CN105803276A - 一种导电单丝 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种导电单丝，本发明在Al‐Mg‐Si合金中添加了微量B和Sc，并在室温下拉丝后再进行热处理，本发明解决现有导电率低、输电线损大的技术难题。通过控制B、Mg、Si、Sc微合金化元素的含量及热处理工艺来调整合金的微观组织，从而开发出具有导电率≥59.5％IACS(20℃)，抗拉强度≥250MPa，延伸率≥4.5％的中强导电单丝。

Description

一种导电单丝
技术领域
本发明涉及一种电力行业输电线路用架空导线，具体讲，涉及一种导电单丝。
背景技术
铺设电网线路时需要综合考虑杆塔、基础、绝缘子和金具造价以及导线架设和其工地运输费用。利用中强铝合金导线代替钢芯铝导线时能实现降低年耗电，从而节约了5％～8％的线路本体造价，且因平均档距增大，减少了杆塔用量，使得每公里塔材指标约降低15％，进一步节约了走廊面积。与高强铝合金导线(导电率52.5～53％IACS)比，中强铝合金导线具有更高的导电率(≥58.5％IACS)，更低的线损率，同时因其导线张力大，耐张塔质量大使得中强铝合金导线在制造、设计、施工及运行等方面更具有优势，更适用于山地大高差、大档距等特殊地形和耐张塔比例少的线路。
近年来对中强铝合金导线也开展了大量研究，但中强铝合金导线产品仍然存在生产工艺复杂，成本高，且产品导电率较低(主要处于58.5％IACS水平)等问题。因此，在保证力学性能的前提下，如何提高现有中强铝合金导线的导电率，减少输电线损的同时降低生产成本成为目前中强铝合金导线最为迫切的技术需求。
因此，需要提供一种改进的技术方案。
发明内容
本发明目的在于开发出一种电力行业中架空导线用的掺Sc元素的高导电率中强导电单丝，以解决常规58.5％IACS中强铝合金导线导电率低、输电线损大的技术难题。本发明提供的技术方案通过控制B、Mg、Si、Sc微合金化元素的含量及热处理工艺来调整合金的微观组织，从而开发出具有导电率≥59.5％IACS(20℃)，抗拉强度≥250MPa，延伸率≥4.5％的中强铝合金单丝。
为实现上述目的本发明采用以下技术方案：
一种导电单丝，该导电单丝由A、B两组分组成，A组分包括Al-B合金、Al-Si合金及Al-Sc合金；B组分包括工业纯铝锭和金属Mg，所述导电单丝包括按质量百分比计的下述成分组成：B：0.03～0.06％，Si：0.10～0.30％，Mg：0.45～0.65％，Sc：0.002～0.10％，Fe：0.16～0.30％，(Cr+Mn+V+Ti)≤0.009％，余量为铝和不可避免的微量杂质。
进一步的，所述导电单丝由按质量百分比计的下述成分组成：B：0.04～0.06％，Si：0.10～0.20％，Mg：0.55～0.65％，Sc：0.002～0.10％，Fe：0.16～0.25％，Cr+Mn+V+Ti：0.006～0.008％，余量为铝和不可避免的杂质。
进一步的，所述导电单丝由按质量百分比计的下述成分组成：B：0.04％，Si：0.15％，Mg：0.60％，Sc：0.05％，Fe：0.18％，Cr+Mn+V+Ti：0.006％，余量为铝和不可避免的杂质。
进一步的，所述Al-B合金由按质量百分比计的下述成分组成：B：0.20～2.10％，Fe：0.01～0.09％，余量为铝和不可避免的杂质；所述Al-Si合金由按质量百分比计的下述成分组成：Si：0.20～0.35％，Mg：0.20～0.30％，Mn：0.001～0.02％，Cr：0.001～0.004％，Ti：0.004～0.008％，Fe≤0.01％，余量为铝和不可避免的杂质；所述Al-Sc合金由按质量百分比计的下述成分组成：Si：0.001～0.013％，Sc：2.50～4.0％，Fe：0.001～0.002％，余量为铝和不可避免的杂质。
进一步的，所述的导电单丝的制备方法包括下述步骤：
1)冶炼：于700～720℃下的铝熔融物中加入按质量百分比计的Al-B合金、Al-Si合金、Mg和Al-Sc合金；
2)精炼：于700～710℃下加入精炼剂搅拌8～12min后静置30min，扒渣，得铝合金液；
3)浇铸：于680～700℃下将步骤2)制得的铝合金液浇于预热铸模具内，得尺寸为22×22×380mm的铝合金锭；
4)制杆：将步骤3)制得的铝合金锭于500～510℃下保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金圆杆；
5)拉丝：以6～9m/s的速率、6～10％的变形量，对步骤4)得到的铝合金圆杆进行拉丝，得直径为3.08mm的铝合金单丝；
6)热处理：将步骤5)制得的铝合金单丝在165～175℃下热处理4～6h后，空冷至室温。
进一步的，步骤2)中所述精炼剂采用N2吹入方式输送；步骤3)中所述的模具为紫铜模具，所述模具的预热温度为150～200℃；步骤5)中所述的拉丝温度为20～28℃。
进一步的，所述步骤1)中加入Al-B合金搅拌15min、静置20min，扒渣后，升温至720℃加入Al-Si合金、Mg和Al-Sc合金。
进一步的，所述铝合金单丝的导电率≥59.5％IACS，抗拉强度≥250MPa，延伸率≥4.5％。
各合金元素的作用及机理如下：
Si：硅是铝合金的最普通的合金元素之一，Si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，由于其在合金中能形成一些化合物，使合金成为可热处理强化的。但随着Si含量升高，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。
Mg：镁对铝的强化是明显的，每增加1％镁，抗拉强度大约升高34MPa。本发明中加入Mg：在Al-Mg-Si系合金中镁和硅会形成Mg2Si强化相，对合金起到强化作用；同时，Mg2Si强化相也会对合金的导电性能产生一定的影响。通常，当Mg含量较低时，合金的电导率较高而强度较低，但镁过量且经热处理使Mg2Si充分沉淀时，合金也有高的电导率。
Sc：钪是铝合金有效的微合金化元素，其作用主要是细化晶粒，并抑制合金在加工过程中发生再结晶。微量钪加入到铝合金中，可以形成大量弥散、共格的次生Al3Sc相质点，强烈地钉扎位错和亚晶界，对形变组织中的亚结构具有强烈的稳定化作用，同时阻碍位错的运动。微量钪加入到铝合金中，不仅能显著细化铝合金晶粒，抑制合金再结晶，而且可显著提高合金的强度、塑性、高温性能。
Fe：是纯铝中的一种主要杂质，本发明中Fe的含量控制在0.16～0.30％。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。铁可以提高铝导体强度，并不显著降低其导电性。
B：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。
V、Mn、Cr、Ti：这几种元素均为合金中的杂质元素。铝导体中的Ti、V、Mn、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％Si对铝导电性有害作用的5倍。由此本发明严格控制这几种元素的含量Cr+Mn+V+Ti≤0.009％。
本发明还提供了一种导电单丝的制备方法，其步骤为：
1)冶炼：选取纯度≥99.7％的工业纯铝锭加入熔炼炉中，熔化温度为700～720℃；待纯铝完全熔化后于700～720℃下加入Al-B、Al-Si中间合金、金属Mg和Al-Sc中间合金；
2)精炼：采用搅拌机对铝合金液进行充分搅拌，于700～710℃下加入采用N2吹入精炼剂10min对铝合金液进行除氢、除渣精炼，搅拌8～12min后静置30min扒渣；
3)浇铸：于680～700℃下将步骤2)制得的铝合金液浇于紫铜质铸模具内，模具预先放入箱式炉内加热至150～200℃，浇铸制得尺寸为22×22×380mm的铝合金锭；
4)制杆：将步骤3)制得的铝合金锭于500～510℃下保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金圆杆；
5)拉丝：以6～9m/s的速率、6～10％的变形量，用拉丝机将步骤4)时效后的铝合金圆杆在室温下进行拉丝，制得直径为3.08mm的铝合金单丝。
6)热处理：将步骤5)制得的铝合金单丝在箱式炉中时效4～6h，时效温度165～175℃，时效结束后空冷至室温；
本发明提供的制备方法中加入Al-B合金搅拌15min、静置20min，扒渣后，再加入Al-Si中间合金、金属Mg(纯度99.95％)和Al-Sc中间合金。
本发明提供的制法步骤1)中，待工业纯铝锭熔化后在700～720℃下加入Al-B中间合金搅拌15min、静置20min后扒渣，升温至720℃加入Al-Si中间合金、金属Mg和Al-Sc中间合金。
本发明提供的掺Sc元素的高导电率中强导电单丝的导电率≥59.5％IACS，抗拉强度≥250MPa，延伸率≥4.5％。
其工艺特点在于：先进行冶炼，当工业纯铝锭完全熔化后依次放入Al-B、Al-Si中间合金、金属Mg和Al-Sc中间合金，合金化温度为700～720℃；使用搅拌机对铝液进行搅拌，使合金元素充分均匀化；采用N2吹入精炼剂10min对铝液进行除氢、除渣精炼，搅拌8～12min静置30min后进行扒渣及铝合金液浇铸，采用经150～200℃预热后的紫铜材质模具浇铸成22×22×380mm的铝合金锭；采用热轧的方式将铝合金锭压制成Ф9.5mm的圆杆，以6～9m/s的速度在拉丝机上室温拉丝，通过多套配模(金刚石模具)，经多道次拉制，最终制得3.08mm的铝合金单丝；最后采用箱式炉在165～175℃对铝合金单丝时效4～6h以调控合金中Mg2Si及Al3Sc等相的析出与分布。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
(1)本发明提供的技术方案，制备工艺简单，便于操作，实用性强，生产成本低；同时本发明中制备工艺中温度参数降低，降低了能耗，环保性更强。
(2)本发明掺入Sc元素，不仅能显著细化铝合金晶粒，抑制合金再结晶，而且可显著提高合金的强度、塑性、高温性能，使中强导电单丝具备更好的性能。
(3)本发明中的制备方法采用先拉丝后热处理，可得到3.08mm的铝合金单丝，其具有更高的导电率及更加稳定的力学性能，使其抗拉强度≥240MPa，延伸≥4.0％。
(4)本发明由于在Al-Mg-Si合金中添加了微量B进行硼化处理，添加微量Sc进行稀土优化处理，并对室温下拉拔成的铝合金单丝进行了热处理，在提高铝合金强度的同时也保证了铝合金的导电率，由此制备出的架空导线用中强铝合金单丝材料的导电率≥59.5％IACS，抗拉强度≥250MPa，延伸≥4.5％的架空导线用高导电率中强铝合金单丝材料。
具体实施方式
下面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的一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
所有实施方式都是采用现有的冶炼及轧制设备，按照本发明提供的制备步骤进行。
实施例1
一种高导电率中强导电单丝材料，在纯度为99.7％的工业纯铝锭中加入各合金元素，熔化温度为700～720℃，使B，Si，Mg，Sc，Fe，Cr+Mn+V+Ti的含量如表1所示，余量为Al。合金元素B、Si、Sc以Al-B、Al-Si、Al-Sc中间合金的形式加入，合金元素Mg以纯金属Mg形式加入；其中，工业纯铝锭熔化后在700～720℃下加入Al-B中间合金搅拌15min、静置20min后扒渣，升温至720℃加入Al-Si中间合金、金属Mg和Al-Sc中间合金。
采用搅拌机对铝合金液进行充分搅拌，于700～720℃下加入采用N2吹入精炼剂10min对铝合金液进行除氢、除渣精炼，搅拌8min再静置30min扒渣；于680℃下将制得的铝合金液浇于紫铜质铸模具内，模具预先放入箱式炉内加热至200℃，浇铸制得尺寸为22×22×380mm的铝合金锭；将制得的铝合金锭于510℃下保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金圆杆；将轧制成的铝合金圆杆采用9m/s的速率、10％的变形量的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上室温下进行拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.08mm；将制得的铝合金单丝在箱式炉中时效6h，时效温度175℃，时效结束后空冷至室温。
实施例2
一种高导电率中强导电单丝材料，在纯度为99.7％的工业纯铝锭中加入各合金元素，熔化温度为700～720℃，使B，Si，Mg，Sc，Fe，Cr+Mn+V+Ti的含量如表1所示，余量为Al。合金元素B、Si、Sc以Al-B、Al-Si、Al-Sc中间合金的形式加入，合金元素Mg以纯金属Mg形式加入；其中，工业纯铝锭熔化后在700～720℃下加入Al-B中间合金搅拌15min、静置20min后扒渣，升温至720℃加入Al-Si中间合金、金属Mg和Al-Sc中间合金。
采用搅拌机对铝合金液进行充分搅拌，于700～720℃下加入采用N2吹入精炼剂10min对铝合金液进行除氢、除渣精炼，搅拌12min再静置30min扒渣；于690℃下将制得的铝合金液浇于紫铜质铸模具内，模具预先放入箱式炉内加热至180℃，浇铸制得尺寸为22×22×380mm的铝合金锭；将制得的铝合金锭于500℃下保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金圆杆；将轧制成的铝合金圆杆采用8m/s的速率、7％的变形量的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上室温下进行拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.08mm；将制得的铝合金单丝在箱式炉中时效5h，时效温度165℃，时效结束后空冷至室温。
实施例3
一种高导电率中强导电单丝材料，在纯度为99.7％的工业纯铝锭中加入各合金元素，熔化温度为700～720℃，使B，Si，Mg，Sc，Fe，Cr+Mn+V+Ti的含量如表1所示，余量为Al。合金元素B、Si、Sc以Al-B、Al-Si、Al-Sc中间合金的形式加入，合金元素Mg以纯金属Mg形式加入；其中，待工业纯铝锭熔化后在700～720℃下加入Al-B中间合金搅拌15min、静置20min后扒渣，升温至720℃加入Al-Si中间合金、金属Mg和Al-Sc中间合金。
采用搅拌机对铝合金液进行充分搅拌，于700～720℃下加入采用N2吹入精炼剂10min对铝合金液进行除氢、除渣精炼，搅拌10min再静置30min扒渣；于680℃下将制得的铝合金液浇于紫铜质铸模具内，模具预先放入箱式炉内加热至150℃，浇铸制得尺寸为22×22×380mm的铝合金锭；将制得的铝合金锭于510℃下保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金圆杆；将轧制成的铝合金圆杆采用6m/s的速率、6％的变形量的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上室温下进行拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.08mm；将制得的铝合金单丝在箱式炉中时效5h，时效温度170℃，时效结束后空冷至室温。
实施例4
一种高导电率中强导电单丝材料，在纯度为99.7％的工业纯铝锭中加入各合金元素，熔化温度为700～720℃，使B，Si，Mg，Sc，Fe，Cr+Mn+V+Ti的含量如表1所示，余量为Al。合金元素B、Si、Sc以Al-B、Al-Si、Al-Sc中间合金的形式加入，合金元素Mg以纯金属Mg形式加入；其中，待工业纯铝锭熔化后在700～720℃下加入Al-B中间合金搅拌15min、静置20min后扒渣，升温至720℃加入Al-Si中间合金、金属Mg和Al-Sc中间合金。
采用搅拌机对铝合金液进行充分搅拌，于700～720℃下加入采用N2吹入精炼剂10min对铝合金液进行除氢、除渣精炼，搅拌10min再静置30min扒渣；于700℃下将制得的铝合金液浇于紫铜质铸模具内，模具预先放入箱式炉内加热至160℃，浇铸制得尺寸为22×22×380mm的铝合金锭；将制得的铝合金锭于500℃下保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金圆杆；将轧制成的铝合金圆杆采用7m/s的速率、8％的变形量的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上室温下进行拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.08mm；将制得的铝合金单丝在箱式炉中时效4h，时效温度165℃，时效结束后空冷至室温。
实施例5
一种高导电率中强导电单丝材料，在纯度为99.7％的工业纯铝锭中加入各合金元素，熔化温度为700～720℃，使B，Si，Mg，Sc，Fe，Cr+Mn+V+Ti的含量如表1所示，余量为Al。合金元素B、Si、Sc以Al-B、Al-Si、Al-Sc中间合金的形式加入，合金元素Mg以纯金属Mg形式加入；其中，待工业纯铝锭熔化后在700～720℃下加入Al-B中间合金搅拌15min、静置20min后扒渣，升温至720℃加入Al-Si中间合金、金属Mg和Al-Sc中间合金。
采用搅拌机对铝合金液进行充分搅拌，于700～720℃下加入采用N2吹入精炼剂10min对铝合金液进行除氢、除渣精炼，搅拌8min再静置30min扒渣；于700℃下将制得的铝合金液浇于紫铜质铸模具内，模具预先放入箱式炉内加热至170℃，浇铸制得尺寸为22×22×380mm的铝合金锭；将制得的铝合金锭于505℃下保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金圆杆；将轧制成的铝合金圆杆采用8m/s的速率、7％的变形量的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上室温下进行拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.08mm；将制得的铝合金单丝在箱式炉中时效6h，时效温度170℃，时效结束后空冷至室温。
表1实施例制备的铝合金成分表(wt％)
组别 B Si Mg Sc Fe Cr+Mn+V+Ti
实施例1 0.03 0.10 0.45 0.10 0.162 0.006
实施例2 0.04 0.12 0.55 0.08 0.173 0.007
实施例3 0.04 0.15 0.60 0.05 0.180 0.006
实施例4 0.05 0.20 0.55 0.03 0.255 0.008
实施例5 0.06 0.22 0.65 0.02 0.300 0.005
表2实施例中铝合金单丝的性能测试结果
组别 直径(mm) 导电率(％IACS) 拉伸强度(MPa) 延伸率(％)
实施例1 3.08 59.56 255.2 4.6
实施例2 3.08 59.72 253.4 4.7
实施例3 3.08 59.81 253.3 4.6
实施例4 3.08 59.66 255.6 4.7
实施例5 3.08 59.64 253.2 4.8
表2的数据表明，本发明技术方案提供的中强铝合金单丝材料从综合性能上有明显的优势，特别是导电率达到59.5％IACS以上，且抗拉强度≥250MPa，延伸率≥4.5％。
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，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种导电单丝，该导电单丝由A、B两组分组成，A组分包括Al-B合金、Al-Si合金及Al-Sc合金；B组分包括工业纯铝锭和金属Mg，其特征在于，所述导电单丝包括按质量百分比计的下述成分组成：B：0.03～0.06％，Si：0.10～0.30％，Mg：0.45～0.65％，Sc：0.002～0.10％，Fe：0.16～0.30％，(Cr+Mn+V+Ti)≤0.009％，余量为铝和不可避免的微量杂质。
2.如权利要求1所述的导电单丝，其特征在于，所述导电单丝由按质量百分比计的下述成分组成：B：0.04～0.06％，Si：0.10～0.20％，Mg：0.55～0.65％，Sc：0.002～0.10％，Fe：0.16～0.25％，Cr+Mn+V+Ti：0.006～0.008％，余量为铝和不可避免的杂质。
3.如权利要求2所述的导电单丝，其特征在于，所述导电单丝由按质量百分比计的下述成分组成：B：0.04％，Si：0.15％，Mg：0.60％，Sc：0.05％，Fe：0.18％，Cr+Mn+V+Ti：0.006％，余量为铝和不可避免的杂质。
4.如权利要求1所述的导电单丝，其特征在于，所述Al-B合金由按质量百分比计的下述成分组成：B：0.20～2.10％，Fe：0.01～0.09％，余量为铝和不可避免的杂质。
5.如权利要求1所述的导电单丝，其特征在于，所述Al-Si合金由按质量百分比计的下述成分组成：Si：0.20～0.35％，Mg：0.20～0.30％，Mn：0.001～0.02％，Cr：0.001～0.004％，Ti：0.004～0.008％，Fe≤0.01％，余量为铝和不可避免的杂质。
6.如权利要求1所述的导电单丝，其特征在于，所述Al-Sc合金由按质量百分比计的下述成分组成：Si：0.001～0.013％，Sc：2.50～4.0％，Fe：0.001～0.002％，余量为铝和不可避免的杂质。
7.如权利要求1所述的导电单丝的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括下述步骤：
1)冶炼：于700～720℃下的铝熔融物中加入按质量百分比计的Al-B合金、Al-Si合金、Mg和Al-Sc合金；
2)精炼：于700～710℃下加入精炼剂搅拌8～12min后静置30min，扒渣，得铝合金液；
3)浇铸：于680～700℃下将步骤2)制得的铝合金液浇于预热铸模具内，得尺寸为22×22×380mm的铝合金锭；
4)制杆：将步骤3)制得的铝合金锭于500～510℃下保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金圆杆；
5)拉丝：以6～9m/s的速率、6～10％的变形量，对步骤4)得到的铝合金圆杆进行拉丝，得直径为3.08mm的铝合金单丝；
6)热处理：将步骤5)制得的铝合金单丝在165～175℃下热处理4～6h后，空冷至室温。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述精炼剂采用N2吹入方式输送；
步骤3)中所述的模具为紫铜模具，所述模具的预热温度为150～200℃；
步骤5)中所述的拉丝温度为20～28℃。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中加入Al-B合金搅拌15min、静置20min，扒渣后，升温至720℃加入Al-Si合金、Mg和Al-Sc合金。
10.如权利要求7所述的导电单丝，其特征在于，所述铝合金单丝的导电率≥59.5％IACS，抗拉强度≥250MPa，延伸率≥4.5％。
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