CN103952601B - 一种含碱土金属的高导电率耐热铝合金 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种含碱土金属的耐热的铝合金材料，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0.01～0.16％的锆，0.01～0.2％的硅，0.01～0.2％的硼，0.05‑0.15％的铁，0.01～4.0％的碱土金属元素，余量为铝和不可避免的杂质组成，制得的铝合金导电率不低于61.5％IACS，耐热温度≥120℃，可用于制造输电线路架空导线。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种输电线路架空导线材料，具体地讲涉及一种含碱土金属的高导电耐热铝合金。
【背景技术】
现有的钢芯铝绞线用硬铝导体材料制成，我国国家标准和IEC标准规定所用硬铝导线的导电率应≥61％IACS，抗拉强度≥158MPa，延伸率≥1.7％。由于耐热性的限制，一般规定钢芯铝绞线的长期运行温度为70℃。为扩大输电***，城网、农网的改造工程必须增大现有钢芯铝绞线的导线截面，重新建造杆塔，居民密集区的电网线路的改造就很难实现。因此，使用耐热性能的铝合金导线替换相同截面积的增容导线来加大传输容量已成为现行电网线路改造工程中常用的技术手段之一。
耐热铝合金导线是一种性能优良的特种扩容导线，采用大容量耐热铝合金导线进行现有线路扩容改造，尽量减少甚至不更换杆塔，不仅能提高电网线路的输送能力，还能降低工程的整体造价。采用耐热铝导线运行温度可提升至120℃以上，载流量提高40％以上。现有技术中业已采用耐热铝合金导线来提高输电线路的输送容量，获得了良好的经济效益。国内外的应用研究均表明，新建线路采用耐热铝合金导线代替同样规格的普通钢芯铝铰线可节省线路投资5％～8％，同时可增加线路的输送容量。
随着电力需求的日益增大，耐热铝合金导线其在输电线路建设尤其是城网改造中所占的份额将会逐步增加。耐热铝合金导线采用的耐热铝合金，其导电率一般为60％IACS(20℃)，较钢芯铝绞线用硬铝导体材料(导电率61％IACS(20℃))的导电率低1％IACS，造成线路损耗增加1.5％，这是当前耐热铝合金导线未能大面积应用的重要因素。因此，在保证较高载流量的同时，如何提高耐热铝合金的导电率，减少输电线损，是目前耐热铝合金导线最为迫切的技术需求。
基于以上研究及应用背景，亟需研发一种能够用于制造高导电耐热铝合金导线的铝合金原材料，以解决改善铝合金导线的耐热性问题。
【发明内容】
为解决因提高输电线路铝合金导线耐热性、及强度的同时而引起导电率降低的技术难题，本发明提供了一种用于电力行业中输电线路架空导线的高导电率、高耐热性铝合金材料，通过控制多元合金含量，使得制得的导线单丝的导电率高于61.5％IACS(20℃)，耐热温度≥120℃，强度达到160MPa以上，210℃加热1小时后强度残余率大于90％。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种导电率≥61.5％IACS，耐热温度≥120℃含碱土金属的铝合金，按质量百分比计，铝合金包括：
锆：0.01～0.16％，硅：0.01～0.2％，硼：0.01～0.2％，铁：0.05-0.15％，碱土金属：0.01～4.0％，余量为铝和不可避免的杂质。本发明提供的一种含碱土金属的高导电率耐热铝合金材料，其中碱土金属元素为钙、钡或锶。
本发明提供的一种含碱土金属的高导电率耐热铝合金，其中碱土金属元素为钙、钡或锶中的一种或多种元素的任意组合。
本发明提供的一种含碱土金属的高导电率耐热铝合金中，碱土金属元素为钙，其含量为0.1～1.0％；碱土金属元素为钡，其含量为0.1～1.5％；碱土金属元素为锶，其含量为0.01～3.5％。
本发明提供了一种铝合金材料的制造方法，将本发明提供的含碱土金属的高导电率耐热铝合金材料按配比的各元素加入到熔化的纯铝锭中，经除氢、除渣后搅拌，在700～760℃下保持50～60分钟。
本发明提供了一种铝合金制备单丝的方法为：将模具加热至200℃～250℃保温20分钟后进行铝液浇铸，挤压成型。
本发明采用的各合金元素的作用及机理如下：
Zr：要提高导电铝合金的耐热性能必须设法防止合金畸变能的减少，从而防止铝合金强度不至于因温度升高而下降。适量锆的加入能明显改善铝合金的耐热性能，主要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，抑制再结晶的发生，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：硅主要来自铝矾土中的二氧化硅或硅酸盐，是铝合金的最普通的合金元素之一，硅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，由于其在合金中能形成一些化合物，使合金成为可热处理强化的。
硅的固溶度比铁大，在共晶温度时(577℃)其固溶度为1.650％，室温时也能够达到0.05％。一般认为以固溶态存在的杂质对导体电阻率的影响比析出态的影响大，故作为基本杂质元素的硅比铁对铝导体电阻率的影响要大的多，成为影响铝导体导电性的最主要的杂质元素。同时，由于我国的铝矿石自然条件的原因，所生产出来的铝锭含硅量基本都在0.08％以上，这也是我国生产的铝线材电阻率总是在IEC标准附近波动的缘由之一，因此我们要应该严格控制电工铝锭中硅的含量。
Fe：铝中含有一定量的铁，是高纯铝中的一种主要杂质。因为熔炼与铸造使用的工具都是钢的或铸铁的，铁就会由这些工具带入铝中，而且在重熔废料时，则可混入铁与铁屑。铁对铸造铝的力学性能是有害的，因为其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。最新研究表明，铁可以提高铝导体强度，并不显著降低其导电性。但也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，过高则会使其电阻率显著升高，所以也应该注意控制铁的含量。
Ca、Ba、Sr：碱土金属元素Ca、Ba、Sr的添加可以和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。
B：在铝导体锆的加入能明显改善合金的耐热性能，但是锆的加入也会对合金的导电性产生不利影响，有研究表明在含锆的铝合金中加入适量的硼，能在保证合金耐热性的前提下提高其导电性。硼与铝合金中的锆形成ZrB2化合物，由于化合物弥散分布且颗粒较小，因此ZrB2不能作为Al原子的形核中心，不会对合金产生晶粒细化作用，不增加晶界，从而降低了锆元素对合金的导电性产生的负面影响。然而过量硼的加入对含锆的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。
同现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明由于添加了碱土金属元素，提高了铝合金的导电率和强度；
2)本发明提供的铝合金材料采用碱土金属元素，取代了目前常规添加的昂贵稀土元素，节约了成本；
3)采用常规制造铝合金导线的方式而制得的导线可达160MPa以上，210℃加热1小时后强度残余率大于90％。
本发明采用微合金化，控制多种合金元素含量，并采用碱土金属改性，制造具有导电率≥61.5％IACS的耐热铝合金单丝，通过以碱土金属代替稀土来降低成本，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。本发明提供的技术方案无需热处理，节约了成本；本发明通过合金间的弥散强化，制得的导线导电率高，能够降低输电线路的损耗。
【具体实施方式】
所有实施方式都是采用现有的冶炼及挤压设备，按照前面所叙述的步骤进行：
实施例1
铝合金材料，组分配比见表1。
表1组分含量配比
| 样品1 | 样品2 | 样品3 | 样品4 | 样品5 | 样品6 | 样品7 | |
| Zr | 0.08％ | 0.07％ | 0.15％ | 0.04％ | 0.53％ | 0.6％ | 0.07％ |
| Si | 0.03％ | 0.1％ | 0.05％ | 0.04％ | 0.07％ | 0.09％ | 0.06％ |
| B | 0.05％ | 0.15％ | 0.08％ | 0.03％ | 0.02％ | 0.01％ | 0.06％ |
| Fe | 0.05％ | 0.12％ | 0.07％ | 0.06％ | 0.09％ | 0.13％ | 0.08％ |
| Ca | 0.45％ | 0.45％ | 0.85％ | -- | 1.0％ | -- | -- |
| Sr | 1.3％ | 3％ | -- | 1.5％ | -- | 1.2％ | -- |
| Ba | -- | -- | 0.3％ | 0.4％ | -- | -- | 2.4％ |
| Al | 余量 | 余量 | 余量 | 余量 | 余量 | 余量 | 余量 |
实施例2制备铝合金单丝
纯度为99.7％的纯铝锭熔化，加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示，合金元素是以中间合金的形式加入。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700℃～760℃，保持50～60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200℃～250℃保温20分钟，然后进行铝液浇铸，浇铸成Ф80～200mm的柱锭，最后挤压成Ф9.5mm的圆铝杆。采用常规的铝单丝制备工艺，通过挤压机对铝合金杆进行挤压，将挤成的杆材，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝。在210℃加热1小时后测试强度残余率。对各样品制得的铝合金单丝测试结果见表2。
表2各样品测试结果
| 样品1 | 样品2 | 样品3 | 样品4 | 样品5 | 样品6 | 样品7 | |
| 导电率(IACS) | 61.54％ | 61.51％ | 61.60％ | 61.20％ | 61.22％ | 61.35％ | 61.40％ |
| 拉伸强度(MPa) | 161 | 165 | 162 | 164 | 163 | 167 | 162 |
| 耐热温度(℃) | 120 | 120 | 120 | 120 | 120 | 120 | 120 |
| 延伸率(％) | 2.0 | 2.1 | 2.0 | 2.1 | 2.1 | 2.0 | 2.0 |
| 强度残余率 | ＞90％ | ＞90％ | ＞90％ | ＞90％ | ＞90％ | ＞90％ | ＞90％ |
实施例3-纯度为99.7％的纯铝锭，加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示，合金元素是以中间合金的形式加入。经浇铸形成直径为9.5mm的铝合金圆杆。采用常规的铝单丝制备工艺，通过挤压机对铝合金杆进行挤压，将挤成的杆材，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝，导电率为61.60％IACS，测试强度为162MPa，在210℃下保温1小时，大于原强度的90％。
Claims (6)
1.一种导电率≥61.5％IACS，耐热温度≥120℃含碱土金属的铝合金，其特征在于：按质量百分比计，所述铝合金包括：
锆：0.01～0.16％，硅：0.01～0.2％，硼：0.01～0.2％，铁：0.05-0.15％，碱土金属：0.3～4.0％，余量为铝和不可避免的杂质；
所述碱土金属元素为钙、钡或锶中的一种或多种元素的任意组合。
2.如权利要求1所述的一种含碱土金属的高导电率耐热铝合金，其特征在于：所述碱土金属元素为钙；所述钙的含量为0.45～1.0％。
3.如权利要求1所述的一种含碱土金属的高导电率耐热铝合金，其特征在于：所述碱土金属元素为钡；所述钡的含量为0.3～1.5％。
4.如权利要求1所述的一种含碱土金属的高导电率耐热铝合金，其特征在于：所述碱土金属元素为锶；所述锶的含量为1.2～3.5％。
5.一种如权利要求1所述的铝合金的制造方法，其特征在于：所述方法为：将所述各元素加入到熔化的纯铝锭中，经除氢、除渣后搅拌，在700～760℃下保持50～60分钟。
6.一种利用如权利要求1所述合金制备单丝的方法，其特征在于：所述方法为：将模具加热至200℃～250℃保温20分钟后进行铝液浇铸，挤压成型。
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