CN103952605A

CN103952605A - 一种中强度铝合金单丝的制备方法

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Publication number: CN103952605A
Application number: CN201410178721.1A
Authority: CN
Inventors: 陈保安; 韩钰; 祝志祥; 陈新; 于吉波; 李君明; 杨长龙; 李爱军; 杨孝天
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd; Smart Grid Research Institute of SGCC
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd; Smart Grid Research Institute of SGCC
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2034-04-30
Also published as: CN103952605B

Abstract

本发明提供了一种59％IACS导电率的中强度铝合金单丝制备方法，属于属于电力行业输电线路架空导线技术领域。本发明提供的中强铝合金单丝材料，解决现有中强铝合金生产工艺复杂，成本高，产品力学性能和导电性能差的技术难题。主要采用通过加入微量合金化元素控制合金中杂质元素含量，并通过热处理工艺来调整合金的微观组织，开发出具有导电率不低于59％IACS(20℃)、抗拉强度不小于240MPa、延伸率不低于3.5％的中强铝合金单丝。

Description

一种中强度铝合金单丝的制备方法

【技术领域】

本发明涉及一种电力行业输电线路架空导线制备方法，具体讲涉及一种导电率≥59％IACS的中强度铝合金导线的制备方法。

【背景技术】

由于全铝合金导线(AAAC)输电线较常规钢芯铝导线(ACSR)具有线路损耗小，拉重比大、弧垂特性好，表面耐划伤、施工即简单又方便，耐蚀性能好、线路服役生命长等特点，因而全铝合金导线已得到了普遍应用，据报道一些地方输电线路应用AAAC已达50％以上，有些地方这一比例高达80％。虽然早在20世纪60年代就开始研制和开发高强度全铝合金导线，高强度全铝合金导线，获得广泛应用。但研究发现，现有技术导线标准GB/T1179-2008《圆线同心绞架空导线》中的2种铝合金线种LHA₁和LHA₂高强铝合金的导电率低且生产工艺、产品性能不稳定制约了全铝合金导线的应用。因此，线损小、拉重比大且耐蚀性好的导电率较高的中强全铝合金导线的开发和应用近年来日益受到高度关注。

中强度全铝合金导线在制造、设计、施工及运行等方面具有诸多优点，已在国外许多国家的输电线路上获得了应用。现有技术报道了非热处理型中强铝合金，生产工艺简单，成本低，导电率较好(58.5％～59％IACS)，抗拉强度为240～255MPa，延伸率为1.5％～3％等优点。尽管如此现有技术中仍存在中强全铝合金导线产品生产工艺复杂，成本高，且产品导电率较低，大多为58.5％IACS(国家电网公司企业标准Q/GDW1816-2012《中强度铝合金绞线》)等不足。因此，在保证力学性能的前提下，如何提现有中强全铝合金导线的导电率，减少输电线损，同时降低生产成本成为目前中强全铝合金导线最为迫切的技术需求。

基于以上研究及应用背景，亟需开展高导电率中强度铝合金导线的研究与制备，以获得高导电率中强度铝合金导体配方及制备技术，为制备高导电率中强度铝合金导线提供技术支持，使其达到提高输送容量、降低输电线路损耗的目的，从而满足大容量输电线路及城市扩容改造的建设需求。

【发明内容】

本发明目的在于开发出一种用于电力行业中架空导线用导电率为59％IACS的中强铝合金单丝材料及其制备工艺，克服现有中强铝合金生产工艺复杂，成本高，产品力学性能和导电性能差的不足。主要采用通过加入微量合金化元素控制合金中杂质元素含量，并通过热处理工艺来调整合金的微观组织，开发出具有导电率不低于59％IACS(20℃)、抗拉强度不小于240MPa、延伸率不低于3.5％的中强铝合金单丝。

实施上述目的的技术措施：

本发明提供了一种中强度铝合金单丝制备方法，包括下述步骤：

4)冶炼：将纯度≥99.7％的铝锭在720～750℃下熔融后，在730～750℃下加入Si、Mg和B元素；

5)精炼：将步骤1)制得的铝液充分搅拌后，除气、除渣，730～750℃下精炼，静置30～50分钟；

6)浇铸：将步骤2)制得铝液于700～720℃下，浇铸于预热至200～250℃的圆柱形低碳钢模具内，得到Ф80×100mm的圆柱铝锭；

4)制杆：将步骤3)制得的圆铝锭挤压成Ф9.5mm的铝合金杆，水淋冷却；

5)拉丝：用拉丝机将步骤4)制得的铝合金杆以12～15m/s的速率和以每次为12～18％的变形量冷拉丝，得3.0～4.0mm单丝；

6)时效：将步骤5)制得的铝合金单丝在160～180℃下时效3～4.5h空冷至室温，即得按质量百分比计的含下述组分的铝合金单丝；

铝合金组分含量为Si：0.1～0.35％，Mg：0.2～0.5％，B：0.01～0.12％，Fe：≤0.15％，其余为铝和不可避免的杂质元素。

本发明提供的制备方法中，冶炼步骤中加入：V、Ti、Cr和/或Mn，其中按质量百分比计，所加入的V+Ti+Cr+Mn≤0.014％。

本发明提供的制备方法中Si、Mg和B以中间合金Al-Si、Al-Mg和Al-B的形式加入；步骤3)中的铝合金采用金属型铸造，浇注温度为715～720℃；步骤4)中的制杆工艺为热挤压后水淋急冷，挤压温度为450～500℃；步骤6)中的时效处理的温度控制在160～180℃，时间控制在3～4.5h。

本发明提供的制备方法制得的铝合金单丝，其抗拉强度≥240MPa，延伸率≥3.5％，导电率≥59％IACS。

本发明采用的各合金元素的作用及机理如下：

Si：硅是铝合金的最普通的合金元素之一，硅能提高铝合金的铸造性能及焊接流动性，还能使铝合金有较高的力学性能，由于其在合金中能形成一些化合物，使合金成为可热处理强化的。随着Si含量升高，合金的电导率下降。这是由于提高合金中Si含量，铝基体中游离Si数量增加，Si是半导体，较铝基体的电阻率高得多，因此Si含量的提高减少铝基体的有效导电截面积，降低合金的电导率。

Mg：镁对铝的强化是明显的，每增加1％镁，抗拉强度大约升高瞻远34MPa。在Al-Mg-Si系合金中镁和硅会形成Mg₂Si强化相，对合金起到强化作用；同时，Mg₂Si强化相也会对合金的导电性能产生一定的影响。通常，当Mg含量较低时，合金的电导率较高而强度较低，但镁过量且经热处理使Mg₂Si充分沉淀时，合金也有高的电导率。

Fe：铝中含有一定量的铁，是高纯铝中的一种主要杂质。因为熔炼与铸造使用的工具都是钢或铸铁材质，铁就会由这些工具带入铝中，而且在重熔废料时，则可混入铁与铁屑。铁对铸造铝的力学性能是有害的，因为其通常以粗大的一次晶体出现，或以铝-铁-硅化合物形式存在，它们一定程度上都提高了铝的硬度，但使铝的塑性降低。最新研究表明，铁可以提高铝导体强度，并不显著降低其导电性。但也有资料表明在实际生产中，铝导体中的Fe/Si比应为1.3～1.5，过高则会使其电阻率显著升高，所以也应该注意控制铁的含量。

B：在众多的影响因素中，化学成分是影响铝导体电导率最基本的因素，因此降低杂质元素对电导率的影响是提高铝导体电导率的关键之举。杂质元素如果以固溶状态存在，对导电性能的影响更大。硼化处理是降低杂质含量的一种有效方法，即在铝合金中加入一定量的B元素后，能够和过渡族杂质元素Cr、Mn、V、Ti等发生反应，使之由固溶态转变为化合态并沉积于熔体底部，从而提高铝合金的导电性能。

V、Mn、Cr、Ti：这几种元素均为合金中的杂质元素。铝导体中的Ti、V、Mn、Cr等杂质元素在固溶态存在时，很容易吸收导体材料内的自由电子而填充它们不完整的电子层。这种传导电子数目的减少导致了铝导体导电性的降低。研究表明，每1％(Cr+Ti+Mn+V)的有害作用为每1％Si对铝导电性有害作用的5倍。由此可以看出严格控制这几种元素的含量对保证铝导体的质量具有重要的实际应用意义。

本发明的工艺特点在于：先进行冶炼，当纯铝锭完全熔化后依次放入各中间合金，合金化温度为730～750℃；使用搅拌机对铝液进行搅拌，使合金元素充分均匀化；采用铝液精炼剂对铝液进行除氢、除渣处理，静置40分钟。并对圆柱形低碳钢模具进行加热，防止模具温度与铝液温度相差过大引起铝液浇铸过程中引起缩孔，模具加热至200～250℃保温60～90分钟，然后进行铝液浇铸，浇铸成Ф80×100mm的圆柱铝锭。采用热挤压的方式将其挤成Ф9.5mm的圆铝杆，然后进行拉丝。以15m/s的速度在拉丝机上冷拉丝，通过多套配模(金刚石模具)，多道次拉制，每次变形量为15％左右，最终获得3.0～4.0mm的单丝。通过160～180℃时效3～4.5h调整合金中的Mg₂Si相的数量与大小。

本发明由于在Al-Mg-Si合金中添加了微量B元素，通过热挤压后急冷以及时效处理，在提高合金强度的的同时也保证了铝合金的导电率；简化了中强度铝合金的制备工艺，由此生产出的铝合金导体单丝材料可以提高导电率(≥59％IACS，20℃)和增大工作强度(抗拉强度≥240MPa)。

【具体实施方式】

所有实施方式都是采用现有的冶炼及挤压设备，按照前面所叙述的步骤进行：

实施例1

铝合金材料的组分及其重量百分比为：

具体制备方法为：

(1)冶炼：选取99.7％纯度的工业纯铝锭加入熔炼炉中，融化温度为730℃；待纯铝完全熔化后在740℃加入Al-B、Al-Mg和Al-Si中间合金，使它们的最终含量如上所示，

(2)精炼：采用搅拌机对铝液进行充分搅拌，采用铝液精炼剂进行除气、除渣，铝合金液精炼温度为740℃，静置40分钟。

(3)浇铸：将步骤2)制得铝液于715℃下，将低碳钢模具放入箱式炉内加热至220℃，将铝液浇铸到该圆柱型模具内，制备出尺寸为Ф80×100mm长的圆柱铝锭。

(4)制杆：采用热挤压的方式将圆铝锭挤压成Ф9.5mm的铝合金杆，热挤压温度为470℃，冷却方式水淋。

(5)拉丝：将铝合金杆以15m/s的速度在拉丝机上冷拉丝，通过多套配模(金刚石模具)，多道次拉制，每次变形量为15％，最终获得3.5mm的单丝。

(6)时效：将铝合金单丝在180℃的箱式炉中时效3h，取出后空冷至室温。测得其导电率为59％IACS，测试强度为257MPa，延伸率为3.53％。

实施例2

一种59％IACS导电率的中强度铝合金材料，组分及其重量百分比为：

具体制备方法为：

(1)冶炼：选取99.7％纯度的工业纯铝锭加入熔炼炉中，融化温度为750℃；待纯铝完全熔化后在750℃加入Al-B、Al-Mg和Al-Si中间合金，使它们的最终含量如上所示，

(2)精炼：采用搅拌机对铝液进行充分搅拌，采用铝液精炼剂进行除气、除渣，铝合金液精炼温度为730℃，静置40分钟。

(3)浇铸：将步骤2)制得铝液于720℃下，将低碳钢模具放入箱式炉内加热至200℃，将铝液浇铸到该圆柱型模具内，制备出尺寸为Ф80×100mm长的圆柱铝锭。

(4)制杆：采用热挤压的方式将圆铝锭挤压成Ф9.5mm的铝合金杆，热挤压温度为450℃，冷却方式水淋。

(5)拉丝：将铝合金杆以15m/s的速度在拉丝机上冷拉丝，通过多套配模(金刚石模具)，多道次拉制，每次变形量为16％，最终获得3.5mm的单丝。

(6)时效：将铝合金单丝在170℃的箱式炉中时效3.5h，取出后空冷至室温。测得导电率为59.08％IACS，测试强度为248MPa，延伸率为3.6％。

实施例3

具体制备方法为：

(1)冶炼：选取99.7％纯度的工业纯铝锭加入熔炼炉中，融化温度为720℃；待纯铝完全熔化后在730℃加入Al-B、Al-Mg和Al-Si中间合金，使它们的最终含量如上所示，

(6)时效：将铝合金单丝在160℃的箱式炉中时效4.5h，取出后空冷至室温。测得其导电率为59.14％IACS，测试强度为240MPa，延伸率为3.75％。

Claims

1.一种中强度铝合金单丝的制备方法，所述方法包括下述步骤：

1)冶炼：将纯度≥99.7％的铝锭在720～750℃下熔融后，在730～750℃下加入Si、Mg和B元素；

2)精炼：将步骤1)制得的铝液充分搅拌后，除气、除渣，730～750℃下精炼，静置30～50分钟；

3)浇铸：将步骤2)制得铝液于700～720℃下，浇铸于预热至200～250℃的圆柱形低碳钢模具内，得到Ф80×100mm的圆柱铝锭；

所述组分含量为Si：0.1～0.35％，Mg：0.2～0.5％，B：0.01～0.12％，Fe：≤0.15％，其余为铝和不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的一种中强度铝合金单丝的制备方法，其特征在于：所述冶炼步骤中加入:V、Ti、Cr和/或Mn。

3.根据权利要求2所述的一种中轻度铝合金单丝的制备方法，其特征在于：按质量百分比计，所加入的V+Ti+Cr+Mn≤0.014％。

4.根据权利要求1所述的一种中强度铝合金单丝的制备方法，其特征在于：所述Si、Mg和B以中间合金Al-Si、Al-Mg和Al-B的形式加入。

5.根据权利要求1所述的一种中强度铝合金单丝的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中的铝合金采用金属型铸造，浇注温度为715～720℃。

6.根据权利要求1所述的一种中强度铝合金单丝的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中的制杆工艺为热挤压后水淋急冷，挤压温度为450～500℃。

7.根据权利要求1所述的一种中强度铝合金单丝的制备方法，其特征在于：所述步骤6)中的时效处理的温度控制在160～180℃，时间控制在3～4.5h。

8.根据权利要求1所述的一种中强度铝合金单丝的制备方法，其特征在于：所述铝合金导线单丝的抗拉强度≥240MPa，延伸率≥3.5％，导电率≥59％IACS。