CN103952600A - 一种用于制造输电线路架空导线的高韧性高导电率的耐热铝合金材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种含碱土的高导电率耐热的铝合金材料，属于电力行业输电线路架空导线技术领域。本发明提供的铝合金材料由锆0.03～0.2％，铍：0.001～0.1％，钇：0～0.15％，硼：0.01～0.25％，余量为铝和不可避免的杂质组成，制得的铝合金材料的导电率≥61％IACS(20℃)，耐热温度≥150℃(230℃条件下保温1小时剩余强度>90％)，延伸率≥3％，可广泛用于制造输电线路架空导线。

Description

一种用于制造输电线路架空导线的高韧性高导电率的耐热铝合金材料

【技术领域】

本发明涉及一种电力行业输电线路架空导线，具体讲涉及一种用于制造输电线路架空导线的高韧性高导电率的耐热铝合金材料。

【背景技术】

上世纪20年代，已将铝合金导线应用于高压输电线路，从20世纪50年代开始，铝合金导线已被广泛采用，一些地方输电线路50％以上采用铝合金导线，有的地方高达80％以上。由于铝合金导线的技术性能优越，运行效果良好，特别是在超高压线路和大跨越线路上使用效果更好，因而逐渐被世界各国广泛采用。

由于覆冰、一定风速等均会使架空导线发生振动、甚至舞动，由此产生的可能的微动磨损行为将对铝合金材料造成损伤。在制备过程及服役条件下的铝合金不可避免地会存在着小裂纹或者是类似的各种缺陷，这就要求铝合金不但要有较高的能够抵抗材料变形的强度，也要有较好的韧性能够抵抗微小裂纹的扩展，所以铝合金强度的高低和韧性的好坏决定了使用寿命的长短。耐热铝合金导线在服役过程中容易受到自然界各种外力的影响，因此要求提高耐热铝合金导线的耐热性使其在工作条件下具有较高的强度和较好的韧性，以提高抵抗变形和阻止微小裂纹扩展的能力，降低导线的弧垂和延长使用寿命。

基于以上研究及应用背景，亟需研发高韧性高导电耐热铝合金导线以适应电力行业发展需要，本发明采用微合金化，控制多种合金元素含量，并采用Be改性，制造具有导电率为61％IACS的耐热铝合金单丝，通过以碱土金属代替部分稀土来降低成本，为制备高韧性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、降低输电线路损耗及抗自然灾害能力的目的，从而满足大容量、长距离输电线路及城市扩容改造的建设需求。

【发明内容】

电力行业中应用于输电线路架空导线对线路安全、节能降耗、节约走廊、性价比提出了更高的要求，本发明针对上述需求，提供了一种应用于输电线路架空导线中的高韧性高导电率耐热铝合金材料，实现了延伸率及导电率提高的前提下不降低其耐热特性技术突破。主要采用控制多元合金含量，生产出具有61％IACS(20℃)导电率，耐热温度≥150℃，延伸率≥3.0％的耐热铝合金材料。

为实现上述目的的，本发明采用以下技术措施：

本发明提供了一种高韧性高导电率的耐热铝合金材料，包括锆0.03～0.2％，铍：0.001～0.1％，硼：0.01～0.25％，余为铝的含量和不可避免的微量杂质。

本发明提供的高韧性高导电率耐热铝合金材料，其中，铝合金材料包括锆0.05～0.2％，铍：0.002～0.1％，硼：0.02～0.25％，余为铝的含量和不可避免的微量杂质组成。

本发明提供的高韧性高导电率耐热铝合金材料，其中，铝合金材料含有钇：001～0.15％。

本发明提供的高韧性高导电率耐热铝合金材料，其中，铝合金材料由锆0.09～0.2％，铍：0.005～0.1％，钇：0.01～0.15％，硼：0.04～0.25％，余为铝的含量和不可避免的微量杂质组成。

本发明还提供了一种制备高韧性高导电率耐热铝合金材料方法，包括下述步骤：

1)将除Be和Zr外的其余元素加入熔化的纯铝锭中后加热至650℃～740℃时加入Be和Zr；

2)对步骤1)得到的铝液进行除氢、除渣、精炼，在720～740℃下，搅拌35～40分钟；

3)将步骤2)得到的铝液进行浇铸、挤压后进行拉丝，得到铝合金单丝。

其中步骤1)中Be和Zr为中间合金体Be-Al和Zr-Al；步骤1)中在670℃～700℃时加入Be-Al中间合金后在740℃加入Zr-Al中间合金。

本发明提供的铝合金材料的导电率≥61％IACS(20℃)，耐热温度≥150℃(230℃条件下保温1小时剩余强度>90％)，延伸率≥3％。

本发明提供的的高韧性高导电率耐热铝合金材料用于制造输电线路架空导线领域中。

本发明中采用的各合金元素的作用及机理如下：

Zr：铝合金的耐热机理与一般金属的耐热机理类似，要提高导电铝合金的耐热性能就要设法防止合金畸变能的减少，使其机械性能不至于因温度升高而受到损失。适量锆的加入能明显改善铝合金的耐热性能，这主要是由于，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。

Be：由于Be对氧和氮具有很大亲和力，可以对铝合金起到除气净化的作用。Be能有效地提高耐热铝合金再结晶温度，降低再结晶速度，明显提高铝合金耐热性能。Be可以和Fe元素反应生成细小弥散的化合物，一方面由于Al中的Fe被置换出来，使Fe以析出相的形式而不是固溶的形式存在，将显著改善铝合金的导电性能，降低电阻率；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。

Y：Y在铝合金中形成第二相，含钇相主要富集在晶界处，起到阻碍晶粒长大的作用。这些第二相高熔点化合物在高温下具有较高的热稳定性，加工及热处理前后形态基本不变，并以不连续的网状沿晶界分布，这种网状分布提高了高温下晶界抵抗滑移和蠕变的能力，从而提高合金的再结晶温度。但Y含量超过0.20％后，含Y化合物聚集长大成块状，对基体的割裂作用增强，使合金的力学性能下降；且阻碍晶界运动的作用减弱，高温性能下降。在铝合金中加入少量的钇，能细化合金的二次枝晶组织，减小共晶化合物尺寸。当钇较多时，细化作用趋于平缓。因此0～0.15％范围内不同Y加入量可使铝合金的电导率增加幅度明显。

B：硼元素会使Al-Fe二元合金中Fe在Al中的固溶度降低，硼化处理可以消除或减少过渡族Ti、V、Cr、Mn等微量杂质元素对铝合金导体材料电学性能和机械性能的影响，即硼元素能以这些过渡族微量杂质元素反应生成不溶解的硼化物，使其由固溶态转变为化合态析出沉积于底部，进而以炉渣的形式被清除掉。

其工艺特点在于：先进行冶炼，当纯铝锭完全熔化后依次放入各合金元素，其中在670℃～700℃时加入Be-Al中间合金、在740℃加入Zr-Al中间合金。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720～740℃，保持35～40分钟。对圆柱形低碳钢模具进行加热，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220℃保温30分钟，然后进行铝液浇铸，浇铸成Ф80，长100mm的圆铝杆。采用热挤压的方式将其挤成Ф10mm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15％左右，最终获得3.0mm左右的单丝。

本发明由于添加了Be，提高了耐热铝合金的延伸率、耐热性及导电率；而且部分取代了目前常规添加的昂贵稀土元素，不仅节约成本，由此出的电线电缆导体可以增大韧性(延伸率≥3％)和提高导电率(61％IACS，20℃)。

【具体实施方式】

所有实施方式都是采用现有的冶炼及轧制设备，按照前面所叙述的步骤进行：

实施例1

一种高导电率耐热铝合金材料，组分及其重量百分比为：

纯度为99.7％的纯铝锭熔化后加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示，Be和Zr是以中间合金的形式加入，其中在670℃时加入Be-Al中间合金、在740℃加入Zr-Al中间合金。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℃，保持35分钟。对圆柱形低碳钢模具进行加热，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220℃保温30分钟，然后进行铝液浇铸，浇铸成Ф80，长100mm的圆铝杆。采用热挤压的方式将其挤成Ф10mm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15％左右，最终获得3.0mm左右的单丝。

对制得的铝合金单丝进行测试，其导电率为61.5％IACS，在230℃下保温1小时，测试强度为168MPa，大于原强度的90％，延伸率为3.06％。

实施例2

一种高导电率耐热铝合金材料，组分及其重量百分比为：

制备方法同实施例1，经检测，耐热铝合金丝的抗拉强度为195MPa，导电率为61.8％IACS，在230℃下保温1小时，测试强度为162.5MPa，大于原强度的90％，延伸率为3.04％。

实施例3

一种高导电率耐热铝合金材料，组分及其重量百分比为：

纯度为99.7％的纯铝锭熔化后加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示，Be和Zr是以中间合金的形式加入，其中在700℃时加入Be-Al中间合金、在740℃加入Zr-Al中间合金。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740℃，保持40分钟。对圆柱形低碳钢模具进行加热，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220℃保温30分钟，然后进行铝液浇铸，浇铸成Ф80，长100mm的圆铝杆。采用热挤压的方式将其挤成Ф10mm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15％左右，最终获得3.0mm左右的单丝。

经检测，耐热铝合金丝的导电率为61.1％IACS，在230℃下保温1小时，测试强度为165MPa，大于原强度的90％，延伸率为3.05％。

实施例4

一种高导电率耐热铝合金材料，组分及其重量百分比为：

纯度为99.7％的纯铝锭熔化后加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示，Be和Zr是以中间合金的形式加入，其中在740℃时加入Be-Al中间合金、在740℃加入Zr-Al中间合金。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740℃，保持40分钟。对圆柱形低碳钢模具进行加热，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220℃保温30分钟，然后进行铝液浇铸，浇铸成Ф80，长100mm的圆铝杆。采用热挤压的方式将其挤成Ф10mm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15％左右，最终获得3.0mm左右的单丝。

经检测，耐热铝合金丝的导电率为61.06％IACS，在230℃下保温1小时，测试强度为166MPa，大于原强度的90％，延伸率为3.02％。

Claims (8)

1.一种高韧性高导电率耐热铝合金材料，其特征在于：所述铝合金材料包含按质量百分比计的下述组分：

锆0.03～0.2％，铍：0.001～0.1％，硼：0.01～0.25％，余为铝的含量和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高韧性高导电率耐热铝合金材料，其特征在于：所述铝合金材料包含锆0.05～0.2％，铍：0.002～0.1％，硼：0.02～0.25％，余为铝的含量和不可避免的微量杂质组成。

3.根据权利要求1所述的高韧性高导电率耐热铝合金材料，其特征在于：所述铝合金材料含有钇：001～0.15％。

4.根据权利要求3所述的高韧性高导电率耐热铝合金材料，其特征在于：所述铝合金材料由锆0.09～0.2％，铍：0.005～0.1％，钇：0.01～0.15％，硼：0.04～0.25％，余为铝的含量和不可避免的微量杂质组成。

5.根据权利要求1所述的高韧性高导电率耐热铝合金材料，其特征在于：所述铝合金材料的导电率≥61％IACS，耐热温度≥150℃，230℃条件下保温1小时剩余强度>90％，延伸率≥3％。

6.一种制备如权利要求1所述的高韧性高导电率耐热铝合金材料方法，包括下述步骤：

1)将权利要求1所述的除Be和Zr外其他元素加入铝锭熔化后的物料中，于650℃～740℃下加入Be和Zr；

2)720～740℃下，搅拌35～40分钟对步骤1)得到的铝液进行除氢、除渣、精炼；

3)将步骤2)得到的铝液进行浇铸、挤压后进行拉丝，得到铝合金单丝。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中Be和Zr为中间合金体Be-Al和Zr-Al。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中于670℃～700℃下加入Be-Al中间合金，740℃下加入Zr-Al中间合金。

根据权利要求4所述的高韧性高导电率耐热铝合金材料，其特征在于：所述铝合金材料的导电率≥61％IACS，耐热温度≥150℃，230℃条件下保温1小时剩余强度>90％，延伸率≥3％。