CN104911408B - 一种硬铝导线单丝及其制备方法 - Google Patents

一种硬铝导线单丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种硬铝合金单丝及其制备方法，属于电力行业输电线路架空导线技术领域。本发明提供的硬铝合金单丝，解决现有产品力学性能和导电性能差的技术问题。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优化工艺，调整合金的微观组织，开发出具有导电率不低于62.5％IACS(20℃)、抗拉强度≥165MPa、延伸率不低于3.2％的硬铝合金单丝。

Description

一种硬铝导线单丝及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及一种属于电力行业输电线路架空导线及其制备方法，具体讲涉及一种高导电率非热处理型架空导线用硬铝合金导线单丝及其制备方法。
【背景技术】
“节能减排”是实现持续稳定发展的主要方针，一些企业提出了建设“资源节约型、环境友好型、新技术、新材料、新工艺”的新型智能电网的理念。目前，高压、超高压和特高压架空输电线路通常采用钢芯铝绞线，其主要依靠铝导线来传输电流，因此如何提高铝导线的导电率，降低线路能耗从而降低线路的运行成本为当前主要问题。
现有软铝导线具有较好的导电性能和高温稳定性能，但其抗拉强度较低，在制造和运输过程中易损伤；硬铝作为传输导线导体在国际上已经使用了100多年，具有运行安全、可靠等特性，在输电线路上采用的硬铝导线则具有导电率高、力学性能好等优点。
使用高导电率硬铝导线是对现有电网进行升级改造、提高输送效率、减少线路损耗及运行成本的重要具体措施，符合“资源节约型，环境友好型，新技术，新材料，新工艺”的要求。因此需要提供一种硬铝导线技术方案以满足高导电率、力学性能优异的要求。
【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大于62.5％IACS、抗拉强度不小于165MPa、延伸率＞3.2％的非热处理型硬铝导线单丝。
本发明的目的是用以下技术方案实现的：
本发明提供了一种硬铝导线单丝，由按质量百分比计的下述成分组成：
Sn 0.04～0.07％，B 0.01～0.05％，Er 0.04～0.1％，Fe 0.1～0.14％，Si≤0.07％，V+Ti+Cr+Mn≤0.012％，余量为铝和不可避免的微量杂质。
本发明提供提供的硬铝导线单丝成分组成为Sn 0.05～0.06％，B 0.01～0.03％，Er 0.04～0.07％，Fe 0.1～0.14％，Si 0.04～0.07％，V+Ti+Cr+Mn≤0.012％，余量为铝和不可避免的微量杂质时较优。
本发明提供的硬铝导线单丝中铁/硅比例为1.8～2.3。
各合金元素的作用及机理如下：
Sn(锡)：在现代工业中Sn元素是不可或缺的关键稀有金属，它以微量形式加入合金中后能够明显的改变合金微观组织和力学性。0.04～0.07％Sn的加入在富Sn的粒子或者快速冷却所形成位错环能够直接或者间接起到促进非均匀形核的作用。加热时，Sn元素会以Sn原子的形式析出，从而对铝合金起到强化作用。Sn再熔体中能够形成Al9Sn7、Al6Sn5、Al5Sn2、Al3Sn4等多种合金化合物，形成高温强化相，提高合金运行的热稳定性和高温抗蠕变系能，并能有效的改善合金室温或高温条件下的抗腐蚀性能。
B(硼)：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，在铝合金中加入本发明提供的0.01～0.03％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。
Er(铒)：本发明中加入0.04～0.1％的稀土元素Er的量可以显著提高铝合金的强度。Er的加入还能减少铝合金的枝晶偏析，并可显著细化合金的晶粒组织，Er对晶粒的细化机理与其添加量有关，当Er含量较低时，符合传统的稀土细化机理，当Er含量较高时，由于在熔体中形成了初生Al3Er质点，在结晶形核时可以作为非均质形核核心，从而可显著细化晶粒组织；Er还可以与铝合金中的部分杂质元素反应，使杂质元素从原子态转变为析出态，从而提高铝合金的导电率。
Fe(铁)：铝中含有一定量的铁，是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的或铸铁的，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Al-Fe-Si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；本发明中Fe的含量控制在≤0.14％，并对Fe/Si比进行了优化。
Si(硅)：硅元素是纯铝中的一种主要杂质元素。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，所以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。因此，在硬铝合金中应尽量减小Si含量，本发明中Si含量为0.04～0.07％。
Cr、Mn、V、Ti：本发明中V+Ti+Cr+Mn含量≤0.012％，这几种元素均为合金中的杂质元素。铝导体中的Cr、Mn、V、Ti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+Mn+V+Ti)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。
本发明还提供了一种硬铝导线单丝的制备方法，其步骤为：
1)冶炼铸造铝合金铝锭：于730～750℃下的铝熔融物中加入按质量百分比计的下述组分：
Sn 0.04～0.07％，B 0.01～0.05％，Er 0.04～0.1％，Fe 0.1～0.14％，Si 0.04～0.07％，V+Ti+Cr+Mn≤0.012％；
2)精炼：720～730℃下通入气体N215min后静置40min除气，扒渣；
3)浇铸：于700～720℃下将步骤2)制得的铝液浇于铸模具内，得到尺寸为22×22×380mm的铝锭；
4)制杆：将步骤3)制得的铝锭于530℃下保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金杆；
5)拉丝：以15m/s的速率、8-10％的变形量，用拉丝机将步骤4)制得的铝合金杆进行拉丝，得直径为3.05～3.6mm的硬铝单丝。
本发明提供的制备方法中加入Al-B合金静置30min扒渣后，再加入Sn和Al-Er合金。
本发明提供的制法步骤1)中，待铝熔化后在730～750℃下加入Al-B合金静置30min后扒渣，升温至750℃加入Sn和Al-Er合金。
本发明提供的硬铝导线单丝的导电率≥62.5％IACS，抗拉强度≥165MPa，延伸率＞3.2％。
本发明由于在硬铝合金中添加了微量Sn、Er元素，既能够降低杂质含量，又具有晶粒细化以及提高结晶温度的作用，在保证硬铝合金具有高导电率的同时铝合金具有良好的力学性能；本发明中熔炼过程只采用了吹入N2除气除渣，并且制备出的硬铝导线单丝无需进行热处理，从而简化了硬铝合金的制备工艺，降低了生产成本，本发明通过对铝合金的组分配比及制备方法的优化，使材料的拉伸性能、电性能方面保持较好的匹配，由此制备出的导线单丝可以提高导电率(导电率≥62.5％IACS，20℃)和增大工作强度(抗拉强度≥165MPa)，延伸率＞3.2％。
【具体实施方式】
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的硬铝导线单丝及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受一下实施例的限制。
所有实施方式都是采用现有的冶炼及轧制设备，按照前面所叙述的步骤进行：
实施例1
高导电率非热处理型硬铝合金材料，组分及其质量百分比为：
在纯度为99.7％的铝锭中加入各组分，使它们的最终含量如上所示，合金元素是以纯Sn、Al-B、Al-Er合金的形式加入。经浇铸形成硬铝合金锭；通过轧机对铝合金杆进行热轧；将轧制成的杆材采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝，单丝直径为3.6mm；导电率为62.58％IACS，测试强度为165.05MPa，延伸率为3.2％。
实施例2
高导电率非热处理型硬铝合金材料，组分及其质量百分比为：
在纯度为99.7％的铝锭中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示，合金元素是以Sn、Al-B、Al-Er合金的形式加入。经浇铸形成硬铝合金锭；通过轧机对铝合金杆进行热轧；将制成的杆材采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝，单丝直径为3.05mm；导电率为62.51％IACS，测试强度为166.12MPa，延伸率为3.17％。
实施例3
高导电率非热处理型硬铝合金材料，组分及其质量百分比为：
在纯度为99.7％的铝锭中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示，合金元素是以Sn、Al-B、Al-Er合金的形式加入。经浇铸形成硬铝合金棒；通过轧机对铝合金杆进行热轧；将制成的杆材采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝，单丝直径为3.35mm；导电率为62.55％IACS，测试强度为165.75MPa，延伸率为3.22％。
实施例4
在纯度为99.7％的铝锭中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示，合金元素是以Sn、Al-B、Al-Er合金的形式加入。经浇铸形成硬铝合金棒；通过轧机对铝合金杆进行热轧；将制成的杆材采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝，单丝直径为3.35mm；导电率为62.53％IACS，测试强度为165.45MPa，延伸率为3.25％。
实施例5
在纯度为99.7％的铝锭中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示，合金元素是以Sn、Al-B、Al-Er合金的形式加入。经浇铸形成硬铝合金棒；通过轧机对铝合金杆进行热轧；将制成的杆材采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝,，说单丝直径为3.35mm；导电率为62.51％IACS，测试强度为165.18MPa，延伸率为3.21％。
实施例6
一种62.5％IACS非热处理型硬铝合金材料，组分及其质量百分比为：
在纯度为99.7％的铝锭中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示，合金元素是以Sn、Al-B、Al-Er合金的形式加入。经浇铸形成硬铝合金棒；通过轧机对铝合金杆进行热轧；将制成的杆材采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝，单丝直径为3.35mm；导电率为62.59％IACS，测试强度为166.01MPa，延伸率为3.29％。
表1实施例制备的铝合金成分表(wt％)
组别 Sn B Er Cr+Mn+V+Ti Fe Si
实施例1 0.04 0.02 0.07 0.011 0.14 0.065
实施例2 0.07 0.01 0.04 0.012 0.135 0.068
实施例3 0.05 0.03 0.05 0.012 0.132 0.07
实施例4 0.04 0.02 0.1 0.011 0.14 0.065
实施例5 0.05 0.05 0.05 0.012 0.132 0.07
实施例6 0.06 0.02 0.07 0.011 0.1 0.04
表2对比例制备的铝合金成分表(wt％)
表3实施例及对比例制备的铝合金的性能测试结果
组别 导电率(IACS) 拉伸强度(MPa) 延伸率
实施例1 62.58％ 165.05 3.2％
实施例2 62.51％ 166.12 3.17％
实施例3 62.55％ 166.05 3.22％
实施例4 62.53％ 165.45 3.25％
实施例5 62.51％ 165.18 3.21％
实施例6 62.59％ 166.01 3.29％
对比例1 63％ 163 2％
通过表3可知，本发明的硬铝导线从综合性能上有明显的优势，特别是导电率能到达到62.5％，且拉伸轻度达到165MPa，延伸率大于3.2％。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种硬铝导线单丝，所述单丝由按质量百分比计的下述成分组成：
Sn0.04％、B0.02％、Er0.07％、Cr+Mn+V+Ti0.11％、Fe0.14％、Si0.065％、Al余量；
所述单丝的制备方法包括下述步骤：
1)冶炼铸造铝合金铝锭：于730～750℃下的铝熔融物中加入按质量百分比计的下述组分：
Sn0.04％、B0.02％、Er0.07％、Cr+Mn+V+Ti0.11％、Fe0.14％、Si0.065％、Al余量；
2)精炼：720～730℃下通入气体N2 15min后静置40min除气，扒渣；
3)浇铸：于700～720℃下将步骤2)制得的铝液浇于铸模具内，得到尺寸为22×22×380mm的铝锭；
4)制杆：将步骤3)制得的铝锭于530℃下保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金杆；
5)拉丝：以15m/s的速率、8-10％的变形量，用拉丝机将步骤4)制得的铝合金杆进行拉丝，得直径为3.05～3.6mm的硬铝单丝。
2.如权利要求1所述的一种硬铝导线单丝，其特征在于：所述步骤1)为在铝锭中添加纯Sn、Al-B、Al-Er合金；加入Al-B合金静置30min扒渣后，再加入Sn和Al-Er合金。
3.如权利要求2所述的一种硬铝导线单丝，其特征在于，所述步骤1)为：待所述铝熔化后在730～750℃下加入Al-B合金静置30min后扒渣，升温至750℃加入Sn和Al-Er合金。
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