CN104894438A

CN104894438A - 一种高导电率耐热铝合金单丝材料及其制备方法

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Publication number: CN104894438A
Application number: CN201510342304.0A
Authority: CN
Inventors: 祝志祥; 陈保安; 韩钰; 张强; 潘学东; 陈新; 杨长龙; 史宏伟; 赵蕊; 冯砚厅; 于鑫; 刘君; 杨印; 符少朋
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Hebei Electric Power Co Ltd; State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd; Smart Grid Research Institute of SGCC; Zhoukou Power Supply Co of State Grid Henan Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Hebei Electric Power Co Ltd; State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd; Smart Grid Research Institute of SGCC; Zhoukou Power Supply Co of State Grid Henan Electric Power Co Ltd
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2035-06-18
Also published as: CN104894438B

Abstract

本发明提供一种高导电率耐热铝合金单丝材料及其制备方法，本发明提供的合金由按质量百分比计的以下原料组成：B 0.002～0.03％，Sn 0.02～0.10％，Zr0.018～0.030％，Si 0.001～0.06％，Fe 0.001～0.15％，(V+Ti+Cr+Mn)≤0.01％，余量为铝。本发明提供的铝合金单丝经冶炼、精炼、浇铸、制杆和拉丝的步骤制得。制得的耐热铝合金单丝材料的导电率≥61.2％IACS，抗拉强度≥165MPa，延伸率＞2.0％，耐热温度≥150℃，于230℃下加热1h后强度残余率大于90％。

Description

一种高导电率耐热铝合金单丝材料及其制备方法

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，具体涉及一种高导电率耐热铝合金单丝材料及其制备方法。

背景技术

耐热铝合金导线具有低弧垂、增容等特性，可在避免更换杆塔的前提下进行线路改造，运行温度可提升至120℃以上，载流量提高40％以上，尤其适合新建大容量输电线路及居民密集区老旧线路的增容改造。耐热铝合金导线采用的耐热铝合金材料，在20℃时的导电率≤60％IACS(International Annealing CopperStandard，国际退火铜标准)，输电线损较高，且制造时大多采用纯度较高的电工铝原料，另外一般还需添加价格昂贵的Er、Y、Sc等稀土元素进行微合金化改性，生产使用成本较高，在一定程度上也制约了其大规模发展及应用。

自1949年Harringtond首次在铝材中添加Zr提高铝材耐热性能以来，研究者们对耐热铝合金导线开展了大量研究，到20世纪末，耐热铝合金导线的导电率提高至60％IACS，导线长期使用温度达到210℃。但随着耐热铝合金耐热温度的提高，其导电率降低明显，输电线损增大，这与发展可持续节能经济背道而驰。因此，在保证较高载流量的前提下，如何提高耐热铝合金的导电率、降低线损并有效控制成本成为当前耐热铝合金导线亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种高导电率耐热铝合金单丝材料，解决常规60％IACS耐热铝合金导线导电率低输电线损大的技术难题。

为实现上述目的，采取以下技术方案：

一种高导电率耐热铝合金单丝材料，所述合金由按质量百分比计的以下原料组成：B 0.002～0.03％，Sn 0.02～0.10％，Zr 0.018～0.030％，Si 0.001～0.06％，Fe0.001～0.15％，(V+Ti+Cr+Mn)≤0.01％，余量为铝。

所述的高导电率耐热铝合金单丝材料的第一优选方案，所述合金由按质量百分比计的以下原料组成：B 0.015～0.025％，Sn 0.05～0.10％，Zr 0.018～0.030％，Si0.001～0.06％，Fe 0.001～0.15％，(V+Ti+Cr+Mn)≤0.01％，余量为铝。

所述的高导电率耐热铝合金单丝材料的第二优选方案，所述合金由按质量百分比计的以下原料组成：B 0.02％，Sn 0.05％，Zr 0.026％，Si 0.048％，Fe 0.128％，(V+Ti+Cr+Mn)0.009％，余量为铝。

所述的高导电率耐热铝合金单丝材料的制备方法，包括以下步骤：

1)冶炼：于730～750℃下熔炼工业纯铝锭和Al-B中间合金静置30min后扒渣，再于750℃下，熔化Al-Zr合金和纯度为99.95％的Sn；

2)精炼：用精炼剂精炼铝液15min，静置40min后扒渣；

3)浇铸：于700～720℃下将铝合金液浇入紫铜质铸模具中，制得铝合金锭；

4)制杆：将步骤3)制得的铝合金锭于510～530℃下保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金圆杆；

5)拉丝：以10～15m/s的速率对步骤4)制得的铝合金圆杆拉丝，以每道次6～10％的变形量拉制得到单丝。

所述的高导电率耐热铝合金单丝材料的制备方法的第一优选技术方案，步骤2所述精炼的温度为720～730℃。

所述的高导电率耐热铝合金单丝材料的制备方法的第二优选技术方案，步骤3所述铝合金锭的尺寸为22×22×380mm。

所述的高导电率耐热铝合金单丝材料的制备方法的第三优选技术方案，步骤5所述拉丝的温度为30～50℃；所述单丝的直径为3.5～3.99mm。

所述的高导电率耐热铝合金单丝材料在架空导线中的应用。

各合金元素的作用及机理如下：

Sn：在现代工业中Sn元素是不可或缺的稀有金属，我国锡矿资源十分丰富，是世界上锡矿探明储量最多的国家。Sn元素以微量形式加入铝合金中能够明显改善铝合金的微观组织和其力学性能。加入Sn后形成的富Sn粒子或者快速冷却所形成位错环能够直接或间接起到促进非均匀形核的作用。加热时，Sn元素会以Sn原子的形式析出，从而对铝合金起到强化作用。Sn再熔体中能够形成Al₉Sn₇、Al₆Sn₅、Al₅Sn₂和Al₃Sn₄等多种合金化合物，形成高温强化相，提高铝合金运行的热稳定性和高温抗蠕变性能，并且可以有效改善铝合金室温或高温条件下的抗腐蚀性能。

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。

B：铝导体中杂质元素如果以固溶态存在，对导电性能的影响很大，而硼化处理能有效降低杂质含量，即在电工铝中加入一定量的B元素后，能够和过渡族杂质元素Cr、Mn、V、Ti等杂质元素发生反应，使之由固溶态转变为化合态并沉积于熔体底部而净化铝导体，从而提高铝合金的导电性能。与此同时，在铝导体加入适量的Zr能明显改善合金的耐热性能，但Zr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保证其导电性。一般认为，控制含Zr耐热铝合金材料中加入的B在Zr：B＝1：2的范围内，添加的B与合金中的Zr形成ZrB₂化合物，由于化合物弥散分布且颗粒较小，ZrB₂不能作为Al原子的形核中心，因此它不会对合金产生晶粒细化作用，不会增加晶界，从而降低了Zr元素对合金的导电性产生的负面影响。然而过量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。

Si：硅主要来自铝矾土中的二氧化硅或硅酸盐，是纯铝中的一种主要杂质元素。Si能提高铝合金的铸造性能及焊接流动性，还能使铝合金具有较高的力学性能。但随着Si含量增加，铝合金的电阻率增加。这主要是由于Si是半导体，较铝基体的电阻率高得多，故Si含量的增加将减少铝基体的有效导电截面积，降低铝合金的导电率。因此，降低硬铝材料的电阻率应尽量减少Si含量。

Fe：铝中含有一定量的铁，是纯铝中的一种主要杂质。因为熔炼与铸造使用的工具主要是钢质或铸铁，Fe元素就会因这些工具带入铝中，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或Al-Fe-Si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。

Cr、Mn、V、Ti：均为电工纯铝中的杂质元素。铝导体中的Cr、Mn、V、Ti杂质元素以固溶态存在时，很容易吸收导体材料内的自由电子而填充它们不完整的电子层。这种传导电子数目的减少会导致铝导体电阻率的增加。研究表明，每1％(Cr+Mn+V+Ti)的有害作用为每1％Si对铝导体导电性能有害作用的5倍。由此可以看出严格控制Cr、Mn、V、Ti杂质元素的含量对保证铝导体的导电性能具有重要作用。

与最接近的现有技术相比，本发明具有以下效果：

1)本发明由于在铝合金中添加了微量的B、Zr、Sn元素，既能够降低铝合金杂质含量，又可形成高温强化相提高铝合金的热稳定性和高温抗蠕变性能，从而保证铝合金材料具有高导电率的同时具有良好的力学性能和耐热性能；

2)制备出的耐热铝合金单丝材料无需对圆杆或单丝进行热处理，从而简化了高导电率耐热铝合金单丝材料的制备工艺，降低了生产成本；

3)本发明制备的耐热铝合金单丝材料的导电率≥61.2％IACS，抗拉强度≥165MPa，延伸率＞2.0％，耐热温度≥150℃，于230℃下加热1h后强度残余率大于90％。

具体实施方式

所有实施例均采用现有的冶炼及轧制设备。

实施例1

一种高导电率耐热铝合金单丝材料，组分及其质量百分比为：

上述高导电率耐热铝合金单丝材料的制备方法，包括以下步骤：

1)冶炼：于730℃下熔炼工业纯铝锭和Al-B中间合金静置30min后扒渣，再于750℃下，熔化Al-Zr合金和纯度为99.95％的Sn；

2)精炼：于720℃下用精炼剂精炼铝液15min，静置40min后扒渣；

3)浇铸：于700℃下将铝合金液浇入紫铜质铸模具中，制得22×22×380mm的铝合金锭；

4)制杆：将步骤3)制得的铝合金锭于510℃下保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金圆杆；

5)拉丝：于30℃下，以10m/s的速率对步骤4)制得的铝合金圆杆进行拉丝，拉制得到单丝3.60mm。

所制备的铝合金单丝导电率为61.68％IACS，抗拉强度为168.9MPa，延伸率为2.40％，耐热性91.2％。

实施例2

1)冶炼：于735℃下熔炼工业纯铝锭和Al-B中间合金静置30min后扒渣，再于750℃下，熔化Al-Zr合金和纯度为99.95％的Sn；

2)精炼：于725℃下用精炼剂精炼铝液15min，静置40min后扒渣；

3)浇铸：于705℃下将铝合金液浇入紫铜质铸模具中，制得22×22×380mm的铝合金锭；

4)制杆：将步骤3)制得的铝合金锭于515℃下保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金圆杆；

5)拉丝：于35℃下，以12m/s的速率对步骤4)制得的铝合金圆杆进行拉丝，拉制得到单丝3.60mm。

所制备的铝合金单丝导电率为61.50％IACS，抗拉强度为169.3MPa，延伸率为2.32％，耐热性92.0％。

实施例3

1)冶炼：于740℃下熔炼工业纯铝锭和Al-B中间合金静置30min后扒渣，再于750℃下，熔化Al-Zr合金和纯度为99.95％的Sn；

2)精炼：于730℃下用精炼剂精炼铝液15min，静置40min后扒渣；

3)浇铸：于710℃下将铝合金液浇入紫铜质铸模具中，制得22×22×380mm的铝合金锭；

4)制杆：将步骤3)制得的铝合金锭于520℃下保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金圆杆；

5)拉丝：于40℃下，以15m/s的速率对步骤4)制得的铝合金圆杆进行拉丝，拉制得到单丝3.84mm。

所制备的铝合金单丝导电率为61.70％IACS，抗拉强度为168.0MPa，延伸率为2.5％，耐热性92.6％。

实施例4

1)冶炼：于750℃下熔炼工业纯铝锭和Al-B中间合金静置30min后扒渣，再熔化Al-Zr合金和纯度为99.95％的Sn；

2)精炼：于725℃下用精炼剂精炼铝液15min，静置40min后扒渣；

3)浇铸：于720℃下将铝合金液浇入紫铜质铸模具中，制得22×22×380mm的铝合金锭；

4)制杆：将步骤3)制得的铝合金锭于530℃下保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金圆杆；

5)拉丝：于50℃下，以10m/s的速率对步骤4)制得的铝合金圆杆进行拉丝，拉制得到单丝3.99mm。

所制备的铝合金单丝导电率为61.43％IACS，抗拉强度为167.1MPa，延伸率为2.52％，耐热性93.1％。

实施例5

2)精炼：于730℃下用精炼剂精炼铝液15min，静置40min后扒渣；

5)拉丝：于40℃下，以15m/s的速率对步骤4)制得的铝合金圆杆进行拉丝，拉制得到单丝3.99mm。

所制备的铝合金单丝导电率为61.28％IACS，抗拉强度为167.5MPa，延伸率为2.21％，耐热性94.0％。

表1各实施例制备的铝合金单丝的成分表(wt％)

组分	B	Zr	Sn	Cr+Mn+V+Ti	Fe	Si
							实施例1	0.015	0.018	0.05	0.01	0.138	0.053
实施例2	0.02	0.02	0.06	0.009	0.13	0.05
							实施例3	0.02	0.026	0.05	0.009	0.128	0.048
实施例4	0.02	0.028	0.08	0.008	0.123	0.05
							实施例5	0.025	0.30	0.10	0.007	0.114	0.047

表2各实施例制备的铝合金单丝的性能测试结果

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种高导电率耐热铝合金单丝材料，其特征在于所述合金由按质量百分比计的以下原料组成：B 0.002～0.03％，Sn 0.02～0.10％，Zr 0.018～0.030％，Si0.001～0.06％，Fe 0.001～0.15％，(V+Ti+Cr+Mn)≤0.01％，余量为铝。

2.根据权利要求1所述的高导电率耐热铝合金单丝材料，其特征在于所述合金由按质量百分比计的以下原料组成：B 0.015～0.025％，Sn 0.05～0.10％，Zr0.018～0.030％，Si 0.001～0.06％，Fe 0.001～0.15％，(V+Ti+Cr+Mn)≤0.01％，余量为铝。

3.根据权利要求1所述的高导电率耐热铝合金单丝材料，其特征在于所述合金由按质量百分比计的以下原料组成：B 0.02％，Sn 0.05％，Zr 0.026％，Si0.048％，Fe 0.128％，(V+Ti+Cr+Mn)0.009％，余量为铝。

4.一种权利要求1所述的高导电率耐热铝合金单丝材料的制备方法，包括以下步骤：

2)精炼：用精炼剂精炼铝液15min，静置40min后扒渣；

5.根据权利要求4所述的高导电率耐热铝合金单丝材料的制备方法，其特征在于步骤2所述精炼的温度为720～730℃。

6.根据权利要求4所述的高导电率耐热铝合金单丝材料的制备方法，其特征在于步骤3所述铝合金锭的尺寸为22×22×380mm。

7.根据权利要求4所述的高导电率耐热铝合金单丝材料的制备方法，其特征在于步骤5所述拉丝的温度为30～50℃；所述单丝的直径为3.5～3.99mm。

8.权利要求1-3任一所述的高导电率耐热铝合金单丝材料在架空导线中的应用。