CN104294090A - 煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金及铝合金电缆及制备方法 - Google Patents

煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金及铝合金电缆及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金，铝合金的各成份及重量百分比分别为：Fe含量为0.2～1.1％；Cu含量为0.01～0.4％；Mg含量为0.01～0.4％；Ag含量为0.001～0.1％；Si含量为0～0.1％；B含量为0～0.2％；其余为Al和杂质，其中铝合金电阻率不大于0.028264Ω·mm2/m，断裂伸长率不低于10％，且90度疲劳弯折次数大于或等于30次，将上述铝合金材料通过熔炼、铸造、轧制工艺得到铝合金杆，再经拉制、束绞、软化而成铝合金线芯，再将线芯经过挤包绝缘、成缆、挤包护套或铠装制成铝合金电缆，制得铝合金电缆具有高强度、高导电率、弯曲性能良好等特性，能满足煤矿领域中对电缆性能的要求。

Description

煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金及铝合金电缆及制备方法
技术领域
本发明涉及煤矿电缆技术领域，具体涉及一种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag系铝合金及铝合金电缆。
背景技术
煤矿用电缆由于使用的环境复杂、工作条件恶劣、且移动频繁，使用寿命不长，瓦斯积聚的区域又十分危险，因此不仅对电缆本身安全性要求很高，而且对频繁移动场合用电缆的耐磨性、抗外界拉力性能要求很高。因此，煤矿用电缆属于电缆行业中技术含量较高的产品。
普通的电缆采用铜芯导线，随着对铜资源的过度开采，铜资源日益紧张，且濒临匮乏，因此需要使用其他材料的导线代替铜芯导线，才能满足市场的需求。金属材料中，铝具有导电效果好、质轻、价格低廉等特性，且近年来，出于环保意识的加强，强烈需要减轻重量以提高机械燃料利用率，因此，以铝芯电缆代替铜芯电缆已是大势所趋。现有技术中，已研制出铝芯电缆，然而普通铝芯电缆存在机械性能和抗腐蚀性能较差等缺陷，不具备满足煤矿用电缆频繁移动的良好的弯曲性能；且根据煤矿用电缆的恶劣环境，对电缆导体的导电率和机械强度有较高的要求，而现有普通的铝芯电缆的导电率和机械强度性能不能满足煤矿用电缆的要求。因此，开发出一种能满足煤矿业中使用要求的铝合金电缆具有十分广阔的市场前景。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金及铝合金电缆，该铝合金具有高强度、高导电率、弯曲性能良好等特性，由该铝合金制成的铝合金电缆能满足煤矿领域中对电缆性能的要求。
本发明的技术方案是：
一种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金，各组成成份及重量百分比分别为：
Fe含量为0.2～1.1％；
Cu含量为0.01～0.4％；
Mg含量为0.01～0.4％；
Ag含量为0.001～0.1％；
Si含量为0～0.1％；
B含量为0～0.2％；
其余为Al和杂质，
其中铝合金电阻率不大于0.028264Ω·mm2/m，断裂伸长率不低于10％，且90度疲劳弯折次数大于或等于30次。
进一步地，所述铝合金中还包括稀土元素，所述稀土元素的含量占铝合金重量的0.1-0.3％。
进一步地，所述稀土元素包括Ce、La，所述Ce和La的重量占稀土元素总重量的至少50％。
进一步地，所述铝合金在温度120℃、压应力120MPa条件下、1～100小时的平均蠕变速度为小于或等于1×10-2(％/h)。
一种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金电缆的制作方法，铝合金电缆的加工工艺包括如下步骤：
a、通过对熔融上述铝合金进行铸造得到铸造材料：按比例加入本发明中提到的铝合金成分，在700℃或以上温度条件下进行熔炼工艺，然后在680℃或以下温度条件下进行铸造，得到铸锭；
b、将步骤a得到的铸锭在460-550℃范围内固溶处理2-6h，然后在20-100℃的冷却水中快速淬火；
c、将步骤b得到的铸锭在150-250℃范围内时效处理6-10h，再升温至300℃以上轧制成合金杆；
d、在300℃或以下温度条件下，将步骤c轧制成的合金杆进行拉制处理，使截面积缩小至步骤c中合金杆截面积的50-60％，得到铝合金线；
e、在形成铝合金核的温度条件下，将步骤d得到的铝合金线再次进行拉制处理，使截面积缩小至步骤d中铝合金线截面积的70-100％，得到铝合金导体单丝；
f、将若干根步骤e得到的铝合金导体单丝绞合，在230-320℃条件下进行第一次热处理3-6h，然后在300-400℃条件下将再次热处理8-14h，得到铝合金的线芯；
g、将步骤f得到的线芯经过挤包绝缘、成缆、挤包护套或铠装制成铝合金电缆。
一种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金电缆，由上述铝合金制成该铝合金电缆的线芯，且该铝合金电缆包括由动力线芯、监视线芯、控制线芯三种线芯绞合而成的缆芯，线芯之间设有填芯层，缆芯外设置有外护套层。
进一步地，所述线芯由数量为10～2000根，直径为0.2mm～0.5mm单丝束绞而成，所述单丝由所述铝合金制成。
进一步地，所述缆芯包括三根呈品字型排列的动力线芯，且三根动力线芯外侧设有两根控制线芯和一根监视线芯，所述动力线芯、控制线芯、监视线芯外侧由内到外分别依次包裹有隔离层、绝缘层。
进一步地，所述绝缘层和外护套层采用聚氯乙烯、交联聚乙烯、聚氯乙烯-丁腈聚合物、聚酰胺、氟化乙丙烯、氯化聚乙烯或聚丙烯中的至少一种。
进一步地，所述铝合金电缆在9000次抗弯曲试验后不短路、不断路，且在90℃长期运行情况下，载流量不低于相同截面铜电缆的80％。
进一步地，所述铝合金电缆适用于额定电压8.7/10kV及以下等级的煤矿用移动类橡套软电缆。
本发明铝合金及铝合金电缆有以下优点：
1、本发明提供的煤矿用铝合金，对铝合金的元素进行优化，从而改善该铝合金的性能。本发明提供的煤矿用铝合金，选用Al-Fe-Cu-Mg-Ag系列，通过加入Fe元素，可以改善合金的机械强度和拉伸性能，Fe还能明显提高高温抗蠕变性能，以及提高合金的抗疲劳性能；铜是重要的合金元素，有一定的固溶强化效果，此外时效析出的CuAl2有着明显的时效强化效果，Cu的加入可以提高合金的强度以及高温蠕变性能，并能改善抗疲劳性能；在铝合金中加入少量的Mg细化铸造组织，形成MgSi强化相提高再结晶温度和改变时效行为，使制品的再结晶晶粒得以细化，强度、韧性得以提高，塑性、耐蚀性得到改善，提高铝合金的屈服强度及延伸率，避免铝合金产品的再加工，提高生产效率，降低生产成本。Ag的加入可以促进时效过度相的形成，改善合金时效硬化特性，使合金力学性能得到较大提高，同时还可显著改性合金的抗疲劳弯曲性能、耐热和耐酸碱腐蚀性，能承受严格的工作要求，虽然Ag的加入会使导电率小幅减小，但同时微量Ag即能改善电缆多方面性能，从而提高矿用电缆的使用寿命，如果在银中加入稀土元素，性能就更加优良。
本发明提供的煤矿用铝合金，本发明对Si的含量作了限定，是因为过多的Si会导致拉伸性能降低，影响到电缆的加工性能，并且可能会降低导体的疲劳弯曲性能，且过多的Si还会降低电性能。本发明还优选加入一定量的B，可以改善加工性能，特别是单丝微拉和束绞方面的加工性能。本发明提供的煤矿用铝合金，通过将适量的B作为铝合金成分，既可以改善合金的性能，又不会因过多的量会恶化合金的性能，特别是电性能和延伸性能。本发明提供的铝合金材料，通过合理的合金成分配比来保障合金的性能。
本发明提供的煤矿用铝合金，还优选添加一定量的稀土元素(Rare Earth，简称RE)，其中Ce、La占稀土元素总含量的至少50％，稀土元素不仅可以显著提高合金的电性能，高了合金室温强度、耐热强度和熔体流动性，还能起到提高合金抗疲劳弯曲性能的效果，延长了电缆的使用寿命。优选Ce和La，是因为这两种元素在本发明中效果较其他稀土元素改善效果更明显。
本发明提供的煤矿用铝合金材料，通过熔炼、铸造、固溶与时效处理、轧制工艺后，得到的铝合金的电阻率小于等于0.028264Ω·mm2/m，电导率大于等于61％IACS，断裂伸长率不低于10％，温度120℃、120MPa压应力条件下，1-100小时的平均蠕变速度小于等于1×10-2(％/h)，90度疲劳弯折次数大于等于30次，且单丝直径最小可拉到0.2mm。
2、本发明提供的煤矿用铝合金电缆，由本发明提供的铝合金制成，得到的煤矿用铝合金电缆不仅具有很好的导电性能、拉伸性能、抗蠕变性能和抗疲劳性能，特别是抗弯曲性能也达到了煤矿用铜芯的技术要求；同时，煤矿用铝合金电缆由于柔韧性好，且重量较铜轻很多，因而作为煤矿用软电缆使用起来更加方便，有效的降低了煤矿用电缆的成本，提高了工作效率，具有非常好技术经济效益。本发明提供的煤矿用铝合金电缆，适用于煤矿用移动类橡套软电缆、额定电压8.7/10kV及以下煤矿用橡套软电缆，在90℃长期运行条件下，载流量不低于相同截面铜电缆的80％；且本发明提供的煤矿用铝合金电缆经9000次抗弯曲试验后不短路、不断路，其中，9000次抗弯曲试验按MT818.1规定的试验方法进行。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种煤矿电缆用铝合金，组分及各组分的重量百分比如下(总重量：1T)：
其中，稀土元素RE包含Ce、La和Er，其中，Ce和La的含量占稀土元素总含量的60％。
采用上述铝合金制作煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金电缆的方法，加工工艺包括如下步骤：
a、通过对熔融上述铝合金进行铸造得到铸造材料：按比例加入本发明中提到的铝合金成分，在700℃温度条件下进行熔炼工艺，然后在650℃温度条件下进行铸造，得到铸锭；
b、将步骤a得到的铸锭在500℃固溶处理4h，然后在30℃的冷却水中快速淬火；
c、将步骤b得到的铸锭在150℃范围内时效处理7h，再升温至350℃轧制成合金杆；
d、在300℃或以下温度条件下，将步骤c轧制成的合金杆进行拉制处理，使截面积缩小至步骤c中合金杆截面积的60％，得到铝合金线；
e、在形成铝合金核的温度条件下，将步骤d得到的铝合金线再次进行拉制处理，使截面积缩小至步骤d中铝合金线截面积的80％，得到铝合金导体单丝；
f、将若干根步骤e得到的铝合金导体单丝绞合，在250℃条件下进行第一次热处理3h，然后在350℃条件下将再次热处理8h，得到铝合金的线芯，铝合金的线芯可由10-2000根直径分别为0.2-0.5mm的铝合金导体单丝束绞制成，根据铝合金电缆的规格确定铝合金导体单丝丝的直径和数量；
g、将步骤f得到的线芯经过挤包绝缘、成缆、挤包护套或铠装制成铝合金电缆。
上述铝合金线芯的制备方法中，铸造步骤中，加热应当缓慢，再加入多种合金锭时，应在300℃以下装炉，以保证铸件加热均匀，在尽可能高的温度下(接近于共晶的熔点)通过较长时间的固容热处理使合金元素与第二相溶于基体，由于微量合金元素(B、Si、RE)的融入，使基体成为亚饱和状态，通过固容处理可以大幅提高合金的强度和塑性，改善合金的耐腐蚀性能；在固溶后快速冷却(从铸件吊起到铸件完全浸入冷却介质中时间不宜超过15s，以使铸件淬火均匀)提高铸件的拉伸性能和柔韧性；在时效开始阶段，基体饱和度很大，铸件的硬度会大幅提高，随着时效时间的增加，基体和析出物之间的浓度达到平衡，此时析出物析出开始变慢，此时在经过较短的保温时间，可以抑制晶粒生长，从而得到较少粗精的铝合金，由此获得优良的力学性能即较高的强度，良好的塑性和韧性；步骤f中两次退火处理可以最大限度的铝合金绞线的内应力，稳定合金线的电学性能，稳定尺寸减少变形，大大提高合金线的拉伸性和弯曲性。
上述铝合金材料，通过熔炼、铸造、固溶与时效处理、轧制工艺后，得到的铝合金的电阻率为0.027808Ω·mm2/m，62％IACS的导电率，断裂伸长率为14.％，温度120℃、120MPa压应力条件下，1-100小时的平均蠕变速度为0.93×10-2(％/h)，90度疲劳弯折次数达到34，且单丝直径最小可拉到0.2mm。
铝合金电缆的缆芯包括三根呈品字型排列的动力线芯，且三根动力线芯外侧设有两根控制线芯和一根监视线芯，所述动力线芯、控制线芯、监视线芯外侧由内到外分别依次包裹有隔离层、绝缘层。进一步地，绝缘层和外护套层采用聚氯乙烯、交联聚乙烯、聚氯乙烯-丁腈聚合物、聚酰胺、氟化乙丙烯、氯化聚乙烯或聚丙烯中的至少一种。
制得的铝合金电缆可用于矿井中-40℃-90℃环境下，应用范围广，特别适用于额定电压8.7/10kV及以下煤矿用移动类橡套软电缆。通过测试，在90℃长期运行条件下，载流量不低于相同截面铜电缆的80％；且该煤矿用铝合金电缆9000次抗弯曲试验后不短路、不断路，本发明9000次抗弯曲试验按MT818.1规定的试验方法进行。
实施例2：
稀土元素不仅可以显著提高合金的电性能，还能起到提高合金抗疲劳弯曲性能的效果，延长了电缆的使用寿命。其中，稀土元素RE包含Ce、La和Pr，其中，Ce和La的含量占稀土元素总含量的50％。
采用上述铝合金制作煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金电缆的方法，加工工艺包括如下步骤：
a、通过对熔融上述铝合金进行铸造得到铸造材料：按比例加入本发明中提到的铝合金成分，在800℃温度条件下进行熔炼工艺，然后在680℃温度条件下进行铸造，得到铸锭；
b、将步骤a得到的铸锭在460℃固溶处理6h，然后在20℃的冷却水中快速淬火；
c、将步骤b得到的铸锭在250℃范围内时效处理6h，再升温至400℃轧制成合金杆；
d、在280℃温度条件下，将步骤c轧制成的合金杆进行拉制处理，使截面积缩小至步骤c中合金杆截面积的50％，得到铝合金线；
e、在形成铝合金核的温度条件下，将步骤d得到的铝合金线再次进行拉制处理，使截面积缩小至步骤d中铝合金线截面积的70％，得到铝合金导体单丝；
f、将若干根步骤e得到的铝合金导体单丝绞合，在250℃条件下进行第一次热处理6h，然后在350℃条件下将再次热处理14h，得到铝合金的线芯，铝合金的线芯可由10-2000根直径分别为0.2-0.5mm的铝合金导体单丝束绞制成，根据铝合金电缆的规格确定铝合金导体单丝丝的直径和数量；
g、将步骤f得到的线芯经过挤包绝缘、成缆、挤包护套或铠装制成铝合金电缆。
上述铝合金材料，通过熔炼、铸造、固溶与时效处理、轧制工艺后，得到的铝合金的电阻率为0.027898Ω·mm2/m，61.8％IACS的导电率，断裂伸长率为13％，温度120℃、120MPa压应力条件下，1-100小时的平均蠕变速度为0.94×10-2(％/h)，90度疲劳弯折次数达到35，且单丝直径最小可拉到0.2mm。
铝合金电缆的缆芯包括三根呈品字型排列的动力线芯，且三根动力线芯外侧设有两根控制线芯和一根监视线芯，所述动力线芯、控制线芯、监视线芯外侧由内到外分别依次包裹有隔离层、绝缘层。进一步地，绝缘层和外护套层材质采用聚氯乙烯、交联聚乙烯、聚氯乙烯-丁腈聚合物、聚酰胺、氟化乙丙烯、氯化聚乙烯或聚丙烯中的至少一种。
制得的铝合金电缆可用于矿井中-40℃-90℃环境下，应用范围广，特别适用于额定电压8.7/10kV及以下煤矿用移动类橡套软电缆。通过测试，在90℃长期运行条件下，载流量不低于相同截面铜电缆的80％；且该煤矿用铝合金电缆9000次抗弯曲试验后不短路、不断路，本发明9000次抗弯曲试验按MT818.1规定的试验方法进行。
实施例3：
其中，稀土元素RE包含Ce、La和Er，其中，Ce和La的含量占稀土元素总含量的60％。
采用上述铝合金制作煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金电缆的方法，加工工艺包括如下步骤：
a、通过对熔融上述铝合金进行铸造得到铸造材料：按比例加入本发明中提到的铝合金成分，在750℃温度条件下进行熔炼工艺，然后在650℃温度条件下进行铸造，得到铸锭；
b、将步骤a得到的铸锭在550℃固溶处理2h，然后在100℃的冷却水中快速淬火；
c、将步骤b得到的铸锭在200℃范围内时效处理10h，再升温至300℃轧制成合金杆；
d、在300℃温度条件下，将步骤c轧制成的合金杆进行拉制处理，使截面积缩小至步骤c中合金杆截面积的56％，得到铝合金线；
e、在形成铝合金核的温度条件下，将步骤d得到的铝合金线再次进行拉制处理，使截面积缩小至步骤d中铝合金线截面积的95％，得到铝合金导体单丝；
f、将若干根步骤e得到的铝合金导体单丝绞合，在250℃条件下进行第一次热处理3h，然后在400℃条件下将再次热处理8h，得到铝合金的线芯，铝合金的线芯可由10-2000根直径分别为0.2-0.5mm的铝合金导体单丝束绞制成，根据铝合金电缆的规格确定铝合金导体单丝丝的直径和数量；
g、将步骤f得到的线芯经过挤包绝缘、成缆、挤包护套或铠装制成铝合金电缆。
上述铝合金材料，通过熔炼、铸造、固溶与时效处理、轧制工艺后，得到的铝合金的电阻率为0.027674Ω·mm2/m，62.3％IACS的导电率，断裂伸长率为17％，温度120℃、120MPa压应力条件下，1-100小时的平均蠕变速度为0.9×10-2(％/h)，90度疲劳弯折次数达到30，且单丝直径最小可拉到0.2mm。
铝合金电缆的缆芯包括三根呈品字型排列的动力线芯，且三根动力线芯外侧设有两根控制线芯和一根监视线芯，所述动力线芯、控制线芯、监视线芯外侧由内到外分别依次包裹有隔离层、绝缘层。进一步地，绝缘层和外护套层采用聚氯乙烯、交联聚乙烯、聚氯乙烯-丁腈聚合物、聚酰胺、氟化乙丙烯、氯化聚乙烯或聚丙烯中的至少一种。
制得的铝合金电缆可用于矿井中-40℃-90℃环境下，应用范围广，特别适用于额定电压8.7/10kV及以下煤矿用移动类橡套软电缆。通过测试，在90℃长期运行条件下，载流量不低于相同截面铜电缆的80％；且该煤矿用铝合金电缆9000次抗弯曲试验后不短路、不断路，本发明9000次抗弯曲试验按MT818.1规定的试验方法进行。
实施例4：
其中，稀土元素RE为Ce、La。
采用上述铝合金制作煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金电缆的方法，加工工艺包括如下步骤：
a、通过对熔融上述铝合金进行铸造得到铸造材料：按比例加入本发明中提到的铝合金成分，在770℃温度条件下进行熔炼工艺，然后在670℃温度条件下进行铸造，得到铸锭；
b、将步骤a得到的铸锭在500℃固溶处理2h，然后在60℃的冷却水中快速淬火；
c、将步骤b得到的铸锭在250℃时效处理10h，再升温至350℃轧制成合金杆；
d、在300℃温度条件下，将步骤c轧制成的合金杆进行拉制处理，使截面积缩小至步骤c中合金杆截面积的60％，得到铝合金线；
e、在形成铝合金核的温度条件下，将步骤d得到的铝合金线再次进行拉制处理，使截面积缩小至步骤d中铝合金线截面积的70％，得到铝合金导体单丝；
f、将若干根步骤e得到的铝合金导体单丝绞合，在250℃条件下进行第一次热处理5h，然后在400℃条件下将再次热处理10h，得到铝合金的线芯，铝合金的线芯可由10-2000根直径分别为0.2-0.5mm的铝合金导体单丝束绞制成，根据铝合金电缆的规格确定铝合金导体单丝丝的直径和数量；
g、将步骤f得到的线芯经过挤包绝缘、成缆、挤包护套或铠装制成铝合金电缆。
上述铝合金材料，通过熔炼、铸造、固溶与时效处理、轧制工艺后，得到的铝合金的电阻率为0.027630Ω·mm2/m，62.4％IACS的导电率，断裂伸长率为11％，温度120℃、120MPa压应力条件下，1-100小时的平均蠕变速度为0.91×10-2(％/h)，90度疲劳弯折次数达到32，且单丝直径最小可拉到0.2mm。
铝合金电缆的缆芯包括三根呈品字型排列的动力线芯，且三根动力线芯外侧设有两根控制线芯和一根监视线芯，所述动力线芯、控制线芯、监视线芯外侧由内到外分别依次包裹有隔离层、绝缘层。进一步地，绝缘层和外护套层采用聚氯乙烯、交联聚乙烯、聚氯乙烯-丁腈聚合物、聚酰胺、氟化乙丙烯、氯化聚乙烯或聚丙烯中的至少一种。
制得的铝合金电缆可用于矿井中-40℃～90℃环境下，应用范围广，特别适用于额定电压8.7/10kV及以下煤矿用移动类橡套软电缆。通过测试，在90℃长期运行条件下，载流量不低于相同截面铜电缆的80％；且该煤矿用铝合金电缆9000次抗弯曲试验后不短路、不断路，本发明9000次抗弯曲试验按MT818.1规定的试验方法进行。
实施例5：
一种煤矿电缆用铝合金，组分及各组分的重量百分比如下(总重量：1T)：
采用上述铝合金制作煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金电缆的方法，加工工艺包括如下步骤：
a、通过对熔融上述铝合金进行铸造得到铸造材料：按比例加入本发明中提到的铝合金成分，在700℃温度条件下进行熔炼工艺，然后在650℃温度条件下进行铸造，得到铸锭；
b、将步骤a得到的铸锭在500℃固溶处理4h，然后在30℃的冷却水中快速淬火；
c、将步骤b得到的铸锭在150℃范围内时效处理7h，再升温至350℃轧制成合金杆；
d、在300℃或以下温度条件下，将步骤c轧制成的合金杆进行拉制处理，使截面积缩小至步骤c中合金杆截面积的60％，得到铝合金线；
e、在形成铝合金核的温度条件下，将步骤d得到的铝合金线再次进行拉制处理，使截面积缩小至步骤d中铝合金线截面积的80％，得到铝合金导体单丝；
f、将若干根步骤e得到的铝合金导体单丝绞合，在250℃条件下进行第一次热处理3h，然后在350℃条件下将再次热处理8h，得到铝合金的线芯，铝合金的线芯可由10-2000根直径分别为0.2-0.5mm的铝合金导体单丝束绞制成，根据铝合金电缆的规格确定铝合金导体单丝丝的直径和数量；
g、将步骤f得到的线芯经过挤包绝缘、成缆、挤包护套或铠装制成铝合金电缆。
上述铝合金材料，通过熔炼、铸造、固溶与时效处理、轧制工艺后，得到的铝合金的电阻率为0.027898Ω·mm2/m，61.8％IACS的导电率，断裂伸长率为14.％，温度120℃、120MPa压应力条件下，1-100小时的平均蠕变速度为0.93×10-2(％/h)，90度疲劳弯折次数达到34，且单丝直径最小可拉到0.2mm。
铝合金电缆的缆芯包括三根呈品字型排列的动力线芯，且三根动力线芯外侧设有两根控制线芯和一根监视线芯，所述动力线芯、控制线芯、监视线芯外侧由内到外分别依次包裹有隔离层、绝缘层。进一步地，绝缘层和外护套层采用聚氯乙烯、交联聚乙烯、聚氯乙烯-丁腈聚合物、聚酰胺、氟化乙丙烯、氯化聚乙烯或聚丙烯中的至少一种。
制得的铝合金电缆可用于矿井中-40℃-90℃环境下，应用范围广，特别适用于额定电压8.7/10kV及以下煤矿用移动类橡套软电缆。通过测试，在90℃长期运行条件下，载流量不低于相同截面铜电缆的80％；且该煤矿用铝合金电缆9000次抗弯曲试验后不短路、不断路，本发明9000次抗弯曲试验按MT818.1规定的试验方法进行。
实施例4：
采用上述铝合金制作煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金电缆的方法，加工工艺包括如下步骤：
a、通过对熔融上述铝合金进行铸造得到铸造材料：按比例加入本发明中提到的铝合金成分，在770℃温度条件下进行熔炼工艺，然后在670℃温度条件下进行铸造，得到铸锭；
b、将步骤a得到的铸锭在500℃固溶处理2h，然后在60℃的冷却水中快速淬火；
c、将步骤b得到的铸锭在250℃时效处理10h，再升温至350℃轧制成合金杆；
d、在300℃温度条件下，将步骤c轧制成的合金杆进行拉制处理，使截面积缩小至步骤c中合金杆截面积的60％，得到铝合金线；
e、在形成铝合金核的温度条件下，将步骤d得到的铝合金线再次进行拉制处理，使截面积缩小至步骤d中铝合金线截面积的70％，得到铝合金导体单丝；
f、将若干根步骤e得到的铝合金导体单丝绞合，在250℃条件下进行第一次热处理5h，然后在400℃条件下将再次热处理10h，得到铝合金的线芯，铝合金的线芯可由10-2000根直径分别为0.2-0.5mm的铝合金导体单丝束绞制成，根据铝合金电缆的规格确定铝合金导体单丝丝的直径和数量；
g、将步骤f得到的线芯经过挤包绝缘、成缆、挤包护套或铠装制成铝合金电缆。
上述铝合金材料，通过熔炼、铸造、固溶与时效处理、轧制工艺后，得到的铝合金的电阻率为0.027719Ω·mm2/m，62.2％IACS的导电率，断裂伸长率为11％，温度120℃、120MPa压应力条件下，1-100小时的平均蠕变速度为0.91×10-2(％/h)，90度疲劳弯折次数达到32，且单丝直径最小可拉到0.2mm。
铝合金电缆的缆芯包括三根呈品字型排列的动力线芯，且三根动力线芯外侧设有两根控制线芯和一根监视线芯，所述动力线芯、控制线芯、监视线芯外侧由内到外分别依次包裹有隔离层、绝缘层。进一步地，绝缘层和外护套层采用聚氯乙烯、交联聚乙烯、聚氯乙烯-丁腈聚合物、聚酰胺、氟化乙丙烯、氯化聚乙烯或聚丙烯中的至少一种。
制得的铝合金电缆可用于矿井中-40℃～90℃环境下，应用范围广，特别适用于额定电压8.7/10kV及以下煤矿用移动类橡套软电缆。通过测试，在90℃长期运行条件下，载流量不低于相同截面铜电缆的80％；且该煤矿用铝合金电缆9000次抗弯曲试验后不短路、不断路，本发明9000次抗弯曲试验按MT818.1规定的试验方法进行。
实施例6
其中，稀土元素RE包含Ce、La、Pr和Er，其中，Ce和La的含量占稀土元素总含量的70％。
采用如实施例1相同的参数和方法制作煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金电缆，上述铝合金材料，通过熔炼、铸造、固溶与时效处理、轧制工艺后，得到的铝合金的电阻率为0.028357Ω·mm2/m，60.8％IACS的导电率，断裂伸长率为14％，温度120℃、120MPa压应力条件下，1-100小时的平均蠕变速度为0.93×10-2(％/h)，90度疲劳弯折次数达到34，且单丝直径最小可拉到0.2mm。可见虽然Ag能改善电缆的多方面性能提高电缆性能，但是Ag对实际合金电缆的导电率产生了影响，影响了电缆的实际要求。
实施例7
其中，稀土元素RE为Ce、La。
采用如实施例1相同的参数和方法制作煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金电缆，上述铝合金材料，通过熔炼、铸造、固溶与时效处理、轧制工艺后，得到的铝合金的电阻率为0.027454Ω·mm2/m，62.8％IACS的导电率，断裂伸长率为14％，温度120℃、120MPa压应力条件下，1-100小时的平均蠕变速度为0.93×10-2(％/h)，90度疲劳弯折次数达到34，且单丝直径最小可拉到0.2mm，试验数据和实施例1的参数相比导电率有很大的增加，但是同时耐热和耐酸碱腐蚀性都有很大的降低，影响电缆的使用寿命。
因此从实施例6、7可以得出合理Ag的用量大小对电缆性能有很大的影响。
实施例8
其中，稀土元素RE为Ce、La。
采用如实施例1相同的参数和方法制作煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金电缆，上述铝合金材料，通过熔炼、铸造、固溶与时效处理、轧制工艺后，得到的铝合金的电阻率为0.027763Ω·mm2/m，62.1％IACS的导电率，断裂伸长率为14％，温度120℃、120MPa压应力条件下，1-100小时的平均蠕变速度为0.92×10-2(％/h)，90度疲劳弯折次数达到28，且单丝直径最小可拉到0.2mm。铝合金电缆的强度明显降低，且90度疲劳弯折次数只有28，影响了煤矿用铝合金电缆的正常使用。
实施例9
其中，稀土元素RE为Ce、La。
采用如实施例1相同的参数和方法制作煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金电缆，上述铝合金材料，通过熔炼、铸造、固溶与时效处理、轧制工艺后，得到的铝合金的电阻率为0.027853Ω·mm2/m，61.9％IACS的导电率，断裂伸长率为14％，温度120℃、120MPa压应力条件下，1-100小时的平均蠕变速度为1.1×10-2(％/h)，90度疲劳弯折次数达到34，且单丝直径最小可拉到0.2mm，具体表现为90度疲劳弯折次数只有37，平均蠕变速度明显增加，超出煤矿用铝合金电缆的使用要求。
因此从实施例8、9可以得出Cu的加入也可以对铝合金的参数产生影响，很明显的对铝合金电缆的平均蠕变速度和抗疲劳性产生了影响，为保证铝合金电缆的正常参数要求，对加入量也必须严格要求。
实施例10
其中，稀土元素RE为Ce、La。
采用如实施例1相同的参数和方法制作煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金电缆，上述铝合金材料，通过熔炼、铸造、固溶与时效处理、轧制工艺后，得到的铝合金的电阻率为0.027808Ω·mm2/m，62％IACS的导电率，断裂伸长率为9％，温度120℃、120MPa压应力条件下，1-100小时的平均蠕变速度为0.94×10-2(％/h)，90度疲劳弯折次数达到34，且单丝直径最小可拉到0.2mm。很明显本实施例对Mg的减小对铝合金电缆的断裂伸长率产生影响，大幅减小。
实施例11
其中，稀土元素RE为Ce、La。
采用如实施例1相同的参数和方法制作煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金电缆，上述铝合金材料，通过熔炼、铸造、固溶与时效处理、轧制工艺后，得到的铝合金的电阻率为0.027853Ω·mm2/m，61.9％IACS的导电率，断裂伸长率为18％，温度120℃、120MPa压应力条件下，1-100小时的平均蠕变速度为0.94×10-2(％/h)，90度疲劳弯折次数达到34，且单丝直径最小可拉到0.2mm，很明显本实施例对Mg的减小对铝合金电缆的断裂伸长率产生影响，大幅增加塑性、耐蚀性得到改善，提高铝合金的屈服强度及延伸率，由于过多的镁会影响铝合金的强度，容易产生氧化，影响铝合金的寿命。
因此上述施例1-6对比控制在要求范围的组成参数，都能满足煤矿合金电缆的实际生产和使用需求，针对Si、B的使用可以有效的加强合金的加工性能和抗蚀能等，因此对实际测试参数的变化不大，符合本申请参数的合金的导电性能、拉伸性能、抗蠕变性能和抗疲劳性能等都能满足现有煤矿用铜芯电缆线的要求，而且较现有的煤矿铜线相比质量轻很多，有效的降低了电缆成本，提高了工作效率和经济效益。实施例7-8对Ag的含量进行调整均超出本申请的保护范围，很明显对铝合金的导电率产生影响，然而Ag加入合金能够对电缆的整体性能进行提升，延长铝合金的寿命，因此加入的Ag进行适量控制非常有必要。实施例9-10对Cu的含量进行调整，都会对铝合金的强度、高温蠕变性和抗疲劳性产生影响，不在本申请范围的Cu含量是的整个铝合金的参数不能满足，煤矿用铝合金电缆使用要求。同时本发明限定了Mg的含量，由于过多的镁会影响铝合金的强度，容易产生氧化，影响铝合金的寿命，适量的Mg加入可以改善强度、塑性、韧性以及合金的断裂伸长率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的保护范围内所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金，其特征在于，铝合金的各成份及重量百分比分别为：
Fe含量为0.2～1.1％；
Cu含量为0.01～0.4％；
Mg含量为0.01～0.4％；
Ag含量为0.001～0.1％；
Si含量为0～0.1％；
B含量为0～0.2％；
其余为Al和杂质，
其中铝合金电阻率不大于0.028264Ω·mm2/m，断裂伸长率不低于10％，且90度疲劳弯折次数大于或等于30次。
2.如权利要求1所述的煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金，其特征在于，所述铝合金中还包括稀土元素，所述稀土元素的含量占铝合金重量的0.1-0.3％。
3.如权利要求2所述的煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金，其特征在于，所述稀土元素包括Ce、La，所述Ce和La的重量占稀土元素总重量的至少50％。
4.如权利要求1至3任一项所述的煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金，其特征在于，所述铝合金在温度120℃、压应力120MPa条件下、1～100小时的平均蠕变速度为小于或等于1×10-2(％/h)。
5.一种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金电缆的制作方法，其特征在于，铝合金电缆的加工工艺包括如下步骤：
a、通过对权利要求1-4的任一项的铝合金熔融，再进行铸造得到铸造材料：按比例加入本发明中提到的铝合金成分，在700℃或以上温度条件下进行熔炼工艺，然后在680℃或以下温度条件下进行铸造，得到铸锭；
b、将步骤a得到的铸锭在460-550℃范围内固溶处理2-6h，然后在20-100℃的冷却水中快速淬火；
c、将步骤b得到的铸锭在150-250℃范围内时效处理6-10h，再升温至300℃以上轧制成合金杆；
d、在300℃或以下温度条件下，将步骤c轧制成的合金杆进行拉制处理，使截面积缩小至步骤c中合金杆截面积的50-60％，得到铝合金线；
e、在形成铝合金核的温度条件下，将步骤d得到的铝合金线再次进行拉制处理，使截面积缩小至步骤d中铝合金线截面积的70-100％，得到铝合金导体单丝；
f、将若干根步骤e得到的铝合金导体单丝绞合，在230-320℃条件下进行第一次热处理3-6h，然后在300-400℃条件下将再次热处理8-14h，得到铝合金的线芯；
g、将步骤f得到的线芯经过挤包绝缘、成缆、挤包护套或铠装制成铝合金电缆。
6.一种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金电缆，其特征在于，由权利要求1-4任一项的铝合金制成该铝合金电缆的线芯，且该铝合金电缆包括由动力线芯、接地线芯、控制线芯三种线芯绞合而成的缆芯，线芯之间设有填芯层，缆芯外设置有外护套层。
7.如权利要求6所述的煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金电缆，其特征在于，所述绝缘层和外护套层采用聚氯乙烯、交联聚乙烯、聚氯乙烯-丁腈聚合物、聚酰胺、氟化乙丙烯、氯化聚乙烯或聚丙烯中的至少一种。
8.如权利要求6所述的煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金电缆，其特征在于，所述线芯由数量为10～2000根，直径为0.2mm～0.5mm单丝束绞而成，所述单丝由所述铝合金制成。
9.如权利要求6所述的煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金电缆，其特征在于，所述铝合金电缆在9000次抗弯曲试验后不短路、不断路，且在90℃长期运行情况下，载流量不低于相同截面铜电缆的80％。
10.如权利要求6所述的煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Ag铝合金电缆，其特征在于，所述铝合金电缆适用于额定电压8.7/10kV及以下等级的煤矿用移动类橡套软电缆。
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