CN106663490B - 铝合金导体线芯及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝合金导体线芯及其制造方法。具体而言，本发明涉及一种抗拉强度等机械强度优秀，同时与所述强度处于相互冲突关系(trade‑off)的伸长率、以及电导率均优秀的铝合金导体线芯及其制造方法。

Description

铝合金导体线芯及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金导体线芯及其制造方法。具体而言，本发明涉及一种抗拉强度等机械强度优秀，同时与所述强度存在相互冲突关系(trade-off)的伸长率、以及电导率优秀的铝合金导体线芯及其制造方法。

背景技术

与铜(copper)导体线芯以及铜合金导体线芯相比，铝合金导体线芯具有质轻价廉，容易铸造，容易与其它金属形成合金，容易在常温及高温下进行加工，大气中的耐蚀性和耐久性优秀等优点，因此广泛用作架空输电线、地下输电线、高楼用电缆等的导体。

只是，纯粹的铝合金导体线芯虽然具有优秀的伸长率、电导率等特性，但是抗拉强度等机械强度不足，特别是，当用作振动严重的环境下使用的电缆，如在汽车、航空飞机、原动机等中使用的电缆等的导体时，有必要提高决定耐振动性的机械强度。

因此，目前公知的技术将铝(Al)与铁(Fe)、铜(Cu)、镁(Mg)、锆(Zr)、铍(Be)等合金元素形成合金，以此提高铝合金导体线芯的机械强度。

然而，为了达到想要的机械强度，目前的铝合金导体线芯需要添加过量的合金元素，从而导致与所述机械强度存在相互冲突关系的伸长率以及电导率等大幅下降，或者制造时需要较高的热处理温度，或需要进行长时间的热处理，进而由于添加环境管控物质铍(Be)，引发环境问题并且提高生产成本。

此外，当为了避免铝合金导体线芯的伸长率、电导率等大幅下降而只添加少量的合金元素时，铝合金导体线芯的机械强度的提升程度不够，或者制造工艺变得复杂，如为了提高所述铝合金导体线芯的机械强度而需要增加晶粒微细化工序等。

在这种情况下，当前电缆行业中为了用铝合金导体线芯来替代铜导体线芯以及铜合金导体线芯，正在积极地进行研究，以期同时提高抗拉强度等机械强度以及与此存在相互冲突关系的伸长率和电导率等，然而，尚未确立铝合金导体线芯的最佳合金元素组合以及工艺条件，特别是，铝合金导体线芯的裸线径越小，抗拉强度就越高，但是伸长率以及电导率反而越低，因此对于直径为0.15至0.5mm的细导体线芯，极难找出最佳的合金元素组合，技术进步方面存在不少困难。

发明内容

所要解决的技术问题

本发明的目的在于，提供一种在直径小的情况下也具有优秀的抗拉强度等机械强度，同时与此存在相互冲突关系的伸长率和电导率等优秀的铝合金导体线芯。

此外，本发明的目的在于，提供一种环保并且能够节约生产成本的铝合金导体线芯。

进而，本发明的另一目的在于，提供一种制造工艺简单，从而节约制造成本的所述铝合金导体线芯的制造方法。

解决技术问题的方案

为了解决上述的技术问题，本发明提供一种铝合金导体线芯，其特征在于，由铝合金组合物形成，所述铝合金组合物包含0.3至0.6重量％的铁(Fe)、0.3至0.5重量％的铜(Cu)、0.001至0.01重量％的硼(B)以及0.01至0.03重量％的钛(Ti)，余量由铝(Al)以及不可避免的杂质构成，以任意析出物为基准，分布在单位半径(50μm)以内的析出物之间的距离平均值，即析出物间平均距离为2至15μm，平均直径为0.15至0.5mm。

其中，所述硼(B)以及所述钛(Ti)以Al-Ti-B金属间化合物的形式存在。

此外，所述析出物包括Al-Fe金属间化合物、Al-Cu金属间化合物以及Al-Ti-B金属间化合物。

另一方面，晶粒平均粒径为50μm以下。

并且，抗拉强度为140MPa以上，伸长率为15％以上，电导率为59％IACS以上。

此外，所述不可避免的杂质可以包括钒(V)、铬(Cr)以及镍(Ni)，每一种不可避免的杂质的含量分别为0.01重量％以下，不可避免的杂质的总含量为0.1重量％以下。

另一方面，提供一种铝合金导体线芯的制造方法，其包括如下步骤：制造铝合金组合物，所述铝合金组合物包含铁(Fe)以及铜(Cu)，余量由铝以及不可避免的杂质构成；在对所述铝合金组合物进行铸造之前添加Al-Ti-B合金；对所述铝合金组合物进行连铸连轧，以制造铝合金线材；对所述铝合金线材进行拉拔；对经过拉拔工序的所述铝合金线材进行热处理。

其中，在添加所述Al-Ti-B合金之前，对所述铝合金组合物进行除气以及异物过滤。

此外，所述被进行连铸连轧的铝合金组合物的温度为730至900℃。

进而，所述热处理在260至360℃温度下进行2至12小时，热处理后的晶粒平均粒径为50μm以下。

有益效果

本发明涉及的铝合金导体线芯，通过特定的合金元素的选择以及配合比的精密控制，在直径小的情况下也能够同时提高抗拉强度等机械强度以及与此存在相互冲突关系的伸长率和电导率等。

本发明涉及的铝合金导体线芯不使用引发环境问题的合金元素，因此环保，同时不含过量的合金元素，因此能够节约生产成本。

本发明涉及的铝合金导体线芯的制造方法无需进行额外的晶粒微细化工序，因此制造工艺简单，从而节约生产成本，同时通过精密地控制工艺条件，能够均匀地提高所制造的铝合金导体线芯的特性。

附图说明

图1是本发明涉及的铝合金导体线芯的制造工艺的流程图。

图2标出了本发明涉及的实施例1的铝合金导体线芯的SEM照片以及比较例5的铝合金导体线芯的SEM照片中的析出物间距离。

图3示出了本发明涉及的实施例1的铝合金导体线芯的SEM照片以及比较例5的铝合金导体线芯的SEM照片。

具体实施方式

下面，将详细说明本发明的优选实施例。但是，本发明并不限定于在此说明的实施例，而是可以以其它形式具体化。在此介绍的实施例的提供目的在于，使公开的内容能够变得彻底并且完整，且将本发明的思想充分地传达给本领域的技术人员。

形成本发明涉及的合金导体材料的铝合金组合物包含主要成分铝(Al)，进一步包含合金元素铁(Fe)、铜(Cu)、硼(B)以及钛(Ti)。所述铝合金导体线芯是平均直径为0.15至0.5mm的细线，对于这种细的铝合金导体线芯，极难同时提高抗拉强度等机械强度以及与此存在相互冲突关系的伸长率和电导率等，即便如此，也能够通过晶粒微细化来实现，而晶粒微细化是通过控制以下记载的合金元素的最佳配合比、形成晶粒的析出物之间的距离来实现。

所述合金元素中的铁(Fe)在基体(matrix)内以Al-Fe金属间化合物的形式存在。特别是，所述Al-Fe金属间化合物在所述铝合金导体线芯制造工艺中的热处理步骤中被大部分析出，抑制晶粒的生长，从而发挥提高抗拉强度等机械强度的作用。

其中，以所述铝合金组合物的总重量为基准，所述铁(Fe)的含量可以是0.3至0.6重量％。当所述铁(Fe)的含量少于0.3重量％时，所述铝合金导体线芯的机械强度提升程度有可能不够，相反，当超过0.6重量％时，有可能使Al-Fe金属间化合物变得粗大，从而降低铝合金组合物的可挤压性，并且大幅降低铝合金导体线芯的伸长率、电导率等。

此外，所述合金元素中的铜(Cu)固溶于铝(Al)中，提高铝合金的腐蚀电位，从而提高铝合金的耐蚀性，并且与铁(Fe)一样在基体(matrix)内以Al-Cu金属间化合物的形式存在，并在热处理步骤中被析出而抑制晶粒的生长，从而发挥提高抗拉强度等机械强度的作用。

其中，以所述铝合金组合物的总重量为基准，所述铜(Cu)的含量可以是0.3至0.5重量％。当所述铜(Cu)的含量少于0.3重量％时，所述铝合金导体线芯的机械强度提升程度有可能不够，相反，当超过0.5重量％时，有可能使金属间化合物变得粗大，从而降低铝合金组合物的可挤压性，并且大幅降低铝合金导体线芯的伸长率、电导率等。

所述合金元素中的硼(B)在铝合金导体线芯制造工艺中的热处理步骤中促进金属间化合物的析出，抑制晶粒的粗大化，从而发挥提高所述铝合金导体线芯的强度并且抑制电导率下降的作用。

其中，以所述铝合金组合物的总重量为基准，所述硼(B)的含量可以是0.001至0.01重量％。当所述硼(B)的含量少于0.001重量％时，所述铝合金导体线芯的机械强度提升程度有可能不够，相反，当超过0.01重量％时，有可能生成金属间化合物，使得铝合金导体线芯的电导率大幅下降。

所述合金元素中的钛(Ti)的熔点为1800℃，高于其它合金元素铁(Fe)的熔点1540℃、铜(Cu)的熔点1084.5℃，因此以Al-Ti-B合金棒(rod)等形式添加，并作为Al-Ti形式的析出物均匀地存在于铝合金内，从而进一步缩小决定铝合金晶粒大小的析出物间平均距离，结果通过晶粒微细化发挥进一步提高所述铝合金导体线芯的强度的作用。

所述析出物间平均距离下的析出物不仅包括Al-Ti金属间化合物，也包括Al-Fe金属间化合物、Al-Cu金属间化合物等，并且通过添加钛(Ti)而缩小的析出物间平均距离，即以任意的析出物为基准分布在单位半径(50μm)内的析出物之间的距离平均值优选为2至15μm，更优选为2至5.5μm，通过如此减小析出物间平均距离，使析出物发挥屏障(barrier)作用，从而能够抑制晶粒的生长。即，钛(Ti)发挥晶粒微细化工具的作用，缩小析出物间平均距离，因此能够将晶粒平均粒径控制在约50μm以下，优选控制在约10至40μm。

此外，添加钛(Ti)的铝合金能够实现如之前所述的基于Al-Ti金属间化合物的晶粒微细化，因此即便在为了提高铝合金的伸长率而在更高的温度下或者更长的时间内进行热处理的情况下，抗拉强度的下降程度也远低于未添加钛(Ti)的铝合金，因此与未添加钛(Ti)而具有相同抗拉强度的铝合金的伸长率相比，能够具有大幅提高的伸长率。

其中，以所述铝合金组合物的总重量为基准，所述钛(Ti)的含量可以是0.01至0.03重量％。当所述钛(Ti)的含量少于0.01重量％时，有可能难以发挥所述铝合金导体线芯的晶粒微细化效果，相反，当超过0.03重量％时，由于向铝合金添加太多的杂质，有可能生成粗大的金属间化合物，从而降低所述铝合金组合物的可挤压性、所述铝合金导体线芯的抗拉强度以及电导率。

所述铝合金组合物除了包含主要成分铝(Al)以及合金元素铁(Fe)、铜(Cu)、硼(B)、钛(Ti)之外，可以包含制造工艺中不可避免地添加的杂质，例如钒(V)、铬(Cr)、镍(Ni)等。例如，每一种所述不可避免的杂质的含量可以分别在0.01％重量％以下，所述不可避免的杂质的总含量可以在0.1％重量％以下。

由所述铝合金组合物制造的铝合金导体线芯，通过作为合金元素添加的铁(Fe)、铜(Cu)以及钛(Ti)所实现的微细析出物的均匀分布，即基于析出物间距离的缩小的晶粒微细化、以及由硼(B)来实现的Al-Fe、Al-Cu等金属间化合物的析出促进所带来的进一步的晶粒微细化，表现出140MPa以上的抗拉强度，并且通过所述晶粒微细化，在使抗拉强度的下降最小化的情况下能够在高温下进行长时间的热处理，因此能够同时达到伸长率提高15％以上，电导率提高至59％IACS以上的卓越效果。

图1是本发明涉及的铝合金导体线芯的制造工艺的流程图。

如图1所示，本发明涉及的铝合金导体线芯的制造方法可以包括如下的a)至e)步骤。

a)步骤(S110)：制造铝合金组合物(熔融金属)，其包含0.3至0.6重量％的铁(Fe)以及0.3至0.5重量％的铜(Cu)，余量由铝以及不可避免的杂质构成；

b)步骤(S120)：在对所述铝合金组合物进行铸造之前添加Al-Ti-B合金，以制造进一步包含0.001至0.01重量％的硼(B)以及0.01至0.03重量％的钛(Ti)的铝合金组合物；

c)步骤(S130)：对所述铝合金组合物进行连铸连轧，以制造铝合金线材；

d)步骤(S140)：对所述铝合金线材进行拉拔；以及

e)步骤(S150)：在260至360℃温度范围内，对经过拉拔工序的所述铝合金线材进行2至12小时的热处理。

特别是，本发明涉及的铝合金导体线芯的制造方法可以进一步包括铝合金组合物的除气以及异物过滤步骤，该步骤在a)步骤(S110)之后进行。其中，所述除气以及异物过滤步骤优选在a)步骤(S110)与b)步骤(S120)之间进行。这是因为，当在b)步骤之后进行所述除气以及异物过滤步骤时，Al-Ti金属间化合物有可能与气体一同脱离。

如之前所述，在b)步骤中添加的Al-Ti-B合金的析出物在基体(matrix)内均匀地分布，从而缩小决定晶粒大小的析出物间距离，结果通过晶粒微细化能够提高铝合金的抗拉强度等机械强度。

由此，本发明涉及的铝合金导体线芯的制造方法无需进行额外的晶粒微细化工序，因此制造工艺简单，从而能够节约制造成本。

另一方面，在所述c)步骤(S130)中用于进行所述连铸连轧的所述铝合金组合物的温度优选为730至900℃。如此限定用于进行所述连铸连轧的组合物的注入温度的目的在于，得到金属间化合物固溶体，即具有致密微观组织的铸件。

在此，当所述铝合金组合物的注入温度超过900℃时，有可能发生铸件的微观组织变粗大的问题，相反，当低于730℃时，所述组合物的流动性有可能不足，从而发生无法致密地填满铸模空间的浇不足(misrun)现象。其中，可以用连铸(continuous casting)技术来替代所述连铸连轧技术。

在所述c)步骤(S130)中制造的铝合金线材的被铸造成直径优选为约10mm的大小，以便适用于车用电缆，但是根据本发明涉及的铝合金导体线芯的用途，普通技术人员可以适当地选择所铸造的铝合金线材的直径。

在d)步骤(S140)即拉拔工序中，对所铸造的铝合金线材进行加工，缩小其截面，从而制造规定规格的合金线材。例如，所述d)步骤(S140)可以包括：粗拉工序，将在c)步骤(S130)中制造的铝合金线材制成平均直径约为2mm的线材；以及细拉工序，将前述线材进一步制成平均直径约为0.15至0.5mm的线材。

在d)步骤(S140)中进行拉拔的铝合金线材是单股线或是绞合线，在e)步骤(S150)即热处理工序中对其进行热处理。铝合金线材通过所述热处理增加内部应力之后基于应力消除进行恢复，由此提高伸长率。只是，当热处理温度过高或热处理时间过于拖长时，有可能因晶粒粗大化而大幅降低抗拉强度。因此，最有效率的是，在通过热处理最大限度地提高铝合金线材的伸长率的同时不会大幅降低抗拉强度的时间点上，即晶粒平均粒径保持在约50μm以下时中断热处理。

即，能够使晶粒平均粒径保持在50μm以下且最大限度地提高伸长率的工序条件可以是，约260至360℃的热处理温度以及约2至12小时的热处理时间。在满足这种热处理工序条件的范围内，热处理温度越低就约增加热处理时间，相反，热处理温度越高就约缩短热处理时间，从而能够使热处理所导致的抗拉强度的下降程度最小化的同时使伸长率的提高程度最大化。

[实施例]

1、制造例

制造铝合金线材，其包含如下面的表1所示的合金成分，余量由铝(Al)以及不可避免的杂质构成。然后进行拉拔工序和热处理工序(310℃，6小时)，从而制造了各个实施例以及比较例涉及的裸线试样。以下表1中示出的合金成分的含量单位是重量％。

2、物理性质评价

1)抗拉强度以及伸长率的评价

关于实施例或者比较例涉及的各个铝合金裸线试样的抗拉强度以及伸长率，根据ASTM B557规格，利用线用夹持装置(gripping device)固定试样的两端，测定在此状态下以1mm/s的速度进行牵拉时所需的力，然后通过残余变形法(offset method)算出抗拉强度，并基于试样断裂的时间点上的试样长度算出伸长率，其结果如下面的表1所示。

2)电导率的评价

关于实施例或者比较例涉及的各个铝合金裸线试样的电导率，根据ASTM B193规格，通过开尔文双电桥(Kelvin double bridge)法测定电阻，并由此算出电导率。

【表1】

如所述表1所示，确认了本发明涉及的实施例1至10的铝合金裸线试样通过最佳的合金元素组合以及合金元素的最小含量以及最佳配合比，缩小了析出物间平均距离，由此实现了晶粒的微细化，从而虽然通过热处理将伸长率提高15％以上，也使抗拉强度的下降程度最小化，能够使所述抗拉强度保持在140MPa以上，进而确认了通过使合金元素的含量最小化，能够使电导率保持在59％IACS以上。

与此相反，确认了比较例1以及3的试样由于仅添加了极少量的提高铝合金抗拉强度的合金元素铁(Fe)或铜(Cu)，因此铝合金的抗拉强度的提升程度甚微，相反，确认了比较例2以及4的试样由于添加了极大量的合金元素铁(Fe)或铜(Cu)，导致铝合金的电导率低于规格59％IACS。

此外，确认了比较例5的试样虽然添加了适量的提高铝合金抗拉强度的合金元素铁(Fe)和铜(Cu)，但是未添加用于实现晶粒微细化的钛(Ti)以及硼(B)，因此析出物之间的距离增加，由此使晶粒粗大化，结果在进行用于提高伸长率的热处理时抗拉强度大幅下降，相反，确认了比较例6的试样由于添加了过量的钛(Ti)以及硼(B)，反而生成了粗大的金属间化合物，因而大幅降低抗拉强度以及电导率。

并且，确认了比较例7以及9的试样由于裸线直径过小，抗拉强度优秀，但是与此存在相互冲突关系的伸长率和电导率大幅下降，相反，比较例8及10的试样由于裸线直径过大，伸长率和电导率优秀，但是抗拉强度大幅下降。

作为参考，图2以及图3是示出实施例1及比较例5中基于钛(Ti)的添加与否的析出物间距离以及晶粒微细化程度的扫描电子显微镜(SEM)比较照片。

如之前记载的实施例和图2、图3所示，本发明涉及的铝合金导体线芯，通过添加钛(Ti)来缩小决定晶粒大小的析出物间距离，引发晶粒微细化，从而在进行用于提高铝合金线材伸长率的热处理时能够使抗拉强度的下降程度最小化，结果表现出同时提高抗拉强度以及与此存在相互冲突关系的伸长率的预料不到的显著效果。

进而，通过晶粒微细化，只需添加少量的合金元素铁(Fe)和铜(Cu)，就能够达到充分的抗拉强度，因此使合金元素的整体含量最小化，从而表现出使电导率的下降程度最小化的优秀效果。

以上参照本发明的优选实施例进行了说明，但是本领域的技术人员可以在不脱离所附的权利要求书中记载的本发明的思想及领域的范围内对本发明进行各种修改以及变更。因此应当解释为，只要变形的实施基本上包括本发明权利要求书中的构成要素，就都属于本发明的技术范畴之内。

Claims (8)

1.一种铝合金导体线芯，其特征在于，

由铝合金组合物形成，所述铝合金组合物包含0.3至0.6重量％的铁(Fe)、0.3至0.5重量％的铜(Cu)、0.001至0.01重量％的硼(B)以及0.01至0.03重量％的钛(Ti)，余量由铝(Al)以及不可避免的杂质构成，

以任意析出物为基准，分布在50μm单位半径以内的析出物之间的距离平均值，即析出物间平均距离为2至15μm，

晶粒平均粒径为50μm以下，

抗拉强度为140MPa以上，伸长率为15％以上，电导率为59％IACS以上，

所述铝合金导体线芯的平均直径为0.15至0.5mm。

2.根据权利要求1所述的铝合金导体线芯，其特征在于，

所述硼(B)以及所述钛(Ti)以Al-Ti-B金属间化合物的形式存在。

3.根据权利要求2所述的铝合金导体线芯，其特征在于，

所述析出物包括Al-Fe金属间化合物、Al-Cu金属间化合物以及Al-Ti-B金属间化合物。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的铝合金导体线芯，其特征在于，

所述不可避免的杂质包括钒(V)、铬(Cr)以及镍(Ni)，每一种不可避免的杂质的含量分别为0.01重量％以下，不可避免的杂质的总含量为0.1重量％以下。

5.一种铝合金导体线芯的制造方法，用于制造权利要求1至3中的任一项所述的铝合金导体线芯，其特征在于，包括如下步骤：

制造铝合金组合物，所述铝合金组合物包含铁(Fe)以及铜(Cu)，余量由铝以及不可避免的杂质构成；

在对所述铝合金组合物进行铸造之前添加Al-Ti-B合金；

对所述铝合金组合物进行连铸连轧，以制造铝合金线材；

对所述铝合金线材进行拉拔；以及

对经过拉拔工序的所述铝合金线材，在260至360℃温度下进行2至12小时的热处理。

6.根据权利要求5所述的铝合金导体线芯的制造方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：

在添加所述Al-Ti-B合金之前，对所述铝合金组合物进行除气以及异物过滤。

7.根据权利要求5所述的铝合金导体线芯的制造方法，其特征在于，

在进行连铸连轧时的所述铝合金组合物的温度为730至900℃。

8.根据权利要求5所述的铝合金导体线芯的制造方法，其特征在于，

热处理后的晶粒平均粒径在50μm以下。