CN101768688A - 铝合金管型导体及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铝合金管型导体及其生产工艺。所述铝合金管型导体采用Al-Mg-Si-Fe-Cu-Zr-RE合金制成。铝合金管型导体采用Al-Mg-Si-Fe-Cu-Zr-RE合金，添加Cu、Fe、Zr及RE后铝合金的抗拉强度及使用温度均得到提升，大大改善了铝合金管型导体的性能。铝合金管型导体的生产工艺采用形变热处理工艺，并将淬火后的冷加工率控制在一定的范围，不仅大大提高产品的抗拉强度，而且也有利于提高合金的再结晶温度，从而也提高了合金的耐热性能。

Description

铝合金管型导体及其生产工艺

【技术领域】

本发明涉及电工用高强度耐热铝合金材料，尤其涉及一种高强度耐热铝合金管型导体及其生产工艺。

【背景技术】

众所周知，电力是国民经济发展的基础，是人类社会可持续发展的桥梁。根据国家电力建设规划：“十一五”期间，电网设施方面，要继续推进“西电东送”三大通道建设；加强区域电网建设，推进大区电网互联，到2010年，除西藏、新疆、台湾等地区外，初步实现全国联网；推进城乡电网建设与改造，形成安全可靠的配电网络。“十二五”、“十三五”期间，特高压(±1000KV交流、±800KV直流)电网全面发展，形成以华北、华中、华东为核心，联结各大区电网、大煤电基地、大水电基地和主要负荷中心的坚强网架。到2020年特高压交流加直流输电线路的总投资约为4060亿人民币，建成特高压交流变电站53座，变电容量3.36亿千伏安，线路长度4.45万公里；建成直流输电工程38项，输电容量1.91亿千瓦，线路长度5.23万公里。特高压及跨区、跨国电网输送容量达到3.73亿千瓦。电网技术装备和运行指标达到国际先进水平”。

对于高压、超高压和特高压输变电的配电装置，管型母线是一个十分重要的部件，对变电站的安全运行起至关重要的作用。根据电力规划粗略统计，今后3年铝合金管母线需求量为23500吨/年，市场前景十分广阔。因此多年来国内、外科技工作者对提高导体的力学性能、电性能、耐热性能及其它各项物理性能都不断的在进行探讨和研究。

2006年前，我国用于高压和超高压配电装置的铝合金管母线大多采用常规的6063合金，这种铝合金具有中等强度(σb≥205Mpa)，电性能及各项物理性能可以满足使用需求。然而，采用6063合金制造的管母线的最高使用温度不能超过90℃(标准规定80℃)，一旦超过该温度长期运行时合金材料会产生蠕变。

2007年，为提高导电管母线的耐热性能，本公司研制了Al-Mg-Si-Zr合金管母线，提高了导体的使用温度，但其力学性能与6063相比并没有明显的变化。

鉴于目前全球和我国气候变化的特点，提高现有管母线强度及使用温度已成为电力部门所追求的目标。究其原因主要在于，提高管母线的强度可以提高在恶劣气候变化时管母线架空安装使用的安全性，进一步提高管母线的耐热性能，更能显著的提高载流容量，从而提高送电系统运行的可靠性，降低工程造价。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种提高自身强度及其使用温度的铝合金管型导体。

基于此，还有必要提供一种制造上述铝合金管型导体的生产工艺。

一种铝合金管型导体，采用Al-Mg-Si系铝合金制成，所述铝合金还包括铁Fe、铜Cu、锆Zr及稀土RE成分。

优选地，所述合金材料中Cu占0.10％～0.20％。

优选地，所述合金材料中RE占0.10％～0.20％。

优选地，所述合金材料中Zr占0.15％～0.25％。

优选地，所述合金材料中还包括Fe，所述合金材料中Fe占0.25％～0.40％。

优选地，所述合金材料中Si占0.40％～0.60％，Mg占0.50％～0.70％，余量为Al及不可避免的杂质。

一种生产铝合金管型导体的生产工艺，包括以下步骤：

a)按照上述铝合金成分配比熔炼铝合金，熔炼温度为750℃；

b)铸造簿壁空心锭，铸造温度为710～730℃；

c)均匀化处理铸锭，处理温度为560℃，处理时间为10h；

d)热轧同时水冷却形变热处理，热轧温度为480～520℃；

e)冷拉，加工率为10～40％；

f)淬火，淬火温度为520℃；

g)冷拉，加工率小于30％；

h)矫直；以及

i)时效热处理，温度为200℃，时间为1h。

上述铝合金管型导体采用Al-Mg-Si-Fe-Cu-Zr-RE合金，添加Fe、Cu、Zr及RE后铝合金的抗拉强度及使用温度均得到提升，大大改善了铝合金管型导体的性能。

上述铝合金管型导体的生产工艺采用形变热处理工艺，并将淬火后的冷加工率控制在一定的范围，不仅大大提高产品的抗拉强度，而且也有利于提高合金的再结晶温度，从而也提高了合金的耐热性能。

【具体实施方式】

为适应我国电力事业的高速发展，在电力系统容量迅速增长的形势下，开发具有优良综合性能的新型高强度耐热性铝合金管型导体不仅提高电网技术装备水平，而且增加电网运行的可靠性，节约大量有色金属，更具有显著的社会效益和经济效益。

研制新型的铝合金导电材料主要从以下两个方面出发：

(1)利用该合金制造管母线(包括导线)可大大提高管母线的强度。在当前气候变化的极端天气遭遇超出正常的大雪、冰冻或大风的侵袭时能够承受较大载荷而不破坏。

(2)进一步提高耐热性能。提高母线的运行温度从而提高载流容量、提高瞬间短路时导体的抗拉强度确保输变电系统安全运行。

铝镁硅合金(Al-Mg-Si合金，6063、6101等6系合金)为当今世界上普遍采用的制造管形母线的电工铝合金。合金主要强化相为Mg₂Si，热处理后抗拉强度：6063T6为205Mpa；6101T6为200Mpa。本发明的铝合金管型导体采用Al-Mg-Si合金为基材。

锆(Zr)是铝合金常用的添加剂，锆能提Al-Mg-Si合金的再结晶温度，一般加入量为0.10～0.30％。锆与铝结合形成ZrAl₃化合物，可阻碍再结晶过程，并细化再结晶组织。由于锆对淬火敏感性影响较小，因此宜采用锆对再结晶组织起细化作用。

锆的最重要作用是对铝的再结晶有影响，可使铝的再结晶温度上升100K。根据大量资料介绍，向铝中添加锆能提高铝的再结晶温度、蠕变强度及耐热性能。含1％左右Mg₂Si及少量的Cu、Zr等元素的铝合金既有高的蠕变强度，又有大于50％IACS的导电性能。锆在Al-Mg-Si合金中，主要与铝形成ZrAl₃化合物，在浓度低时与Mg、Si不发生反应，因而适用于制造耐热铝合金，采用Al-Mg-Si-Zr合金来生产管母线可提高产品的耐热性能。

稀土(RE)在变形铝合金中的应用特别是在高导电铝合金方面的应用在我国开发的很早。有关资料介绍，在铝中添加稀土后，稀土不仅能与铝形成具有强化基体作用的化合物(REAl₄)还能与铁和硅形成稳定的金属间化合物。通过向6063合金中加入稀土元素发现，合金中的铁被稀土元素所取代，随着稀土元素的增加，铁含量逐渐减少，主要形成REAl₄及FeRESiAl等稳定的化合物，而且几乎不影响镁的熔解度。这些化合物在晶界上析出，使晶界上的铁硅浓度升高，晶内杂质减少，从而降低电阻，提高导电性能。试验证明，在铝中添加0.10～0.50％的稀土，可使导电率提高0.5～3％。由于稀土具有较大的负电性及很好的化学活性，因此稀土与其它元素相互作用形成稳定的难熔金属间化合物。稀土在铝中的熔解度不大，但溶入的原子能起固溶强化作用，稀土还有细化合金组织、净化溶体、减少铸锭的气孔、夹杂和疏松，提高材料的综合性能，改善变形铝合金的各向异性及热加工塑性，提高再结晶温度及冲击性能。

根据实验，在铝中添加少量的锆和稀土元素制成的耐热铝合金导线连续使用温度为150℃，瞬时可达到180℃，这是锆固溶体使再结晶温度提高的原因所在。同时，稀土与锆一起形成较多细小的均匀分布的高熔点金属间化合物，从而促进了再结晶温度的提高，将耐热铝导线在230℃和260℃加热时，其强度残存率分别为97％和87.5％。

上述理论证明，锆同稀土元素的联合作用将更有利于提高铝合金的耐热性能及工艺性能。

Al-Mg-Si系合金中加入Cu，合金中强化相除Mg₂Si外还会形成CuAl₂；同时Al-Mg-Si系合金淬火后在室温停留会降低时效热处理后合金的强度，CuAl₂可以弥补这一损失。因此加入Cu后有效地提高了合金的强度。

根据实际要求及上述理论，本发明的铝合金管型导体的化学成分如表1中所示：

表1铝合金各个成分百分比

上述铝合金中的强化相Mg₂Si≤1.0％，这种合金淬火敏感性小，亦即，在较差的淬火条件(淬火温度范围宽、冷却条件差)下，也能保证固溶体中有足够的合金元素。

上述铝合金中含有过剩Si，过剩Si的存在既能细化Mg₂Si质点，还能析出过剩Si的质点，故使铝合金的强度进一步提高。降低Mg₂Si含量，并用增加过剩Si来弥补Mg₂Si减少而造成的损失，可以更好地满足加工性能提高强度。

上述铝合金中加入微量Zr形成ZrAl₃化合物，可阻碍再结晶过程、提高再结晶温度，并细化再结晶晶粒。

上述铝合金中加入微量稀土元素，可净化、细化晶粒及提高合金的导电性能，并与锆形成难溶金属间化合物，进一步提高再结晶温度，提高材料的耐热性能。

上述铝合金中加入微量铜，形成少量CuAl₂强化相，时效热处理时形成θ相，增加时效热处理效果。

上述铝合金中加入有效成分铁，能够改善合金的铸造性能，增强合金的延展性。在后续的“热轧”、“冷拉”工艺中，不仅可降低对模具的磨损，同时能提高成材率。

由于上述铝合金成分的特殊性，制造上述铝合金材质的管型导体需采用以下工艺：

a)按照上述合金成分配比熔炼铝合金，熔炼温度为750℃；

b)铸造簿壁空心锭，铸造温度为710～730℃；

c)均匀化处理铸锭，处理温度为560℃，处理时间为10h；

d)热轧同时水冷却形变热处理，热轧温度为480～520℃；

e)冷拉，加工率为10～40％；

f)淬火，淬火温度为520℃；

g)冷拉，加工率小于30％；

h)矫直；以及

i)时效热处理，处理温度为200℃，处理时间为1h(T10)。

本发明采用形变热处理工艺来生产铝合金管型导体，是将塑性变形的形变强化和热处理时的相变强化相结合使成型工艺与获得最终性能统一起来的一种综合方法。合金主要成分为Mg与Si，形成Mg₂Si强化相，在热处理状态下(淬火)，Mg₂Si溶于固溶体中，形成过饱合固溶体。淬火后的合金再进行冷变形，使组织产生滑移、位错，而冷变形量越大，位错密度也越高，形成位错网络，使脱溶相形核更为广泛和均匀，这将较大的提高了管母线的强度指标，同时也能提高材料的耐蚀性能。这种合金淬火后经冷变形再加热到时效温度后，脱溶与回复同时发生，脱溶将因冷变形而加速，脱溶相质点将因冷变形而更加弥散。与此同时，脱溶质点也阻碍多边化回复过程，使合金进一步得到强化。微量锆及稀土则形成ZrAl₃、REAl₄化合物及锆稀土高熔点金属间化合物，促进了铝合金再结晶温度的提高。时效热处理，使过饱和固溶体分解脱溶形成溶质原子高集区(即GP区)，Cu的加入形成θ相，有利于GP区中形核，使合金在时效热处理处理后进一步提高强度和硬度。本工艺利用上述合金在新淬火状态下具有较好的塑性这一特点，提高冷工率到15％～30％，淬火产品，随着加工率的增加，强度明显提高，这是因为冷变形越大，位错密度越高，硬化效果也越强。

另外，产品冷加工率直影响再结晶温度，30％以下的加工率接近但又避开了临界变形度，从而使合金得到较高的再结晶温度。

本发明在Al-Mg-Si合金加入Zr、RE、Cu及Fe合金元素配制的新型铝合金，采用“铸锭热轧一冷拉一淬火一冷拉一时效热处理”的形变热处理加工工艺，产品最终的力学性能、退火强度剩余率、焊接性能、导电率等各项指标达到设计要求。

通过上述工艺所生产的产品经过对其化学成分、室温力学性能、250℃退火强度剩余率、导电率、焊接性能及外形尺寸的实际测试和检验，各项性能均达到电力设计期望要求，特别是力学性能显著提高。这种新材料的研制成功为电力行业提供一种高强度、高耐热性能的同时又安全、节能理想的导电材料。

以下将产品各项实测技术指标将分别进行说明。

1)采用上述工艺所生产的产品成分如表2中所示：

表2采用本发明的生产工艺的产品实测成分与理论成分对比表

2)室温力学性能(试验产品规格Φ130×7mm)如下：抗拉强度σb：≥246Mpa；规定非比例延伸强度σ0.2；≥190Mpa；延伸率δ：≥10％。

3)产品经250℃、保温1h退火后产品的强度剩余率如表3中所示：

表3本发明的铝合金与6063合金的参数对比

合金	产品规格(mm)	退火前Pmm/(N/mm2)	退火后Pmm/(N/mm2)	剩余强度率(％)	备注
						本发明铝合金	Φ130×7	246	220	89.4	平均值
6063合金	Φ130×7	210	128	61	平均值

4)焊接性能

本发明铝合金管焊接接头剩余强度为150N/mm²，剩余强度系数为61％，符合YS/T454(铝及铝合金导体)及DL/T754(铝母线焊接技术规程)标准要求。

5)导电率

本发明的铝合金管型导体的导电率达到55％IACS。

6)其它物理性能

密度：2700Kg/m2

弹性模量：69000Mpa

泊松比；0.33

线膨胀系数；24μm/(m.K)

本发明的铝合金管型导体采用Al-Mg-Si-Fe-Cu-Zr-RE合金，这种合金管型导体室温抗拉强度可达到240Mpa以上，合金经250℃、1h退火后剩余强度为220Mpa剩余强度率达到89.4％，连续使用温度可达150℃，瞬间短路温度达到180℃，蠕变强度高，导电率为55％IACS，其它物理性能均与传统的管型导体材料相当或优于传统的管型导体材料。这种铝合金为新型的电工用导体材料，主要用于输变电配电装置的铝合金管型母线，也可以用于制造铝合金导线等。

此外，由于提高了管母线的最高使用温度，可以减小导体规格，节约了大量有色金属消耗，从而也节约了大量能源，社会效益也十分显著。

另一方面，采用本发明的铝合金材料制成的导线因其强度、硬度高，架空线的跨度可明显加宽，安装时导线受损的可能性小，因为没有钢芯，连接也简单得多。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种铝合金管型导体，采用Al-Mg-Si系铝合金制成，其特征在于：所述铝合金还包括铁Fe、铜Cu、锆Zr及稀土RE成分。

2.根据权利要求1所述的铝合金管型导体，其特征在于：所述合金材料中Cu占0.10％～0.20％。

3.根据权利要求2所述的铝合金管型导体，其特征在于：所述合金材料中RE占0.10％～0.20％。

4.根据权利要求3所述的铝合金管型导体，其特征在于：所述合金材料中Zr占0.15％～0.25％。

5.根据权利要求4所述的铝合金管型导体，其特征在于：所述合金材料中还包括Fe，所述合金材料中Fe占0.25％～0.40％。

6.根据权利要求5所述的铝合金管型导体，其特征在于：所述合金材料中Si占0.40％～0.60％，Mg占0.50％～0.70％，余量为Al及不可避免的杂质。

7.一种生产如权利要求1至6中任一项所述的铝合金管型导体的生产工艺，包括以下步骤：

a)按照上述铝合金成分配比熔炼铝合金，熔炼温度为750℃；

b)铸造簿壁空心锭，铸造温度为710～730℃；

c)均匀化处理铸锭，处理温度为560℃，处理时间为10h；

d)热轧同时水冷却形变热处理，热轧温度为480～520℃；

e)冷拉，加工率为10～40％；

f)淬火，淬火温度为520℃；

g)冷拉，加工率小于30％；

h)矫直；以及

i)时效热处理，温度为200℃，时间为1h。