CN105063433A

CN105063433A - 一种高导耐热铝合金单丝及其制备方法

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Publication number: CN105063433A
Application number: CN201510505542.9A
Authority: CN
Inventors: 陈保安; 祝志祥; 张强; 韩钰; 潘学东; 陈新; 马光; 刘君; 杨长龙; 刘东雨
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; North China Electric Power University; State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd; Smart Grid Research Institute of SGCC
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; North China Electric Power University; State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd; Smart Grid Research Institute of SGCC
Priority date: 2015-08-17
Filing date: 2015-08-17
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2035-08-17
Also published as: CN105063433B

Abstract

本发明提供了一种高导耐热铝合金单丝及其制备方法，铝合金导线由下述重量百分比的合金元素制成：Zr:0.01～0.03％，B：0.01～0.03％，Er：0.02～0.7％，Si:0.02～0.05％，Fe:0.07～0.12％，其中V+Ti+Cr+Mn＜0.01％，余量为铝和不可避免的杂质。该铝合金中加入微量合金元素，添加微量稀土Er元素对合金进行改性并优化调整合金元素含量，保证了铝合金力学性能，提高了导电率，单丝导电率≥62％IACS，20℃。

Description

一种高导耐热铝合金单丝及其制备方法

技术领域

本发明属于输电线路架空导线制造技术领域，具体讲涉及一种高导耐热铝合金单丝及其制备方法。

背景技术

铝合金材料架空导线的研究和应用已有进一个世纪的历程，由于其强度高、重量轻，并有较好的导电性能，1921年美国就开始采用铝合金材料作为导体。

架空输电线路一般用钢芯铝绞线，并对运行温度也有要求，例如我国规定钢芯铝绞线长期运行温度为70℃。铝合金芯铝绞线与钢芯铝绞线相比在等总截面条件下，铝合金导线比钢芯铝绞线外径小，负荷小；铝合金导线抗蠕变性能好，架设后弧垂不变。钢芯铝绞线中钢芯是磁铁材料，输电时，存在磁铁损耗。铝合金导体是非磁性材料，交流运行时不存在铁磁损耗，且铝合金导线表面硬度高、架设时表面圆整、光滑、不易起磨，在超高压、潮湿条件下，减少了电晕损耗，降低了输电线路对无线电波的干扰，对环保、通讯均为有益，与钢芯铝绞线相比，线路运行损耗降低5％左右。耐腐蚀，导线其加强芯采用的铝合金芯，没有双金属的电化学腐蚀，使用寿命长，线路使用寿命比钢芯铝绞线长15年以上。

为了使铝合金导线在正常运行温度下长期运行过程中强度不降低，不增加导线弧垂，通常在电工纯铝中加入锆、钛等提高铝的再结晶温度从而提高铝合金导线的耐热性，锆、钛合金元素的加入虽然保证了耐热性，但会引起铝合金导线导电率的降低。早期开发的耐热铝合金导线的导电率较低，进一步通过加入稀土元素和硼元素控制杂质元素的存在形态使耐热铝合金导线的导电率提高至60％IACS。

名称为一种高强高导耐热铝合金导线及其制备方法的201210189763.6号中国专利公开了一种按质量百分比计的下述组份制备的导线:Zr：0.15～0.60％，La：0.03～0.30％，Ce：0.03～0.30％，Y：0.01～0.30％，Fe：0.05～0.20％，Si：0.01～0.10％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝的高强高导耐热铝合金导线，其制备方法为：配制原材料放入熔炼炉中、升温除气熔炼、造渣、除渣、连铸连轧成耐热铝合金杆材、热处理、拉丝机拉制成耐热铝合金单线。披露的方法制得的热铝合金导线的抗拉强度达到160MPa，导电率可达到61％IACS以上，可在180℃长期运行，可耐受280℃下运行1小时考核运行强度残存率大于90％。但所制得的铝合金丝或导线的导电率低、抗拉强度低，且制备过程中所需的加热温度高且需要热处理，生产成本较高。

名称为一种高导电率中强耐热铝合金单丝及其制备方法的201210544420.7号中国专利公开了一种按质量百分比计的下述组份制得：Zr：0.01～0.1％，B：0.01～0.2％，Si：0.01～0.2％，Fe：0.05～0.3％，Mn：0.2～0.5％，Er：0.01～0.15％和Y：0.01～0.15％，还含有V、Ti、Cr中任意2种或3种元素，其余为Al和不可避免的微量杂质；所述V：0.1～0.15％，Ti：0.01～0.05％、Cr：0.1～0.15％。

但上述现有技术中V、Ti、Cr含量较高，实际经验表明，对导电性的损害而言，每1％的Cr、Ti、Mn、V对其的损害是每1％Si的5倍。铝导体中的Ti、V、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。这种传导的电子数目的减少无疑导致了铝导体导电性的降低。

发明内容

为克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种高导耐热铝合金单丝及其制备方法，该铝合金中加入微量合金元素，添加微量稀土Er元素对合金进行改性并优化调整合金元素含量，保证了铝合金力学性能，提高了导电率，单丝导电率≥62％IACS，20℃。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：

一种高导耐热铝合金单丝，铝合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：Zr:0.01～0.03％，B：0.01～0.03％，Er：0.02～0.7％，Si:0.02～0.05％，Fe:0.07～0.12％，其中V+Ti+Cr+Mn＜0.01％，余量为铝和不可避免的杂质。

优选的，铝合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：Zr:0.022～0.027％，B：0.016～0.029％，Er：0.04～0.07％，Si:0.031～0.049％，Fe:0.095～0.12％，V+Ti+Cr+Mn＜0.009％，总量小于0.009％，且V≤0.003％，Ti≤0.003％，Cr≤0.003％，Mn≤0.003％，余量为铝和不可避免的杂质。

一种制备高导耐热铝合金单丝的方法包括如下步骤：

1)冶炼:将纯度≥99.85％的铝锭熔后在700～770℃下加入合金元素，得铝液；

通过直读光谱仪对取出的铝液样品进行元素成分分析；

2)精炼：搅拌下于步骤1)的铝液中730～750℃下按铝液质量0.05～0.15％的比例加入除渣剂，喷吹氮气或氩气按铝液质量2～4％的比例加入精炼剂，喷吹25～35min，730～750℃下保温静置30～50min，扒渣；

3)连铸：680～700℃下将步骤2)得到的铝合金液浇入结晶轮内得连铸坯，550～560℃下以10～11m/min速度出坯，连铸坯截面积为4200～4400mm²；

通过调节向铸坯喷水量的大小使连铸坯的温度为550～560℃；

4)连轧：将步骤3)得到的连铸坯送入热连轧机组，520～530℃下入轧，轧制得到铝合金圆杆，出杆温度为80～100℃；

5)拉丝：将步骤4)制得铝合金圆杆拉丝，得Φ2～3mm的单丝。

优选的，步骤1)中合金元素的的加入顺序为：在温度700～730℃加入B，完全熔化后保温15～20min；然后加入Si和Fe，完全熔化后保温10～15min；升温至730～770℃加入Zr和Er，完全熔化后搅拌25～35min，750～770℃保温静置30～50min。

优选的，步骤2)中在735～745℃下，按铝液质量0.1％的比例加入除渣剂。

优选的，步骤2)中喷吹氮气或氩气喷吹按铝液质量3％的比例加入精炼剂，喷吹30min，在730～750℃下保温静置40min，精炼剂由氯化钠、氯化钾、氟硅酸钾、氟铝酸钠、轻质碳酸钠、氟化钙、六氯乙烷、硫酸钠、氟铝酸钾和石英砂组成。

优选的，步骤3)连铸，在685～695℃下，将步骤2)得到的铝合金液浇入结晶轮内得连铸坯，555～560℃下，以10.5m/min的出坯速度出坯，连铸坯截面积为4300mm²。

优选的，步骤4)连扎中入轧温度为520～530℃，15道轧制得到Ф9.5mm铝合金圆杆，出杆温度为90℃。

优选的，步骤1)加入的合金元素为中间合金。

锆Zr：铝合金的耐热机理与一般金属的耐热机理类似，要提高导电铝合金的耐热性能就要防止合金畸变能的减少，使其机械性能不至于因温度升高而受到损失。适量锆的加入能明显改善铝合金的耐热性能，这主要是由于，锆原子半径比铝原子半径略大，锆在铝中以置换方式进行扩散，其扩散激活能高，向亚结晶晶粒边界析出细微的Al3Zr相，它不易聚集长大，稳定性高，能防止再结晶的产生，在较高的温度下仍可有效的钉扎位错与晶界，阻碍变形与晶内及晶界滑移，使蠕变抗力得以提高，从而使铝合金的耐热性能得到了改善。同时，锆的加入可以改善铝合金的抗蠕变性能，使铝合金在高温下也只有很小的蠕变伸长，因此，能够使架空输电线在输电塔杆之间的间距增大，并且保持铝合金导线较小的悬垂度。

硼B：在铝导体加入适量的Zr能明显改善合金的耐热性能，但是Zr的加入也会对合金的导电性产生负面影响，在含Zr的铝合金中加入适量的B，能在保证合金耐热性的前提下提高其导电性。B与合金中的Zr形成ZrB2化合物，ZrB2不能作为Al原子的形核中心，因此它不会对合金产生晶粒细化作用，不会增加晶界，从而对合金的导电性不会产生负面影响。

另外铝合金中的杂质元素如果以固溶状态存在，对导电性能的影响更大。硼化处理能降低杂质含量，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。

过量B的加入对含Zr铝合金有一定的晶粒细化效果，但它会使合金高温强度降低，使合金耐热性变差。

铒Er：加入Er可以显著提高铝合金的导电率和强度。Er可以和Fe、Si元素反应生成细小弥散的化合物，一方面由于Al中的Fe、Si被置换出来，使Fe、Si以析出相的形式而不是固溶的形式存在，将显著改善铝合金的导电性能，降低电阻率；另一方面由于析出相细小均匀的分布，Er能减少铝合金的枝晶偏析，可以起到细化晶粒的作用，保证铝杆延伸率较高的同时，提高铝合金的强度，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。

硅Si：硅是铝中含量仅次于铁的杂质元素，它来自铝矾土中的二氧化硅或硅酸盐。它也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，因为它在合金中能形成一些化合物，使合金成为可热处理强化的。

硅的固溶度比铁大，在共晶温度时，577℃其固溶度为1.650％，室温时也能够达到0.05％，根据以固溶态存在的杂质对导体电阻率的影响比析出态的影响大的理论，作为基本杂质元素的硅比铁对铝导体电阻率的影响要大的多，成为影响铝导体导电性的最主要的杂质元素。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，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。同时，由于我国的铝矿石自然条件的原因，所生产出来的铝锭含硅量基本都在0.08％以上，这也是我国生产的铝线材电阻率总是在IEC标准附近波动的缘由之一，因此我们要应该严格控制电工铝锭中硅的含量。

铁Fe：铝中含有一定量的铁，是高纯铝中的一种主要杂质。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。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。

钒V、钛Ti、铬Cr、锰Mn：为合金中的杂质元素，对铝合金的导电性能影响较大，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％硅对铝导电性有害作用的5倍。

铝合金的轧制温度高，获得的晶粒尺寸相对粗大，导电性能好，强度低；轧制温度低，获得的晶粒尺寸相对细小，导电性能差，强度高。

与最接近的现有技术比，本发明的有益效果包括：

1.本发明中的一种高导耐热铝合金单丝，铝合金中加入微量合金元素，添加微量稀土Er元素对合金进行改性并优化调整合金元素含量，保证了铝合金力学性能，提高了导电率，单丝导电率≥62％IACS，20℃。

2.本发明中的一种高导耐热铝合金单丝，控制合金中杂质元素含量，铒较低含量能达到较高的导电率和较高的强度，降低了成本。

3.本发明中的一种高导耐热铝合金单丝，控制合金中杂质元素含量，抗拉强度≥180MPa。

4.本发明中的一种高导耐热铝合金单丝，控制合金中杂质元素含量，延伸率≥2％。

5.本发明中的一种高导耐热铝合金单丝，采用连铸连轧，优化了连铸连轧的制备工艺参数，提高了单丝的导电率。

具体实施方式

下面结合实例对本发明进行详细的说明。

实施例1

铝合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：

铝合金单丝的制备包括如下步骤：

1)冶炼:将纯度99.85％的铝锭熔后，在温度700℃加入B中间合金，完全熔化后保温15min；然后加入Si和Fe，完全熔化后保温10min；升温至730℃加入Zr和Er，完全熔化后搅拌25min，750℃保温静置30min，得铝液；通过直读光谱仪对取出的铝液样品进行元素成分分析；合金元素为中间合金；

2)精炼:搅拌下于步骤1)的铝液中730℃下按铝液质量0.05％的比例加入除渣剂，喷吹氮气按铝液质量2％的比例加入精炼剂，喷吹25min，730℃下保温静置30min，扒渣；精炼剂由氯化钠、氯化钾、氟硅酸钾、氟铝酸钠、轻质碳酸钠、氟化钙、六氯乙烷、硫酸钠、氟铝酸钾和石英砂组成；

3)连铸:680℃下将步骤2)得到的铝合金液浇入结晶轮内得连铸坯，550℃下以10m/min速度出坯，连铸坯截面积为4200mm²；通过调节向铸坯喷水量的大小使连铸坯的温度为550℃；

4)连轧:将步骤3)得到的连铸坯送入热连轧机组，520℃下入轧，轧制得到铝合金圆杆，出杆温度为80℃；

5)拉丝:将步骤4)制得铝合金圆杆拉丝，得Φ2mm的单丝。

实施例2

铝合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：

实施例3

铝合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：

实施例4

铝合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：

实施例5

铝合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：

实施例6

铝合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：

实施例7

铝合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：

实施例8

铝合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：

实施例9

铝合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：

实施例10

铝合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：

实施例11

铝合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：

实施例12

铝合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：

实施例2～5列于下表，其中的工艺步骤顺序和术语含义与实施例1同，所列出的是与实施例1对应的参数的不同数值：

测试实施例得到单丝的性能

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种高导耐热铝合金单丝，其特征在于，所述铝合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：Zr:0.01～0.03％，B：0.01～0.03％，Er：0.02～0.7％，Si:0.02～0.05％，Fe:0.07～0.12％，其中V+Ti+Cr+Mn＜0.01％，余量为铝和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的一种高导耐热铝合金单丝，其特征在于：所述铝合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：Zr:0.022～0.027％，B：0.016～0.029％，Er：0.04～0.07％，Si:0.031～0.049％，Fe:0.095～0.12％，V+Ti+Cr+Mn＜0.009％，余量为铝和不可避免的杂质。

3.一种制备如权利要求1所述高导耐热铝合金单丝的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

1)冶炼:将纯度≥99.85％的铝锭熔后在700～770℃下加入所述合金元素，得铝液；

5)拉丝：将步骤4)制得铝合金圆杆拉丝，得Φ2～3mm的单丝。

4.如权利要求3所述的一种高导耐热铝合金单丝的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述合金元素的的加入顺序为：在温度700～730℃加入B，完全熔化后保温15～20min；然后加入Si和Fe，完全熔化后保温10～15min；升温至730～770℃加入Zr和Er，完全熔化后搅拌25～35min，750～770℃保温静置30～50min。

5.如权利要求3所述的一种高导耐热铝合金单丝的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中在735～745℃下，按铝液质量0.1％的比例加入除渣剂。

6.如权利要求3所述的一种高导耐热铝合金单丝的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中喷吹氮气或氩气喷吹按铝液质量3％的比例加入精炼剂，喷吹30min，在730～750℃下保温静置40min，所述精炼剂由氯化钠、氯化钾、氟硅酸钾、氟铝酸钠、轻质碳酸钠、氟化钙、六氯乙烷、硫酸钠、氟铝酸钾和石英砂组成。

7.如权利要求3所述的一种高导耐热铝合金单丝的制备方法，其特征在于：所述步骤3)连铸，在685～695℃下，将步骤2)得到的铝合金液浇入结晶轮内得连铸坯，555～560℃下，以10.5m/min的出坯速度出坯，连铸坯截面积为4300mm²。

8.如权利要求3所述的一种高导耐热铝合金单丝的制备方法，其特征在于：所述步骤4)连扎中入轧温度为520～530℃，15道轧制得到Ф9.5mm铝合金圆杆，出杆温度为90℃。

9.如权利要求4所述的一种高导耐热铝合金单丝的制备方法，其特征在于：所述步骤1)加入的合金元素为中间合金。