CN102021444A

CN102021444A - 一种高导电耐热铝合金导线及其制备方法

Info

Publication number: CN102021444A
Application number: CN 201010593503
Authority: CN
Inventors: 蔡元华; 何健平; 张济山
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2030-12-09
Also published as: CN102021444B

Abstract

本发明提供了一种高导电耐热铝合金导线及其制备方法，铝合金导线的化学成分及质量百分比为：Zr：0.1～0.3％，Y：0.02～0.2％，Sc：0.01～0.15％，其余是Al和不可避免的其它杂质元素，所含“不可避免的其它杂质元素”的总量不超过0.15％。该铝合金导线由铝锭熔化、“硼化”处理、精炼、合金化、二次精炼、直接水冷连铸、退火、拉拔和稳定化处理等工序制造而成。本发明通过“硼化”处理和二次精炼严格控制铝锭的杂质含量，保证铝合金圆杆的导电性能，通过铝合金单线的稳定化处理，进一步改善耐热铝合金导线的导电性能、调整其强韧性和绞合性能，使得制造出来的铝合金导线具有高导电性和耐热性，满足了行业对铝合金导线的性能要求，尤其适于制作成高导电性耐热电缆。

Description

一种高导电耐热铝合金导线及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金导线，尤其是涉及一种具有较高导电性能和耐热性能的铝合金导线及其制备方法。

背景技术

耐热铝合金导线按导电率不同分为二种，即58％ IACS和60％ IACS，其中58％ IACS导电率的耐热铝合金在铝中添加Zr，60％ IACS导电率的耐热铝合金还在铝中添加钇(Y)，二种合金都能在150℃下长期使用，其强度残存率≥90％。

目前广泛使用的耐热铝合金线的导电率为60％IACS，比起现在常用的钢芯铝绞线中电工铝线61％IACS的导电率来说，则线路线损约增加1.5％，这种能源损失是无法弥补的，是与我国目前的能源政策相违背的，这是一个严重的缺点。如果耐热铝合金导线的导电率能从60％IACS升高至61％IACS及以上时，则线路的损耗可以减少1.5％以上，这对我国这样一个能耗大国来说，对能源的节约则是相当客观的，因此，开发研制新型超高导电的耐热导线并加以推广应用将具有很大的社会和经济意义。

由于铝合金中所含的各种元素均降低铝合金的导电性能，要提高铝合金的导电能力，就要减少铝合金中所含元素的含量(包括合金化元素和杂质元素)，合金化元素Zr等含量的降低将导致铝合金耐热性能的降低，从而影响耐热铝合金的输电效能。为此，必须在铝合金中添加其它合金化元素，既保证对铝合金导电能力没有明显的影响，又能促进在铝合金中形成更加细小弥散的颗粒，以保证铝合金必要的耐热性能。

发明内容

基于上述技术背景的回顾，本发明的目的在于提供一种具有高导电性能的耐热Al-Zr系铝合金导线及其制备方法。

一种高导电耐热铝合金导线及其制备方法包括：

为达到高的导电性能，本发明提供的高导电耐热Al-Zr系铝合金导线的化学成分(质量百分比)为：Zr：0.1～0.3％，Y：0.02～0.2％，Sc：0.01～0.15％，其余是Al和不可避免的其它杂质元素，所含“不可避免的其它杂质元素”中每种元素的含量均不超过0.05％，“不可避免的其它杂质元素”的总量不超过0.15％。依据本发明，优选的合金成分范围为：Zr：0.15～0.20％，Y：0.05～0.15％，Sc：0.05～0.12％，其余是Al和不可避免的其它杂质元素，所含“不可避免的其它杂质元素”中每种元素的含量均不超过0.03％，“不可避免的其它杂质元素”的总量不超过0.10％。

所述，制备高导电耐热铝合金的原料为：纯度不低于99.7％国标重熔用铝锭，纯度不低于99％的Zr、Y、Sc金属单质和硼(B)，纯度不低于99.99％的国标重熔用精铝锭。

所述的制备方法包括：纯铝锭高温熔化、铝溶液的“硼化”处理及精炼、铝溶液的合金化及二次精炼、耐热铝合金圆杆的连铸、铝合金圆杆的退火、拉制铝合金单线、铝合金单线的稳定化处理。

根据需要将合金化元素单质金属Zr、Y、Sc及B与重熔用精铝锭配置成Al-Zr、Al-Y、Al-Sc和Al-B中间合金。以配制Al-Zr中间合金为例，说明中间合金的配制。为降低熔炼过程中的烧损，首先将称量好的金属Zr密封在部分块状的精铝锭中(类似于夹心面包)，并置入真空炉加料仓中，随后将剩余精铝锭放入真空炉熔炼坩埚中。抽真空至10-3Pa后回充高纯氩气至真空炉内微正压，开始熔化所用精铝，待精铝化清后，通过加料机构将封有金属Zr的精铝块加入到铝熔体中，等精铝块和金属Zr熔清并混合均匀后，将Al-Zr中间合金液浇注入高纯模具，制备成所需Al-Zr中间合金，所制备Al-Zr中间合金中Al+Zr≥99.9％。同样方法可以配置Al-Y、Al-Sc和Al-B中间合金。

将按一定比例称量好的重熔用铝锭放入熔炼炉进行高温熔化，待出现铝液后，加入表面覆盖剂，防止铝液氧化和吸气。等全部铝锭化清后，升高铝熔体温度至875～920℃，在此温度下保温5～50分钟，然后将铝熔体降温至660～750℃。除去铝液表面的覆盖剂及产生的炉渣，对铝液进行“硼化”处理，脱除铝液中的Cr、Ti、V等有害杂质元素。将计算好的高纯Al-B中间合金用钟罩加入铝熔体中并使之充分溶解，等Al-B中间合金化清后所述纯铝液需要“硼化”处理，所述硼化处理是将经高温熔炼的铝液降温至660～750℃并均温后，加Al-B中间合金至铝熔体中并使之化清，随之升高铝熔体温度至780～900℃，保温5～50分钟，然后将铝熔体重新降温至690～750℃。

所述经过“硼化”处理、精炼并合金化处理的铝液，需要进行二次精炼，进一步降低铝熔体中的含气量和夹杂物，改善随后所制备铝合金圆杆的导电性能。

所述经过二次精炼的铝熔体通过直接水冷连铸的方式制备直径8～20mm的耐热铝合金圆杆，在润滑的条件下对经过退火处理的连铸铝合金圆杆进行多道次单模或多模拉制并拉至要求尺寸的铝合金单线，拉伸模延伸率为5～20％。

所述制备的耐热铝合金圆杆需要退火处理，所述铝合金圆杆的退火温度以250～500℃保温5～72小时为宜。

所述经过退火处理并拉制成的耐热铝合金单线需要进行稳定化处理，进一步改善耐热铝合金单线的导电性能和调至单线的强韧性以及耐热铝合金单线的绞合性能，所述铝合金单线的稳定化处理以150～350℃，时间为1～20小时为宜，以降低铝合金圆杆拉拔对铝合金导电性能的不利影响，同时适当降低铝合金导电的强度，提高导线的塑韧性，以降低生产同轴绞合线过程中铝合金导线断裂的几率。

铝合金熔炼过程中的“硼化”处理，可以使铝液中的杂质元素Ti、Cr、V和Fe等的原子与B原子形成高熔点大比重的硼化物，该类硼化物较易于在铝液静置过程中沉降在坩埚底部，从而达到去除有害杂质的目的。

Zr是高导电耐热铝合金导线的主要添加元素。由于在铝合金的添加量较低，所以铝合金可以具有较高的导电性能；而固溶在Al基体中的Zr在后续热加工过程中，形成的细小的Al₃Zr颗粒，自Al基体中沉淀析出，从而产生对铝合金的强化作用，同时细小的Al₃Zr颗粒对基体晶界的迁移具有显著的钉扎作用，强烈阻止变形基体的再结晶和阻碍晶粒的长大，有利于维持变形基体的强度和铝合金的耐热性能，提高铝合金导线的蠕变强度和持久性。

少量的钇(Y)，对铝的导电性能没有明显的影响，但Y属于稀土元素，具有很高的活性，与铝中的杂质元素如Fe、Si等具有强烈的亲和力，能形成复杂的稀土化合物，从铝基体中析出，从而降低Fe、Si等对铝导电性能的不利影响。

现在大量的研究证明Sc是铝合金非常有效的微合金化元素，形成L1型的与基体共格的Al₃Sc颗粒，能明显地细化铝合金组织。Sc和Zr同时添加于铝合金中，组织细化效果更加显著，同时还能降低Zr和Sc的添加量。Al₃Zr和Al₃Sc中的Zr和Sc能互换，即：Al₃Zr中部分Zr能被固溶态的Sc原子置换，同时Al₃Sc中的Sc也能被铝合金中固溶态的Zr原子所置换，经过Zr和Sc的相互置换后，在铝合金中形成更加细小的Al₃(Zr_1-xSc_x)相颗粒，可以降低Zr和Sc的添加量，再者，该相点阵参数与铝基体的点阵参数更加接近，更易于维持与基体的共格关系。研究还证实，Al₃(Zr_1-xSc_x)相呈核壳结构，颗粒的外层富含Zr，而颗粒的核心富含Sc，这种核壳结构的相颗粒不容易粗化长大，有利于组织的稳定性。另外，Sc在铝基体中的扩散系数大于Zr在铝中的扩散系数，Sc的加入，有利于加速Zr的沉淀析出，促使更多的Zr原子自基体中析出，从而进一步提高铝合金的导电性能，同时降低为析出Zr原子而进行的热处理时间，节约能源。

本发明与现有耐热铝合金导线相比，同时具有高导电性和较高强度。室温情况下，导电率可达到61％IACS以上，铝合金单线(直径2～5mm)抗拉强度不低于160MPa，延伸率不低于1.8％，耐热性能长期运行达到150℃以上，150℃×10小时的强度残存率不低于98.5％。

附图说明

图1是高导电耐热铝合金导线的制备流程图。

具体实施方式

高导电耐热铝合金导线的具体实施例成分见表1，制备直径为2.5mm铝合金单线。

表1铝合金导线合金成分单位wt％

	Zr	Y	Sc	杂质总量	Al
						实例1	0.16	0.11	0.11	≤0.08	余量
实例2	0.18	0.10	0.08	≤0.06	余量
						实例3	0.2	0.08	0.06	≤0.08	余量

实施例1

图1是高导电耐热铝合金导线的制备流程图，如图所示，按照以下步骤制备：

1.制备中间合金：以配制Al-Zr合金为例，说明中间合金的配制。按Zr质量百分比含量为1％-3％的比例关系，称量好金属Zr和4N纯Al。将称量好的金属Zr置入真空炉加料仓中，随后将4N纯铝放入真空炉熔炼坩埚中。抽真空至10-3Pa后回充高纯氩气至真空炉内微正压，开始熔化4N纯铝，待纯铝化清后，通过加料机构将金属Zr加入到铝熔体中，等金属Zr熔清并与铝熔体混合均匀后，将铝液浇注入高纯模具，制备成所需Al-Zr中间合金。同样方法可制备Al-Zr、Al-Sc、Al-Y和Al-B等中间合金。

2.制备纯铝熔炼及“硼化”处理：将所需99.7％的纯铝放入熔炼炉熔炼，熔炼炉里一旦出现铝液，就加入常规的覆盖剂，防止铝液氧化和吸气。待铝锭全部熔清后，升温至880～900℃并在此温度下保温30分钟，然后将铝液降温至690℃，并将覆盖剂除去。随后将称量好的Al-B中间合金加入铝液，对铝液进行“硼化”处理。Al-B中间化清后，重新加入覆盖剂并升高铝液温度至800℃，保温40分钟。随后降低铝液温度至690℃并均温5分钟。

3.铝液精炼：将覆盖在690℃铝液的覆盖剂扒去，加入适量精炼剂，并通入干燥的氩气(Ar)对铝液进行精炼。精炼结束后，铝液静置30分钟，然后将铝液表面的精炼剂和产生的浮渣。

4.铝液合金化及精炼：将称量好的Al-Zr、Al-Y和Al-Sc中间合金依此加入精炼后的铝液中。待所添加中间合金化清后，升高铝液温度至800℃，保温50分钟，然后降低铝液温度至690℃，再次进行铝合金熔体精炼除杂脱气。

5.铝合金圆杆的连铸：对完成合金化、精炼并获得达到成分要求的铝合金熔体进行直接水冷连铸，制备直径为10mm的耐热铝合金圆杆；

6.铝圆杆的退火：将连铸得到的直径为10mm的耐热铝合金圆杆进行退火处理，退火温度为350℃，退火时间一般为36小时。

7.铝圆杆的拉拔：在润滑的条件下对经过退火处理的连铸铝合金圆杆进行多道次单模或多模拉制并拉至要求尺寸的铝合金单线，拉伸模延伸率为5～20％。

8.铝圆杆的拉拔：在润滑的条件下对经过退火处理的连铸铝合金圆杆进行连续多模拉制，拉制成直径2.5mm的耐热铝合金单线，拉伸模延伸率为5～20％。

9.耐热铝合金单线的稳定化处理：将拉至要求尺寸的耐热铝合金单线进行稳定化退火处理，使耐热铝合金单线发生适当的回复，提高铝合金导线的导电性能，同时调至耐热铝合金单线的强韧性能，改善耐热铝合金单线的绞合性能。稳定化处理温度为150～250℃，稳定化处理时间为5～15小时。

实施例2

引用表1中实施例2的合金成分，按照以下步骤制备：

1.制备中间合金：以实施例1的方法制备中间合金。

2.制备纯铝熔炼及“硼化”处理：将所需99.7％的纯铝放入熔炼炉熔炼，熔炼炉里一旦出现铝液，就加入常规的覆盖剂，防止铝液氧化和吸气。待铝锭全部熔清后，升温至880～900℃并在此温度下保温30分钟，然后将铝液降温至720℃，并将覆盖剂除去。随后将称量好的Al-B中间合金加入铝液，对铝液进行“硼化”处理。Al-B中间化清后，重新加入覆盖剂并升高铝液温度至850℃，保温40分钟。随后降低铝液温度至720℃并均温5分钟。

3.铝液精炼：将覆盖在720℃铝液的覆盖剂扒去，加入适量精炼剂，并通入干燥的氩气(Ar)对铝液进行精炼。精炼结束后，铝液静置30分钟，然后将铝液表面的精炼剂和产生的浮渣。

4.铝液合金化及精炼：将称量好的Al-Zr、Al-Y和Al-Sc中间合金依此加入精炼后的铝液中。待所添加中间合金化清后，升高铝液温度至850℃，保温30分钟，然后降低铝液温度至710℃，再次进行铝合金熔体精炼除杂脱气。

6.铝圆杆的退火：将连铸得到的直径为10mm的耐热铝合金圆杆进行退火处理，退火温度为400℃，退火时间一般为28小时。

8.铝圆杆的拉拔：在润滑的条件下对经过退火处理的连铸铝合金圆杆进行连续多模拉制，拉制成直径2.5mm的耐热铝合金单线，拉伸模延伸率为5～20％。9.耐热铝合金单线的稳定化处理：将拉至要求尺寸的耐热铝合金单线进行稳定化退火处理，使耐热铝合金单线发生适当的回复，提高铝合金导线的导电性能，同时调至耐热铝合金单线的强韧性能，改善耐热铝合金单线的绞合性能。稳定化处理温度为150～250℃，稳定化处理时间为5～15小时。

实施例1

按照以下步骤制备：

1.制备中间合金：以实施例1的方法制备中间合金。

2.制备纯铝熔炼及“硼化”处理：将所需99.7％的纯铝放入熔炼炉熔炼，熔炼炉里一旦出现铝液，就加入常规的覆盖剂，防止铝液氧化和吸气。待铝锭全部熔清后，升温至880～900℃并在此温度下保温30分钟，然后将铝液降温至740℃，并将覆盖剂除去。随后将称量好的Al-B中间合金加入铝液，对铝液进行“硼化”处理。Al-B中间化清后，重新加入覆盖剂并升高铝液温度至860℃，保温40分钟。随后降低铝液温度至740℃并均温5分钟。

3.铝液精炼：将覆盖在740℃铝液的覆盖剂扒去，加入适量精炼剂，并通入干燥的氩气(Ar)对铝液进行精炼。精炼结束后，铝液静置30分钟，然后将铝液表面的精炼剂和产生的浮渣。

4.铝液合金化及精炼：将称量好的Al-Zr、Al-Y和Al-Sc中间合金依此加入精炼后的铝液中。待所添加中间合金化清后，升高铝液温度至900℃，保温15分钟，然后降低铝液温度至740℃，再次进行铝合金熔体精炼除杂脱气。

6.铝圆杆的退火：将连铸得到的直径为10mm的耐热铝合金圆杆进行退火处理，退火温度为450℃，退火时间一般为18小时。

表2为实施例1～3制成的成品的性能测试结果。

表2直径2.5mm铝合金单线性能

Claims

1.一种高导电耐热铝合金导线及其制备方法，其特征在于：所述高导电耐热铝合金导线的化学成分及其质量百分比：Zr：0.1～0.3％，Y：0.02～0.2％，Sc：0.01～0.15％，其余是Al和不可避免的其它杂质元素，所述不可避免的其它杂质元素中每种元素的含量均不超过0.05％，不可避免的其它杂质元素的总量不超过0.15％。

2.根据权利要求1所述的高导电耐热铝合金导线及其制备方法，其特征在于：所述高导电耐热铝合金导线的化学成分和质量百分比为：Zr：0.15～0.20％，Y：0.05～0.15％，Sc：0.05～0.12％，其余是Al和不可避免的其它杂质元素，所述不可避免的其它杂质元素中每种元素的含量均不超过0.03％，不可避免的其它杂质元素的总量不超过0.10％。

3.根据权利要求1或2所述的高导电耐热铝合金导线及其制备方法，其特征在于：，所述的制备方法包括：纯铝锭高温熔化、铝溶液的“硼化”处理及精炼、铝溶液的合金化及二次精炼、耐热铝合金圆杆的连铸、铝合金圆杆的退火、拉制铝合金单线、铝合金单线的稳定化处理。

4.根据权利要求3所述的高导电耐热铝合金导线及其制备方法，其特征在于：所述纯铝液需要“硼化”处理，所述硼化处理是将经高温熔炼的铝液降温至660～750℃并均温后，加Al-B中间合金至铝熔体中并使之化清，随之升高铝熔体温度至780～900℃，保温5～50分钟，然后将铝熔体重新降温至690～750℃。

5.根据权利要求4所述的高导电耐热铝合金导线及其制备方法，其特征在于：所述经过“硼化”处理、精炼并合金化处理的铝液，需要进行二次精炼，进一步降低铝熔体中的含气量和夹杂物，改善随后所制备铝合金圆杆的导电性能。

6.根据权利要求5所述的高导电耐热铝合金导线及其制备方法，其特征在于：所述经过二次精炼的铝熔体通过直接水冷连铸的方式制备直径8～20mm的耐热铝合金圆杆。

7.根据权利要求6所述的高导电耐热铝合金导线及其制备方法，其特征在于：所述制备的耐热铝合金圆杆需要退火处理，所述铝合金圆杆的退火温度以250～500℃保温5～72小时为宜。

8.根据权利要求7所述的高导电耐热铝合金导线及其制备方法，其特征在于：所述经过退火处理并拉制成的耐热铝合金单线需要进行稳定化处理，进一步改善耐热铝合金单线的导电性能和调至单线的强韧性以及耐热铝合金单线的绞合性能，所述铝合金单线的稳定化处理以150～350℃，时间为1～20小时为宜。