CN103996427B - 一种非热处理中强度铝合金导线及其生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非热处理中强度铝合金导线及其生产工艺，铝合金的化学成分组成按重量百分比计为：0.5‑1.1％Fe,0.1‑0.35％Cu,0.01‑0.15％Mg,小于0.06％Si和Cr+V+Ti+Mn总含量小于0.01％，更优可加入0.005‑0.06％B,0.05‑0.2％RE。采用但并不局限于水平连铸－连续挤压成直径为D的盘圆杆，然后在300－360℃保温10－20小时退火后，再拉伸成直径为d的线材产品，且应满足D＝(4.75‑4.85)d(mm)。导线产品性能指标为：抗拉强度245‑265MPa，延伸率不小于2.5％，导电率不小于59.5％IACS。本发明具有生产工艺简单，产品力学性能和导电性能优良、稳定、均匀的特点。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，更具体涉及一种非热处理中强度铝合金导线及其生产工艺
背景技术
中强度铝合金单丝有半热处理半加工硬化型和非热处理型两种。半热处理半加工硬化型单丝的生产工艺和高强度铝合金导线的基本相同，生产成本和高强度铝合金单丝相当。非热处理型单丝的生产工艺和硬铝线的基本相同，生产成本和硬铝线相当。由中强度铝合金单丝绞制的全铝合金导线(AAAC)因其弧垂小，线路损耗低，发明后很快投入应用。
发展最早的铝一镁系“5005”非热处理型中强度铝合金线是美国在1956年研制成功的，并很快实用化。上世纪60年代，美国弗吉尼亚电力公司在500kV输电线路上采用了由AA5005中强度铝合金单丝制作的全铝合金导线(AAAC)。但5005铝合金单丝因存在铸造和加工比较困难以及导电率比较低(最低电导率为53.5％IACS)的缺点，使用受到限制。对这种铝合金进行改进后，出现了像“MS－AL”、“KAL”和“CK76”等新牌号的中强度铝合金导线。这些铝合金导线，从成分入手来改善其力学性能和电学性能，同时也考虑改善其耐蚀性能和加工性能。
非热处理型的“MS－AL”中强度铝合金导线由日本古河电气公司在1965年研究成功，并于1969年开始生产。这种合金导电率高，蠕变性能好，价格也较低。它是在铝-镁系和铝－镁－稀土系合金基础上发展而来的铝－镁－铜－铁－锑－铌多元合金，其中铜、镁、铁各加0.1％～0.2％，以提高合金的强度。此外，再加人铌，这不仅改善了合金的耐蚀性，更促使镁锑析出物的弥散强化，有利于改善合金的蠕变性能。MS－AL中强度铝合金单丝的最低抗拉强度为240MPa，最低电导率为58.5％IACS。
1970年前后开发的铝－镁－铁系非热处理型中强度铝合金导线有日本电线株式会社开发的KAL铝合金导线、美国Alcan和WesternElectric公司的“CK76”铝合金导线。KAL铝合金中的Mg、Fe含量分别不大于0.3％和0.7％，典型的含量为0.17％和0.5％，抗拉强度为225－245MPa，电导率≥58.O％IACS。CK76铝合金中的Mg、Fe含量分别0.15％和0.75％，电导率为59.1％IACS。
1973年瑞典Eleetrokoppar工厂研制出了导电率>58.84％IACS，抗拉强度≥230MPa的Al－Fe－Cu－Mg－Be中强度铝合金导线，并命名为Ductalex，其化学成分为Fe≤0.40％，Cu：0.05％～0.35％，Mg：0.01％～0.20％，Be：0.001％～0.10％。后对该合金成分进行微调后，纳入美国铝业协会标准，牌号为AA1120。
瑞典1975年架设了第一条采用Ductalex合金制造的AAAC试验线路，1977年正式用于400kV超高压架空输电线路，到1995年80％的架空输电线路采用Ductalex全铝合金绞线。澳大利亚从1984年开始在275kV的输电线路上应用61/3.75mm，用AA1120中强度全铝合金绞线替代54/3.75mm+19/2.25mm钢芯铝绞线。自此以后用中强度铝合金制作的全铝合金绞线和中强度铝合金制作的钢芯铝合金绞线逐渐推广开来。
非热处理加工硬化型KAL、CK76、MS－AL和Ductalex中强度铝合金的制造工艺与硬铝线相同，采用连铸连轧制杆，成本较低，但在制造过程中，需严控连铸连轧工艺和拔线参数。材料工作者一直以来为了提高中强度铝合金导线的性能而进行深入研究。荒木功敬等人发明了A1－Mg－In和Al－Fe－Si－Mg－RE系非热处理型中强度铝合金，进一步提高非热处理型中强度铝合金性能，尤其是塑性。近年来，波兰AGH科技大学展开了非沉淀析出型合金元素Fe、Si、Cu、Mg、Ti、B和稀土元素在中强度铝合金导体材料中合金化机理的研究，以期进一步提高中强度铝合金导线的性能。
为了提高中强度铝合金导线的塑性，日本住友电气株式会社开发的SI-26铝－镁－硅系中强度铝合金导线。该铝合金导线属于半热处理半加工硬化型。这种铝合金和同样是铝－镁－硅系的热处理型高强度铝合金相比，在热处理和冷加工等方面存在不同特点。SI-26铝合金是具有Mg2Si时效析出强化相的铝合金。研究表明，材料的时效强化性能与冷加工有关。当含镁量不同时，自然时效和冷加工对铝－镁－硅系合金时效后性能具有不同的影响。镁含量为0.32％时，铝－镁－硅系合金自然时效后进行冷加工，再进行人工时效时，可显著提高时效强化效果，同时导电性能也随之获得改善。SI-26中强度铝合金丝的抗拉强度≥245MPa，伸长率为5.5％，电导率>58.5％IACS，疲劳极限为88.2MPa。
2011年1月22日，中国电力企业联合会在北京组织召开了上海中天铝线有限公司研制的中强度铝合金绞线产品技术鉴定会。自此中强度铝合金导线在我国有了长足的发展。在A1－Mg－Si系半热处理半加工硬化型中强度铝合金导线方面，上海中天铝线有限公司开发了JLH59-425-37中强度铝合金绞线，远东电缆有限公司开发了“JLHA3-675-61中强度铝合金绞线”其电导率超过58.5％IACS，抗拉强度达到240MPa。该类铝合金导线在制造过程中需对铸锭进行固溶处理，对铝杆进行热均化处理，对铝线进行特殊时效处理，由于有热处理工序使导线的成本增高。非热处理型中强度铝合金导线，杭州电缆股份有限公司研制了JLH58.5-660-61/3.73中强度铝合金绞线，该导线的电导率超过58.5％IACS，抗拉强度超过240MPa；青岛汉缆股份有限公司研制了JLHA3-675-61中强度铝合金绞线，该导线的电导率超过59％IACS，抗拉强度达到240MPa；武汉航天电工技术有限公司研制了JLHA3-675-61中强度铝合金绞线，其电导率超过59％IACS，抗拉强度达到240MPa。
瑞典的经验表明，如果想要避免出现振动损伤的危险，在0℃时ACSR的允许额定张应力不应超过60MPa，AAAC的不超过50MPa，即使采取了有效的机械减振措施也不应超过上述值。因此，在满足一定导线抗拉强度的前提下，提高导线的电导率成为降低线路损耗的关键因素。我国中强度铝合金导线标准较国际电工委员会标准对电导率的要求较高，对伸长率要求较低。我国正在发展坚强的智能电网，该电网不但要求耐受风电和太阳能发电的潮流冲击，而且要求输电过程中线路损耗低。因此，提高导线强度、延伸率和电导率是建设稳固节能电网的关键，也是中强度全铝合金绞线的发展方向。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题就是满足铝合金导线对提高强度、延伸率和电导率的需求，提供一种非热处理中强度铝合金导线。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种非热处理中强度铝合金导线，该铝合金的化学成分按重量百分比计为：Fe0.5-1.1％，Cu0.1-0.35％，Mg0.01-0.15％，Si<0.06％，Cr+V+Ti+Mn<0.01％，Al余量。
优选地，还加入B0.005-0.06％，RE0.05-0.2％。
优选地，Fe0.55-0.9％。
优选地，Fe0.65-0.75％。
优选地，Cu0.15-0.3％。
优选地，Cu0.2-0.25％。
优选地，Mg0.015-0.1％。
优选地，Mg0.02-0.08％。
本发明还提供了上述非热处理中强度铝合金导线的生产工艺，包括下述步骤：
第一步：铝合金导线杆坯的水平连铸－连续挤压或连铸连轧：
铝合金导线杆坯的水平连铸－连续挤压工艺流程为合金配料→熔炼、精炼→多个结晶器并联的水平连铸→连续挤压直径为D的杆坯→水冷→收卷；
铝合金导线杆坯的连铸连轧工艺流程为合金配料→熔炼、精炼→连续铸造成边长为40～50mm菱形截面的坯料→多道次热连轧成直径为D的杆坯→收卷→空冷；
第二步：铝合金导线杆坯的退火处理：
将直径为D的铝合金导线杆坯进行300－360℃保温10－20小时退火；
第三步：铝合金导线的拉伸：
根据不同规格直径d导线产品，确定其应满足D＝(4.75-4.85)d(mm)的定量变形关系。
优选地，在上述第二步的退火处理中将直径为D的铝合金导线杆坯进行320－340℃保温12－16小时退火。
(三)有益效果
本发明的导线产品性能指标为：抗拉强度245-265MPa，延伸率不小于2.5％，导电率不小于59.5％IACS。因此本发明具有生产工艺简单，产品力学性能和导电性能优良、稳定、均匀的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是合金元素含量对铝导电性能影响的曲线图；
图2是合金元素铁与硅含量对铝强度影响的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
研究表明：在电工用工业纯铝(99.7％A1)中，通常总是含有少量的Fe、Si以及微量的Cr、V、Ti、Ga等元素。这些元素(尤其是以固溶态存在的微量元素)都会降低铝的导电率即增大其电阻率。成分优化目的在于从众多的元素中筛选出对导电率有益的元素作为添加元素，尽可能地除掉有害元素或将铝中固溶的有害元素转化为析出物存在于晶界处。
图1所示为合金元素对铝导电性能的影响，可以发现：在铝中添加少量的Ni、Zn、Fe、Ag、Cu、Si、Mg、Zr等对铝合金的电导率影响不大，可以获得电导率高于60％IACS的铝合金导线；但同时考虑到以上元素对合金高温蠕变性能和使用性能的影响。因此，本发明重点关注Fe、Cu、Mg、B等合金元素和Si、Mn、Ti、Cr、V等杂质微量元素对铝合金导电性能和力学性能的影响，优化合金化学成分设计。
Fe是铝中常见的杂质，它在铝液中的溶解度高，因此在所有的熔融生产中铁易溶解于铝中。但铁在固态下溶解度很低(约0.004％)，存在于铝中的铁超过0.04％的大部分呈金属第二相而与铝及其它元素相结合，由于铁在铝中溶解度是有限的而被应用于铝电导体中。由于铁的存在，导体的强度有所提高(见图2)，又在中等高温下，其蠕变性能也有改善。
Cu和Mg可以提高铝合金强度，但也会增加电阻。通常利于提高强度依次排列为Fe－Mg－Cu，降低材料电导率水平依次排列为Mg－Cu－Fe。
在纯铝中随Fe添加量的增加，强度明显提高，而电导率变化不大；Cu对合金强度的提高比Fe的作用大，降低电导率水平比Mg小。Mg原子半径与铝相差较大，Mg在铝固溶体中含量越多，引起晶格畸变越严重，Mg含量增加到0.30％后，强度提高而电导率明显下降。
B改善铝导电性的作用在于B可以与铝中的有害杂质元素Ti、V、Cr、Mn等发生反应，生成硼化物或者它们的复杂化合物，使它们由固溶态转变为析出态并沉积于熔体底部，减少铝导体内部晶格的畸变。此外，加入B还能增加铝液中的结晶核心数量，细化晶粒。因此，B的加入对圆铝杆的强度与导电率都有益处。硼作为固化的晶粒细化剂，添加量为0.005-0.1％。
混合稀土RE与铝液中的氢等气体和一些杂质元素有较强的亲和力，能生成熔点高的化合物，故它有一定的除氢、精炼、净化和变质的作用。添加一定量的RE使其与固溶在铝基体中的Fe、Si等杂质结合，生成稳定的金属间化合物，降低基体中杂质元素的固溶量，能够有效地抑制工业纯铝中Fe、Si元素对导电性的有害作用。同时，稀土元素增大合金结晶过程中的成分过冷和提供大量异质形核核心，大量新晶核限制柱状晶的成长，因而获得发达的等轴晶，起到晶粒细化的作用，显著改善铝合金的金相组织，减少铝合金的裂纹源，并使合金断裂过程中裂纹萌生位置与扩展途径发生改变，有利于合金的韧化，使电工圆铝杆强度和塑性均有所提高。
此外，虽然可以通过在工业纯铝锭(Al99.7％)中添加其它合金元素以大幅度提高铝合金强度，但另一方面又会严重影响合金的导电性能。为了解决这一技术难题，本发明在优化添加微量合金元素的同时，充分利用退火对提高导电性能的作用，以及冷加工硬化和细晶强化对强度的作用，提出了对铝合金导线杆坯进行退火处理，并确保拉伸过程的总变形加工量达到一定程度的特定的工艺。
本发明通过提供一种铝合金化学成分设计以满足提高导线强度、延伸率和电导率需求。基于已有研究结果，本发明重点关注Fe、Cu、Mg、B等合金元素和Si、Mn、Ti、Cr、V等杂质微量元素对铝合金导电性能和力学性能的影响，优化合金化学成分设计。
本发明合金的化学组成(重量％)如下：0.5-1.1％Fe,0.1-0.35％Cu,0.01-0.15％Mg,小于0.06％Si和Cr+V+Ti+Mn总含量小于0.01％，更优的则是可加入0.005-0.06％B，0.05-0.2％RE。
在本发明的实施方案中，本发明合金中的Fe含量优选为0.55-0.9％，且更优选为0.65-0.75％。
在本发明的实施方案中，本发明合金中的Cu含量优选为0.15-0.3％，且更优选为0.2-0.25％。
在本发明的实施方案中，本发明合金中的Mg含量优选为0.015-0.1％，且更优选为0.02-0.08％。
另一方面，本发明还提供了一种适合该铝合金导线的生产工艺方法，包括下述步骤：
第一步：铝合金导线杆坯的水平连铸－连续挤压或连铸连轧。
铝合金导线杆坯的水平连铸－连续挤压工艺流程为合金配料→熔炼、精炼→水平连铸(多个结晶器并联)→连续挤压直径为D的杆坯→水冷→收卷。
铝合金导线杆坯的连铸连轧工艺流程为合金配料→熔炼、精炼→连续铸造(边长为40～50mm菱形截面的坯料)→热连轧(多道次)直径为D的杆坯→收卷→空冷。
第二步：铝合金导线杆坯的退火处理。
将直径为D的铝合金导线杆坯进行300－360℃保温10－20小时退火，在本发明的实施方案中，更优的退火处理工艺制度则是320－340℃保温12－16小时。
第三步：铝合金导线的拉伸。
根据不同规格直径d导线产品，确定其应满足D＝(4.75-4.85)d(mm)的定量变形关系。
实施例：
下面通过实施例进一步说明本发明。
采用99.7％铝锭、镁锭以及Al-Fe、Al-Cu中间合金，根据电工用中强铝合金的化学成分范围计算各合金加入的重量比例，按此比例配料，在双500Kg容量燃气熔炼炉内经熔化、精炼、保温和在线过滤后，采用光谱直读方法对溶体取样进行化学成分分析，实测成分见表1。采用带10头结晶器的水平连铸机铸造成直径为Ф16mm的圆杆坯，铸造温度控制为680～700℃，水平连铸牵引速度1000mm/min，得到每盘重约100Kg水平连铸小盘圆杆坯。将该杆坯经清洗、漂洗、干燥后，在LJ300铝材连续挤压机上挤压成直径为Ф15mm的圆杆产品，连续挤压温度控制为350－450℃，挤压轮转速为22rpm；将此出模口产品冷却至40～60℃的温度后利用恒张力收绕装置对其进行收卷。对挤压杆进行350℃/10小时退火处理后拉伸成Ф3.15mm线材，对产品力学性能和电性能进行测试，见表2。
表1本发明中强度铝合金实测化学成分wt％
| 元素 | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | B |
| 含量 | 0.048 | 0.565 | 0.205 | 0.009 | 0.018 | 0.011 | 0.02 |
表2本发明中强度铝合金导线(Ф3.15mm)力学性能和电性能
本发明采用在工业纯铝锭的基础上添加微量合金元素，优化合金成分，开发一种非热处理中强度铝合金导线，简化了铝合金导线生产工序；
利用退火对提高导电率的作用，以及冷加工硬化和细晶强化对强度的作用，优化杆料退火－拉伸匹配新工艺。
导线产品综合性能指标明显优于国内外现有同类产品。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种非热处理中强度铝合金导线的生产工艺，该铝合金的化学成分按重量百分比计为：Fe 0.65-0.75％，Cu 0.2-0.25％，Mg0.01-0.15％，Si<0.06％，Cr+V+Ti+Mn<0.01％，Al余量，其特征在于，包括下述步骤：
第一步：铝合金导线杆坯的水平连铸－连续挤压或连铸连轧：
铝合金导线杆坯的水平连铸－连续挤压工艺流程为合金配料→熔炼、精炼→多个结晶器并联的水平连铸→连续挤压直径为D的杆坯→水冷→收卷；
铝合金导线杆坯的连铸连轧工艺流程为合金配料→熔炼、精炼→连续铸造成边长为40～50mm菱形截面的坯料→多道次热连轧成直径为D的杆坯→收卷→空冷；
第二步：铝合金导线杆坯的退火处理：
将直径为D的铝合金导线杆坯进行300－360℃保温10－20小时退火；
第三步：铝合金导线的拉伸：
根据不同规格直径d导线产品，确定其应满足D＝(4.75-4.85)d(mm)的定量变形关系。
2.根据权利要求1的非热处理中强度铝合金导线的生产工艺，其特征在于，在上述第二步的退火处理中将直径为D的铝合金导线杆坯进行320－340℃保温12－16小时退火。
3.根据权利要求1的非热处理中强度铝合金导线的生产工艺，其特征在于，铝合金导线中还加入B 0.005-0.06％，RE 0.05-0.2％。
4.根据权利要求1的非热处理中强度铝合金导线的生产工艺，其特征在于，Mg 0.015-0.1％。
5.根据权利要求1的非热处理中强度铝合金导线的生产工艺，其特征在于，Mg 0.02-0.08％。
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