CN101587757B - 一种含稀土元素钇的铝合金电缆线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含稀土元素钇的铝合金导线及其制备方法。本发明具体成分及其重量百分比为：Si 0.5％～0.7％，Mg 0.6％～0.9％，Fe 0.1％～0.2％，Y 0.2％～0.8％，Al余量。其制备方法是：将各元素按合金设计成分比例配好，经熔化、铸造、均匀化处理，挤压、拉丝制成铝合金线材，经绕卷后制备线缆，并经过电场时效热处理后得到强度、电导率均良好的铝合金导线。本发明制备的高强度高导电铝合金导线由于添加了稀土元素钇，一方面可以净化熔体，降低合金中固溶的硅含量，进而提高合金的导电率；另一方面也可以细化晶粒，提高合金线的强度，母线抗拉强度260MPa，导电率可达57％IACS。

Description

一种含稀土元素钇的铝合金电缆线及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝导体电缆材料的制造技术领域，具体为一种含稀土元素钇的高强度高导电铝合金电缆线及其制备方法。
背景技术
在输电领域，铝质轻、价廉，且导电性较好、比强度高、耐磨损性好，因而在电工领域占据优势地位。在架空输电线路，尤其是超高压线路和大跨越线路上，铝合金电缆线一直是架空输电电缆线的主体材料。其中Al-Mg-Si合金具有优良的机械性能和物理性能，美国、日本等国已经将此类电缆线应用于高压输电线路，如广泛采用的6201、6101。该合金热处理后可析出弥散共格半共格Mg2Si相，合金强度高，耐冲击性好，缺口敏感性小，且具有极好的热塑性，可以高速挤压成结构复杂的各种型材，易于加工，同时抗蚀性能优良，导电性能好，因此在输电领域得到了广泛应用。
目前已经开发出了多种导电铝合金电缆线，但仍然不能满足复杂自然条件、雨雪冰冻以及远距离跨海域架线的需要，仍需进一步改善其性能。而在国内，生产工艺、产品性能、大跨距架空电缆线应用技术等与国外相比还存在较大差距，随着我国电力需求的不断增长，输电线路输送容量不断增大，对架空输电电缆线提出了更高的要求，发展高强度高导电性铝合金电缆线电缆线很有现实意义。
发明内容
为克服现有技术中铝合金电缆线在生产工艺、产品性能等方面存在的缺陷，寻找一种价格相对便宜的稀土元素，以合适的量加入到Al-Mg-Si合金中，有效的改善合金的组织结构，从而在强度和电导率之间得到更好的平衡，本发明提出的技术方案为一种含稀土元素钇的高强度高导电铝合金电缆线，按质量百分比由以下成分组成：Si 0.5％～0.7％，Mg 0.6％～0.9％，Y 0.2％～0.8％，Al余量。
其中，所述铝合金电缆线中的杂质应控制为：Ti+V+Cr+Mn小于0.3％，其它杂质小于0.3％，单个杂质小于0.05％，Fe 0.1％～0.2％。
稀土钇在铝-镁-硅基体中的溶解度很小，因此固溶强化作用极微。而稀土钇在铸造时很容易和Al、Si等元素形成金属间化合物，这种化合物常存于晶界，结晶时对晶粒长大有阻碍作用，故可细化合金晶粒。稀土元素加入到铝合金电缆线中可以有效减小铝合金电缆线的枝晶间距，细化铸态晶粒组织，可以与各种杂质元素形成化合物，消除有害杂质的影响，其形成的金属间化合物Al3Y作为第二相能增加铝合金电缆线的强韧性，提高合金的机械性能和耐蚀性能等。其中稀土元素钇在铝合金电缆线中微合金化作用与Sc相似，且价格相对低廉，已成为一种重要的微合金元素。少量的钇将铝-镁-硅中固溶的硅以化合物的形式从铝基体中析出，可以改善合金的导电性能，过剩的钇主要与铝形成Al3Y相，提高合金的强度和热稳定性，因而钇是非常适合铝合金导线的稀土添加元素。
在铸造阶段采用熔体净化手段，在合金熔体中添加稀土元素钇，有除H2气作用，可以净化熔体，减少了针孔率，优化合金整个制备工艺过程，最大限度使各合金元素从固溶体中析出，确保第二相弥散细小的分布在完整的铝基体中，从而实现强度和电导率的同步提高。
本发明还提供了上述含稀土元素钇的高强度高导电铝合金电缆线的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纯铝完全熔化并保温在700-800℃，加入干燥的卤化物覆盖，再加入Si 0.5％～0.7％，Mg 0.6％～0.9％，Y 0.2％～0.8％，得铝合金液；
(2)将上述铝合金液经除气后再浇铸成铝锭，并进行常规均匀化处理；
(3)将经步骤(2)处理后的铝锭挤压成直径为12-18mm的丝杠，再拉拔成直径为3-8mm的电缆线；
(4)将上述电缆线进行绕卷，绕卷后在电场强度为8～16kV/cm的匀强电场中进行时效处理，时效温度为150-250℃，时效时间4-10小时，即得。
所述元素Si和Y分别以铝-硅合金和铝-钇合金的形式加入。
步骤(1)所述卤化物为氯化钾、氯化钠、氯化钡、氯化镁、氟化钙中的任意两种或两种以上以任意比例组成的混合物。
步骤(2)所述均匀化处理温度为400-500℃，时间5-15小时。
本发明的具体工艺方案：首先将纯铝锭放入预热700℃感应电炉中熔化，待纯铝完全熔化后温度升至700-800℃保温，待纯铝完全熔化后再加入烘干的卤化物溶剂覆盖，卤化物兼有防止氧化和吸附造渣精炼作用，将配比好的Al-Si中间合金用铝箔包住直接加入到铝合金电缆线液体中，并轻轻搅拌，使Al-Si中间合金熔化并充分扩散，然后在720℃左右将经过预处理的纯镁压入到熔池底部，而后700℃左右加入Al-Y中间合金，待完全熔化升温至740℃左右对熔体用六氯乙烷(C2Cl6)进行喷粉精炼，除气、除渣、覆盖，静置5-10min于700-710℃浇铸为铝锭。与熔体接触的工具均刷滑石粉并干燥，防止熔体吸气和被污染。均匀化退火温度为450℃左右，保温10小时。挤压工具在挤压前必须加热到300-400℃，铝合金电缆线铸锭允许最高加热温度为550℃。挤压时，铸锭加热到450℃左右，挤压模模座、筒等加热至430℃/3.5小时。挤压速度3-15m/min。将Φ12～18mm挤压杆按正确的顺序经过多道次的冷拔后最终得到Φ3～8mm的丝材成品。经绕线成卷的线材在电场强度为8～16kV/cm的匀强电场中进行时效处理，时效温度为150-250℃，时效时间4-10小时，保证Mg2Si、Al3Y等第二相在基体的弥散分布，该相且与基体应力场较小，可提高合金的强度的同时减小对电导率的影响，从而改善和提高铝导体的综合性能。
本发明首次在铝导体中添加稀土元素钇，可以改善铝合金的导电性能，提高合金的强度和热稳定性，因而钇是非常适合的铝导体稀土添加元素。本发明的电缆线采用常规制备工艺，无需对设备大幅改造，生产成本低，综合性能优良。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明制得铸态合金横截面的金相组织；
图3为本发明制得挤压态合金横截面的金相组织；
图4为本发明制得冷拉拔成品纵截面的金相组织。
具体实施方式
实施例1：取2号工业纯铝100公斤，其含铝99.7％，铁0.10％，硅0.04％，镓0.01％；2号工业纯镁1公斤；铝-硅中间合金(10％Si)5公斤；铝-钇中间合金(14％Y)1.5公斤；将上升原料分批投入箱式电阻炉中熔炼，首先将准备好的铝料放入坩锅中，用电阻炉加热熔化，待纯铝完全熔化后再加入烘干的KCl+NaCl(质量百分比1∶1)溶剂覆盖(兼有防止氧化和吸附造渣精炼作用)。当铝液温度达到700℃时加入铝硅中间合金，待铝硅中间合金熔化后，再加入纯镁压入熔池底部。而后700℃加入Al-Y中间合金，并用六氯乙烷(C2Cl6)除气剂除气，静置5-10min于700-710℃浇铸成直径为50mm的铝锭。将50mm铸锭在电阻炉内进行450℃/10小时均匀化处理，然后直接挤压成12mm的丝杆，将丝杆在100吨冷拉拔机上拉拔成3～8mm电缆线材，随后在框绕机上绕卷。成卷的电缆线在电场时效炉中进行170℃/4小时时效处理，电场强度为16kV/cm，出炉空冷。
实施例2：2号工业纯铝100公斤，2号工业纯镁1公斤；铝-硅中间合金(12％Si)4.17公斤；铝-钇中间合金(12％Y)2.1公斤；首先将准备好的铝料放入坩锅中，用电阻炉加热熔化，待纯铝完全熔化后再加入烘干的MgCl+NaCl+KCl(1∶1∶1)溶剂覆盖，再加入纯镁、硅-铝合金及硅-钇合金。将融化的铝合金熔体于700-710℃浇铸成直径为50mm的铝锭。将50mm铸锭在电阻炉内进行450℃/10小时均匀化处理，然后直接挤压成14mm的丝杆，将丝杆在100吨冷拉拔机上拉拔成3～8mm电缆线材，随后在框绕机上绕卷。成卷的电缆线在电场时效炉中进行250℃/4小时时效处理，电场强度为12kV/cm，出炉空冷。
实施例3：2号工业纯铝100公斤，2号工业纯镁1公斤；铝-硅中间合金(14％Si)3.57公斤；铝-钇中间合金(10％Y)2.8公斤；首先将准备好的铝料放入坩锅中，用电阻炉加热熔化，待纯铝完全熔化后再加入烘干的KCl+MgCl2+BaCl2+CaF2(40∶40∶5∶15)溶剂覆盖，再加入纯镁、硅-铝合金及硅-钇合金。。将融化的铝合金熔体于700-710℃浇铸成直径为50mm的铝锭。将50mm铸锭在电阻炉内进行450℃/10小时均匀化处理，然后直接挤压成14mm的丝杆，将丝杆在100吨冷拉拔机上拉拔成3～8mm电缆线材，随后在框绕机上绕卷。成卷的电缆线在电场时效炉中进行150℃/10小时时效处理，电场强度为8kV/cm，出炉空冷。
实施例4：2号工业纯铝100公斤，2号工业纯镁1公斤；铝-硅中间合金(10％Si)5公斤；铝-钇中间合金(12％Y)2.57公斤；将以上原料分批投入箱式电阻炉中熔炼，首先将准备好的铝料放入坩锅中，用电阻炉加热熔化。将融化的铝合金熔体于700-710℃浇铸成直径为50mm的铝锭。将50mm铸锭在电阻炉内进行450℃/10小时均匀化处理，然后直接挤压成14mm的丝杆，将丝杆在100吨冷拉拔机上拉拔成3～8mm电缆线材，随后在框绕机上绕卷。成卷的电缆线在电场时效炉中进行175℃/4小时时效处理，电场强度为16kV/cm，出炉空冷。
实施例5：2号工业纯铝100公斤，2号工业纯镁1公斤；铝-硅中间合金(12％Si)4.17公斤；铝-钇中间合金(14％Y)2.4公斤；将以上原料分批投入箱式电阻炉中熔炼，首先将准备好的铝料放入坩锅中，用电阻炉加热熔化。将融化的铝合金熔体于700-710℃浇铸成直径为50mm的铝锭。将50mm铸锭在电阻炉内进行450℃/10小时均匀化处理，然后直接挤压成14mm的丝杆，将丝杆在100吨冷拉拔机上拉拔成3～8mm电缆线材，随后在框绕机上绕卷。成卷的电缆线在电场时效炉中进行175℃/8小时时效处理，电场强度为12kV/cm，出炉空冷。
上述实施例和对比例的性能指标如下表：
成品   电阻率μΩ·cm   导电率％IACS   抗拉强度MPa   伸长率％
  实施例1   3.112   55.4   237   13.0
  实施例2   3.090   55.8   240   12.5
  实施例3   3.062   56.3   245   12.4
  实施例4   3.019   57.1   259   11.8
  实施例5   3.024   57.0   268   11.5
  实施例6   3.057   56.4   260   11.4

Claims (4)

1.一种含稀土元素钇的铝合金电缆线，其特征在于，按质量百分比由以下成分组成：Si 0.5％～0.7％，Mg 0.6％～0.9％，Y 0.2％～0.8％，Al余量。
2.一种含稀土元素钇的铝合金电缆线的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)将纯铝完全熔化并保温在700-800℃，加入干燥的卤化物覆盖，再加入Si 0.5％～0.7％，Mg 0.6％～0.9％，Y 0.2％～0.8％，元素Si和Y分别以铝-硅合金和铝-钇合金的形式加入，得铝合金液；
(2)将上述铝合金液经除气后再浇铸成铝锭，并进行常规均匀化处理；
(3)将均匀化处理后的铝锭挤压成直径为12-18mm的丝杠，再拉拔成直径为3-8mm的电缆线；
(4)将上述电缆线进行绕卷，绕卷后在电场强度为8～16kV/cm的匀强电场中进行时效处理，时效温度为150-250℃，时效时间4-10小时，即得。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述卤化物为氯化钾、氯化钠、氯化钡、氯化镁、氟化钙中的任意两种或两种以上以任意比例组成的混合物。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述均匀化处理温度为400-500℃，时间5-15小时。
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