CN105154726B - 铝合金材料及铝合金电缆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铝合金材料及铝合金电缆，其中铝合金材料按照质量百分比计，包括以下组分：0.08～0.35％的Cu，0.3～1.5％的Mn，0.08～0.4％的Fe，0.026～0.11％的Si，0.001～0.02％的Ti，0.003～0.018％的B，0.05～0.25％的RE，余量为Al和杂质，且杂质≤0.1％；其中，所述Fe与Si的质量比为3.0～3.8：1。本发明提供的铝合金材料，在Al的基础上，又添加了微量的Cu、Mn、Fe、Si、Ti、B及RE这几种元素，通过合理限定各添加元素在铝合金材料中的含量，并限定了Fe与Si的比例关系，保障了该铝合金材料各性能之间的匹配，使该合金材料具有较好的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及合金技术领域，具体涉及一种铝合金材料及铝合金电缆。
背景技术
铝合金，是以铝为基体元素，然后加入一种或多种合金元素组成的合金。铝合金的密度低，但强度比较高，而且具有优良的导电性、导热性和抗蚀性等，使得铝合金材料在电力行业得到了较为广泛的应用。
电力行业中的电缆是用来输送和分配电能的资源，其基本结构通常由线芯、绝缘层、屏蔽层和保护层四部分组成，其中线芯是电缆中的导电部分，用来输送电能，是电缆的主要组成部分，因此对制作线芯的铝合金材料在导电性能、抗腐蚀性能、机械性能、成型性能以及使用寿命等各个方面有较高的要求。
随着对铝合金材料研究的深入，现有铝合金材料种类较多，各种铝合金材料的性能也存在较大差异，现有的铝合金材料在导电性能、抗腐蚀性能、机械性能、成型性能以及使用寿命等方面均有进一步提升的空间，以使其综合性能达到更优。
发明内容
本发明提供一种铝合金材料及铝合金电缆，以获取综合性能较佳的铝合金材料，以及采用该铝合金材料制成的铝合金电缆。
第一方面，本发明提供一种铝合金材料，按照质量百分比计，所述铝合金材料包括以下组分：
0.08～0.35％的Cu，0.3～1.5％的Mn，0.08～0.4％的Fe，0.026～0.11％的Si，0.001～0.02％的Ti，0.003～0.018％的B，0.05～0.25％的RE，余量为Al和杂质，且杂质≤0.1％；
其中，所述Fe与Si的质量比为3.0～3.8：1。
作为本发明的优选方式，所述铝合金材料中Cu的质量百分比含量为0.12～0.3％。
作为本发明的优选方式，所述铝合金材料中Mn的质量百分比含量为0.4～1.2％。
作为本发明的优选方式，所述铝合金材料中Fe的质量百分比含量为0.12～0.34％。
作为本发明的优选方式，所述铝合金材料中Si的质量百分比含量为0.04～0.09％。
作为本发明的优选方式，所述铝合金材料中Ti的质量百分比含量为0.006～0.018％。
作为本发明的优选方式，所述铝合金材料中B的质量百分比含量为0.003～0.015％。
作为本发明的优选方式，所述铝合金材料中RE的质量百分比含量为0.08～0.25％。
作为本发明的优选方式，所述铝合金材料的抗拉强度为125～160MPa，伸长率不低于13％，导电率不低于59IACS，0.2％弹性极限应力不低于61MPa，耐冲击性不低于12j/m。
第二方面，本发明提供一种铝合金电缆，所述铝合金电缆包括线芯，所述线芯为第一方面所述的铝合金材料制成的。
本发明提供的铝合金材料，在Al的基础上，又添加了微量的Cu、Mn、Fe、Si、Ti、B及RE这几种元素，通过合理限定各添加元素在铝合金材料中的含量，并限定了Fe与Si的比例关系，保障了该铝合金材料各性能之间的匹配，使该合金材料具有较好的综合性能。本发明还提供的铝合金电缆，即是利用该铝合金材料制成，实用性较强。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供一种铝合金材料，按照质量百分比计，该铝合金材料包括以下组分：
0.08～0.35％的Cu，0.3～1.5％的Mn，0.08～0.4％的Fe，0.026～0.11％的Si，0.001～0.02％的Ti，0.003～0.018％的B，0.05～0.25％的RE，余量为Al和杂质，且杂质≤0.1％；其中，Fe与Si的质量比为3.0～3.8：1。
具体地，本发明实施例提供的铝合金材料，在铝基的基础上，包含有Cu(铜)元素，Cu是铝合金中的基本强化元素，一定含量的Cu可增加合金的强度，并起到固熔强化作用，使合金的强度提高、刚度下降，能够有效的提高合金的抗拉强度和屈服强度。Cu还可改变其导电性能，但是在Cu的含量较低时会提高合金的电阻率。另外，Cu还能改善合金的热性能。因此，Cu的质量百分比含量选为0.08～0.35％，优选为0.12～0.3％。
本发明实施例提供的铝合金材料中还包含有Mn(锰)元素，Mn可大大提高合金的抗腐蚀性，但是Mn的含量过高时也会提高合金的电阻率。因此，Mn的质量百分比含量选为0.3～1.5％，优选为0.4～1.2％。
本发明实施例提供的铝合金材料中还包含有Fe(铁)元素和Si(硅)元素，其中Fe可以提高合金的抗拉强度及抗蠕变性，而且对电阻影响较小。尽管Fe能够提高强度而不会显著降低导电率，但是添加过高含量的Fe导致合金产生脆性，使拉丝的可操作性降低。而Si可提高合金的抗拉强度，还能改善合金的热性能，但是Si的含量过高时会提高合金的电阻率。另外，在铝合金材料中，Fe与Si的质量比对合金的性能有明显的影响，当Fe与Si的质量比较低时，合金易产生裂纹；当Fe与Si的质量比较高时，合金易产生脆性。而且，随着Fe与Si的质量比增加时，合金的电阻率有缓慢上升的趋势，但电阻率并非随着Fe含量的增加而一直上升，而是在Fe的含量为Si的含量的3.0～3.8倍时出现一个低谷，即在这个范围时合金电阻率较低，导电性能较好。因此，Fe的质量百分比含量选为0.08～0.4％，优选为0.12～0.34％；Si的质量百分比含量选为0.026～0.11％，优选为0.04～0.09％，且Fe与Si的质量比为3.0～3.8：1。
本发明实施例提供的铝合金材料中还包含有Ti(钛)元素，Ti具有使合金的晶体结构细化的效果，而微细晶体结构可使合金的强度得到进一步提高，但是Ti的含量过高时会使该细化效果达到饱和，从而降低合金的导电率。因此，Ti的质量百分比含量选为0.001～0.02％，优选为0.006～0.018％。
本发明实施例提供的铝合金材料中还包含有B(硼)元素，B也具有使合金的晶体结构细化的效果，并且同时含有Ti和B会使细化晶体结构的效果得以增强，但是B的含量过高时也会使该细化效果达到饱和，从而也会降低合金的导电率。B可有效提高合金的强度和延伸性能，并使得合金具有较好的抗疲劳强度。另外，B也可以改善合金的热性能，填补合金表层缺陷。因此，B的质量百分比含量选为0.003～0.018％，优选为0.003～0.015％。
本发明实施例提供的铝合金材料中还包含有RE(稀土)元素，RE能提高合金的导电性，而且也能细化晶体结构，并与合金中的Fe、Cu等元素形成稳定的化合物从晶体中析出，降低电解质的初晶温度，使离子在电场的作用下运动速度加快，减少浓差过电位，从而使合金的电阻率降低。但是当RE的含量达到一定值后，过多添加的RE可能会转变成为一些杂质物质，对晶体结构产生不利的影响，从而使得合金的综合性能不升反降。因此，RE的质量百分比含量选为0.05～0.25％，优选为0.08～0.25％。
上述的RE为La(镧)、Ce(铈)、Pr(镨)、Nd(钕)、Pm(钷)、Sm(钐)、Eu(铕)、Gd(钆)、Tb(铽)、Dy(镝)、Ho(钬)、Er(铒)、Tm(铥)、Yb(镱)、Lu(镥)、Sc(钪)和Y(钇)中的一种或多种，优选为La(镧)、Ce(铈)Pm(钷)中的一种或多种。
优选地，本发明实施例提供一种铝合金材料，按照质量百分比计，该铝合金材料包括以下组分：
0.12～0.3％的Cu，0.4～1.2％的Mn，0.12～0.34％的Fe，0.04～0.09％的Si，0.006～0.018％的Ti，0.003～0.015％的B，0.08～0.25％的RE，余量为Al和杂质，且杂质≤0.1％；其中，Fe与Si的质量比为3.0～3.8：1。
经检测，本发明实施例制备的铝合金材料的抗拉强度为125～160MPa，伸长率不低于13％，导电率不低于59IACS，0.2％弹性极限应力不低于61MPa，耐冲击性不低于12j/m。
本发明实施例提供的铝合金材料的制备方法，大致步骤包括：备料、配料、熔炼、搅拌、扒渣、保温炉除气、在线除气、在线过滤、浇铸成型、轧制等过程，最后形成铝合金材料，该方法为本技术领域内的常规方法，不再详述。
需要注意的是，在铸造过程中可适当地选择冷却速度，冷却速度优选为5℃/秒或更高，或者优选为10℃/秒，或者优选为20℃/秒或者更高。例如可以使用具有水冷的铜模具，以实现上述冷却速度下的快速固化。对于连续制造而言，可调节冷却速度以提供快速固化从而获得组织更为细密的铸锭。
下面结合具体实施例和对比例进一步说明本发明的有益效果，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
对比例1至5和实施例1至7的成分及配比具体见表1，按照质量百分比计，其中Al采用一般工业用铝锭，具有不可避免的杂质。
表1
按照表1中的成分及配比制备出铝合金锭，再进一步生产出直径为φ9.5mm的合金线材，然后对这些合金线材的各项性能进行测试，主要性能指标数据见表2。
表2
通过表1和表2可以看出，采用本发明的技术方案提供的铝合金材料的综合性能均得到了有效提升，由该材料制备得到的线材具有较好的抗拉强度、伸长率、导电率以及0.2％弹性极限应力，还具有优异的耐冲击性。此外，铝元素在大气下能迅速地氧化，因而会在铝合金材料表面形成一层致密的氧化膜，而这层氧化膜不会再继续氧化从而使铝合金材料与空气隔绝开来，使得铝合金材料具有较高的抗腐蚀性，而且本发明提供的技术方案中铝合金材料中还含有锰元素，锰元素可进一步提高铝合金材料的抗腐蚀性，使得该铝合金材料还具有优异的抗腐蚀性，能够在含有腐蚀气体的环境下正常工作。综上，本发明的技术方案提供的铝合金材料尤其适用于制作铝合金电缆中的线芯。
本发明还提供了一种铝合金电缆，所述铝合金电缆包括线芯，线芯的外部由内向外依次设有绝缘层、屏蔽层和保护层，其中线芯为上述方案中所述的铝合金材料制成的。即该铝合金材料中，按照质量百分比计，包括以下组分：
0.08～0.35％的Cu，0.3～1.5％的Mn，0.08～0.4％的Fe，0.026～0.11％的Si，0.001～0.02％的Ti，0.003～0.018％的B，0.05～0.25％的RE，余量为Al和杂质，且杂质≤0.1％；其中，Fe与Si的质量比为3.0～3.8：1。
本发明对所述的铝合金电缆的制备方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
采用上述实施例提供的铝合金材料制备的铝合金电缆，按照如下方式评价其线芯的端子固定强度。对于线芯上覆盖有绝缘层、屏蔽层和保护层的铝合金电缆所形成的样品，将其相对的两端的绝缘层、屏蔽层和保护层剥去，从而暴露出里面的线芯。将端子部连接在线芯的一端上，并将该端子固定在端子夹头上。线芯的另一端固定在线夹头上。使用通用的拉伸试验机来测量样品(其两端被夹头固定)断裂时的最大负荷，将该最大负荷用于评价端子固定强度。具体结果如表3所示。
表3
通过表3可以看出，采用上述实施例提供的铝合金材料制备的铝合金电缆，具有较高的端子固定强度，可以满足实际使用需求。
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 (6)
1.一种铝合金材料，其特征在于，按照质量百分比计，所述铝合金材料包括以下组分：
0.18～0.3％的Cu，0.78～1.5％的Mn，0.12～0.34％的Fe，0.04～0.09％的Si，0.001～0.02％的Ti，0.003～0.018％的B，0.14～0.25％的RE，余量为Al和杂质，且杂质≤0.1％；
其中，所述Fe与Si的质量比为3.5～3.8：1。
2.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金材料中Mn的质量百分比含量为0.78～1.2％。
3.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金材料中Ti的质量百分比含量为0.006～0.018％。
4.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金材料中B的质量百分比含量为0.003～0.015％。
5.根据权利要求1至4中任一所述的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金材料的抗拉强度为125～160MPa，伸长率不低于13％，导电率不低于59IACS，0.2％弹性极限应力不低于61MPa，耐冲击性不低于12j/m。
6.一种铝合金电缆，其特征在于，所述铝合金电缆包括线芯，所述线芯为权利要求1至5中任一项所述的铝合金材料制成的。
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