CN103045915A

CN103045915A - 一种高导电率中强耐热铝合金单丝及其制备方法

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Publication number: CN103045915A
Application number: CN2012105444207A
Authority: CN
Inventors: 杨富尧; 韩钰; 马光; 陈新; 祝志祥
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Smart Grid Research Institute of SGCC
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Smart Grid Research Institute of SGCC
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: CN103045915B

Abstract

本发明涉及电力行业输电线路架空导线技术领域。本发明提供了一种高导中强耐热铝合金单丝及其制备方法，铝合金导线由Zr：0.01～0.1％，B：0.01～0.2％，Si：0.01～0.2％，Fe：0.05～0.3％，Mn：0.2～0.5％，Er：0.01～0.15％和/或Y：0.01～0.15％，V、Ti、Cr中任意2种或3种元素，其余为Al和不可避免的微量杂质组成，其中V：0.1～0.15％，Ti：0.01～0.05％、Cr：0.1～0.15％。本发明制备的铝合金单丝导电率高、耐热性好，抗拉强度大。

Description

一种高导电率中强耐热铝合金单丝及其制备方法

【技术领域】

本发明属于电力行业输电线路架空导线技术领域，具体讲涉及一种高导电率中强耐热铝合金单丝及其制备方法。

【背景技术】

传统上，架空输电线路采用的钢芯铝绞线由于耐热性的限制，而多使用耐热铝合金导线。为了在正常运行温度下长期运行过程中不降低强度，不增加导线弧垂明显，通常在电工纯铝中加入微量合金元素如锆、钛等提高铝的再结晶温度来提高铝的耐热性，但锆、钛合金元素的加入虽然保证了耐热性，但却引起铝导线导电率的降低。早期开发的耐热铝合金导线的导电率较低，进一步通过加入稀土元素和硼元素控制杂质元素的存在形态使耐热铝合金导线的导电率提高至60％IACS。申请号为201210189763.6、名称为高强高导耐热铝合金导线及其制备方法中公开了一种由Zr：0.15～0.60％，La：0.03～0.30％，Ce：0.03～0.30％，Y：0.01～0.30％，Fe：0.05～0.20％，Si：0.01～0.10％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝的高强高导耐热铝合金导线，其制备方法为：配制原材料放入熔炼炉中、升温除气熔炼、造渣、除渣、连铸连轧成耐热铝合金杆材、热处理、拉丝机拉制成耐热铝合金单线。制得的热铝合金导线的抗拉强度达到160MPa，导电率可达到61％IACS以上，长期运行温度可达到180℃，且经得起280℃下加热1小时考核运行，强度残存率大于90％。但上述申请的制备过程中，所制备的铝合金丝或导线的导电率低、抗拉强度低，并且制备过程中所需的加热温度高且需要热处理，生产成本较高。

基于以上研究及应用背景，我国亟需研发高导电耐热铝合金导线以适应我国电力行业发展需要，本发明采用微合金化，控制多种合金元素含量，并采用稀土改性，制造具有导电率61％IACS的耐热铝合金单丝，并取消热处理工艺以降低成本，为制备高导电耐热铝合金导线提供原料基础，使耐热铝合金导线达到提高输送容量、降低输电线路损耗的目的，从而满足大容量输电线路及城市扩容改造的建设需求。

【发明内容】

为克服上述问题，本发明采用微合金化，控制多种合金元素含量，并采用稀土改性，制造具有导电率≥61％IACS、抗拉强度大于180MPa，耐热温度≥120℃（180℃条件下保温1小时剩余强度＞90％）的耐热铝合金单丝，并取消热处理工艺以降低成本，为制备高导电耐热铝合金导线提供原料基础，使耐热铝合金导线达到提高输送容量、降低输电线路损耗的目的，从而满足大容量输电线路及城市扩容改造的建设需求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高导中强耐热铝合金单丝，由下述重量百分比的元素组成：Zr：0.01～0.1％，B：0.01～0.2％，Si：0.01～0.2％，Fe：0.05～0.3％，Mn：0.2～0.5％，Er：0.01～0.15％和/或Y：0.01～0.15％，还含有V、Ti、Cr中任意2种或3种元素，其余为Al和不可避免的微量杂质；

所述V：0.1～0.15％，Ti：0.01～0.05％、Cr：0.1～0.15％。

本发明的一种高导中强耐热铝合金单丝，其中，Er和Y的含量之和≤0.25％。

本发明的一种高导中强耐热铝合金单丝，其中，V、Ti、Cr中任意2种或3种元素的含量之和≤0.3％。

一种制备本发明铝合金单丝的方法，包括下述步骤：

1）冶炼：选取纯度≥99.8％的铝锭熔化后，在720～780℃下按顺序加入所述合金元素，得铝液；

2）合金化：搅拌上述铝液，除氢、除渣，在720～780℃下合金化25～50min；

3）浇铸制杆：将模具预热至200～220℃后保温，将步骤2）所得铝液浇铸到模具内制得铝锭，经热挤压后制得尺寸为Φ10～60，80～200mm长的铝合金杆；

4）拉丝：将步骤3）制得铝合金杆进行拉丝得Φ2～3mm的单丝。

本发明提供的方法，其中，步骤3）中所述铝液的浇铸温度在740℃。

本发明提供的方法，其中，模具预热保温的时间为10～30min。

本发明提供的方法，其特征在于所述步骤1）中加入的合金元素为单质或中间合金。

本发明提供的方法，其中，合金元素的加入顺序为：最后加入Zr、Er和/或Y。

本发明提供的方法，其中，最后加入的Zr、Er、Y合金元素的加入温度为740～780℃。

本发明提供的制备方法中，当纯铝锭完全熔化后依次放入各合金元素，其中Zr、Er、Y元素由于熔点较高，待铝液温度升至740℃以上时再依次放入，待炉温升至780℃，保温15～35min。采用铝液精炼剂对铝液进行除氢、除渣进行精炼，并使用搅拌机对铝液进行搅拌，使合金元素充分均匀化，合金化温度为720～780℃，保温25～50min。对模具进行加热，防止模具温度与铝液温度相差过大引起铝液浇铸过程中引起缩孔，模具加热至200～220℃保温10~30min，然后进行铝液浇铸，浇铸成Ф60～150mm，长20～80mm的铝锭。采用热挤压的方式将其挤成Ф10～60mm的圆铝杆，然后进行拉丝。以15m/s的速度在拉丝机上冷拉丝，通过多套配模（金刚石模具），多道次拉制，每次变形量为10％～15％，最终获得Ф2～3mm的单丝。

本发明采用的铝合金单丝中Zr：锆原子半径比铝原子半径略大，锆在铝中以置换方式进行扩散，其扩散激活能高，向亚结晶晶粒边界析出细微的Al₃Zr相，它不易聚集长大，稳定性高，能防止再结晶的产生，在较高的温度下仍可有效的钉扎位错与晶界，阻碍变形与晶内及晶界滑移，使蠕变抗力得以提高，从而使铝合金的耐热性能得到了改善。同时，锆的加入可以改善铝合金的抗蠕变性能，使铝合金在高温下也只有很小的蠕变伸长，因此，能够使架空输电线在输电塔杆之间的间距增大，并且保持铝合金导线较小的悬垂度；

Si：硅是铝中含量仅次于铁的杂质元素，能提高铝合金的铸造性能及焊接流动性，还能使铝合金有较高的力学性能；

Fe：是工业纯铝中的占支配地位的一种杂质，而且也是高纯铝中的一种主要杂质。通常以粗大的一次晶体出现，或以铝-铁-硅化合物形式存在，它们一定程度上都提高了铝的硬度，但使铝的塑性降低。尽管有资料表明在实际生产中，铝导体中的Fe/Si比应为1.3～1.5，但在本发明中显示超出该范围时并不显著降低其导电性；

V、Mn、Cr、Ti：这几种元素均具有细化晶粒，提高铝合金室温抗拉强度及改善耐热性的效果，然而每（1％Cr+Ti+Mn+V）的有害作用为每1％硅对铝导电性有害作用的5倍。由此可以看出严格控制这几种元素的含量对保证铝导体的质量具有重要的实际应用意义；

Er、Y：添加Er和Y可以和Fe、Si元素反应生成细小弥散的化合物，一方面由于Al中的Fe、Si被置换出来，使Fe、Si析出，降低了电阻率；另一方面由于析出相细小均匀的分布，可以起到细化晶粒的作用，保证铝杆延伸率较高的同时，提高铝合金的强度；

B：在铝导体加入适量的Zr能明显改善合金的耐热性能，但是Zr的加入也会对合金的导电性产生负面影响，有研究表明在含Zr的铝合金中加入适量的B，能在保证合金耐热性的前提下提高其导电性。现有资料表明在Zr：B＝1：2的范围内对合金的导电性不会产生负面影响。过量B的加入对含Zr铝合金有一定的晶粒细化效果，但它会使合金高温强度降低，使合金耐热性变差。

与现有技术相比，本发明的具有以下优点：

1）本发明通过调节合金元素的加入顺序和保温时间，取消了热处理，从而简化了制备工艺节约了成本；

2）本发明制得的铝合金单丝导电率高（61％IACS，20℃），耐热性好（抗拉强度大于180MPa，耐热温度≥120℃，180℃条件下保温1小时剩余强度＞90％）。

【具体实施方式】

实施例1

在中频感应熔炼炉中加入纯度为99.8％的纯铝锭，将温度保持在720℃前将纯铝熔化，待温度升至720℃时，开始以中间合金的方式，按B、Si、Fe、Mn、V、Ti、Cr、Zr、Er，Y的顺序，依次加入各合金元素，使它们的最终含量为：质量分数0.05％的Zr，0.02％的Er，0.1％的Y，0.05％的B，0.03％的Si，0.055％的Fe，0.1％的V，0.02％的Ti，0.1％的Cr及0.25％的Mn，合金元素是以中间合金的形式加入，经搅拌，精炼、除渣，在760℃下，保温40min后进行浇铸。浇铸前将低碳钢模具加热至200℃，保温10min，并将铝液温度降至740℃，然后将铝液倒入模具内，形成铝合金锭，通过挤压机对铝合金杆进行热挤压，挤压温度为150℃。将挤成的杆材，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝，拉丝速度为15m/s，每次截面收缩率为15％左右，最终获得Ф2.3mm的耐热铝合金单丝。经检测，耐热铝合金丝的抗拉强度为200MPa，导电率为61.3％IACS，在180℃下保温1小时，测试强度为185MPa，大于原强度的90％。

实施例2

在中频感应熔炼炉中加入纯度为99.8％的纯铝锭，将温度保持在720℃前将纯铝熔化，待温度升至730℃时，开始以单质的形式，按B、Si、Fe、Mn、V、Ti、Cr、Zr、Er，Y的顺序，依次加入各合金元素，使它们的最终含量为：质量分数0.09％的Zr，0.03％的Er，0.09％的Y，0.08％的B，0.05％的Si，0.07％的Fe，0.11％的V，0.04％的Ti，0.12％的Cr及0.3％的Mn，合金元素是以单质的形式加入，经搅拌，精炼、除渣，在750℃下，保温45min后进行浇铸。浇铸前将低碳钢模具加热至210℃，保温20min，然后将铝液倒入模具内，将铝液温度降至740℃，形成铝合金锭，通过挤压机对铝合金杆进行热挤压，挤压温度为150℃。将挤成的杆材，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝，拉丝速度为15m/s，每次截面收缩率为15％左右，最终获得Ф2.5mm的耐热铝合金单丝。经检测，耐热铝合金丝的抗拉强度为205MPa，导电率为61.5％IACS，在180℃下保温1小时，测试强度为186MPa，大于原强度的90％。

实施例3

在中频感应熔炼炉中加入纯度为99.8％的纯铝锭，将温度保持在720℃前将纯铝熔化，待温度升至725℃时，开始以中间合金的方式，按B、Si、Fe、Mn、V、Ti、Cr、Zr、Er，Y的顺序，依次加入各合金元素，使它们的最终含量为：质量分数0.07％的Zr，0.10％的Er，0.12％的Y，0.15％的B，0.15％的Si，0.21％的Fe，0.12％的V，0.05％的Ti，0.14％的Cr及0.5％的Mn，其中稀土元素是以中间合金的形式加入，其余合金元素是以中间合金的形式加入，经搅拌，精炼、除渣，在755℃下，保温50min后进行浇铸。浇铸前将低碳钢模具加热至200℃，保温30min，将铝液温度降至740℃，然后将铝液倒入模具内，形成铝合金锭，通过挤压机对铝合金杆进行热挤压，挤压温度为150℃。将挤成的杆材，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝，拉丝速度为15m/s，每次截面收缩率为15％左右，最终获得Ф2.1mm的耐热铝合金单丝。经检测，耐热铝合金丝的抗拉强度为195MPa，导电率为61.8％IACS，在180℃下保温1小时，测试残余强度为178MPa，大于原强度的90％。

实施例4

在中频感应熔炼炉中加入纯度为99.8％的纯铝锭，将温度保持在720℃前将纯铝熔化，待温度升至730℃时，开始以中间合金的方式，按B、Si、Fe、Mn、V、Ti、Cr、Zr、Er的顺序，依次加入各合金元素，使它们的最终含量为：质量分数0.07％的Zr，0.10％的Er，0.12％的Y，0.15％的B，0.15％的Si，0.21％的Fe，0.12％的V，0.05％的Ti，0.14％的Cr及0.5％的Mn，其中稀土元素是以中间合金的形式加入，其余合金元素是以中间合金的形式加入，经搅拌，精炼、除渣，在750℃下，保温50min后进行浇铸。浇铸前将低碳钢模具加热至200℃，保温30min，将铝液温度降至740℃，然后将铝液倒入模具内，形成铝合金锭，通过挤压机对铝合金杆进行热挤压，挤压温度为150℃。将挤成的杆材，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝，拉丝速度为15m/s，每次截面收缩率为15％左右，最终获得Ф2.2mm的耐热铝合金单丝。经检测，耐热铝合金丝的抗拉强度为196MPa，导电率为61.5％IACS，在180℃下保温1小时，测试残余强度为179MPa，大于原强度的90％。

实施例5

在中频感应熔炼炉中加入纯度为99.8％的纯铝锭，将温度保持在720℃前将纯铝熔化，待温度升至725℃时，开始以中间合金的方式，按B、Si、Fe、Mn、V、Ti、Cr、Zr、Y的顺序，依次加入各合金元素，使它们的最终含量为：质量分数0.07％的Zr，0.10％的Er，0.12％的Y，0.15％的B，0.15％的Si，0.21％的Fe，0.12％的V，0.05％的Ti，0.14％的Cr及0.5％的Mn，其中稀土元素是以中间合金的形式加入，其余合金元素是以中间合金的形式加入，经搅拌，精炼、除渣，在755℃下，保温50min后进行浇铸。浇铸前将低碳钢模具加热至200℃，保温30min，将铝液温度降至740℃，然后将铝液倒入模具内，形成铝合金锭，通过挤压机对铝合金杆进行热挤压，挤压温度为150℃。将挤成的杆材，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝，拉丝速度为15m/s，每次截面收缩率为15％左右，最终获得Ф2.3mm的耐热铝合金单丝。经检测，耐热铝合金丝的抗拉强度为193MPa，导电率为61.2％IACS，在180℃下保温1小时，测试残余强度为177MPa，大于原强度的90％。

Claims

1.一种高导中强耐热铝合金单丝，其特征在于所述铝合金导线由下述重量百分比的元素组成：Zr：0.01～0.1％，B：0.01～0.2％，Si：0.01～0.2％，Fe：0.05～0.3％，Mn：0.2～0.5％，Er：0.01～0.15％和/或Y：0.01～0.15％，还含有V、Ti、Cr中任意2种或3种元素，其余为Al和不可避免的微量杂质；

所述V：0.1～0.15％，Ti：0.01～0.05％、Cr：0.1～0.15％。

2.如权利要求1所述的一种高导中强耐热铝合金单丝，其特征在于所述Er和Y的含量之和≤0.25％。

3.如权利要求1所述的一种高导中强耐热铝合金单丝，其特征在于所述V、Ti、Cr中任意2种或3种元素的含量之和≤0.3％。

4.一种制备如权利要求1所述的一种高导中强耐热铝合金单丝的方法，包括下述步骤：

1）冶炼：选取纯度≥99.8％的铝锭熔化后在720～780℃下按顺序加入所述合金元素，得铝液；

3）浇铸制杆：将模具预热至200～220℃后保温，将步骤2）所得铝液温度降至740℃，浇铸到模具内制得铝锭，经热挤压后制得尺寸为Φ10～60，80～400mm长的铝合金杆；

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述合金元素的加入顺序为：B、Si、Fe、Mn、V、Ti、Cr元素在温度升至740℃时加入，并保温10min，Zr、Er、Y元素在740～780℃范围加入，保温15～35min。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于步骤3）中所述铝液的浇铸温度在740℃。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述模具预热保温的时间为10～30min。

8.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述步骤1）中加入的合金元素为单质或中间合金。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述最后加入的合金元素的加入温度不超过780℃。