升級設備的要求低，具有較好的推廣與應用價值。

從產物的性能上來說：本產物在20℃的導電率為57.5%IACS~58.5%IACS之間。維氏硬度在80~110HV之間。抗拉強度在240~330MPa之間。拉重比在7.52~8.67km之間。強度與導電率兼顧。

從製備產物的工藝過程上說，本發明具有如下優點：

（1）本發明通過添加對鋁合金有益的稀土Er、Zr、Ni、Se及適量的Si元素，在提高合金強度的同時，未顯著降低合金的導電率。

（2）本發明充分考慮到熔煉工藝與元素充分合金化的匹配要求。本發明針對每種合金元素的熔煉採取不同的熔煉溫度，不但確保每種元素都能充分融入，更要求實現複合合金化。

（3）本發明提供一組熱處理工藝措施，以控制合金元素的存在形態和鋁合金的組織結構，使各合金元素的作用能充分發揮出來。本發明採用兩次固溶加時效的手段，使合金中的時效相充分析出，以達到高的強度和導電率。

具體實施方式

現進一步說明本發明的技術細節與優點：

一種中高強度鋁合金導線材料，由0.05~0.4wt%Si，0.035~0.1wt%Er，0.05~0.11wt%Ni，0.06~0.18wt%Se，0.15~0.3Zrwt%，餘量為Al的元素成分組成，且滿足：

Er：Ni原子比為2.0~2.5：1，

Zr：Se原子比為2.0~3.0：1，

質量百分量滿足：2Ni+2Er+3Se=Zr+2Si。

本鋁合金導線材料在室溫下的維氏硬度不小於80HV，室溫抗拉強度不小於240Mpa，伸長率不小於8%，導電率不小於57%IACS。

進一步說，本產物在本產物在20℃的導電率為57.5%IACS~58.5%IACS之間，

維氏硬度在80~110HV之間，抗拉強度在240~330MPa之間，拉重比在7.52~8.67km之間。