CN110923529A - 电力电缆用Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线及其制备方法 - Google Patents

电力电缆用Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电力电缆用Al‑Cu‑Sr‑RE‑Ge铝合金线及其制备方法，所述铝合金线由以下成分组成：0.4‑0.8wt％的Cu；0.15‑0.36wt％的Sr；0.12‑0.32wt％的RE；0.13‑0.28wt％的Ge；0.11‑0.18wt％的Si；0.02‑0.09wt％的Co；0.03‑0.07wt％的Ca；0.01‑0.05wt％的Cr；余量为Al及不可避免的杂质。制备方法包括以下步骤：(1)熔炼、浇注；(2)505‑520℃下淬火处理，210‑225℃下时效处理；(3)485‑510℃下挤压成铝合金杆；(4)在290‑310℃下，拉拔为铝合金线Ⅰ；(5)在330‑360℃下，拉拔为直径为铝合金线Ⅱ；(6)将铝合金线Ⅱ先置于350‑380℃下保温3‑5h；再将温度降至230‑260℃，保温6‑10h，空冷至室温。本发明制备得到的铝合金线具有优异的导电率和耐热性，同时强度高、韧性好，抗疲劳性强。

Description

电力电缆用Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线及其制备方法
技术领域
本发明涉及电缆技术领域，具体涉及一种电力电缆用Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线及其制备方法。
背景技术
随着我国电力工业室温蓬勃发展，电缆作为基础材料，需求量与日俱增。目前在我国，电缆的导体绝大部分采用铜和铝两种材料。铜导体具有优越的导电性、抗腐蚀性、机械性能，其用量远远超过铝导体，成为电缆导体的首选材料。但正是由于铜导体的优越性能，使得其需求量越来越大。但是我国铜矿资源储量有限，因此我国对精铜主要依赖于进口。巨大的铜消费量，相对短缺的铜矿资源储存量，以及高昂的价格，对铜芯电缆的发展产生了一定的抑制。
然而，我国拥有丰富的铝矿资源，据统计，我国铝矿资源储藏量达到8％，达到37％亿吨。近年来，人们多次探索“以铝代铜”的思路用以解决铜资源不足。但因铝作为导体，其机械强度差，一蠕变，容易过载发热等缺点，均以失败告终。但人们经过不断的努力探索，最终研制出铝合金来代替铜作为新型导电材料。
铝合金电缆在电工铝中加入铜、铁、镁、硅、锌、硼等合金元素，同时通过工艺调整，使得铝合金导体的机械性能大幅提高，避免纯铝导体的伸长率低、抗蠕变性能差、柔韧性差的问题，增加电缆***的连接可靠性。另外，保持铝合金的电气性能与电工铝导体持平，在61％IACS以上。合金电力电缆弥补了以往纯铝电缆的不足，虽然没有提高了电缆的导电性能，但弯曲性能、抗蠕变性能和耐腐蚀性能等却大大提高，能够保证电缆在长时间过载和过热时保持连续性能稳定。
申请号为201210445283.1的中国专利公开了一种Al-Fe-Zr-RE铝合金及其制备方法和电力电缆，该发明中的铝合金作为电力电缆的线芯，可使电力电缆具有较好的综合性能，铝合金导电率大于60％，抗拉强度大于118MPa，断裂伸长率大于30％，长期运行耐热温度能达到230℃，且耐热运行试验后强度残存率能达到90％，90度反复弯折次数达到36次，400h耐腐蚀性能质量损失小于0.9g/m2·hr，最小弯曲半径大于4倍电缆外径。
申请号为201710816980.6的中国专利公开了一种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Ti铝合金，制备得到是我铝合金的电阻率不大于0.024132Ω·mm2/m，导电率大于63％IACS，断裂延伸率不低于13％，且90度疲劳折弯次数大于或等于35次。
以上电缆各方面性能均较好，但是随着电力工程的发展，对铝合金电缆的要求也会越来越高，因此开发性能更加优异的铝合金电缆势在必行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电力电缆用Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线及其制备方法，制备得到的铝合金线具有优异的导电率和耐热性，同时强度高、韧性好，抗疲劳性强。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种电力电缆用Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线，由以下成分组成：
0.4-0.8wt％的Cu；
0.15-0.36wt％的Sr；
0.12-0.32wt％的RE；
0.13-0.28wt％的Ge；
0.11-0.18wt％的Si；
0.02-0.09wt％的Co；
0.03-0.07wt％的Ca；
0.01-0.05wt％的Cr；
余量为Al及不可避免的杂质。
优选地，所述Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线由以下成分组成：
0.45-0.68wt％的Cu；
0.20-0.31wt％的Sr；
0.18-0.26wt％的RE；
0.15-0.21wt％的Ge；
0.14-0.17wt％的Si；
0.03-0.07wt％的Co；
0.04-0.06wt％的Ca；
0.02-0.05wt％的Cr；
余量为Al及不可避免的杂质。
进一步优选地，所述Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线由以下成分组成：
0.54wt％的Cu；
0.25wt％的Sr；
0.24wt％的RE；
0.19wt％的Ge；
0.15wt％的Si；
0.06wt％的Co；
0.04wt％的Ca；
0.03wt％的Cr；
余量为Al及不可避免的杂质。
优选地，所述RE为Ce、Nd、Pr、Sm、Tm、Gd、Lu中的一种或多种的组合。
进一步优选地，所述RE为Nd与Sm按质量比1:2-5组成，或Tm与Lu按质量比1:0.3-1.5组成。
本发明Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线的制备方法，包括以下步骤：
(1)将各原料加入至中频感应炉中进行熔炼，熔炼温度为760-780℃；将合金溶液降温至710-730℃进行浇注，浇注前件模具预热至260-300℃，浇注后空冷至室温，取出铸锭；
(2)将铸锭在505-520℃下进行淬火处理，在210-225℃下进行时效处理；
(3)将热处理后的铸锭在485-510℃下挤压成直径为8-11mm的铝合金杆；
(4)在290-310℃下，将铝合金杆拉拔为直径为3-6mm的铝合金线Ⅰ；
(5)在330-360℃下，将铝合金线Ⅰ拉拔为直径为1-2.5mm的铝合金线Ⅱ；
(6)将铝合金线Ⅱ先置于350-380℃下保温3-5h；再将温度降至230-260℃，保温6-10h，空冷至室温，既得所述Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线。
优选地，所述步骤(1)中，在中频感应炉熔炼和浇注两个过程中均采用机械辅助振动，机械振动的频率为70-85Hz，机械振动辅助从熔炼过程开始一直持续至浇注过程完成。
优选地，所述步骤(2)中，淬火具体温度将铸锭至于预热至260-300℃的加热炉中，保温30min后，以6-9℃/min的速度升温至485-510℃，保温5-8.5h，再水淬至室温。
优选地，所述步骤(2)中，时效处理的保温时间为8-11h，再空冷至室温。
一种电力电缆，包括线芯、绝缘层、屏蔽层和保护层，所述线芯为本发明中的Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线。
本发明的有益效果是：
本发明在铝合金线中加入铜，铜作为铝合金中的基本强化元素，它与铝形成θ(Al2Cu)相，而θ相具有较好的固溶强化作用，并具有明显的时效强化效果，可有效提高铝合金的拉伸强度和屈服强度；同时铜还可改善铝合金的热性能。本发明将铜的含量控制在0.4-0.8wt％之间，在此范围内，既可以使铜对铝合金的机械性能与耐热性具有较好的改善作用，同时于铜合金中形成形成有序固溶体，使铝合金线保持较好的导电性能。
加入的锶在合金中可形成Al7Sr8、Al4Sr3、AlSr2和AlSr3等多种合金元素，能起到高温强化作用，有效提高了高温蠕变性能。此外锶加入铝合金中，在铸轧时能防止铝合金高温开裂，并改善铝合金的塑性和加工性能，提高了加工成功率。
本发明在铝合金中添加适量的稀土元素，加入的稀土元素可细化晶粒，稀土元素与铝形成的高熔点的金属化合物弥散分布于呈网状或骨架状的晶间和枝晶间，并与基体牢固结合，可强化和稳定晶界，有效提高铝合金的抗疲劳极限和屈服极限；而稀土元素对于提高铝合金的氧化性和耐电化学腐蚀也有很好的效果。稀土元素可有效降低了电解质的初晶温度，使离子在电场的作用下运动速度加快，减少浓差过电位；而且稀土的除杂效果好，可净化铝合金，使铝合金中杂质少，由此可使铝合金的电阻率明显降低，有效提高了铝合金的导电性。特别是将RE为Nd与Sm按质量比1:2-5组成，或Tm与Lu按质量比1:0.3-1.5组成时，在提高机械性能以及提高导电率上效果更好。
加入锗、钴、铬可在熔体中能够形成多种合金化合物，形成高温强化相，可细化铸造组织，增强抗热裂纹性能，有效提高铝合金的热稳定和高温抗蠕变性，并使铝合金的耐磨性增强。加入适量的钙可使铝合金的塑性得到一定的提高。
本发明在制备铝合金线时，将制备得到铸锭进行适宜的淬火处理+时效处理，可使延展性与强度适宜，有效减少在挤压过程中内部缺陷的产生，挤压时适宜的挤压温度可限制铝矩阵中颗粒的增长，又使铝合金具有很好的挤压变形能力，易于进行铸件。将得到的铝合金杆在适宜的温度下进行两次拨拉，之后进行特定的热处理，使得到得到的铝合金线整个材料的性能达到均匀分布，各项性能综合指标达到俱佳的匹配。
其中，本发明在中频感应炉熔炼和浇注两个过程中均采用机械辅助振动，有助于细化铝合金的晶粒，并可消除孔洞等缺陷，使铝合金的强度、韧性均有所提高。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种电力电缆用Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线，由以下成分组成：
0.54wt％的Cu；
0.25wt％的Sr；
0.24wt％的RE；
0.19wt％的Ge；
0.15wt％的Si；
0.06wt％的Co；
0.04wt％的Ca；
0.03wt％的Cr；
余量为Al及不可避免的杂质。
RE为Nd与Sm按质量比1:3组成。
Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线的制备方法，包括以下步骤：
(1)将各原料加入至中频感应炉中进行熔炼，熔炼温度为770℃；将合金溶液降温至715℃进行浇注，浇注前件模具预热至290℃，浇注后空冷至室温，取出铸锭；
在中频感应炉熔炼和浇注两个过程中均采用机械辅助振动，机械振动的频率为70-85Hz，机械振动辅助从熔炼过程开始一直持续至浇注过程完成；
(2)将铸锭至于预热至300℃的加热炉中，保温30min后，以8℃/min的速度升温至520℃，保温8h，再水淬至室温；再将铸锭升温至220℃下进行时效处理，保温时间为10h，再空冷至室温；
(3)将热处理后的铸锭在505℃下挤压成直径为10mm的铝合金杆；
(4)在300℃下，将铝合金杆拉拔为直径为5mm的铝合金线Ⅰ；
(5)在345℃下，将铝合金线Ⅰ拉拔为直径为2mm的铝合金线Ⅱ；
(6)将铝合金线Ⅱ先置于370℃下保温3.5h；再将温度降至245℃，保温9h，空冷至室温，既得所述Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线。
实施例2：
一种电力电缆用Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线，由以下成分组成：
0.45wt％的Cu；
0.29wt％的Sr；
0.26wt％的RE；
0.17wt％的Ge；
0.17wt％的Si；
0.03wt％的Co；
0.05wt％的Ca；
0.03wt％的Cr；
余量为Al及不可避免的杂质。
RE为Nd与Sm按质量比1:5组成。
Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线的制备方法，包括以下步骤：
(1)将各原料加入至中频感应炉中进行熔炼，熔炼温度为780℃；将合金溶液降温至725℃进行浇注，浇注前件模具预热至300℃，浇注后空冷至室温，取出铸锭；
在中频感应炉熔炼和浇注两个过程中均采用机械辅助振动，机械振动的频率为85Hz，机械振动辅助从熔炼过程开始一直持续至浇注过程完成；
(2)将铸锭至于预热至300℃的加热炉中，保温30min后，以9℃/min的速度升温至520℃，保温5h，再水淬至室温；再将铸锭升温至220℃下进行时效处理，保温时间为8h，再空冷至室温；
(3)将热处理后的铸锭在510℃下挤压成直径为11mm的铝合金杆；
(4)在305℃下，将铝合金杆拉拔为直径为6mm的铝合金线Ⅰ；
(5)在330-360下，将铝合金线Ⅰ拉拔为直径为2.5mm的铝合金线Ⅱ；
(6)将铝合金线Ⅱ先置于380℃下保温3h；再将温度降至260℃，保温9h，空冷至室温，既得所述Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线。
实施例3：
一种电力电缆用Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线，由以下成分组成：
0.58wt％的Cu；
0.20wt％的Sr；
0.22wt％的RE；
0.21wt％的Ge；
0.16wt％的Si；
0.07wt％的Co；
0.04wt％的Ca；
0.05wt％的Cr；
余量为Al及不可避免的杂质。
RE为Tm与Lu按质量比1:1组成。
Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线的制备方法，包括以下步骤：
(1)将各原料加入至中频感应炉中进行熔炼，熔炼温度为760℃；将合金溶液降温至730℃进行浇注，浇注前件模具预热至260℃，浇注后空冷至室温，取出铸锭；
在中频感应炉熔炼和浇注两个过程中均采用机械辅助振动，机械振动的频率为70Hz，机械振动辅助从熔炼过程开始一直持续至浇注过程完成；
(2)将铸锭至于预热至260℃的加热炉中，保温30min后，以7.6℃/min的速度升温至505℃，保温8.5h，再水淬至室温；再将铸锭升温至210℃下进行时效处理，保温时间为11h，再空冷至室温；
(3)将热处理后的铸锭在485℃下挤压成直径为8mm的铝合金杆；
(4)在290℃下，将铝合金杆拉拔为直径为3mm的铝合金线Ⅰ；
(5)在330-360下，将铝合金线Ⅰ拉拔为直径为1mm的铝合金线Ⅱ；
(6)将铝合金线Ⅱ先置于350℃下保温5h；再将温度降至240℃，保温6h，空冷至室温，既得所述Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线。
实施例4：
一种电力电缆用Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线，由以下成分组成：
0.68wt％的Cu；
0.31wt％的Sr；
0.18wt％的RE；
0.15wt％的Ge；
0.14wt％的Si；
0.05wt％的Co；
0.06wt％的Ca；
0.02wt％的Cr；
余量为Al及不可避免的杂质。
RE为Tm与Lu按质量比1:0.6组成。
Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线的制备方法，包括以下步骤：
(1)将各原料加入至中频感应炉中进行熔炼，熔炼温度为770℃；将合金溶液降温至710℃进行浇注，浇注前件模具预热至280℃，浇注后空冷至室温，取出铸锭；
在中频感应炉熔炼和浇注两个过程中均采用机械辅助振动，机械振动的频率为80Hz，机械振动辅助从熔炼过程开始一直持续至浇注过程完成；
(2)将铸锭至于预热至270℃的加热炉中，保温30min后，以6℃/min的速度升温至510℃，保温7.5h，再水淬至室温；再将铸锭升温至225℃下进行时效处理，保温时间为10h，再空冷至室温；
(3)将热处理后的铸锭在500℃下挤压成直径为10mm的铝合金杆；
(4)在310℃下，将铝合金杆拉拔为直径为5mm的铝合金线Ⅰ；
(5)在330-360下，将铝合金线Ⅰ拉拔为直径为1.8mm的铝合金线Ⅱ；
(6)将铝合金线Ⅱ先置于360℃下保温4h；再将温度降至230℃，保温10h，空冷至室温，既得所述Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线。
实施例5：
一种电力电缆用Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线，由以下成分组成：
0.8wt％的Cu；
0.22wt％的Sr；
0.32wt％的RE；
0.13wt％的Ge；
0.15wt％的Si；
0.04wt％的Co；
0.03wt％的Ca；
0.05wt％的Cr；
余量为Al及不可避免的杂质。
RE为Nd与Sm按质量比1:2组成。
Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线的制备方法同实施例1。
实施例6：
一种电力电缆用Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线，由以下成分组成：
0.4wt％的Cu；
0.15wt％的Sr；
0.12wt％的RE；
0.28wt％的Ge；
0.11wt％的Si；
0.09wt％的Co；
0.05wt％的Ca；
0.02wt％的Cr；
余量为Al及不可避免的杂质。
RE为Tm与Lu按质量比1:0.3组成。
Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线的制备方法同实施例1。
实施例7：
一种电力电缆用Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线，由以下成分组成：
0.6wt％的Cu；
0.36wt％的Sr；
0.25wt％的RE；
0.19wt％的Ge；
0.18wt％的Si；
0.02wt％的Co；
0.07wt％的Ca；
0.01wt％的Cr；
余量为Al及不可避免的杂质。
RE为Ce、Pr、Sm按质量比1:1：1组成。
Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线的制备方法同实施例2。
性能测试：
使用双电桥法测量铝合金线的电阻率以获得导电率，然后通过拉张测试测量其机械特性。其中，出于耐热性测试的目的，在400℃的温度下将铝合金线热处理5小时，将耐热性测量为热处理之前和之后拉张强度的比。具体测试结果如表1所示。
表1铝合金线的性能测试数据
Figure BDA0002296379680000131
由表1可知，通过本发明实施例1-7制备得到的铝合金线具有优异的导电率和耐热性，同时强度高、韧性好，抗疲劳性强。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电力电缆用Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线，其特征在于，由以下成分组成：
0.4-0.8wt％的Cu；
0.15-0.36wt％的Sr；
0.12-0.32wt％的RE；
0.13-0.28wt％的Ge；
0.11-0.18wt％的Si；
0.02-0.09wt％的Co；
0.03-0.07wt％的Ca；
0.01-0.05wt％的Cr；
余量为Al及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线，其特征在于，由以下成分组成：
0.45-0.68wt％的Cu；
0.20-0.31wt％的Sr；
0.18-0.26wt％的RE；
0.15-0.21wt％的Ge；
0.14-0.17wt％的Si；
0.03-0.07wt％的Co；
0.04-0.06wt％的Ca；
0.02-0.05wt％的Cr；
余量为Al及不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线，其特征在于，由以下成分组成：
0.54wt％的Cu；
0.25wt％的Sr；
0.24wt％的RE；
0.19wt％的Ge；
0.15wt％的Si；
0.06wt％的Co；
0.04wt％的Ca；
0.03wt％的Cr；
余量为Al及不可避免的杂质。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线，其特征在于，所述RE为Ce、Nd、Pr、Sm、Tm、Gd、Lu中的一种或多种的组合。
5.根据权利要求4中任一项所述的Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线，其特征在于，所述RE为Nd与Sm按质量比1:2-5组成，或Tm与Lu按质量比1:0.3-1.5组成。
6.根据权利要求1所述的Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将各原料加入至中频感应炉中进行熔炼，熔炼温度为760-780℃；将合金溶液降温至710-730℃进行浇注，浇铸前件模具预热至260-300℃，浇注后空冷至室温，取出铸锭；
(2)将铸锭在505-520℃下进行淬火处理，在210-225℃下进行时效处理；
(3)将热处理后的铸锭在485-510℃下挤压成直径为8-11mm的铝合金杆；
(4)在290-310℃下，将铝合金杆拉拔为直径为3-6mm的铝合金线Ⅰ；
(5)在330-360℃下，将铝合金线Ⅰ拉拔为直径为1-2.5mm的铝合金线Ⅱ；
(6)将铝合金线Ⅱ先置于350-380℃下保温3-5h；再将温度降至230-260℃，保温6-10h，空冷至室温，既得所述Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线。
7.根据权利要求6所述的Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在中频感应炉熔炼和浇注两个过程中均采用机械辅助振动，机械振动的频率为70-85Hz，机械振动辅助从熔炼过程开始一直持续至浇注过程完成。
8.根据权利要求6所述的Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，淬火具体温度将铸锭至于预热至260-300℃的加热炉中，保温30min后，以6-9℃/min的速度升温至505-520℃，保温5-8.5h，再水淬至室温。
9.根据权利要求8所述的Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，时效处理的保温时间为8-11h，再空冷至室温。
10.一种电力电缆，包括线芯、绝缘层、屏蔽层和保护层，其特征在于，所述线芯为权利要求1-3、6-9中任一项所述的Al-Cu-Sr-RE-Ge铝合金线。
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