CN102796921A - 一种电缆用铝合金导线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高导电高柔韧度铝合金导体，其特征在于，所述铝合金导体按重量百分比包含如下元素：铁Fe 0.21%-0.42%，铜Cu 0.06%-0.15%，砷As 0.0055%-0.31%，锶Sr0.005%-0.03%，硅Si≤0.07%，混合稀土0.03-0.04%，硼B≤0.004%，铝Al及其他杂质；所述杂质中钛Ti、钒V、锰Mn和铬Cr元素之和≤0.01%，其它不可避免杂质总量≤0.01%。

Description

一种电缆用铝合金导线及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金导体的制造技术，具体是一种用于制造输电电缆的具有高柔韧性、高导电率的导体及其制备方法。

背景技术

作为市政工程、建筑工程等工程用电缆目前多采用铜合金电缆。但国际国内铜资源都极为短缺，铜电缆成本高价格贵，而且施工中由于铜电缆强度高柔韧性差，施工难度大。因此近年来，我国铝合金导体的应用比例在不断的增加。为保证铝导体的电阻满足国家标准GB/T 3596-2008，同时兼备高强度，常常采用微合金化提高铝导体的强度和延伸率。另一方面由于工程用电缆通常截面尺寸较大，工程施工时铺设电缆过程中遇有拐弯、变向处要求电缆具有大的柔韧性，所以工程用电缆应该具有更好的柔韧性来满足施工需求。

为了获得高柔韧性高导电率，铝合金导体的力学性能应该满足一定的强度和高的均匀应变率而不是延伸率。为得到这样力学性能的且具备高导电性的铝合金，合金的组织是保证。首先铝合金组织的晶粒度不能太细小，而要适中；其次合金组织中尽可能少地存在固溶强化，而是较好地第二相弥散强化；第三组织中应该尽量少地加工硬化。这样的组织可以在满足力学性能要求的同时具有高的导电性。如何获得这样的组织依赖于合金成分和生产工艺。

在铝合金导体生产中常采用重熔用铝锭来制造，重熔用铝锭中含有铁、硅、铜等杂质。利用铁、硅、铜杂质，再增加这些元素含量可以实现合金强化，但这些元素常形成固溶强化，即使形成第二相，也难以形成细小弥散强化，结果是强度上升导电性下降。砷和锶元素加入铝合金可以和铁、硅、铜等元素优先结合形成弥散强化，减少这些元素在铝基体中的固溶度。这样的结果将使得合金导电性提高，弥散强化的效果增加。

合金设计的目标还需要生产工艺控制来实现。铝合金导体生产工艺过程包括熔炼、连铸连轧、拉拔和热处理。熔炼过程中合金元素皆用中间合金添加，铁、铜合金可以先加，待除气除杂后方可加入砷和锶元素，通过搅拌去渣静置，再连铸连轧。拉拔后的热处理是调制导体性能的关键工艺之一，需要选择合理的工艺完成。

发明内容

本发明立足于砷、锶、铁、铜多元合金化成分设计和加工工艺控制，提供制备一种具有高柔韧度高导电性铝合金导体的方法。多元合金化铝合金导体不仅具有高柔韧度、高导电性，而且成本低廉，易于生产，制造的输电电缆重量轻，柔韧度高，易于运输和安装。

实现上述目的的技术解决方案如下：

一种高强高导铝合金导体，所述铝合金导体按重量百分比包含如下元素：铁Fe0.21%-0.42%，铜Cu 0.06%-0.15%，砷As 0.0055%-0.31%，锶Sr0.005%-0.03%，硅Si≤0.07%，混合稀土0.03-0.04%，硼B≤0.004%，铝Al及其他杂质。

本发明的铝合金导体，优选方案是，其重量百分比包含如下元素：铁Fe 0.38%，铜Cu 0.12%，砷As 0.060%，锶Sr 0.03%，硅Si 0.054%，混合稀土0.032%，硼B 0.003%，铝Al及其他杂质。

本发明的铝合金导体，杂质中钛Ti、钒V、锰Mn和铬Cr元素之和≤0.01%。所述杂质中其它不可避免杂质总量≤0.01%。

本发明的铝合金导体，所述混合稀土为铈和镧。

所述铝合金导体电阻为2.7868×10-8Ω·m-2.7063×10-8Ω·m，即61.8-63.7IACS；抗拉强度σ为80-90MPa，延伸率δ为36-48%。

本发明铝合金导体的制造方法，包括以下步骤：

步骤一：配料；

步骤二：熔炼；

步骤三：连铸连轧；

步骤四：拉丝；

步骤五：退火处理；

其中所述步骤四拉丝中最后一道拉拔为超低温快速拉拔定形。

所述步骤一：配料

按重量百分比：铁Fe 0.21%-0.42%，铜Cu 0.06%-0.15%，砷As 0.0055%-0.31%，锶Sr0.005%-0.03%，硅Si≤0.07%，混合稀土(镧+铈)0.03-0.04%，硼B≤0.004%，钒、钛、锰、铬四种元素及其他不可避免杂质总量≤0.02%；余量为铝配料；

所述步骤二：熔炼

先将99.7%的工业纯铝锭放入炉中熔化，再加入各元素的中间合金；熔炼炉的铝液进入保温炉，加铝硼中间合金，搅拌除杂质；以氮气由炉底输送精炼剂对铝液进行精炼、除气；除渣后的铝合金液体静置30分钟，温度控制在750-800℃之间；期间对炉内成分进行分析和调整；

所述步骤三：连铸连轧

轧机进口温度为：480℃-560℃，出口温度为：270℃-320℃；

所述步骤四：拉丝

轧制得到直径Φ9.5±0.1mm的铝合金杆经过拉丝机拉制铝合金单体；拉丝模具设计保证良好润滑，润滑液温度<90℃；

所述步骤五：退火处理

拉丝后热处理温度为400-450℃，热处理时间为180分钟；自然冷却得到高柔韧度高导电性工程用电缆铝合金导体。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

本发明通过砷、锶、铁、铜多元合金化成分设计在保证铝合金导体高导电性的同时大幅度提高导体柔韧度，从而满足工程电缆小弯曲半径铺设要求。

本发明采用砷、锶元素能将铁、铜、硅等元素优先结合形成化合物质点弥散分布，产生良好的第二相强化，促进铝合金在变形时表现出高柔韧度。

本发明并通过控制熔炼、连铸连轧、拉丝变形和退火处理等工艺措施，获得理想的合金组织，满足高导电性和高柔韧度。

本发明的与现有技术相比，抗拉强度达到85Mpa左右，导电率可达到63%IACS以上。

具体实施方式

实施例1：

1.配料：每吨A99.7工业纯铝锭添加:4kg的Al-Fe（含Fe20%）中间合金；1kg的Al-Cu（含Cu20%）中间合金，2kg中间合金Al-As（含As3.5%）和1.5Kg中间合金Al-Sr（含Sr4%）。

2.熔炼：将纯铝锭加入熔炼炉熔化，待熔化后的铝液温度升高到780℃以上，顺序加入Al-Fe、Al-Cu中间合金；将熔化炉铝液导入保温炉，温度控制在730℃-750℃之间，按每吨铝锭添加4Kg混合稀土中间合金Al-Re（含Re9%）和按每吨铝锭添加3Kg铝硼中间合金Al-B（含B2.5%）除杂；再以氮气带动精炼剂由炉底吹入铝液除气；扒渣后按每吨铝锭添加2Kg中间合金Al-As（含As3.5%）和1.5Kg中间合金Al-Sr（含Sr4%），静置30分钟，期间对炉内成分进行分析与调整。以35ppi多孔陶瓷板过滤，将温度为730℃-750℃的铝液注入结晶轮进行连铸连轧。

3.连铸连轧：控制结晶轮冷却强度，保证铸坯截面全部是柱状晶。控制铸坯进入轧机的温度为480℃-560℃，轧机出口处圆铝杆温度为270℃-320℃，圆铝杆直径Φ9.5±0.1。

4.拉丝：直径Φ9.5圆铝杆经12道拉丝得到直径为Φ2.54mm的铝体。拉丝中最后一道拉拔为超低温快速拉拔定形。

5.退火处理：直径为Φ2.54mm的铝体进行退火处理，处理温度440℃，时间180分钟

6.产品成分的重量百分比为：铁Fe 0.21%、铜Cu 0.06%、砷As 0.0055%、锶Sr0.005%、硅Si 0.056%、钛Ti、钒V、锰Mn和铬Cr等杂质元素之和≤0.02%，稀土0.04%、硼B0.004%，余量为铝Al。

7.产品导体电阻按国家标准GB/T3048.2-2007测试，其电阻值为2.7275×10-8Ω·m，相当于62.9IACS；抗拉强度按国家标准GB/T228-2002测试，σ=78MPa，延伸率δ=48%。

实施例2：

1.配料：每吨A99.7工业纯铝锭添加:10kg的Al-Fe（含Fe20%）中间合金；5kg的Al-Cu（含Cu20%）中间合金，20kg中间合金Al-As（含As3.5%）和15Kg中间合金Al-Sr（含Sr4%）。

2.熔炼：将纯铝锭加入熔炼炉熔化，待熔化后的铝液温度升高到780℃以上，顺序加入Al-Fe、Al-Cu中间合金；将熔化炉铝液导入保温炉，温度控制在730℃-750℃之间，按每吨铝锭添加4Kg混合稀土中间合金Al-Re（含Re9%）和按每吨铝锭添加3Kg铝硼中间合金Al-B（含B2.5%）除杂；再以氮气带动精炼剂由炉底吹入铝液除气；扒渣后按每吨铝锭添加20Kg中间合金Al-As（含As3.5%）和15Kg中间合金Al-Sr（含Sr4%），静置30分钟，期间对炉内成分进行分析与调整。以35ppi多孔陶瓷板过滤，将温度为730℃-750℃的铝液注入结晶轮进行连铸连轧。

3.连铸连轧：控制结晶轮冷却强度，保证铸坯截面全部是柱状晶。控制铸坯进入轧机的温度为480℃-560℃，轧机出口处圆铝杆温度为270℃-320℃，圆铝杆直径Φ9.5±0.1。

4.拉丝：直径Φ9.5圆铝杆经12道拉丝得到直径为Φ2.54mm的铝体。拉丝中最后一道拉拔为超低温快速拉拔定形。

5.退火处理：直径为Φ2.54mm的铝体进行退火处理，处理温度440℃，时间180分钟

6.产品成分的重量百分比为：铁Fe 0.38%、铜Cu 0.12%、砷As 0.06%、锶Sr0.03%、硅Si 0.054%、钛Ti、钒V、锰Mn和铬Cr等杂质元素之和≤0.02%，稀土0.032%、硼B0.003%，余量为铝Al。

7.产品导体电阻按国家标准GB/T3048.2-2007测试，其电阻值为2.7063×10-8Ω·m，相当于63.7IACS；抗拉强度按国家标准GB/T228-2002测试，σ=88MPa，延伸率δ=42%。

实施例3：

1.配料：每吨A99.7工业纯铝锭添加:12kg的Al-Fe（含Fe20%）中间合金；6kg的Al-Cu（含Cu20%）中间合金，100kg中间合金Al-As（含As3.5%）和80Kg中间合金Al-Sr（含Sr4%）。

2.熔炼：将纯铝锭加入熔炼炉熔化，待熔化后的铝液温度升高到780℃以上，顺序加入Al-Fe、Al-Cu中间合金；将熔化炉铝液导入保温炉，温度控制在730℃-750℃之间，按每吨铝锭添加4Kg混合稀土中间合金Al-Re（含Re9%）和按每吨铝锭添加3Kg铝硼中间合金Al-B（含B2.5%）除杂；再以氮气带动精炼剂由炉底吹入铝液除气；扒渣后按每吨铝锭添加100Kg中间合金Al-As（含As3.5%）和80Kg中间合金Al-Sr（含Sr4%），静置30分钟，期间对炉内成分进行分析与调整。以35ppi多孔陶瓷板过滤，将温度为730℃-750℃的铝液注入结晶轮进行连铸连轧。

3.连铸连轧：控制结晶轮冷却强度，保证铸坯截面全部是柱状晶。控制铸坯进入轧机的温度为480℃-560℃，轧机出口处圆铝杆温度为270℃-320℃，圆铝杆直径Φ9.5±0.1。

4.拉丝：直径Φ9.5圆铝杆经12道拉丝得到直径为Φ2.54mm的铝体。拉丝中最后一道拉拔为超低温快速拉拔定形。

5.退火处理：直径为Φ2.54mm的铝体进行退火处理，处理温度440℃，时间180分钟

6.产品成分的重量百分比为：铁Fe 0.42%、铜Cu 0.15%、砷As 0.31%、锶Sr0.030%、硅Si 0.050%、钛Ti、钒V、锰Mn和铬Cr等杂质元素之和≤0.02%，稀土0.030%、硼B0.003%，余量为铝Al。

7.产品导体电阻按国家标准GB/T3048.2-2007测试，其电阻值为2.7868×10-8Ω·m，相当于61.8IACS；抗拉强度按国家标准GB/T228-2002测试，σ=95MPa，延伸率δ=32%。

Claims (8)

1.一种高导电高柔韧度铝合金导体，其特征在于，所述铝合金导体按重量百分比包含如下元素：铁Fe 0.21%-0.42%，铜Cu 0.06%-0.15%，砷As 0.0055%-0.31%，锶Sr0.005%-0.03%，硅Si≤0.07%，混合稀土0.03-0.04%，硼B≤0.004%，铝Al及其他杂质。

2.根据权利要求1所述的铝合金导体，其特征在于，所述铝合金导体按重量百分比包含如下元素：铁Fe 0.38%，铜Cu 0.12%，砷As 0.060%，锶Sr 0.03%，硅Si 0.054%，混合稀土0.032%，硼B 0.003%，铝Al及其他杂质。

3.根据权利要求1或2所述的铝合金导体，其特征在于，所述杂质中钛Ti、钒V、锰Mn和铬Cr元素之和≤0.01%。

4.根据权利要求3所述的铝合金导体，其特征在于，所述杂质中其它不可避免杂质总量≤0.01%。

5.根据权利要求1或2所述的铝合金导体，其特征在于，所述混合稀土为铈和镧。

6.根据权利要求5所述的铝合金导体，其特征在于，所述铝合金导体电阻为2.7868×10-8Ω·m-2.7063×10-8Ω·m，即61.8-63.7IACS；抗拉强度σ为80-90MPa，延伸率δ为36-48%。

7.一种制造本发明铝合金导体的方法，包括以下步骤：

步骤一，配料：

按重量百分比：铁Fe 0.2%-0.42%，铜Cu 0.05%-0.15%，砷As 0.005%-0.3%，锶Sr0.005%-0.3%，硅Si≤0.07%，混合稀土(镧+铈)0.03-0.04%，硼B≤0.004%，钒、钛、锰、铬四种元素及其他不可避免杂质总量≤0.02%；余量为铝配料；

步骤二，熔炼：

先将99.7%的工业纯铝锭放入炉中熔化，再加入各元素的中间合金；熔炼炉的铝液进入保温炉，加铝硼中间合金，搅拌除杂质；以氮气由炉底输送精炼剂对铝液进行精炼、除气；除渣后的铝合金液体静置30分钟，温度控制在750-800℃之间；期间对炉内成分进行分析和调整；

步骤三，连铸连轧：

轧机进口温度为：480℃-560℃，出口温度为：270℃-320℃；

步骤四，拉丝：

轧制得到直径Φ9.5±0.1mm的铝合金杆经过拉丝机拉制铝合金单体；拉丝模具设计保证良好润滑，润滑液温度<90℃；

步骤五，退火处理：

拉丝后热处理温度为400-450℃，热处理时间为180分钟；自然冷却得到高柔韧度高导电性工程用电缆铝合金导体。

8.根据权利要求7所述的制造铝合金导体的方法，其中所述步骤四拉丝中最后一道拉拔为超低温快速拉拔定形。