CN104294091A - 煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Zr系铝合金及铝合金电缆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Zr系铝合金及铝合金电缆，其中，铝合金材料包括的组分及各组分的重量百分比如下：Fe：0.2～1.1％；Cu：0.01～0.4％；Zr：0.001～0.2％；Si：0～0.1％；B：0～0.2％；选自Ca、Ni、Ti或Zn中的一种元素：0.001～0.15％；余量为Al和杂质；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，再将导体线芯经过挤包绝缘、成缆、挤包护套或铠装制成铝合金电缆。该煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Zr系铝合金，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。

Description

煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Zr系铝合金及铝合金电缆

技术领域

本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Zr系铝合金及铝合金电缆。

背景技术

煤矿用电缆属于电缆行业技术含量较高产品。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。

现在市场上电缆绝大部分是以铜芯为导线。然而，随着铜资源日益紧张、濒临匮乏，使用代替铜芯导线其他材料的导线需求越来越大。金属材料中铝导电效果好、质轻、价格低廉；同时，近年来人们环保意识的加强，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。

然而，普通铝芯电缆存在机械性能和抗腐蚀性能较差的问题，不能够满足煤矿用电缆频繁移动的良好的弯曲性能的需求；也不能满足煤矿用电缆的恶劣环境对电缆导体的导电率和机械强度较高的要求。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

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提出一种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Zr系铝合金及铝合金电缆，该铝合金的具有高强度、高导电率、弯曲性能良好等特性，如导电率大于等于61％IACS，断裂伸长率大于等于10％，90度疲劳弯折次数大于等于30次；该铝合金制造的铝合金电缆经过9000次抗弯曲试验后不短路、不断路，满足煤矿领域中对电缆性能的要求。

本发明的技术方案是这样实现的：

煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Zr系铝合金，所述铝合金包括的组分及各组分的重量百分比如下：

Fe：0.2～1.1％；

Cu：0.01～0.4％；

Zr：0.001～0.2％；

Si：0～0.1％；

B：0～0.2％；

选自Ca、Ni、Ti或Zn中的一种元素：0.001～0.15％；

余量为Al和杂质；

所述铝合金的电阻率小于等于0.028264Ω·mm²/m，导电率大于等于61％IACS,断裂伸长率大于等于10％，90度疲劳弯折次数大于等于30次。

进一步，所述铝合金还包括稀土元素，所述稀土元素的含量占铝合金成分总重量的0.1～0.3％。

进一步，所述稀土元素包括Ce和La，所述Ce和La的含量占稀土元素总量的至少50％。

进一步，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小于等于1×10^-2(％/h)。

一种煤矿用铝合金电缆，所述铝合金电缆通过如下步骤制得：

a、将前面所述的铝合金经过熔炼、铸造、轧制得到铝合金杆；

b、将步骤a得到的铝合金杆经过拉制、束绞、软化处理得到铝合金导体线芯；

c、将步骤b得到的导体线芯经过挤包绝缘、成缆、挤包护套或铠装制成铝合金电缆。

进一步，步骤b所述铝合金导体线芯由10～2000根直径分别为0.2～0.5mm的单丝束绞制成，所述单丝束由所述铝合金杆经过拉制得到。

进一步，所述铝合金电缆适用于-40℃～90℃的矿井环境。

进一步，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。

进一步，所述铝合金电缆在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，所述铝合金电缆经过9000次抗弯曲试验后不短路、不断路。

进一步，本发明中煤矿用铝合金电缆所用的铝合金导体线芯的制备方法，包括以下步骤：

a、通过对熔融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700～800℃条件下进行熔炼工艺，然后在650～680℃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300～400℃，轧制成合金杆；

d、在280～300℃范围内，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，得到铝合金导体线芯。

上述铝合金导体线芯的制备方法中，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地去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。

本发明提供的煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Zr系铝合金及铝合金电缆的有益效果如下：

1、本发明提供的煤矿电缆用铝合金，通过对铝合金的元素进行优化，从而改善该铝合金的性能。本发明选用Al-Fe-Cu-Zr系铝合金，通过加入Fe元素，可以改善合金的机械强度和拉伸性能，Fe还能明显提高合金的高温抗蠕变性能，以及提高合金的抗疲劳性能；Cu也可以提高高温蠕变性能及抗疲劳性能，并且有一定的固溶强化效果，时效析出的CuAl₂有着明显的时效强化效果。同时，对Si的含量作了限定，因为过多的Si会导致拉伸性能降低，影响到铝合金电缆的加工性能，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。而少量Si的存在，使铝硅合金具有极好的铸造性能和抗蚀性。

Zr和Al形成ZrAl₃化合物，可阻碍再结晶过程，细化再结晶晶粒，由于对淬火敏感性的影响比Cr和Mn的小，因此本发明用Zr来代替Cr和Mn细化再结晶组织，提供铝合金的断裂延伸性能；Zr还可显著改性合金的抗疲劳弯曲性能，提高电缆的使用寿命。同时Zn的加入还可配合抑制晶粒粗化，Zn可在一定程度上有效提高铝合金强度，同时改善铝合金的蠕变速率。

Ca在铝合金中固溶度极低，与Al形成CaAl₄化合物，Ca能强化铝合金的高温性能，与Fe等金属元素配合作用能提高铝合金的抗蠕变性能，同时微量Ca有利于去除铝液中的氢；Ca又是铝合金的超塑性元素，Ca和Si形成CaSi，不溶于铝，减少了Si的固溶量，可稍微提高工业纯铝的导电性能。

Ni的加入提高了铝合金材料的热处理温度，使铝合金的强化相得到充分扩散进基体强化相，进一步提高了强度和导电性能，是对材料抗蠕变性能的补充，提高材料力学性能和塑性加工性，可顺利地热轧和冷轧。

Ti是铝合金中常用的添加元素，以Al-Ti或Al-Ti-B中间合金形式加入。Ti与Al形成TiAl₂相，成为结晶时的非自发核心，起细化铸造组织和焊缝组织的作用。Ti的加入不仅有利于最终产品铝合金线的机械性能的提高，而且一定量的Ti保证了铝合金的柔韧性。

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(RE)，其中Ce和La含量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，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，断裂伸长率大于等于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、由本发明的Al-Fe-Cu-Zr系铝合金制造而得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电缆的技术要求；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

在本发明实施方案中，杂质可以是指在铝合金制造过程中可能不是故意引入的杂质，也可以是各元素自身中非故意含有。

以下将针对本发明提供的铝合金及铝合金电缆的技术方案分别进行详细阐述：

实施例1

一种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Zr系铝合金，组分及各组分的重量百分比如下(总重量：1T)：

上述铝合金材料中添加一定量的Ca，与Al形成CaAl₄化合物，Ca能强化铝合金的高温性能，与Fe等金属元素配合作用能提高铝合金的抗蠕变性能，同时微量Ca有利于去除铝液中的氢。

应用上述铝合金材料制备铝合金线芯的方法，具体步骤如下：

a、通过对熔融铝合金进行铸造得到铸造材料：按上述比例加入上述铝合金成分，在700℃条件下进行熔炼工艺，然后在650℃条件下进行铸造，得到铸锭；

b、将步骤a得到的铸锭在500℃范围内固溶处理3h，然后在50℃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6h，再升温至350℃，轧制成合金杆；

d、在280℃范围内，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260℃条件下进行第一次热处理3h，然后在300℃条件下将再次热处理8h，得到铝合金线芯。其中，铝合金线芯可由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的直径和数量。

其中，步骤a中，铝合金成分加入形式可以为：按比例加入Al锭、Al-Fe锭、Al-Cu锭、Al-Zr锭、Al-Ca，或加入纯金属锭。

将上述铝合金导体线芯经过挤包绝缘、成缆、挤包护套或铠装制成煤矿用铝合金电缆。

其中，铝合金电缆包括缆芯和设置在缆芯外的外护套层，缆芯由动力主绝缘线芯、接地线芯、控制线芯束绞而成，且动力主绝缘线芯、接地线芯、控制线芯分别为铝合金导体线芯。线芯层之间有填心层，且动力主绝缘线芯与接地线芯、控制线芯同心成缆。

上述外护套层的材料优选为聚氯乙烯、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、聚丙烯中的一种，通过选择外护套层的材料，增加电缆耐磨性，使其适应于煤矿用电缆频繁移动的特点。

实施例2

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)：

上述铝合金材料中，添加有一定量的Si和Ca，少量Si的存在使铝硅合金具有极好的铸造性能和抗蚀性。Ca和Si形成CaSi，不溶于铝，减少了Si的固溶量，可稍微提高工业纯铝的导电性能。

应用上述铝合金材料制备铝合金线芯的方法，具体步骤如下：

a、通过对熔融铝合金进行铸造得到铸造材料：按上述比例加入上述铝合金成分，在780℃条件下进行熔炼工艺，然后在660℃条件下进行铸造，得到铸锭；

b、将步骤a得到的铸锭在460℃范围内固溶处理2h，然后在20℃的冷却水中快速淬火；

c、将步骤b得到的铸锭在180℃范围内时效处理8h，再升温至300℃，轧制成合金杆；

d、在285℃范围内，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55％，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75％，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℃条件下进行第一次热处理4h，然后在330℃条件下将再次热处理10h，得到铝合金线芯。其中，铝合金线芯可由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的直径和数量。

其中，步骤a中，铝合金成分加入形式可以为：按比例加入Al锭、Al-Fe锭、Al-Cu锭、Al-Zr锭、Al-Ca锭、Al-Si锭，或加入纯金属锭。

所述煤矿用铝合金电缆制备方法与实施例1基本相同，只是所用铝合金线芯为实施例2制备而得的铝合金线芯；铝合金的电缆结构与实施例1相同。

实施例3

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)：

上述铝合金材料中，优选添加有一定量的B和稀土元素，B作为铝合金成分，可以改善合金的性能，特别是电性能和延伸性能，且通过各成分合理的配比关系来保障合金的性能。

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％。

应用上述铝合金材料制备铝合金线芯的方法，具体步骤如下：

a、通过对熔融铝合金进行铸造得到铸造材料：按上述比例加入上述铝合金成分，在730℃条件下进行熔炼工艺，然后在655℃条件下进行铸造，得到铸锭；

b、将步骤a得到的铸锭在480℃范围内固溶处理4h，然后在80℃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7h，再升温至320℃，轧制成合金杆；

d、在290℃范围内，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280℃条件下进行第一次热处理5h，然后在370℃条件下将再次热处理12h，得到铝合金线芯。其中，铝合金线芯可由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的直径和数量。

其中，步骤a中，铝合金成分加入形式可以为：按比例加入Al锭、Al-Fe锭、Al-Cu锭、Al-Zr锭、Al-Ca锭、Al-Si锭、Al-B锭、Al-RE锭，或加入纯金属锭。

所述煤矿用铝合金电缆制备方法与实施例1基本相同，只是所用铝合金线芯为实施例3制备而得的铝合金线芯；铝合金的电缆结构与实施例1相同。

实施例4

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％。

应用上述铝合金材料制备铝合金线芯的方法，具体步骤如下：

a、通过对熔融铝合金进行铸造得到铸造材料：按上述比例加入上述铝合金成分，在760℃条件下进行熔炼工艺，然后在680℃条件下进行铸造，得到铸锭；

b、将步骤a得到的铸锭在520℃范围内固溶处理6h，然后在100℃的冷却水中快速淬火；

c、将步骤b得到的铸锭在230℃范围内时效处理9h，再升温至370℃，轧制成合金杆；

d、在300℃范围内，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58％，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85％，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320℃条件下进行第一次热处理6h，然后在390℃条件下将再次热处理13h，得到铝合金线芯。其中，铝合金线芯可由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。

其中，步骤a中，铝合金成分加入形式可以为：按比例加入Al锭、Al-Fe锭、Al-Cu锭、Al-Zr锭、Al-Ni锭、Al-B锭、Al-RE锭，或加入纯金属锭。

所述煤矿用铝合金电缆制备方法与实施例1基本相同，只是所用铝合金线芯为实施例4制备而得的铝合金线芯；铝合金的电缆结构与实施例1相同。

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)：

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％。

应用上述铝合金材料制备铝合金线芯的方法，具体步骤如下：

a、通过对熔融铝合金进行铸造得到铸造材料：按上述比例加入上述铝合金成分，在800℃条件下进行熔炼工艺，然后在675℃条件下进行铸造，得到铸锭；

b、将步骤a得到的铸锭在550℃范围内固溶处理5h，然后在65℃的冷却水中快速淬火；

c、将步骤b得到的铸锭在195℃范围内时效处理10h，再升温至380℃，轧制成合金杆；

d、在293℃范围内，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54％，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100％，得到铝合金导体单丝；该步骤中，因铝合金线截面积不缩小，即得到的铝合金导体单丝为步骤d中的铝合金线；

f、将若干根步骤e得到的铝合金导体单丝绞合，在300℃条件下进行第一次热处理6h，然后在400℃条件下将再次热处理14h，得到铝合金线芯。其中，铝合金线芯可由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的直径和数量。

其中，步骤a中，铝合金成分加入形式可以为：按比例加入Al锭、Al-Fe锭、Al-Cu锭、Al-Zr锭、Al-Ni锭、Al-Si锭、Al-B锭、Al-RE锭，或加入纯金属锭。

所述煤矿用铝合金电缆制备方法与实施例1基本相同，只是所用铝合金线芯为实施例5制备而得的铝合金线芯；铝合金的电缆结构与实施例1相同。

实施例6

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为Ce、La。

应用上述铝合金材料制备铝合金线芯的方法，具体步骤如下：

a、通过对熔融铝合金进行铸造得到铸造材料：按上述比例加入上述铝合金成分，在756℃条件下进行熔炼工艺，然后在664℃条件下进行铸造，得到铸锭；

b、将步骤a得到的铸锭在530℃范围内固溶处理4h，然后在40℃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8h，再升温至400℃，轧制成合金杆；

d、在284℃范围内，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90％，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275℃条件下进行第一次热处理5h，然后在350℃条件下将再次热处理9h，得到铝合金线芯。其中，铝合金线芯可由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的直径和数量。

其中，步骤a中，铝合金成分加入形式可以为：按比例加入Al锭、Al-Fe锭、Al-Cu锭、Al-Zr锭、Al-Ni锭、Al-Si锭、Al-B锭、Al-RE锭，或加入纯金属锭。

所述煤矿用铝合金电缆制备方法与实施例1基本相同，只是所用铝合金线芯为实施例6制备而得的铝合金线芯；铝合金的电缆结构与实施例1相同。

实施例7

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为Ce、La。

应用上述铝合金材料制备铝合金线芯的方法，具体步骤如下：

a、通过对熔融铝合金进行铸造得到铸造材料：按上述比例加入上述铝合金成分，在785℃条件下进行熔炼工艺，然后在658℃条件下进行铸造，得到铸锭；

b、将步骤a得到的铸锭在490℃范围内固溶处理6h，然后在60℃的冷却水中快速淬火；

c、将步骤b得到的铸锭在220℃范围内时效处理7h，再升温至360℃，轧制成合金杆；

d、在286℃范围内，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52％，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78％，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4h，然后在320℃条件下将再次热处理11h，得到铝合金线芯。其中，铝合金线芯可由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。

其中，步骤a中，铝合金成分加入形式可以为：按比例加入Al锭、Al-Fe锭、Al-Cu锭、Al-Zr锭、Al-Ti锭、Al-B锭、Al-RE锭，或加入纯金属锭。

所述煤矿用铝合金电缆制备方法与实施例1基本相同，只是所用铝合金线芯为实施例7制备而得的铝合金线芯；铝合金的电缆结构与实施例1相同。

实施例8

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为Ce、La。

应用上述铝合金材料制备铝合金线芯的方法，具体步骤如下：

a、通过对熔融铝合金进行铸造得到铸造材料：按上述比例加入上述铝合金成分，在785℃条件下进行熔炼工艺，然后在658℃条件下进行铸造，得到铸锭；

b、将步骤a得到的铸锭在490℃范围内固溶处理6h，然后在60℃的冷却水中快速淬火；

c、将步骤b得到的铸锭在220℃范围内时效处理7h，再升温至360℃，轧制成合金杆；

d、在286℃范围内，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52％，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78％，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4h，然后在320℃条件下将再次热处理11h，得到铝合金线芯。其中，铝合金线芯可由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的直径和数量。

其中，步骤a中，铝合金成分加入形式可以为：按比例加入Al锭、Al-Fe锭、Al-Cu锭、Al-Zr锭、Al-Ti锭、Al-Si锭、Al-B锭、Al-RE锭，或加入纯金属锭。

所述煤矿用铝合金电缆制备方法与实施例1基本相同，只是所用铝合金线芯为实施例8制备而得的铝合金线芯；铝合金的电缆结构与实施例1相同。

实施例9

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)：

应用上述铝合金材料制备铝合金线芯的方法，具体步骤如下：

a、通过对熔融铝合金进行铸造得到铸造材料：按上述比例加入上述铝合金成分，在770℃条件下进行熔炼工艺，然后在656℃条件下进行铸造，得到铸锭；

b、将步骤a得到的铸锭在500℃范围内固溶处理6h，然后在60℃的冷却水中快速淬火；

c、将步骤b得到的铸锭在220℃范围内时效处理7h，再升温至360℃，轧制成合金杆；

d、在286℃范围内，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53％，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78％，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4h，然后在320℃条件下将再次热处理11h，得到铝合金线芯。其中，铝合金线芯可由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。

其中，步骤a中，铝合金成分加入形式可以为：按比例加入Al锭、Al-Fe锭、Al-Cu锭、Al-Zr锭、Al-Ti锭、Al-Si锭、Al-B锭，或加入纯金属锭。

所述煤矿用铝合金电缆制备方法与实施例1基本相同，只是所用铝合金线芯为实施例9制备而得的铝合金线芯；铝合金的电缆结构与实施例1相同。

实施例10

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、Pr和Er，其中，Ce和La的含量占稀土元素总含量的75％。

应用上述铝合金材料制备铝合金线芯的方法，具体步骤如下：

a、通过对熔融铝合金进行铸造得到铸造材料：按上述比例加入上述铝合金成分，在770℃条件下进行熔炼工艺，然后在656℃条件下进行铸造，得到铸锭；

b、将步骤a得到的铸锭在500℃范围内固溶处理6h，然后在60℃的冷却水中快速淬火；

c、将步骤b得到的铸锭在230℃范围内时效处理7h，再升温至360℃，轧制成合金杆；

d、在290℃范围内，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53％，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4h，然后在320℃条件下将再次热处理11h，得到铝合金线芯。其中，铝合金线芯可由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。

其中，步骤a中，铝合金成分加入形式可以为：按比例加入Al锭、Al-Fe锭、Al-Cu锭、Al-Zr锭、Al-Zn锭、Al-RE锭，或加入纯金属锭。

所述煤矿用铝合金电缆制备方法与实施例1基本相同，只是所用铝合金线芯为实施例10制备而得的铝合金线芯；铝合金的电缆结构与实施例1相同。

实施例11

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、Pr和Er，其中，Ce和La的含量占稀土元素总含量的80％。

应用上述铝合金材料制备铝合金线芯的方法，具体步骤如下：

a、通过对熔融铝合金进行铸造得到铸造材料：按上述比例加入上述铝合金成分，在780℃条件下进行熔炼工艺，然后在675℃条件下进行铸造，得到铸锭；

b、将步骤a得到的铸锭在500℃范围内固溶处理6h，然后在60℃的冷却水中快速淬火；

c、将步骤b得到的铸锭在230℃范围内时效处理7h，再升温至360℃，轧制成合金杆；

d、在290℃范围内，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53％，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4h，然后在320℃条件下将再次热处理11h，得到铝合金线芯。其中，铝合金线芯可由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。

其中，步骤a中，铝合金成分加入形式可以为：按比例加入Al锭、Al-Fe锭、Al-Cu锭、Al-Zr锭、Al-Zn锭、Al-Si锭、Al-B锭、Al-RE锭，或加入纯金属锭。

所述煤矿用铝合金电缆制备方法与实施例1基本相同，只是所用铝合金线芯为实施例11制备而得的铝合金线芯；铝合金的电缆结构与实施例1相同。

实施例12

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、Pr和Er，其中，Ce和La的含量占稀土元素总含量的55％。

应用上述铝合金材料制备铝合金线芯的方法，具体步骤如下：

a、通过对熔融铝合金进行铸造得到铸造材料：按上述比例加入上述铝合金成分，在790℃条件下进行熔炼工艺，然后在675℃条件下进行铸造，得到铸锭；

b、将步骤a得到的铸锭在500℃范围内固溶处理6h，然后在60℃的冷却水中快速淬火；

c、将步骤b得到的铸锭在240℃范围内时效处理7h，再升温至360℃，轧制成合金杆；

d、在290℃范围内，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4h，然后在320℃条件下将再次热处理11h，得到铝合金线芯。其中，铝合金线芯可由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。

其中，步骤a中，铝合金成分加入形式可以为：按比例加入Al锭、Al-Fe锭、Al-Cu锭、Al-Zr锭、Al-Zn锭、Al-Si锭、Al-B锭、Al-RE锭，或加入纯金属锭。

所述煤矿用铝合金电缆制备方法与实施例1基本相同，只是所用铝合金线芯为实施例12制备而得的铝合金线芯；铝合金的电缆结构与实施例1相同。

实施例13

将上述实施例1～12制备而得的铝合金依据GB/T 3956进行导电性和电阻率实验，根据GB/T228-2002进行断裂伸长实验，在温度120℃、120MPa压应力条件下进行蠕变实验(1-100小时)，90度疲劳弯折实验，抗拉强度试验；按MT818.1规定的试验方法，将实施例1～12制备而得的铝合金电缆进行9000次抗弯曲性能实验。

表1铝合金性能参数表

从表1中，可以看出铝合金的电阻率小于等于0.028264Ω·mm²/m，电导率大于等于61％IACS，断裂伸长率大于等于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。实施例3中有较多的Si存在，铝合金的导电率仍然很高，为61.3％IACS，并且实施例1～3抗蠕变性能较好。这是因为Ca能强化铝合金的高温性能，与Fe等金属元素配合作用能提高铝合金的抗蠕变性能；Ca和Si形成CaSi，减少了Si的固溶量，可稍微提高工业纯铝的导电性能。

实施例4～6的铝合金抗拉强度为380～480MPa，明显优于其他实施例。这是因为Ni的加入提高了铝合金材料的热处理温度，使铝合金的强化相得到充分扩散进基体强化相，进一步提高了强度和导电性能。实施例7～9的铝合金即使在Fe和Si的存在下，断裂延伸性能明显高于其他实施例。这是因为Ti与Al形成TiAl₂相，成为结晶时的非自发核心，起细化铸造组织和焊缝组织的作用，

实施例10～12的铝合金即使在较多Fe和Si存在下，仍然保持良好的断裂延伸性能。这是因为Zr还可显著改性合金的抗疲劳弯曲性能，提高电缆的使用寿命。同时Zn的加入还可配合抑制晶粒粗化，Zn可在一定程度上有效提高铝合金强度，同时改善铝合金的蠕变速率。

实施例1～12制备而得的铝合金单丝直径最小可拉到0.2mm，且实施例1～8制备而得的铝合金电缆进行9000次抗弯曲性能实验，结果显示实验后均不短路、不断路。该电缆可用于矿井中-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℃长期运行载流量能达到不低于相同截面铜电缆的80％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Zr系铝合金，其特征在于，所述铝合金包括的组分及各组分的重量百分比如下：

Fe：0.2～1.1％；

Cu：0.01～0.4％；

Zr：0.001～0.2％；

Si：0～0.1％；

B：0～0.2％；

选自Ca、Ni、Ti或Zn中的一种元素：0.001～0.15％；

余量为Al和杂质；

所述铝合金的电阻率小于等于0.028264Ω·mm²/m，导电率大于等于61％IACS,断裂伸长率大于等于10％，90度疲劳弯折次数大于等于30次。

2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金还包括稀土元素，所述稀土元素的含量占铝合金成分总重量的0.1～0.3％。

3.根据权利要求2所述的铝合金，其特征在于，所述稀土元素包括Ce和La，所述Ce和La的含量占稀土元素总量的至少50％。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的铝合金，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小于等于1×10^-2(％/h)。

5.一种煤矿用铝合金电缆，其特征在于，所述铝合金电缆通过如下步骤制得：

a、将权利要求1至4项任意一项所述的铝合金经过熔炼、铸造、轧制得到铝合金杆；

b、将步骤a得到的铝合金杆经过拉制、束绞、软化处理得到铝合金导体线芯；

c、将步骤b得到的导体线芯经过挤包绝缘、成缆、挤包护套或铠装制成铝合金电缆。

6.根据权利要求5所述的煤矿用铝合金电缆，其特征在于，步骤b所述铝合金导体线芯由10～2000根直径分别为0.2～0.5mm的单丝束绞制成，所述单丝束由所述铝合金杆经过拉制得到。

7.根据权利要求5所述的煤矿用铝合金电缆，其特征在于，所述铝合金电缆适用于-40℃～90℃的矿井环境。

8.根据权利要求5所述的煤矿用铝合金电缆，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。

9.根据权利要求5所述的煤矿用铝合金电缆，其特征在于，所述铝合金电缆在90℃长期运行情况下，载流量不低于相同截面铜电缆的80％。

10.根据权利要求5所述的煤矿用铝合金电缆，其特征在于，所述铝合金电缆经过9000次抗弯曲试验后不短路、不断路。