CN101525709B - 电缆用高延伸率铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

电缆用高延伸率铝合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种高延伸率铝合金材料及其制备方法。所述铝合金材料含有重量百分比为0.30-1.20％的铁，0.03-0.10％的硅，0.01-0.30％的稀土元素，所述的稀土元素为铈和镧，其余为铝以及不可避免的杂质。所述铝合金由原料经过熔铸工艺和半退火处理而制成。由此制成的铝合金导体具有高延伸率且使用的安全稳定性好。

Description

电缆用高延伸率铝合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于有色金属材料领域，具体涉及一种电缆用高延伸率铝合金材料及其制备方法。
背景技术
目前电线电缆大部分采用铜作为导体，由于铜资源匮乏、铜价过高以及铜缆安装成本高从而限制了电线电缆的发展。因为铝资源丰富且成本低，以铝代替铜作为导体用于电线电缆将是一种趋势。但是用普通电工铝作为导体时电线电缆的延伸率、柔韧性和抗蠕变性能都较差，且使用安全稳定性低，因而使用普通电工铝代替铜作为导体无法满足电线电缆发展的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种电缆用高延伸率铝合金材料，采用本发明中的铝合金作为导体时电线电缆具有较高的延伸率，且使用安全稳定性高。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种电缆用高延伸率铝合金材料，按重量百分比含量，其包括下列组分：0.30～1.20％的铁，0.03～0.10％的硅，0.01～0.30％的稀土元素，所述的稀土元素为铈和镧，余量为铝以及不可避免的杂质。
本发明的另外一个目的是提供一种制备高延伸率铝合金材料的方法，包括如下步骤：
1)熔铸
先加92～98重量份的铝和0.73～5.26重量份的铝铁合金，加热至710～750℃熔化；再加热至720～760℃，投加1～3重量份的稀土铝合金以及0.17～0.67重量份的硼铝合金，所述稀土铝合金为铝与稀土元素铈和镧的合金；随后投加0.04～0.06重量份的精炼剂精炼8～20分钟；然后静置保温20～40分钟后，进行铸造；
所述的铝铁合金中铁的含量为20～24％，硼铝合金中硼的含量为3～4％，稀土铝合金中稀土的含量在9～11％。
2)半退火处理
铸造所得铝合金体在280～380℃下保温4～10个小时，然后取出自然冷却至环境温度。
所述铝合金材料还包括不可避免的杂质元素，按照重量百分比含量，铝合金中的杂质的总含量＜0.3％。
进一步的，杂质中钙的含量＜0.02％，其它单种杂质元素的含量＜0.01％，以降低杂质元素对铝合金导电率的影响。
本发明所得的电缆用高延伸率铝合金为新型的Al-Fe系合金材料，具有如下优点：
1)本发明中铁的含量控制在0.30～1.20％之间，能提高铝合金的强度，同时还提高了铝合金的抗蠕变性和热稳定性，抗蠕变性相对普通电工用铝提高300％；而且铁还能使铝合金的韧性增强，保证了铝合金在紧压绞制过程中的紧压系数达到0.93以上，而普通电工用铝是无法达到的，用这种铝合金制成的紧压线芯相比于同等导体外径条件下的普通电工用铝导体，能增大导体截面，提高导体的导电性能和增加导体的稳定性并且能节约加工成本。
2)本发明中硅的含量控制在0.03％-0.10％之间，保证了一定量的硅对铝合金强度的增强作用。
3)本发明中的稀土元素能降低硅的含量，从而将铁、尤其是硅对铝合金导电率的影响减小至非常低的水平，同时稀土元素的加入还改善了铝合金材料中晶体的组织结构，提高了铝合金的工艺性能，有利于铝合金的加工处理。
4)本发明中的稀土元素以铈和镧为主，能够良好的实现3)中的性能。
5)本发明中的硼元素可与Ti、V、Mn、Cr等杂质元素反应，形成化合物后被沉淀排除，从而降低Ti、V、Mn、Cr等杂质元素对铝合金导电率的影响，有利于提高铝合金的导电率。
6)本发明中制备铝合金时对合金材料进行了半退火处理，改善了拉制、绞制过程中应力作用对导体组织结构的不利影响，使导电率达到甚至超过61％IACS(普通电工用铝导体的导电率标准是61％IACS)，同时
退火处理能极大的提高铝合金的延伸率和柔韧性，本发明的铝合金制成的电缆的延伸率达到30％，柔韧性比铜缆高25％，弯曲半径仅为7倍外径，而铜缆的弯曲半径为15倍外径。
具体实施方式
实施例1：
一、熔铸工艺
1、配料
5100kg的铝锭(0.07％Si含量，0.13％Fe含量)、40.4kg铝铁合金(22％Fe含量)、5.6kg稀土铝合金(10％稀土含量)、8.8kg硼铝合金(3.5％B含量)、2.3kg精炼剂(23％Na3Al·F6+47％KCl+30％NaCl)。
2、加料方式
加料时铝铁合金随铝锭搭配均匀分批地从冲天炉加入，以保证成分尽可能的均匀。
3、保温工艺
铝合金液体流入保温炉时温度控制在710～750℃；向前述铝合金液体中加入稀土铝合金和硼铝合金时温度应提升至720～760℃，且温度不得超过760℃，此时升高温度有利于稀土铝合金和硼铝合金的熔融，从而提高了稀土和硼的处理效果。
4、稀土处理和硼化处理
4.1保温炉铝合金液体充满前30分钟加入1/3稀土铝合金。
4.2保温炉铝合金液体充满前5分钟加入其余2/3稀土铝合金和硼铝合金。
在不同时间段内加入稀土铝合金和硼铝合金是为了使稀土和硼元素能充分发挥作用，提高其作用效果。
4.3稀土铝合金和硼铝合金投加的位置在保温炉内均匀的分布。
5、精炼(除渣、除气、搅拌、扒渣)
5.1为了保证整炉铝合金液体的成分分布均匀，应对铝合金液体进行搅拌，并搅拌到炉的边角，搅拌时间为5分钟。
5.2当铝合金液体充满炉后，通过管道由高纯度氮气将2.3kg的粉末精炼剂(23％Na3Al·F6+47％KCl+30％NaCl)吹入铝合金液体底部，吹入口应在铝合金液体的底部移动，使气体及夹渣物沿铝合金液体的表面均匀地上浮，时间为3～5分钟。上浮的氧化铝渣应全部扒出炉外，以尽量减少精炼剂所引入的新杂质。
6、炉前快速分析及静置保温
当扒渣后的铝合金液体的铁含量符合要求时，静置时间20～40分钟。
7、连铸连轧工艺控制
7.1温度控制
7.1.1上浇包温度：720～730℃
7.1.2进轧机铸条温度：450～490℃
7.1.3铝杆终轧温度300℃左右
7.2连铸机冷却水的控制
连铸轮内外水量之比3：2，二次冷却水量根据铸条温度作适当调整。
7.3铸机电压：60～90V
7.4轧机电流：200～280A；轧机速度：7.5～8.5m/min。
二、半退火工艺
由铝合金材料轧制成的铝合金杆在退火炉中，于280℃～300℃下保温10个小时，然后取出自然冷却至环境温度。
由此获得的铝合金材料，按照重量百分含量，包含下述组分：Fe0.3％、Si0.03％、Ce0.008％、La0.002％、B0.005％、Ca0.015％、Cu0.002％、Mg0.005％、Zn0.002％、Ti0.002％、V0.005％、Mn0.002％、Cr0.001％，其余为Al。
由于硼(B)元素与Ti、V、Mn、Cr等杂质元素反应，形成化合物后被沉淀排除，因此最终所得的铝合金材料中硼元素的含量低于实际加入的量。
由上述可见，铝合金材料中的杂质含量合计＜0.3％，除Ca＜0.02％外，其它单种杂质元素的含量均＜0.01％。
本实例中高延伸率铝合金材料的性能检测数据如下：
抗拉强度、延伸率的检测按照ASTM B577所述的试验方法，导电率检测按照ASTM B193所述的试验方法，柔韧性按照GB 12706.1所述的“弯曲试验后的局部放电试验”的试验方法，蠕变按照《电线电缆》手册蠕变试验的方法。
本实例高延伸率铝合金材料的性能为：抗拉强度106MPa、延伸率28％、导电率63.0％IACS、6倍弯曲半径后局部放电试验合格、抗蠕变相对电工用铝提高310％。
实施例2
一、熔铸工艺
1、配料
5110kg的铝锭(0.10％Si含量，0.13％Fe含量)、258kg铝铁合金(23.2％Fe含量)、166.5kg稀土铝合金(9.8％稀土含量)、10kg硼铝合金(3.3％B含量)、2.3kg精炼剂(23％Na3A1·F6+47％KCl+30％NaCl)
2、加料方式
加料时铝铁合金随铝锭搭配均匀分批地从冲天炉加入，以保证成分尽可能的均匀。
3、保温工艺
铝合金液体流入保温炉时温度控制在710～750℃；向前述铝合金液体中加入稀土铝合金和硼铝合金时温度应提升至720～760℃，且温度不得超过760℃，此时升高温度有利于稀土铝合金和硼铝合金的熔融，从而提高了稀土和硼的处理效果。
4、稀土处理和硼化处理
4.1保温炉铝合金液体充满前30分钟加入1/3稀土铝合金。
4.2保温炉铝合金液体充满前5分钟加入其余2/3稀土铝合金和硼铝合金。
在不同时间段内加入稀土铝合金和硼铝合金是为了使稀土和硼元素能充分发挥作用，提高其作用效果。
4.3稀土铝合金和硼铝合金投加的位置在保温炉内均匀的分布。
5、精炼(除渣、除气、搅拌、扒渣)
5.1为了保证整炉铝合金液体的成分分布均匀，应对铝合金液体进行搅拌，并搅拌到炉的边角，搅拌时间为5分钟。
5.2当铝合金液体充满炉后，通过管道由高纯度氮气将2.3kg的粉末精炼剂(23％Na3Al·F6+47％KCl+30％NaCl)吹入铝合金液体底部，吹入口应在铝合金液体的底部移动，使气体及夹渣物沿铝合金液体的表面均匀地上浮，时间为3～5分钟。上浮的氧化铝渣应全部扒出炉外，以尽量减少精炼剂所引入的新杂质。
6、炉前快速分析及静置保温
当扒渣后的铝合金液体的铁含量符合要求时，静置时间20～40分钟。
7连铸连轧工艺控制
7、连铸连轧工艺控制
7.1温度控制
7.1.1上浇包温度：720～730℃
7.1.2进轧机铸条温度：450～490℃
7.1.3铝杆终轧温度300℃左右
7.2连铸机冷却水的控制
连铸轮内外水量之比3∶2，二次冷却水量根据铸条温度作适当调整。
7.3铸机电压：60～90V
7.4轧机电流：200～280A；轧机速度：7.5～8.5m/min。
二、半退火工艺
由铝合金材料轧制成的铝合金杆在退火炉中，于360℃～380℃下保温4个小时，然后取出自然冷却至环境温度。
由此获得的铝合金材料，按照重量百分含量，包含下述组分：Fel.2％、Si0.08％、Ce0.19％、La0.10％、B0.004％、Ca0.01％、Cu0.002％、Mg0.004％、Zn0.003％、Ti0.002％、V0.002％、Mn0.005％、Cr0.002％，其余为Al。
由于硼(B)元素与Ti、V、Mn、Cr等杂质元素反应，形成化合物后被沉淀排除，因此最终所得的铝合金材料中硼元素的含量低于实际加入的量。
由上述可见，铝合金材料中的杂质含量合计＜0.3％，除Ca＜0.02％外，其它单种杂质元素的含量均＜0.01％。
本实例高延伸率铝合金材料的性能检测数据如下：
抗拉强度、延伸率的检测按照ASTM B577所述的试验方法，导电率检测按照ASTM B193所述的试验方法，柔韧性按照GB 12706.1所述的“弯曲试验后的局部放电试验”的试验方法，蠕变按照《电线电缆》手册蠕变试验的方法。
本实例高导电、高延伸率、高柔韧性和高抗蠕变性能的铝合金材料的性能为：抗拉强度92MPa、延伸率36％、导电率61.0％IACS、7倍弯曲半径后局部放电试验合格、抗蠕变相对电工铝提高330％。
实施例3
一、熔铸工艺
1、配料
5125kg的铝锭(0.12％Si含量，0.12％Fe含量)、107kg铝铁合金(21.9％Fe含量)、118kg稀土铝合金(10.1％稀土含量)、14.8kg硼铝合金(3.0％B含量)、2.8kg精炼剂(23％Na3Al·F6+47％KCl+30％NaCl)。
2、加料方式
加料时铝铁合金随铝锭搭配均匀分批地从冲天炉加入，以保证成分尽可能的均匀。
3、保温工艺
铝合金液体流入保温炉时温度控制在710～750℃，向前述铝合金液体中加入稀土铝合金和硼铝合金时温度应提升至720～760℃，且温度不得超过760℃，此时升高温度有利于稀土铝合金和硼铝合金的熔融，从而提高了稀土和硼的处理效果。
4、稀土处理和硼化处理
4.1保温炉铝合金液体充满前30分钟加入1/3稀土铝合金。
4.2保温炉铝合金液体充满前5分钟加入其余2/3稀土铝合金和硼铝合金。
4.3稀土铝合金和硼铝合金投加的位置应在保温炉内均匀的分布。
5、精炼(除渣、除气、搅拌、扒渣)
5.1为了保证整炉铝合金液体的成分分布均匀，应对铝合金液体进行搅拌，并搅拌到炉的边角，搅拌时间为5分钟。
5.2当铝合金液体充满炉后，通过管道由高纯度氮气将2.8kg的粉末精炼剂(23％Na3Al·F6+47％KCl+30％NaCl)吹入铝合金液体底部，吹入口应在铝合金液体的底部移动，使气体及夹渣物沿铝合金液体的表面均匀地上浮，时间为3～5分钟。上浮的氧化铝渣应全部扒出炉外，以尽量减少精炼剂所引入的新杂质。
6、炉前快速分析及静置保温
当扒渣后的铝合金液体的铁含量符合要求时，静置时间20～40分钟。
7、连铸连轧工艺控制
7.1温度控制
7.1.1上浇包温度：720～730℃
7.1.2进轧机铸条温度：450～490℃
7.1.3铝杆终轧温度300℃左右
7.2连铸机冷却水的控制
连铸轮内外水量之比3∶2，二次冷却水量根据铸条温度作适当调整。
7.3铸机电压：60～90V
7.4轧机电流：200～280A；轧机速度：7.5～8.5m/min。
二、半退火工艺
由铝合金材料轧制成的铝合金杆在退火炉中，于300℃～320℃下保温8个小时，然后取出自然冷却至环境温度。
由此获得的铝合金材料，按照重量百分含量，包含下述组分：Fe0.55％、Si0.10％、Ce0.15％、La0.06％、B0.007％、Ca0.013％、Cu0.003％、Mg0.004％、Zn0.004％、Ti0.002％、V0.004％、Mn0.003％、Cr0.002％，其余为Al。
由于硼(B)元素与Ti、V、Mn、Cr等杂质元素反应，形成化合物后被沉淀排除，因此最终所得的铝合金材料中硼元素的含量低于实际加入的量。
由上述可见，铝合金材料中的杂质含量合计＜0.3％，除Ca＜0.02％外，其它单种杂质元素的含量均＜0.01％。
本实例高延伸率铝合金材料的性能检测数据如下：
抗拉强度、延伸率的检测按照ASTM B577所述的试验方法，导电率检测按照ASTM B193所述的试验方法，柔韧性按照GB 12706.1所述的“弯曲试验后的局部放电试验”的试验方法、蠕变按照《电线电缆》手册蠕变试验的方法。
本实例高延伸率铝合金材料的性能为：抗拉强度110MPa、延伸率30.2％、导电率62.6％IACS、6倍弯曲半径后局部放电试验合格、抗蠕变相对电工用铝提高330％。
实施例4
一、熔铸工艺
1、配料
5005kg的铝锭(0.08％Si含量，0.13％Fe含量)、182kg铝铁合金(21％Fe含量)、90.5kg稀土铝合金(9.8％稀土含量)、30kg硼铝合金(3.5％B含量)、2.0kg精炼剂(23％Na33Al·F6+47％KCl+30％NaCl)。
2、加料方式
加料时铝铁合金随铝锭搭配均匀分批地从冲天炉加入，以保证成分尽可能的均匀。
3、保温工艺
铝合金液体流入保温炉时温度控制在710～750℃，向前述铝合金液体中加入稀土铝合金和硼铝合金时温度应提升至720～760℃，且温度不得超过760℃，此时升高温度有利于稀土铝合金和硼铝合金的熔融，从而提高了稀土和硼的处理效果。
4、稀土处理和硼化处理
4.1保温炉铝合金液体充满前30分钟加入1/3稀土铝合金。
4.2保温炉铝合金液体充满前5分钟加入其余2/3稀土铝合金和硼铝合金。
4.3稀土铝合金和硼铝合金投加的位置应在保温炉内均匀的分布。
5、精炼(除渣、除气、搅拌、扒渣)
5.1为了保证整炉铝合金液体的成分分布均匀，应对铝合金液体进行搅拌，并搅拌到炉的边角，搅拌时间为5分钟。
5.2当铝合金液体充满炉后，通过管道由高纯度氮气将2.0kg的粉末精炼剂(23％Na3Al·F6+47％KCl+30％NaCl)吹入铝合金液体底部，吹入口应在铝合金液体的底部移动，使气体及夹渣物沿铝合金液体的表面均匀地上浮，时间为3～5分钟。上浮的氧化铝渣应全部扒出炉外，以尽量减少精炼剂所引入的新杂质。
6、炉前快速分析及静置保温
当扒渣后的铝合金液体的铁含量符合要求时，静置时间20～40分钟。
7、连铸连轧工艺控制
7.1温度控制
7.1.1上浇包温度：720～730℃
7.1.2进轧机铸条温度：450～490℃
7.1.3铝杆终轧温度300℃左右
7.2连铸机冷却水的控制
连铸轮内外水量之比3∶2，二次冷却水量根据铸条温度作适当调整。
7.3铸机电压：60～90V
7.4轧机电流：200～280A；轧机速度：7.5～8.5m/min。
二、半退火工艺
由铝合金材料轧制成的铝合金杆在退火炉中，于340℃～360℃下保温6个小时，然后取出自然冷却至环境温度。
由此获得的铝合金材料，按照重量百分含量，包含下述组分：Fe0.80％、Si0.04％、Ce0.10％、La0.06％、B0.008％、Ca 0.011％、Cu 0.005％、Mg 0.004％、Zn0.006％、Ti0.003％、V0.003％、Mn0.005％、Cr0.002％，其余为Al。
由于硼(B)元素与Ti、V、Mn、Cr等杂质元素反应，形成化合物后被沉淀排除，因此最终所得的铝合金材料中硼元素的含量低于实际加入的量。
由上述可见，铝合金材料中的杂质含量合计＜0.3％，除Ca＜0.02％外，其它单种杂质元素的含量均＜0.01％。
本实例高延伸率铝合金材料的性能检测数据如下：
抗拉强度、延伸率的检测按照ASTM B577所述的试验方法，导电率检测按照ASTM B193所述的试验方法，柔韧性按照GB 12706.1所述的“弯曲试验后的局部放电试验”的试验方法、蠕变按照《电线电缆》手册蠕变试验的方法。
本实例高延伸率铝合金材料的性能为：抗拉强度97MPa、延伸率35.2％、导电率62.0％IACS、6倍弯曲半径后局部放电试验合格、抗蠕变相对电工用铝提高330％。

Claims (8)

1.一种电缆用高延伸率铝合金材料，其特征在于，按重量百分比含量，其包括下列组分：0.30～1.20％的铁，0.03～0.10％的硅，0.01～0.30％的稀土元素，所述的稀土元素为铈和镧，余量为铝以及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的电缆用高延伸率铝合金材料，其特征在于：按重量百分比，所述的铝合金中的杂质的总含量＜0.3％。
3.根据权利要求2所述的电缆用高延伸率铝合金材料，其特征在于：按重量百分比，所述的杂质中钙的含量＜0.02％，其它单种杂质元素的含量＜0.01％。
4.根据权利要求1所述的电缆用高延伸率铝合金材料，其特征在于：按重量百分比，所述的铈的含量为0.005～0.20％，镧的含量为0.001～0.15％。
5.制备权利要求1所述的电缆用高延伸率铝合金材料的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)熔铸
先加92～98重量份的铝和0.73～5.26重量份的铝铁合金，加热至710～750℃熔化；再加热至720～760℃，投加1～3重量份的稀土铝合金以及0.17～0.67重量份的硼铝合金，所述稀土铝合金为铝与稀土元素铈和镧的合金；随后投加0.04～0.06重量份的精炼剂精炼8～20分钟；然后静置保温20～40分钟后，进行铸造；
所述的铝铁合金中铁的含量为20～24％，硼铝合金中硼的含量为3～4％，稀土铝合金中稀土的含量在9～11％。
2)半退火处理
铸造所得铝合金体在280～380℃下保温4～10个小时，然后取出自然冷却至环境温度。
6.根据权利要求5所述的制备电缆用高延伸率铝合金材料的方法，其特征在于：所述的铝和铝铁合金熔化后流入保温炉，保温炉中的铝合金液体充满前30分钟加入三分之一重量的稀土铝合金，保温炉中的铝合金液体充满前5分钟加入硼铝合金和剩余的稀土铝合金。
7.根据权利要求5所述的制备电缆用高延伸率铝合金材料的方法，其特征在于：所述的粉末精炼剂为23％Na3Al·F6+47％KCl+30％NaCl。
8.根据权利要求5所述的制备电缆用高延伸率铝合金材料的方法，其特征在于：铸造时，上浇包的温度为720～730℃，进轧机铸条的温度为450～490℃，终轧温度为300℃。
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