鋁合金導體線芯及其製造方法與流程

2023-05-14 23:40:21

本發明涉及一種鋁合金導體線芯及其製造方法。具體而言，本發明涉及一種抗拉強度等機械強度優秀，同時與所述強度存在相互衝突關係(trade-off)的伸長率、以及電導率優秀的鋁合金導體線芯及其製造方法。

背景技術：

與銅(copper)導體線芯以及銅合金導體線芯相比，鋁合金導體線芯具有質輕價廉，容易鑄造，容易與其它金屬形成合金，容易在常溫及高溫下進行加工，大氣中的耐蝕性和耐久性優秀等優點，因此廣泛用作架空輸電線、地下輸電線、高樓用電纜等的導體。

只是，純粹的鋁合金導體線芯雖然具有優秀的伸長率、電導率等特性，但是抗拉強度等機械強度不足，特別是，當用作振動嚴重的環境下使用的電纜，如在汽車、航空飛機、原動機等中使用的電纜等的導體時，有必要提高決定耐振動性的機械強度。

因此，目前公知的技術將鋁(Al)與鐵(Fe)、銅(Cu)、鎂(Mg)、鋯(Zr)、鈹(Be)等合金元素形成合金，以此提高鋁合金導體線芯的機械強度。

然而，為了達到想要的機械強度，目前的鋁合金導體線芯需要添加過量的合金元素，從而導致與所述機械強度存在相互衝突關係的伸長率以及電導率等大幅下降，或者製造時需要較高的熱處理溫度，或需要進行長時間的熱處理，進而由於添加環境管控物質鈹(Be)，引發環境問題並且提高生產成本。

此外，當為了避免鋁合金導體線芯的伸長率、電導率等大幅下降而只添加少量的合金元素時，鋁合金導體線芯的機械強度的提升程度不夠，或者製造工藝變得複雜，如為了提高所述鋁合金導體線芯的機械強度而需要增加晶粒微細化工序等。

在這種情況下，當前電纜行業中為了用鋁合金導體線芯來替代銅導體線芯以及銅合金導體線芯，正在積極地進行研究，以期同時提高抗拉強度等機械強度以及與此存在相互衝突關係的伸長率和電導率等，然而，尚未確立鋁合金導體線芯的最佳合金元素組合以及工藝條件，特別是，鋁合金導體線芯的裸線徑越小，抗拉強度就越高，但是伸長率以及電導率反而越低，因此對於直徑為0.15至0.5mm的細導體線芯，極難找出最佳的合金元素組合，技術進步方面存在不少困難。

技術實現要素：

所要解決的技術問題

本發明的目的在於，提供一種在直徑小的情況下也具有優秀的抗拉強度等機械強度，同時與此存在相互衝突關係的伸長率和電導率等優秀的鋁合金導體線芯。

此外，本發明的目的在於，提供一種環保並且能夠節約生產成本的鋁合金導體線芯。

進而，本發明的另一目的在於，提供一種製造工藝簡單，從而節約製造成本的所述鋁合金導體線芯的製造方法。

解決技術問題的方案

為了解決上述的技術問題，本發明提供一種鋁合金導體線芯，其特徵在於，由鋁合金組合物形成，所述鋁合金組合物包含0.3至0.6重量％的鐵(Fe)、0.3至0.5重量％的銅(Cu)、0.001至0.01重量％的硼(B)以及0.01至0.03重量％的鈦(Ti)，餘量由鋁(Al)以及不可避免的雜質構成，以任意析出物為基準，分布在單位半徑(50μm)以內的析出物之間的距離平均值，即析出物間平均距離為2至15μm，平均直徑為0.15至0.5mm。

其中，所述硼(B)以及所述鈦(Ti)以Al-Ti-B金屬間化合物的形式存在。

此外，所述析出物包括Al-Fe金屬間化合物、Al-Cu金屬間化合物以及Al-Ti-B金屬間化合物。

另一方面，晶粒平均粒徑為50μm以下。

並且，抗拉強度為140MPa以上，伸長率為15％以上，電導率為59％IACS以上。

此外，所述不可避免的雜質可以包括釩(V)、鉻(Cr)以及鎳(Ni)，每一種不可避免的雜質的含量分別為0.01重量％以下，不可避免的雜質的總含量為0.1重量％以下。

另一方面，提供一種鋁合金導體線芯的製造方法，其包括如下步驟：製造鋁合金組合物，所述鋁合金組合物包含鐵(Fe)以及銅(Cu)，餘量由鋁以及不可避免的雜質構成；在對所述鋁合金組合物進行鑄造之前添加Al-Ti-B合金；對所述鋁合金組合物進行連鑄連軋，以製造鋁合金線材；對所述鋁合金線材進行拉拔；對經過拉拔工序的所述鋁合金線材進行熱處理。

其中，在添加所述Al-Ti-B合金之前，對所述鋁合金組合物進行除氣以及異物過濾。

此外，所述被進行連鑄連軋的鋁合金組合物的溫度為730至900℃。

進而，所述熱處理在260至360℃溫度下進行2至12小時，熱處理後的晶粒平均粒徑為50μm以下。

有益效果

本發明涉及的鋁合金導體線芯，通過特定的合金元素的選擇以及配合比的精密控制，在直徑小的情況下也能夠同時提高抗拉強度等機械強度以及與此存在相互衝突關係的伸長率和電導率等。

本發明涉及的鋁合金導體線芯不使用引發環境問題的合金元素，因此環保，同時不含過量的合金元素，因此能夠節約生產成本。

本發明涉及的鋁合金導體線芯的製造方法無需進行額外的晶粒微細化工序，因此製造工藝簡單，從而節約生產成本，同時通過精密地控制工藝條件，能夠均勻地提高所製造的鋁合金導體線芯的特性。

附圖說明

圖1是本發明涉及的鋁合金導體線芯的製造工藝的流程圖。

圖2示出了本發明涉及的實施例1的鋁合金導體線芯的SEM照片以及比較例5的鋁合金導體線芯的SEM照片。

圖3標出了本發明涉及的實施例1的鋁合金導體線芯的SEM照片以及比較例5的鋁合金導體線芯的SEM照片中的析出物間距離。

具體實施方式

下面，將詳細說明本發明的優選實施例。但是，本發明並不限定於在此說明的實施例，而是可以以其它形式具體化。在此介紹的實施例的提供目的在於，使公開的內容能夠變得徹底並且完整，且將本發明的思想充分地傳達給本領域的技術人員。

形成本發明涉及的合金導體材料的鋁合金組合物包含主要成分鋁(Al)，進一步包含合金元素鐵(Fe)、銅(Cu)、硼(B)以及鈦(Ti)。所述鋁合金導體線芯是平均直徑為0.15至0.5mm的細線，對於這種細的鋁合金導體線芯，極難同時提高抗拉強度等機械強度以及與此存在相互衝突關係的伸長率和電導率等，即便如此，也能夠通過晶粒微細化來實現，而晶粒微細化是通過控制以下記載的合金元素的最佳配合比、形成晶粒的析出物之間的距離來實現。

所述合金元素中的鐵(Fe)在基體(matrix)內以Al-Fe金屬間化合物的形式存在。特別是，所述Al-Fe金屬間化合物在所述鋁合金導體線芯製造工藝中的熱處理步驟中被大部分析出，抑制晶粒的生長，從而發揮提高抗拉強度等機械強度的作用。

其中，以所述鋁合金組合物的總重量為基準，所述鐵(Fe)的含量可以是0.3至0.6重量％。當所述鐵(Fe)的含量少於0.3重量％時，所述鋁合金導體線芯的機械強度提升程度有可能不夠，相反，當超過0.6重量％時，有可能使Al-Fe金屬間化合物變得粗大，從而降低鋁合金組合物的可擠壓性，並且大幅降低鋁合金導體線芯的伸長率、電導率等。

此外，所述合金元素中的銅(Cu)固溶於鋁(Al)中，提高鋁合金的腐蝕電位，從而提高鋁合金的耐蝕性，並且與鐵(Fe)一樣在基體(matrix)內以Al-Cu金屬間化合物的形式存在，並在熱處理步驟中被析出而抑制晶粒的生長，從而發揮提高抗拉強度等機械強度的作用。

其中，以所述鋁合金組合物的總重量為基準，所述銅(Cu)的含量可以是0.3至0.5重量％。當所述銅(Cu)的含量少於0.3重量％時，所述鋁合金導體線芯的機械強度提升程度有可能不夠，相反，當超過0.5重量％時，有可能使金屬間化合物變得粗大，從而降低鋁合金組合物的可擠壓性，並且大幅降低鋁合金導體線芯的伸長率、電導率等。

所述合金元素中的硼(B)在鋁合金導體線芯製造工藝中的熱處理步驟中促進金屬間化合物的析出，抑制晶粒的粗大化，從而發揮提高所述鋁合金導體線芯的強度並且抑制電導率下降的作用。

其中，以所述鋁合金組合物的總重量為基準，所述硼(B)的含量可以是0.001至0.01重量％。當所述硼(B)的含量少於0.001重量％時，所述鋁合金導體線芯的機械強度提升程度有可能不夠，相反，當超過0.01重量％時，有可能生成金屬間化合物，使得鋁合金導體線芯的電導率大幅下降。

所述合金元素中的鈦(Ti)的熔點為1800℃，高於其它合金元素鐵(Fe)的熔點1540℃、銅(Cu)的熔點1084.5℃，因此以Al-Ti-B合金棒(rod)等形式添加，並作為Al-Ti形式的析出物均勻地存在於鋁合金內，從而進一步縮小決定鋁合金晶粒大小的析出物間平均距離，結果通過晶粒微細化發揮進一步提高所述鋁合金導體線芯的強度的作用。

所述析出物間平均距離下的析出物不僅包括Al-Ti金屬間化合物，也包括Al-Fe金屬間化合物、Al-Cu金屬間化合物等，並且通過添加鈦(Ti)而縮小的析出物間平均距離，即以任意的析出物為基準分布在單位半徑(50μm)內的析出物之間的距離平均值優選為2至15μm，更優選為2至5.5μm，通過如此減小析出物間平均距離，使析出物發揮屏障(barrier)作用，從而能夠抑制晶粒的生長。即，鈦(Ti)發揮晶粒微細化工具的作用，縮小析出物間平均距離，因此能夠將晶粒平均粒徑控制在約50μm以下，優選控制在約10至40μm。

此外，添加鈦(Ti)的鋁合金能夠實現如之前所述的基於Al-Ti金屬間化合物的晶粒微細化，因此即便在為了提高鋁合金的伸長率而在更高的溫度下或者更長的時間內進行熱處理的情況下，抗拉強度的下降程度也遠低於未添加鈦(Ti)的鋁合金，因此與未添加鈦(Ti)而具有相同抗拉強度的鋁合金的伸長率相比，能夠具有大幅提高的伸長率。

其中，以所述鋁合金組合物的總重量為基準，所述鈦(Ti)的含量可以是0.01至0.03重量％。當所述鈦(Ti)的含量少於0.01重量％時，有可能難以發揮所述鋁合金導體線芯的晶粒微細化效果，相反，當超過0.03重量％時，由於向鋁合金添加太多的雜質，有可能生成粗大的金屬間化合物，從而降低所述鋁合金組合物的可擠壓性、所述鋁合金導體線芯的抗拉強度以及電導率。

所述鋁合金組合物除了包含主要成分鋁(Al)以及合金元素鐵(Fe)、銅(Cu)、硼(B)、鈦(Ti)之外，可以包含製造工藝中不可避免地添加的雜質，例如釩(V)、鉻(Cr)、鎳(Ni)等。例如，每一種所述不可避免的雜質的含量可以分別在0.01％重量％以下，所述不可避免的雜質的總含量可以在0.1％重量％以下。

由所述鋁合金組合物製造的鋁合金導體線芯，通過作為合金元素添加的鐵(Fe)、銅(Cu)以及鈦(Ti)所實現的微細析出物的均勻分布，即基於析出物間距離的縮小的晶粒微細化、以及由硼(B)來實現的Al-Fe、Al-Cu等金屬間化合物的析出促進所帶來的進一步的晶粒微細化，表現出140MPa以上的抗拉強度，並且通過所述晶粒微細化，在使抗拉強度的下降最小化的情況下能夠在高溫下進行長時間的熱處理，因此能夠同時達到伸長率提高15％以上，電導率提高至59％IACS以上的卓越效果。

圖1是本發明涉及的鋁合金導體線芯的製造工藝的流程圖。

如圖1所示，本發明涉及的鋁合金導體線芯的製造方法可以包括如下的a)至e)步驟。

a)步驟(S110)：製造鋁合金組合物(熔融金屬)，其包含0.3至0.6重量％的鐵(Fe)以及0.3至0.5重量％的銅(Cu)，餘量由鋁以及不可避免的雜質構成；

b)步驟(S120)：在對所述鋁合金組合物進行鑄造之前添加Al-Ti-B合金，以製造進一步包含0.001至0.01重量％的硼(B)以及0.01至0.03重量％的鈦(Ti)的鋁合金組合物；

c)步驟(S130)：對所述鋁合金組合物進行連鑄連軋，以製造鋁合金線材；

d)步驟(S140)：對所述鋁合金線材進行拉拔；以及

e)步驟(S150)：在260至360℃溫度範圍內，對經過拉拔工序的所述鋁合金線材進行2至12小時的熱處理。

特別是，本發明涉及的鋁合金導體線芯的製造方法可以進一步包括鋁合金組合物的除氣以及異物過濾步驟，該步驟在a)步驟(S110)之後進行。其中，所述除氣以及異物過濾步驟優選在a)步驟(S110)與b)步驟(S120)之間進行。這是因為，當在b)步驟之後進行所述除氣以及異物過濾步驟時，Al-Ti金屬間化合物有可能與氣體一同脫離。

如之前所述，在b)步驟中添加的Al-Ti-B合金的析出物在基體(matrix)內均勻地分布，從而縮小決定晶粒大小的析出物間距離，結果通過晶粒微細化能夠提高鋁合金的抗拉強度等機械強度。

由此，本發明涉及的鋁合金導體線芯的製造方法無需進行額外的晶粒微細化工序，因此製造工藝簡單，從而能夠節約製造成本。

另一方面，在所述c)步驟(S130)中用於進行所述連鑄連軋的所述鋁合金組合物的溫度優選為730至900℃。如此限定用於進行所述連鑄連軋的組合物的注入溫度的目的在於，得到金屬間化合物固溶體，即具有緻密微觀組織的鑄件。

在此，當所述鋁合金組合物的注入溫度超過900℃時，有可能發生鑄件的微觀組織變粗大的問題，相反，當低於730℃時，所述組合物的流動性有可能不足，從而發生無法緻密地填滿鑄模空間的澆不足(misrun)現象。其中，可以用連鑄(continuous casting)技術來替代所述連鑄連軋技術。

在所述c)步驟(S130)中製造的鋁合金線材的被鑄造成直徑優選為約10mm的大小，以便適用於車用電纜，但是根據本發明涉及的鋁合金導體線芯的用途，普通技術人員可以適當地選擇所鑄造的鋁合金線材的直徑。

在d)步驟(S140)即拉拔工序中，對所鑄造的鋁合金線材進行加工，縮小其截面，從而製造規定規格的合金線材。例如，所述d)步驟(S140)可以包括：粗拉工序，將在c)步驟(S130)中製造的鋁合金線材製成平均直徑約為2mm的線材；以及細拉工序，將前述線材進一步製成平均直徑約為0.15至0.5mm的線材。

在d)步驟(S140)中進行拉拔的鋁合金線材是單股線或是絞合線，在e)步驟(S150)即熱處理工序中對其進行熱處理。鋁合金線材通過所述熱處理增加內部應力之後基於應力消除進行恢復，由此提高伸長率。只是，當熱處理溫度過高或熱處理時間過於拖長時，有可能因晶粒粗大化而大幅降低抗拉強度。因此，最有效率的是，在通過熱處理最大限度地提高鋁合金線材的伸長率的同時不會大幅降低抗拉強度的時間點上，即晶粒平均粒徑保持在約50μm以下時中斷熱處理。

即，能夠使晶粒平均粒徑保持在50μm以下且最大限度地提高伸長率的工序條件可以是，約260至360℃的熱處理溫度以及約2至12小時的熱處理時間。在滿足這種熱處理工序條件的範圍內，熱處理溫度越低就約增加熱處理時間，相反，熱處理溫度越高就約縮短熱處理時間，從而能夠使熱處理所導致的抗拉強度的下降程度最小化的同時使伸長率的提高程度最大化。

[實施例]

1、製造例

製造鋁合金線材，其包含如下面的表1所示的合金成分，餘量由鋁(Al)以及不可避免的雜質構成。然後進行拉拔工序和熱處理工序(310℃，6小時)，從而製造了各個實施例以及比較例涉及的裸線試樣。以下表1中示出的合金成分的含量單位是重量％。

2、物理性質評價

1)抗拉強度以及伸長率的評價

關於實施例或者比較例涉及的各個鋁合金裸線試樣的抗拉強度以及伸長率，根據ASTM B557規格，利用線用夾持裝置(gripping device)固定試樣的兩端，測定在此狀態下以1mm/s的速度進行牽拉時所需的力，然後通過殘餘變形法(offset method)算出抗拉強度，並基於試樣斷裂的時間點上的試樣長度算出伸長率，其結果如下面的表1所示。

2)電導率的評價

關於實施例或者比較例涉及的各個鋁合金裸線試樣的電導率，根據ASTM B193規格，通過開爾文雙電橋(Kelvin double bridge)法測定電阻，並由此算出電導率。

【表1】

如所述表1所示，確認了本發明涉及的實施例1至10的鋁合金裸線試樣通過最佳的合金元素組合以及合金元素的最小含量以及最佳配合比，縮小了析出物間平均距離，由此實現了晶粒的微細化，從而雖然通過熱處理將伸長率提高15％以上，也使抗拉強度的下降程度最小化，能夠使所述抗拉強度保持在140MPa以上，進而確認了通過使合金元素的含量最小化，能夠使電導率保持在59％IACS以上。

與此相反，確認了比較例1以及3的試樣由於僅添加了極少量的提高鋁合金抗拉強度的合金元素鐵(Fe)或銅(Cu)，因此鋁合金的抗拉強度的提升程度甚微，相反，確認了比較例2以及4的試樣由於添加了極大量的合金元素鐵(Fe)或銅(Cu)，導致鋁合金的電導率低於規格59％IACS。

此外，確認了比較例5的試樣雖然添加了適量的提高鋁合金抗拉強度的合金元素鐵(Fe)和銅(Cu)，但是未添加用於實現晶粒微細化的鈦(Ti)以及硼(B)，因此析出物之間的距離增加，由此使晶粒粗大化，結果在進行用於提高伸長率的熱處理時抗拉強度大幅下降，相反，確認了比較例6的試樣由於添加了過量的鈦(Ti)以及硼(B)，反而生成了粗大的金屬間化合物，因而大幅降低抗拉強度以及電導率。

並且，確認了比較例7以及9的試樣由於裸線直徑過小，抗拉強度優秀，但是與此存在相互衝突關係的伸長率和電導率大幅下降，相反，比較例8及10的試樣由於裸線直徑過大，伸長率和電導率優秀，但是抗拉強度大幅下降。

作為參考，圖2以及圖3是示出實施例1及比較例5中基於鈦(Ti)的添加與否的析出物間距離以及晶粒微細化程度的掃描電子顯微鏡(SEM)比較照片。

如之前記載的實施例和圖2、圖3所示，本發明涉及的鋁合金導體線芯，通過添加鈦(Ti)來縮小決定晶粒大小的析出物間距離，引發晶粒微細化，從而在進行用於提高鋁合金線材伸長率的熱處理時能夠使抗拉強度的下降程度最小化，結果表現出同時提高抗拉強度以及與此存在相互衝突關係的伸長率的預料不到的顯著效果。

進而，通過晶粒微細化，只需添加少量的合金元素鐵(Fe)和銅(Cu)，就能夠達到充分的抗拉強度，因此使合金元素的整體含量最小化，從而表現出使電導率的下降程度最小化的優秀效果。

以上參照本發明的優選實施例進行了說明，但是本領域的技術人員可以在不脫離所附的權利要求書中記載的本發明的思想及領域的範圍內對本發明進行各種修改以及變更。因此應當解釋為，只要變形的實施基本上包括本發明權利要求書中的構成要素，就都屬於本發明的技術範疇之內。