CN106887266B - 一种高强耐热铝合金导线的制造方法 - Google Patents

一种高强耐热铝合金导线的制造方法 Download PDF

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Abstract

一种高强耐热铝合金导线及其制造方法，所述高强耐热铝合金导线的成分及质量百分比为：Fe 0.5～0.6%，Si 0.1～0.2%，Cu 0.06～0.07%，Zr 0.05～0.07%，C 0.002～0.004%，RE 0.03～0.05%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。其制造方法包括备料、熔炼配制铝合金液、炉内精炼除气除杂处理、在线除气过滤处理、连铸连轧和拉拔成线。本发明所述的高强耐热铝合金导线具有强度高、塑性好、导电率高和耐热性能优良的特点，适合于制造城市电网增容扩容改造和长距离大容量输电工程建设用铝合金电缆，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种高强耐热铝合金导线的制造方法
技术领域
本发明属于铝合金导线制造领域，具体是涉及一种高强耐热铝合金导线及其制造方法。
背景技术
耐热铝合金导线是指在温度和载荷的长时间作用下具有抵抗塑性变形和破坏能力的铝合金导线。耐热铝合金导线的耐热性能通常采用强度保持率大于90%来表征，即经加热后再恢复到室温下的抗拉强度能够维持在初始值的90%以上。随着国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，对电力的需求急剧增长，输电线路日益向大容量方向发展，这就要求增大导线的输电容量。目前，我国的输电导线主要还是传统的钢芯铝绞线，这种钢芯铝绞线虽然强度高，但电能损耗大，耐热性差，输电容量受到很大的限制。随着我国城市电网增容扩容改造以及长距离大容量输电工程的建设，迫切需要开发新型的高强度、高导电率的耐热铝合金导线。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种强度高、塑性好、导电率高、耐热性能优良的高强耐热铝合金导线及其制造方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的高强耐热铝合金导线，其特点是由以下质量百分比的成分组成：Fe0.5～0.6%，Si 0.1～0.2%，Cu 0.06～0.07%，Zr 0.05～0.07%，C 0.002～0.004%，RE 0.03～0.05%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述RE 的成分及质量百分比为：Pr 25.2%，Nd 20.6%，Pm 21.3%，Sm 13.8%，Gd 19.1%。
优选的，本发明所述的高强耐热铝合金导线，由以下质量百分比的成分组成：Fe0.5%，Si 0.15%，Cu 0.065%，Zr 0.06%，C 0.003%，RE 0.04%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述RE 的成分及质量百分比为：Pr 25.2%，Nd20.6%，Pm 21.3%，Sm 13.8%，Gd 19.1%。
本发明所述的高强耐热铝合金导线的制备方法，其特点是包括以下步骤：
第一步：选用工业纯铝锭、速溶硅、Al-10Cu合金、Al-20Fe合金、Al-10Zr合金、Al-5Zr-1C合金和混合稀土RE 作为原材料；
第二步：在760～780℃将工业纯铝锭加热熔化，并加入占原材料总重量0.1～0.2%的速溶硅、0.6～0.7%的Al-10Cu合金、2～2.5%的Al-20Fe合金和0.4～0.5%的Al-10Zr合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：对铝合金液进行炉内精炼除气除杂处理，扒渣后，加入占原材料总重量0.2～0.4%的Al-5Zr-1C合金和0.03～0.05%的混合稀土RE ，搅拌使铝合金液的成分均匀；
第四步：将铝合金液依次流过设置在流槽上的石墨转子旋转速度为100～120转/分钟、氩气压力为50～60KPa的除气箱和孔隙度为30～50ppi的陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
第五步：在结晶轮转动线速度为13～15米/分钟、终轧速度为10～12米/秒的条件下，将铝合金液连铸连轧成直径为9.5毫米的铝合金圆杆；
第六步：在道次拉拔变形量为4～5%、拉拔速度为5～7米/秒的条件下，将铝合金圆杆拉拔成直径为1～3毫米的铝合金线，得到高强耐热铝合金导线。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明高强耐热铝合金导线的室温抗拉强度大于215MPa，伸长率大于12%，导电率大于60%，在230℃持续加热1小时后的强度保持率大于91%，具有强度高、塑性好、导电率高和耐热性能优良的特点，适合于制造城市电网增容扩容改造和长距离大容量输电工程建设用铝合金电缆，具有广阔的市场应用前景。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明作进一步的详细说明。
本发明所述的高强耐热铝合金导线，由以下质量百分比的成分组成：Fe 0.5～0.6%，Si 0.1～0.2%，Cu 0.06～0.07%，Zr 0.05～0.07%，C 0.002～0.004%，RE 0.03～0.05%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。
其中，最优的成分及质量百分比为：Fe 0.5%，Si 0.15%，Cu 0.065%，Zr 0.06%，C0.003%，RE 0.04%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。
所述RE 的成分及质量百分比为：Pr 25.2%，Nd 20.6%，Pm 21.3%，Sm 13.8%，Gd19.1%。
其中，Fe在铝合金导线中可形成热稳定性极好的Al3Fe、Al2FeSi、FeSiAl3、Fe2SiAl8等过剩相，增强铝合金导线的强度和耐热性能。Fe含量越高，过剩相的数量也越多，铝合金导线的强度和耐热性越好。但Fe含量太高也会降低铝合金的塑性、抗应力腐蚀性能和疲劳性能。由于工业纯铝锭中含有0.1%的Fe，因此，选择添加2～2.5%的Al-20Fe合金，铝合金导线中Fe含量为0.5～0.6%，优选的，Al-20Fe合金添加量为2%，铝合金导线中Fe含量为0.5%。
Si在铝合金导线中除了具有固溶强化作用外，最重要的是Si可与铝合金导线中的Fe形成热稳定性极好的Al2FeSi、FeSiAl3、Fe2SiAl8等过剩相，增强铝合金导线的强度和耐热性能。Si含量太高也会降低铝合金导线的塑形和导电性能，因此，为了确保铝合金导线获得足够的强度、耐热性和导电性能，Si含量选择在0.1～0.2%，最优的Si含量为0.15%。
Cu在铝合金导线中除了具有固溶强化作用外，还可形成强化效果极为明显的CuAl2相，增强铝合金导线的强度。Cu含量越高，CuAl2相的数量越多，铝合金导线的强度越高。但Cu含量太高也会降低铝合金导线的耐腐蚀性能，并且Cu的价格较贵，Cu含量太高会增加铝合金导线的生产成本。因此，Cu含量选择在0.06～0.07%，最优的Cu含量为0.065%。
Zr在铝合金导线中可析出细小弥散的Al3Zr相，Al3Zr相在高温下不分解，具有钉扎位错及晶界的作用，可阻碍晶内的滑移和晶界的滑移，降低裂纹的扩展速度，提高铝合金导线的耐热性能。但Zr的加入也会引起铝基体的晶体点阵畸变，增加电子散射从而降低导电率。在保证铝合金导线获得足够的耐热性和导电性的双重要求下，因此选择添加0.4～0.5%的Al-10Zr合金，铝合金导线中含有0.04～0.05%的Zr，最优的，选择添加0.45%的Al-10Zr合金，铝合金导线中含有0.045%的Zr。
C是以Al-5Zr-1C合金的形式加入到铝合金导线中，Al-5Zr-1C合金是由氟锆酸钾和碳粉的混合物与铝液反应得到，内部含有大量的ZrC粒子。Al5Zr1C合金是一种新型的铝合金晶粒细化剂，发明人的大量实验证明，Al5Zr1C合金比现有的Al5Ti1B和Al5Ti1C合金具有更强的晶粒细化能力，添加0.2～0.4%的Al-5Zr-1C合金，铝合金导线中含有0.01～0.02%的Zr和0.002～0.004%的C，可显著细化铝合金的晶粒，改善铝合金导线的组织均匀性，提高铝合金导线的强度和塑性，优选的，Al-5Zr-1C合金添加量为0.3%，铝合金中含有0.015%的Zr和0.003%的C。
RE 是含有Pr、Nd、Pm、Sm、Gd共5种轻稀土元素的混合稀土，轻稀土元素的物理化学性质活泼，能与铝合金液中的氢、氧、锰、锌、铬等杂质元素反应生成高熔点、高稳定性的稀土化合物，对铝合金液有深度净化作用，可以消除杂质元素对力学性能和导电性能的有害影响。另外，形成的稀土化合物具有熔点高、硬度高和热稳定性好的特点，偏聚在相界和晶界可提高相界和晶界的强度和抗蠕变能力，进一步提高铝合金导线强度和耐热性。发明人的大量实验研究证明，添加含有Pr、Nd、Pm、Sm、Gd共5种轻稀土元素的混合稀土的效果比添加一种或少数几种轻稀土元素的效果更好，因此，选择添加0.03～0.05%的混合稀土RE ，优选的，混合稀土RE 添加量为0.04%。
本发明还提供了该高强耐热铝合金导线的制造方法，具体由以下步骤组成：
第一步：选用工业纯铝锭、速溶硅、Al-10Cu合金、Al-20Fe合金、Al-10Zr合金、Al-5Zr-1C合金和混合稀土RE 作为原材料；
第二步：在760～780℃将工业纯铝锭加热熔化，并加入占原材料总重量0.1～0.2%的速溶硅、0.6～0.7%的Al-10Cu合金、2～2.5%的Al-20Fe合金和0.4～0.5%的Al-10Zr合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：对铝合金液进行炉内精炼除气除杂处理，扒渣后，加入占原材料总重量0.2～0.4%的Al-5Zr-1C合金和0.03～0.05%的混合稀土RE ，搅拌使铝合金液的成分均匀；
第四步：将铝合金液依次流过设置在流槽上的石墨转子旋转速度为100～120转/分钟、氩气压力为50～60KPa的除气箱和孔隙度为30～50ppi的陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
第五步：在结晶轮转动线速度为13～15米/分钟、终轧速度为10～12米/秒的条件下，将铝合金液连铸连轧成直径为9.5毫米的铝合金圆杆；
第六步：在道次拉拔变形量为4～5%、拉拔速度为5～7米/秒的条件下，将铝合金圆杆拉拔成直径为1～3毫米的铝合金线，得到高强耐热铝合金导线。
本发明高强耐热铝合金导线的制造方法，选用工业纯铝锭、速溶硅、Al-10Cu合金、Al-20Fe合金、Al-10Zr合金、Al-5Zr-1C合金和混合稀土RE 作为原材料，通过优化Fe、Si、Cu、Zr的含量，首先经过炉内精炼除气除杂处理后，再加入Al-5Zr-1C合金和混合稀土RE ，有利于充分发挥Al-5Zr-1C合金对铝合金液的晶粒细化和混合稀土RE 对铝合金液的深度净化作用，最后再经过流槽在线除气和过滤处理，可以确保获得高洁净的铝合金液，使铝合金导线获得强度高、塑性好、导电率高和耐热性能优良的特点。
为了更详尽的描述本发明的高强耐热铝合金导线及其制造方法，以下列举几个实施例作更进一步的说明。
实施例1：
本发明所述的高强耐热铝合金导线，由以下成分及质量百分比组成：Fe 0.5%，Si0.1%，Cu 0.06%，Zr 0.05%，C 0.002%，RE 0.03%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述RE 的成分及质量百分比为：Pr 25.2%，Nd 20.6%，Pm 21.3%，Sm 13.8%，Gd 19.1%。该高强耐热铝合金导线的制造方法如下：
第一步：选用工业纯铝锭、速溶硅、Al-10Cu合金、Al-20Fe合金、Al-10Zr合金、Al-5Zr-1C合金和混合稀土RE 作为原材料；
第二步：在760℃将工业纯铝锭加热熔化，并加入占原材料总重量0.1%的速溶硅、0.6%的Al-10Cu合金、2%的Al-20Fe合金和0.4%的Al-10Zr合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用六氯乙烷对铝合金液进行炉内精炼除气除杂处理，扒渣后，加入占原材料总重量0.2%的Al-5Zr-1C合金和0.03%的混合稀土RE ，搅拌使铝合金液的成分均匀；
第四步：将铝合金液依次流过设置在流槽上的石墨转子旋转速度为100转/分钟、氩气压力为60KPa的除气箱和孔隙度为30ppi的陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
第五步：在结晶轮转动线速度为15米/分钟、终轧速度为12米/秒的条件下，将铝合金液连铸连轧成直径为9.5毫米的铝合金圆杆；
第六步：在道次拉拔变形量为5%、拉拔速度为7米/秒的条件下，将铝合金圆杆拉拔成直径为1毫米的铝合金线，得到高强耐热铝合金导线。
实施例2：
本发明所述的高强耐热铝合金导线，由以下成分及质量百分比组成：Fe 0.5%，Si0.15%，Cu 0.065%，Zr 0.06%，C 0.003%，RE 0.04%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述RE 的成分及质量百分比为：Pr 25.2%，Nd 20.6%，Pm21.3%，Sm 13.8%，Gd 19.1%。高强耐热铝合金导线的制造方法如下：
第一步：选用工业纯铝锭、速溶硅、Al-10Cu合金、Al-20Fe合金、Al-10Zr合金、Al-5Zr-1C合金和混合稀土RE 作为原材料；
第二步：在770℃将工业纯铝锭加热熔化，并加入占原材料总重量0.15%的速溶硅、0.65%的Al-10Cu合金、2%的Al-20Fe合金和0.45%的Al-10Zr合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用六氯乙烷对铝合金液进行炉内精炼除气除杂处理，扒渣后，加入占原材料总重量0.3%的Al-5Zr-1C合金和0.04%的混合稀土RE ，搅拌使铝合金液的成分均匀；
第四步：将铝合金液依次流过设置在流槽上的石墨转子旋转速度为110转/分钟、氩气压力为55KPa的除气箱和孔隙度为40ppi的陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
第五步：在结晶轮转动线速度为14米/分钟、终轧速度为11米/秒的条件下，将铝合金液连铸连轧成直径为9.5毫米的铝合金圆杆；
第六步：在道次拉拔变形量为4.5%、拉拔速度为6米/秒的条件下，将铝合金圆杆拉拔成直径为2毫米的铝合金线，得到高强耐热铝合金导线。
实施例3：
本发明所述的高强耐热铝合金导线，由以下成分及质量百分比组成：Fe 0.6%，Si0.2%，Cu 0.07%，Zr 0.07%，C 0.004%，RE 0.05%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述RE 的成分及质量百分比为：Pr 25.2%，Nd 20.6%，Pm 21.3%，Sm 13.8%，Gd 19.1%。高强耐热铝合金导线的制造方法如下：
第一步：选用工业纯铝锭、速溶硅、Al-10Cu合金、Al-20Fe合金、Al-10Zr合金、Al-5Zr-1C合金和混合稀土RE 作为原材料；
第二步：在780℃将工业纯铝锭加热熔化，并加入占原材料总重量0.2%的速溶硅、0.7%的Al-10Cu合金、2.5%的Al-20Fe合金和0.5%的Al-10Zr合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用六氯乙烷对铝合金液进行炉内精炼除气除杂处理，扒渣后，加入占原材料总重量0.4%的Al-5Zr-1C合金和0.05%的混合稀土RE ，搅拌使铝合金液的成分均匀；
第四步：将铝合金液依次流过设置在流槽上的石墨转子旋转速度为120转/分钟、氩气压力为50KPa的除气箱和孔隙度为50ppi的陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
第五步：在结晶轮转动线速度为13米/分钟、终轧速度为10米/秒的条件下，将铝合金液连铸连轧成直径为9.5毫米的铝合金圆杆；
第六步：在道次拉拔变形量为4%、拉拔速度为5米/秒的条件下，将铝合金圆杆拉拔成直径为3毫米的铝合金线，得到高强耐热铝合金导线。
在实施例1-3的高强耐热铝合金导线上取样，在DNS200型电子拉伸机上进行室温拉伸，拉伸速度是2 mm/min，检测高强耐热铝合金导线的室温抗拉强度和伸长率，结果如表1所示。在QJ44型直流双臂电桥上测定高强耐热铝合金导线的导电率，结果如表1所示。将高强耐热铝合金导线在230℃持续加热1小时，然后冷却至室温，在DNS200型电子拉伸机上进行室温拉伸，拉伸速度是2 mm/min，检测高强耐热铝合金导线的抗拉强度，用该抗拉强度值与初始值进行比较，检测高强耐热铝合金导线的强度保持率，如表1所示。
表1 实施例1-3铝合金导线的室温拉伸力学性能、导电率和强度保持率
抗拉强度/MPa 伸长率/% 导电率/%IACS 强度保持率/%
实施例1 215.1 15.1 61.1 91.3
实施例2 226.5 13.7 60.6 92.7
实施例3 235.7 12.6 60.1 93.2
从表1检测结果可看到，本发明高强耐热铝合金导线的室温抗拉强度大于215MPa，伸长率大于12%，导电率大于60%，在230℃持续加热1小时后的强度保持率大于91%。具有强度高、塑性好、导电率高和耐热性能好的优点，适合于制造城市电网增容扩容改造和长距离大容量输电工程建设用铝合金电缆，具有广阔的市场应用前景。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (1)

1.一种高强耐热铝合金导线的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：选用工业纯铝锭、速溶硅、Al-10Cu合金、Al-20Fe合金、Al-10Zr合金、Al-5Zr-1C合金和混合稀土RE作为原材料；
第二步：在760～780℃将工业纯铝锭加热熔化，并加入占原材料总重量0.1～0.2%的速溶硅、0.6～0.7%的Al-10Cu合金、2～2.5%的Al-20Fe合金和0.4～0.5%的Al-10Zr合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：对铝合金液进行炉内精炼除气除杂处理，扒渣后，加入占原材料总重量0.2～0.4%的Al-5Zr-1C合金和0.03～0.05%的混合稀土RE，搅拌使铝合金液的成分均匀；
第四步：将铝合金液依次流过设置在流槽上的石墨转子旋转速度为100～120转/分钟、氩气压力为50～60KPa的除气箱和孔隙度为30～50ppi的陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
第五步：在结晶轮转动线速度为13～15米/分钟、终轧速度为10～12米/秒的条件下，将铝合金液连铸连轧成直径为9.5毫米的铝合金圆杆；
第六步：在道次拉拔变形量为4～5%、拉拔速度为5～7米/秒的条件下，将铝合金圆杆拉拔成直径为1～3毫米的铝合金线，得到高强耐热铝合金导线，该高强耐热铝合金导线由以下质量百分比的成分组成：Fe 0.5～0.6%，Si 0.1～0.2%，Cu 0.06～0.07%，Zr 0.05～0.07%，C 0.002～0.004%，RE 0.03～0.05%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述RE的成分及质量百分比为：Pr 25.2%，Nd 20.6%，Pm 21.3%，Sm 13.8%，Gd 19.1%。
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