CN109903889A - 一种抗蠕变高导电铜包铝合金导体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电线电缆技术领域，具体涉及一种抗蠕变高导电铜包铝合金导体及其制备方法，所述抗蠕变高导电铜包铝合金导体包括铝合金杆和铜层，所述铜层均匀、同心地包覆在所述铜层铝合金杆表面，所述铝合金杆的原料按质量百分比构成为：铁0.05～3.00％，铜0.005～0.60％，镁0.005～0.50％，铈0.005～0.50％，硼0.005％～0.05％，余量为铝及不可避免的杂质。所述抗蠕变高导电铜包铝合金导体的制备方法分为以下步骤：熔炼、连铸连轧、包覆焊接、退火拉丝。本发明的抗蠕变高导电铜包铝合金导体导电率高，机械强度好，抗拉强度能达到185MPa，可应用电线电缆导体。

Description

一种抗蠕变高导电铜包铝合金导体及其制备方法

技术领域

本发明涉及电线电缆技术领域，特别涉及一种抗蠕变高导电铜包铝合金导体及其制备方法。

背景技术

电线电缆行业是中国仅次于汽车行业的第二大行业，产品品种满足率和国内市场占有率均超过90％。随着我国经济的快速发展，电力***的大发展、大规模的基础建设，我国对电线电缆的需求量快速的增长。目前我国电线电缆的导体材料大部分采用是铜导体，但由于我国铜资源紧张，铜价居高不下，铜导体材料占据铜电线电缆成本的约70％，导致制造铜电线电缆的成本太大；若使用纯铝导体材料长期运行或电流过载后会发生较大的蠕变，导致接触电阻增大，易引起事故，且弯曲性能不好，易开裂或折断，同样易引发事故。因此，抗蠕变高导电铜包铝合金导体材料的研究势在必行。

发明内容

本发明旨在提供一种抗蠕变高导电铜包铝合金导体及其制备方法，所要解决的技术问题是如何提高材料的导电性能和抗蠕变性能。

根据第一方面，本发明公开了一种抗蠕变高导电铜包铝合金导体，包括铝合金杆和铜层，所述铜层均匀、同心地包覆在所述铜层铝合金杆表面，所述铝合金杆的原料按质量百分比构成为：铁0.05～3.00％，铜0.005～0.60％，镁0.005～0.50％，铈0.005～0.50％，硼0.005％～0.05％，余量为铝及不可避免的杂质。

作为优选地，所述铝合金杆的原料按质量百分比构成为：铁0.10～1.00％，铜0.01～0.40％，镁0.005～0.20％，铈0.01～0.30％，硼0.008％，余量为铝及不可避免的杂质。

作为优选地，所述铝合金杆中铝及不可避免的杂质含量为98.65％。

作为优选地，所述铜层中铜含量为99.95％以上。

根据第二方面，本发明公开了一种抗蠕变高导电铜包铝合金导体的制备方法，包括以下步骤：

熔炼：按相应的质量百分比选取铝合金杆的原料进行熔炼形成铝合金熔体；

连铸连轧：将所述铝合金熔体浇铸入连铸机进行铸造，铸造期间用冷却水不断冷却得到铸坯，然后将所述铸坯连续喂入连轧机轧制得铝合金杆，所述连轧机采用乳化液进行润滑；

包覆焊接：将所述铝合金杆的外侧包覆一层铜带以形成铜包覆铝合金棒材；

退火拉丝：对所述铜包覆铝合金棒材进行退火拉丝处理，按照预设规格拉制成铜包铝合金导体。

优选的，所述熔炼步骤中熔炼的温度为720～750℃，熔体的出炉温度为700～730℃。

优选的，所述熔炼步骤中采用智能设备对铝合金熔体进行充分地搅拌，使铝合金杆的原料成分能均匀混合，搅拌操作贯穿熔炼整个过程，可以提高合金化元素溶解的速度，并可以使温度均匀，避免熔体局部过热。

需要说明的是，铝合金熔炼时，熔炼温度的正确选择对铝合金导体材料的性能非常重要。熔炼过程中温度的控制是实现物理和化学变化的必要条件，要保证铝合金中各元素充分溶解。当熔炼温度过低时，铝合金的熔化速度慢，会加重合金液的吸气，而且合金液的黏度高，不利于气体的上浮和夹渣的下沉或上浮，导致铸造铝合金导体材料中存在气孔和夹渣，降低其导电率和断裂延伸率；当熔炼温度过高时，铝合金液易发生过热现象，使铝与空气、炉气等相互作用、反应速度加快，同时也会加重合金液的吸气，导致铸造铝合金导体材料中存在气孔和夹渣，降低其导电率和断裂延伸率。因此，选择一个合适的熔炼温度是改善铝合金导体材料性能的重要因素。

需要说明的是，连铸连轧操作中，浇铸温度、轧制速度、轧制温度对铝合金导体的性能有重要影响。浇铸温度提高时，铝合金导体材料的晶粒有粗化倾向影响其性能；浇铸温度降低时，铝合金筒体的黏度增加，导致铝合金导体材料的铸造缺陷增加而影响其性能。而铝合金杆的轧制是多道次轧制，各道次的轧制温度、变形量、变形速度各不相同，导致各道次的加工硬化和再结晶软化也不一样。

作为优选地，所述浇铸温度为690～720℃，所述冷却水的温度低于35℃，所述铸坯喂入连轧机的温度为450～520℃，离开连轧机的温度为260～300℃，所述乳化液温度低于45℃。

通过连铸连轧工艺的有效控制，使其不但具有高的抗拉强度、屈服极限，而且具有优良的电导率、在高温时阻热稳定性好抗压蠕变性能非常优异。

作为优选地，所述熔炼步骤后对所述铝合金熔体进行除气和精炼。

作为优选地，所述熔炼步骤中采用真空型铝合金熔体在线除气装置对所述铝合金熔体进行在线除气和除渣。

通过在线除气和除渣，保证铝合金熔体中的氢含量和消除夹杂的其它缺陷，使熔体达到充分的合金化；从而保证铝合金杆的性能。

作为优选地，所述连铸连轧步骤采用全两辊式连铸连轧机进行连铸连轧。

作为优选地，所述拉丝退火步骤中铝合金棒材退火温度为350～380℃，退火时间为20～40min。

需要说明的是，拉线是将金属杆或棒通过模具，在一定的拉应力作用下，使金属的截面积减小，长度增加，得到线材制品的尺寸、形状与模具的尺寸、形状相同的塑性加工方法。拉线过程中的设备、模具、润滑剂等对铝合金导线的性能有影响。铝合金杆经多道次拉拔，由于加工硬化的作用，铝合金导体材料的抗拉强度增加、导电率降低、延伸率减小。

本发明具有以下优点：

1.确定了抗蠕变铜包铝合金导体的最佳组成成分，为铁0.05～3.00％，铜0.005～0.60％，镁0.005～0.50％，铈0.005～0.50％，硼0.005％～0.05％，余量为铝及不可避免的杂质。通过铁、镁、铜和其他微量稀土元素来填充晶界空位，提升抗压蠕变性能从而获得高导电率和良好机械性能。

2.通过退火处理使铝合金熔体在成分及组织上趋于均匀和稳定，能消除加工研化，恢复合金的塑性；同时通过提高了合金的抗拉强度；使得制备的铝合金杆在保证力学性能的同时消除内部的残余应力，提高抗蠕变性能。

3.本发明抗蠕变高导电铜包铝合金导体的制备方法在加工工艺上达到了充分合金化，得到的高性能抗蠕变高导电铜包铝合金导体的压蠕变性能与纯铜性能基本一致，在安装施工时与端子之间压接时仍然是铜-铜接触，不存在电化学腐蚀问题，要远优于目前市场上的铜包铝与铜包铝镁导体性能。

4.本发明的抗蠕变高导电铜包铝合金导体的密度低于纯铜的密度，与相同规格、相同重量的纯铜产品相比，本发明产品的长度是纯铜产品长度的2.4倍。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。比例和百分比基于重量，除非特别说明。

实施例中的原料成分见表1，制成直径0.150mm的抗蠕变高导电铜包铝合金导体。采用在线除气装置对熔体进行在线除气和除渣，采用国产全两辊式铝及合金线杆连铸连轧生产线进行连铸连轧。

表1.实施例1～3原料成分

铁

铜

镁

铈

硼

铝及不可避免的杂质

实施例1

0.250％

0.100％

0.050％

0.100％

0.005％

余量

实施例2

0.700％

0.250％

0.192％

0.200％

0.008％

余量

实施例3

1.000％

0.400％

0.100％

0.300％

0.010％

余量

实施例1

表1中实施例1的抗蠕变高导电铜包铝合金导体按如下步骤制备：

(1)熔炼处理：将铝合金原料在750℃熔化形成熔体，再进行除气精炼，出炉温度740℃；

(2)连铸连轧处理：采用全两辊式连铸连轧生产工艺，将经步骤(1)制得的熔体浇入连铸机进行铸造，铸造时用冷却水不断冷却，得到铸坯，将铸坯连续喂入连轧机，连轧机采用乳化液润滑，轧制成铝合金杆，其中，浇铸温度为700℃，冷却水的温度30℃，进轧温度为500℃，终轧温度为300℃，乳化液温度32℃以下；铸造得到直径为8.6mm的铝合金杆；

(3)表面铜包处理：将步骤(2)中制得的铝合金杆的外侧包覆一层铜带，铜带的厚度为0.38mm，以形成铜包覆铝合金棒材；

(4)退火拉丝处理：对步骤(3)中得到的铜包覆铝合金棒材进行退火拉丝处理，退火温度360℃，时间为20min，随后经拉制得到直径0.15mm的铜包铝合金导体。

实施例2

表1中实施例2的抗蠕变高导电铜包铝合金导体按如下步骤制备：

(1)熔炼处理：将铝合金原料在730℃熔化形成熔体，再进行除气精炼，然后在720℃出炉；

(2)连铸连轧处理：采用全两辊式连铸连轧生产工艺，将经步骤(1)制得的熔体浇入连铸机进行铸造，铸造时用冷却水不断冷却，得到铸坯，将铸坯连续喂入连轧机，连轧机采用乳化液润滑，轧制成铝合金杆，其中，浇铸温度为720℃，冷却水的温度25℃，进轧温度为500℃，终轧温度为300℃，乳化液温度35℃以下；铸造得到直径为8.6mm的铝合金杆；

(3)表面铜包处理：将步骤(2)中制得的铝合金杆的外侧包覆一层铜带；铜带的厚度为0.40mm，以形成铜包覆铝合金棒材。

(4)退火拉丝处理：对步骤(3)得到的铜包覆铝合金棒材进行退火拉丝处理，退火温度360℃，时间为20min，随后经拉制得到直径0.15mm的铜包铝合金导体。

实施例3

表1中实施例3的抗蠕变高导电铜包铝合金导体按如下步骤制备：

(1)熔炼处理：将铝合金原料在730℃熔化形成熔体，再进行除气精炼，然后在700℃出炉；

(2)连铸连轧处理：采用全两辊式连铸连轧生产工艺，将经步骤(1)制得的熔体浇入连铸机进行铸造，铸造时用冷却水不断冷却，得到铸坯，将铸坯连续喂入连轧机，连轧机采用乳化液润滑，轧制成铝合金杆，其中，浇铸温度为720℃，冷却水的温度25℃，进轧温度为180℃，终轧温度为260℃，乳化液温度25℃以下；铸造得到直径为8.6mm的铝合金杆；

(3)表面铜包处理：将步骤(2)中制得的铝合金杆的外侧包覆一层铜带，铜带的厚度为0.38mm，以形成铜包覆铝合金棒材。

(4)退火拉丝处理：对步骤(3)中铜包覆铝合金棒材进行退火拉丝处理，退火温度375℃，时间为25min，随后经拉制得到直径0.15mm的铜包铝合金导体。

以实施例1～3的铝合金材料为样品，测量样品的抗拉伸强度、断裂延伸率、裸线电阻率及在120℃&112MPa和20℃&112MPa测试得到的与铜抗蠕变性差值比，实验结果如表2所示。

表2.实施例1～3机械性能及电学性能

从表2中可以看出，实施例1、2及3的抗蠕变高导电铜包铝合金导体抗拉强度不小于185MPa，断裂延伸率大于10％，裸线电阻率小于0.0265Ω·mm²/m；而相同规格的铜包铝材料的抗拉强度低于172MPa，断裂延伸率在7％左右，电阻率在0.029984Ω·mm²/m左右，说明本发明实施例的电学性能和机械性能都高于普通的铝合金导体。且在极限测试(120℃&112MPa)和常规测试(20℃&112MPa)条件下，本发明的蠕变高导电铜包铝合金导体具有优异抗蠕变性能，与纯铜性能基本一致，与端子之间压接时仍然是铜-铜接触，不存在电化学腐蚀问题，可应用于电线电缆中。

此外，上面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种抗蠕变高导电铜包铝合金导体，其特征在于，包括铝合金杆和铜层，所述铜层均匀、同心地包覆在所述铜层铝合金杆表面，所述铝合金杆的原料按质量百分比构成为：铁0.05～3.00％，铜0.005～0.60％，镁0.005～0.50％，铈0.005～0.50％，硼0.005％～0.05％，余量为铝及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的抗蠕变高导电铜包铝合金导体，其特征在于，所述铝合金杆的原料按质量百分比构成为：铁0.10～1.00％，铜0.01～0.40％，镁0.005～0.20％，铈0.01～0.30％，硼0.008％，余量为铝及不可避免的杂质。

3.如权利要求1-2任一项所述的抗蠕变高导电铜包铝合金导体，其特征在于，所述铝合金杆中铝及不可避免的杂质含量为98.65％。

4.一种抗蠕变高导电铜包铝合金导体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

熔炼：按相应的质量百分比选取铝合金杆的原料进行熔炼形成铝合金熔体；

连铸连轧：将所述铝合金熔体浇铸入连铸机进行铸造，铸造期间用冷却水不断冷却得到铸坯，然后将所述铸坯连续喂入连轧机轧得到铝合金杆，所述连轧机采用乳化液进行润滑；

包覆焊接：将所述铝合金杆的外侧包覆一层铜带以形成铜包覆铝合金棒材；

退火拉丝：对所述铜包覆铝合金棒材进行退火拉丝处理，按照预设规格拉制成铜包铝合金导体。

5.如权利要求4所述的抗蠕变高导电铜包铝合金导体的制备方法，其特征在于，所述熔炼步骤中熔炼的温度为720～750℃，所述铝合金熔体的出炉温度为700～730℃。

6.根据权利要求4所述的抗蠕变高导电铜包铝合金导体的制备方法，其特征在于，在所述熔炼步骤之后，还包括对所述铝合金熔体进行除气和精炼。

7.根据权利要求4所述的抗蠕变高导电铜包铝合金导体的制备方法，其特征在于，所述熔炼步骤中采用真空型铝合金熔体在线除气装置对所述铝合金熔体进行在线除气和除渣。

8.根据权利要求4所述的抗蠕变高导电铜包铝合金导体的制备方法，其特征在于，所述连铸连轧步骤中采用全两辊式连铸连轧机进行连铸连轧。

9.如权利要求4所述的抗蠕变高导电铜包铝合金导体的制备方法，其特征在于，所述连铸连扎步骤中浇铸温度为690～720℃，所述冷却水的温度低于35℃，所述铸坯喂入连轧机的温度为450～520℃，所述铸坯离开连轧机的温度为260～300℃，所述乳化液温度低于45℃。

10.根据权利要求4-9任一项权利要求所述的抗蠕变高导电铜包铝合金导体的制备方法，其特征在于，所述拉丝退火步骤中铝合金棒材退火温度为350～380℃，退火时间为20～40min。