CN106917008B - 铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金及其制备方法和应用 - Google Patents
铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金及其制备方法和应用，其中铝合金，按照质量百分比包括以下组分：Si≤0.10%，Fe 0.50‑1.20%，Cu 0.05‑0.30%，Mg 0.10‑0.25%，Ag 0.10‑0.30%，Zr≤0.10%，B≤0.03%，其他杂质元素单个≤0.03%，其他杂质元素总和≤0.10%，Al余量；制备方法包括熔炼、半连续铸造和挤压；应用是将铝合金直接通过摩擦焊与T2铜连接，头部墩平、切边制备成铜铝合金过渡端子，或将铝合金直接制备成铝合金连接管；本发明提供的合金和制备方法，制成的铝合金电缆连接件具有高强高导抗压蠕变的效果，其抗拉强度为135~165 MPa，导电率61.3~62.1%IACS，延伸率25~35%，抗压蠕变性能≤铜蠕变量的1.10倍。
Description
技术领域
本发明属于合金技术领域，特别涉及一种铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，铝合金电缆导体通过加入合金成份和合理的制备工艺，改变纯铝原有强度低、韧性差、抗压蠕变性能差的缺陷，在国内获得了较为迅猛的发展，随着《GB/T 30552-2014 电缆导体用铝合金线》、《NB/T 42051-2015 额定电压0.6/1kV铝合金导体交联聚乙烯绝缘电缆》等标准的陆续发布，铝合金电缆市场更加规范并取得相对广泛的认可。但原本应用于铝电缆的铝连接管、铜铝连接管等铝连接件，由于铝本身抗压蠕变性能差，导致铝合金电缆采用铝连接件连接后无法发挥出其良好的性能。为更好的发挥铝合金电缆的优点，对铝合金电缆连接件用材质提出了更高的要求。
经检索，公开号为102683919B的中国发明专利，该发明涉及一种抗蠕变铝合金铜铝过渡端子及其制备方法，其中：“该抗蠕变铝合金的化学组分质量百分比为：Si≤0.12%，Fe 0.35~0.75%，Cu 0.15~0.25%，Mg≤0.05%，Zn≤0.05%，B 0.001~0.04%，其它元素单个≤0.03%，其它元素总和≤0.1%，Al 余量。”该抗蠕变铝合金的制备方法为：“采用抗蠕变铝合金浇铸成铝连接管，再通过摩擦焊工艺将铜与铝合金焊接在一起。”该抗蠕变铝合金的抗拉强度为60~115MPa(退火态)、105~150MPa(半退火或不退火态)，延伸率≥10%，导电率达到61% IACS。
该专利公开的抗蠕变铝合金铜铝过渡端子属于AA8030牌号，该材料为铝合金电缆导体的常用牌号，相比纯铝材质，其抗压蠕变性能有较大提高。而铝合金电缆连接件通过压接工艺将两段铝合金电缆连接起来，由于其结构及使用环境的要求，其力学性能应高于铝合金电缆导体，尤其抗压蠕变性能应与铜接近，才能保证线路在长期负载运行中连接的可靠性。目前采用的铝质连接件或者直接采用AA8000系铝合金配方的连接件其力学性能偏低，抗压蠕变性能与铜相比差距仍然较大，无法发挥出铝合金电缆的优势，不能满足线路长期运行的需要。铝连接管采用浇铸成型的技术，可以缩短生产工序，提高生产效率，但浇铸工艺本身的缺点会导致铝连接管疏松多孔，削弱其抗蠕变性能和导电性能。
发明内容
本发明提供一种铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金及其制备方法和应用，用于制备连接管及铜铝合金过渡端子，解决了现有技术中铝质连接件和AA8000系铝合金连接件其力学性能偏低，抗压蠕变性能与铜差距较大，无法完全发挥铝合金电缆优势等难题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金，其特征在于，按照质量百分比包括以下组分：Si≤0.10%，Fe 0.50-1.20%，Cu 0.05-0.30%，Mg 0.10-0.25%，Ag 0.10-0.30%，Zr≤0.10%，B≤0.03%，其他杂质元素单个≤0.03%，其他杂质元素总和≤0.10%， Al余量；其中：Si属于杂质，其含量为Si≤0.10%，不需要专门加入，其来源于原材料纯度≥99.70%的纯铝；其他杂质元素均为原材料或工艺过程中混入的杂质元素。
一种铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、熔炼：
S101、将石墨坩埚置于电阻炉中，升温至400~420℃，加入预热后的工业纯铝；
S102、升温至720℃，待纯铝全部熔化后，扒去熔体表面氧化皮；
S103、升温至750℃，加入中间合金锭、纯银丝、电解铜及高纯镁锭，待其完全溶化进行充分搅拌；
S104、降温至730℃，通入干燥氩气对熔体精炼10~15min，并静置10min；
S105、炉温恢复到730℃时，加入除渣剂，搅拌后静置5~10min，之后进行扒渣，静置15min。
S2、半连续铸造：
S201、倾转电阻炉将熔体转至预热好的过滤箱中，进行热顶模半连续铸造；
S202、使用结晶器进行半连续铸造，半连续铸棒经扒皮、去头尾后，获得φ240mm挤压坯料。
S3、挤压：将挤压坯料置入挤压机进行挤压，得到产品。
进一步的，所述步骤S102中纯铝的纯度≥99.70%，Si属于杂质，其含量为Si≤0.10%，不需要专门加入，其来源于原材料纯度≥99.70%的纯铝。
优选的，所述步骤S103中的中间合金锭包括Al-10wt%Fe中间合金、Al-3wt%B中间合金、Al-4wt%Zr中间合金，其中：wt% 为重量百分比。
优选的，所述步骤S103中纯银丝的纯度≥99.99%。
优选的，所述步骤S202中的结晶器为Ø255mm结晶器。
优选的，所述步骤S201中的铸造参数为：过滤箱铝液温度710~730℃，所述步骤S202中的铸造参数为：结晶器的冷却水压0.04~0.06MPa，冷却水流量15~20m3/h，结晶器内铝液温度680~710℃，铸造速度为60~85mm/min，其中：冷却水压基本稳定在0.04-0.06MPa范围内，只通过阀门调节冷却水的流量。
优选的，所述步骤S3中使用的挤压机为2000吨大型卧式挤压机。
优选的，所述步骤S3的挤压参数为：挤压筒内径为242mm，挤压比为50~65，挤压温度为360~380℃，模具温度360~370℃，金属流出模孔速度为3~5m/min，出口温度410~420℃。
一种铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金的应用，无需退火工序，将铝合金直接通过摩擦焊与T2铜连接，头部墩平、切边制备成铜铝合金过渡端子，或将铝合金直接冲压成孔或者铣孔制备成铝合金连接管。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的合金和制备方法，制成的铝合金电缆连接件具有高强高导抗压蠕变的效果，其抗拉强度为135~165 MPa，导电率61.3~62.1 %IACS，延伸率25~35%，抗压蠕变性能≤铜蠕变量的1.10倍。
附图说明
图1是本发明铜铝合金过渡端子的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是本发明铝合金连接管的结构示意图；
其中：1- T2铜，2-铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
铝合金电缆通过连接件压接相连，随着线路运行中的长期冷热作用，会引起铝合金电缆连接的地方出现微小变形而导致连接松动的现象，该现象即为材料的压蠕变，材料本身抵抗此种变形的能力称为抗压蠕变性能，一般通过压蠕变试验进行衡量。
实施例1
一种铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金，按照质量百分比包括以下组分：Si 0.07%，Fe 0.5%，Cu 0.25%，Mg 0.2%，Ag 0.20%，Zr 0.06%，B 0.03%，其他杂质元素单个≤0.03%，其他杂质元素总和≤0.10%，Al余量。
一种铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、熔炼
S101、将石墨坩埚置于电阻炉中，升温至410℃，加入预热后的99.70%工业纯铝；
S102、升温至720℃，待纯铝全部熔化后，扒去熔体表面氧化皮；
S103、升温至750℃，加入Al-10wt%Fe中间合金、纯银丝（纯度≥99.99%）、高纯镁锭、Al-3wt%B中间合金、Al-4wt%Zr中间合金及99.95%阴极电解铜，待其完全溶化进行充分搅拌；
S104、降温至730℃，通入干燥氩气对熔体精炼10~15min，并静置10min；
S105、炉温恢复到730℃时，加入除渣剂，搅拌后静置5~10min，之后进行扒渣，静置15min。
S2、半连续铸造：
S201、倾转电阻炉将熔体转至预热好的过滤箱中，过滤箱铝液温度712℃，然后进行热顶模半连续铸造；
S202、铸造使用Ø255mm的结晶器，铸造参数为：结晶器的冷却水压0.04~0.06MPa，冷却水流量16.3m3/h，结晶器内铝液温度686℃，铸造速度为60mm/min。
S3、挤压：采用2000吨大型卧式挤压机对半连续铸棒进行挤压；挤压筒内径为242mm，挤压比为50，挤压温度为380℃，模具温度360℃，金属流出模孔速度为3.5m/min，出口温度415℃。
实施例2
一种铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金，按照质量百分比包括以下组分：Si 0.1%，Fe 0.9%，Cu 0.15%，Mg 0.15%，Ag 0.25%，Zr 0.05%，B 0.03%，其他杂质元素单个≤0.03%，其他杂质元素总和≤0.10%，Al余量。
熔炼工艺同实例1；半连续铸造工艺同实例1，其中，冷却水流量18.5m3/h，过滤箱铝液温度718℃，结晶器内铝液温度695℃，铸造速度为70mm/min。挤压工艺同实例1，其中，挤压比为65，挤压温度为365℃，模具温度368℃，金属流出模孔速度为4.2m/min，出口温度410℃。
实施例3
一种铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金，按照质量百分比包括以下组分：Si 0.05%，Fe 1.15%，Cu 0.07%，Mg 0.1%，Ag 0.10%，Zr 0.06%，B 0.03%，其他杂质元素单个≤0.03%，其他杂质元素总和≤0.10%，Al余量。
熔炼工艺同实例1；半连续铸造工艺同实例1，过滤箱铝液温度725℃，结晶器的冷却水流量19.2m3/h，结晶器内铝液温度704℃，铸造速度为82mm/min；挤压工艺同实例1，其中挤压比为60，挤压温度为372℃，模具温度365℃，金属流出模孔速度为5m/min，出口温度415℃。
实施例4
一种铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金，按照质量百分比包括以下组分：Si 0.05%，Fe 1.20%，Cu 0.05%，Mg 0.25%，Ag 0.30%，Zr 0.10%，B 0.02%，其他杂质元素单个≤0.03%，其他杂质元素总和≤0.10%， Al余量。
一种铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、熔炼：
S101、将石墨坩埚置于电阻炉中，升温至400℃，加入预热后的工业纯铝；
S102、升温至720℃，待纯铝全部熔化后，扒去熔体表面氧化皮；
S103、升温至750℃，加入中间合金锭（Al-10wt%Fe中间合金、Al-3wt%B中间合金、Al-4wt%Zr中间合金）、纯银丝（纯度≥99.99%）、电解铜及高纯镁锭，待其完全溶化进行充分搅拌；
S104、降温至730℃，通入干燥氩气对熔体精炼10min，并静置10min；
S105、炉温恢复到730℃时，加入除渣剂，搅拌后静置5min，之后进行扒渣，静置15min；
S2、半连续铸造：
S201、倾转电阻炉将熔体转至预热好的过滤箱中，过滤箱铝液温度710℃，然后进行热顶模半连续铸造；
S202、使用Ø255mm结晶器进行半连续铸造，半连续铸棒经扒皮、去头尾后，获得φ240mm挤压坯料；铸造参数为：结晶器的冷却水压0.04~0.06MPa，冷却水流量15m3/h，结晶器内铝液温度680℃，铸造速度为60mm/min。
S3、挤压：将挤压坯料置入2000吨大型卧式挤压机进行挤压，挤压参数为：挤压筒内径为242mm，挤压比为50，挤压温度为360℃，模具温度360℃，金属流出模孔速度为3m/min，出口温度410℃，得到产品。
实施例5
一种铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金，按照质量百分比包括以下组分：Si0.03%，Fe 0.80%，Cu 0.30%，Mg 0.15%，Ag 0.20%，Zr0.10%，B0.03%，其他杂质元素单个≤0.03%，其他杂质元素总和≤0.10%， Al余量。
一种铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、熔炼：
S101、将石墨坩埚置于电阻炉中，升温至410℃，加入预热后的工业纯铝；
S102、升温至720℃，待纯铝全部熔化后，扒去熔体表面氧化皮；
S103、升温至750℃，加入中间合金锭（Al-10wt%Fe中间合金、Al-3wt%B中间合金、Al-4wt%Zr中间合金）、纯银丝（纯度≥99.99%）、电解铜及高纯镁锭，待其完全溶化进行充分搅拌；
S104、降温至730℃，通入干燥氩气对熔体精炼13min，并静置10min；
S105、炉温恢复到730℃时，加入除渣剂，搅拌后静置8min，之后进行扒渣，静置15min；
S2、半连续铸造：
S201、倾转电阻炉将熔体转至预热好的过滤箱中，过滤箱铝液温度720℃，然后进行热顶模半连续铸造；
S202、使用Ø255mm结晶器进行半连续铸造，半连续铸棒经扒皮、去头尾后，获得φ240mm挤压坯料；铸造参数为：结晶器的冷却水压0.04~0.06MPa，冷却水流量18m3/h，结晶器内铝液温度700℃，铸造速度为75mm/min。
S3、挤压：将挤压坯料置入2000吨大型卧式挤压机进行挤压，挤压参数为：挤压筒内径为242mm，挤压比为60，挤压温度为370℃，模具温度365℃，金属流出模孔速度为4m/min，出口温度415℃，得到产品。
实施例6
一种铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金，按照质量百分比包括以下组分：Si0.08%，Fe 0.8%，Cu 0.25%，Mg 0.20%，Ag 0.20%，Zr0.08%，B0.02%，其他杂质元素单个≤0.03%，其他杂质元素总和≤0.10%， Al余量。
一种铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、熔炼：
S101、将石墨坩埚置于电阻炉中，升温至420℃，加入预热后的工业纯铝；
S102、升温至720℃，待纯铝全部熔化后，扒去熔体表面氧化皮；
S103、升温至750℃，加入中间合金锭（Al-10wt%Fe中间合金、Al-3wt%B中间合金、Al-4wt%Zr中间合金）、纯银丝（纯度≥99.99%）、电解铜及高纯镁锭，待其完全溶化进行充分搅拌；
S104、降温至730℃，通入干燥氩气对熔体精炼15min，并静置10min；
S105、炉温恢复到730℃时，加入除渣剂，搅拌后静置10min，之后进行扒渣，静置15min；
S2、半连续铸造：
S201、倾转电阻炉将熔体转至预热好的过滤箱中，过滤箱铝液温度730℃，然后进行热顶模半连续铸造；
S202、使用Ø255mm结晶器进行半连续铸造，半连续铸棒经扒皮、去头尾后，获得φ240mm挤压坯料；铸造参数为：结晶器的冷却水压0.04~0.06MPa，冷却水流量20m3/h，结晶器内铝液温度710℃，铸造速度为85mm/min。
S3、挤压：将挤压坯料置入2000吨大型卧式挤压机进行挤压，挤压参数为：挤压筒内径为242mm，挤压比为65，挤压温度为380℃，模具温度370℃，金属流出模孔速度为5m/min，出口温度420℃，得到产品。
本实验采用SUN10电子万能试验机测试试样的力学性能，每个状态取3组平行样并取平均值；采用TX300金属导体电阻率仪测试试样的导电率，每个状态取5组平行样并取平均值；在温度90℃、压力76MPa、100h的条件下，采用RWS-50压蠕变测试仪对试样的抗压蠕变性能进行多组测试。各性能测试结果如表1所示。
表1 三种铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金性能测试结果
通过该专利方法制备的铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金，可以根据所需连接件的尺寸确定铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金挤压棒材的尺寸。该铝合金棒材可通过摩擦焊工艺，将该挤压棒材与T2铜棒焊合在一起，然后通过冲压成孔或者铣孔、头部墩平、切边后制备成铜铝合金过渡端子，如图1和2所示；该铝合金棒材也可直接冲压成孔或者铣孔制备连接管，如图3所示。由于铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金具备较大的延伸率，其冲压成型性能较好，可省去制备工艺前的退火工序，提高生产效率；另外其较高的强度、较好的导电率，尤其是与铜接近的抗压蠕变性能，可提高铝合金电缆连接件在线缆长期运行中的可靠性，保证线路运行的安全。
制备工艺：该发明采用的是半连续铸造加超大挤压比的加工工艺，材料微观组织均匀致密，性能较常规的挤压工艺和连铸连轧要好。半连续铸造工艺参数为：冷却水压0.04~0.06MPa，结晶器内铝液温度710~730℃，铸造速度为60~85mm/min；超大挤压比工艺参数：挤压比为50~65，挤压温度为360~380℃，模具温度360~370℃，金属流出模孔速度为3~5m/min，出口温度410~420℃。
本发明在AA8000系Al-Fe-Cu合金的基础上，借鉴Al-Mg-Si及Al-Zr合金高强耐热的优点，加入一定比例的Mg及Zr元素，通过特定的熔铸挤压工艺，在保持较高导电率的情况下，可获得优异的抗压蠕变性能。Mg、Zr元素可在铝基体中分别形成Mg2Si、Al3Zr等第二相粒子，可钉轧位错起到强化铝合金基体的作用，大幅提高材料的抗压蠕变性能。同时，微量Ag元素的添加，可降低Mg-Ag原子团簇的形核能，提高Mg-Ag原子团簇的形核密度，进而加快后续热稳定Ω相Al2Cu的析出，进一步提高材料的抗压蠕变性能。另外，通过挤压温度和挤压比的优化，实现对铝合金微观组织的合理调控，从而制备出强度135~165 MPa，导电率61.3~62.1 %IACS，延伸率25~35%，抗压蠕变性能≤铜蠕变量的1.10倍的高强高导抗压蠕变铝合金。本发明在半连续铸锭的挤压过程中，采用大挤压变形(挤压比为50~65)，将铝合金铸锭充分的塑性变形，同时较高的挤压温度能够充分的改善材料的微观组织，使得该铝合金具有较高的导电率。
本发明的铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金可取代铜铝过渡端子中的工业纯铝，省去退火工序，直接通过摩擦焊与T2铜连接，头部墩平、切边制备成高性能的铜铝合金过渡端子，如图1和2所示；另外，该高强高导抗压蠕变铝合金也可单独制备成铝合金连接管取代抗压蠕变性能较差的铝质连接管，如图3所示。该高强高导抗压蠕变铝合金制备的连接件具有高导电率、良好的力学性能，尤其是与铜相接近的抗压蠕变性能，可保证线路在长期运行过程中的连接可靠性，避免线路故障对工业生产和社会生活的影响，具有显著的经济效益。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金的制备方法，其特征在于，
铝合金按照质量百分比包括以下组分：
Si≤0.10%，Fe 0.50-1.20%，Cu 0.05-0.30%，Mg 0.10-0.25%，Ag 0.10-0.30%，Zr≤0.10%，B≤0.03%，其他杂质元素单个≤0.03%，其他杂质元素总和≤0.10%，Al余量；
铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、熔炼：
S101、将石墨坩埚置于电阻炉中，升温至400~420℃，加入预热后的工业纯铝；
S102、升温至720℃，待纯铝全部熔化后，扒去熔体表面氧化皮；
S103、升温至750℃，加入中间合金锭、纯银丝、电解铜及高纯镁锭，待其完全溶化进行充分搅拌；
S104、降温至730℃，通入干燥氩气对熔体精炼10~15min，并静置10min；
S105、炉温恢复到730℃时，加入除渣剂，搅拌后静置5~10min，之后进行扒渣，静置15min；
S2、半连续铸造：
S201、倾转电阻炉将熔体转至预热好的过滤箱中，进行热顶模半连续铸造；
所述步骤S201中的铸造参数为：过滤箱铝液温度710~730℃，所述步骤S202中的铸造参数为：结晶器的冷却水压0.04~0.06MPa，冷却水流量15~20m3/h，结晶器内铝液温度680~710℃，铸造速度为60~85mm/min；
S202、使用结晶器进行半连续铸造，半连续铸棒经扒皮、去头尾后，获得φ240mm挤压坯料；
S3、挤压：将挤压坯料置入挤压机进行挤压，得到产品。
2.根据权利要求1所述的铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S102中纯铝的纯度≥99.70%。
3.根据权利要求1所述的铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S103中的中间合金锭包括Al-10wt%Fe中间合金、Al-3wt%B中间合金、Al-4wt%Zr中间合金。
4.根据权利要求1所述的铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S103中纯银丝的纯度≥99.99%。
5.根据权利要求1所述的铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S202中的结晶器为Ø255mm结晶器。
6.根据权利要求1所述的铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中使用的挤压机为2000吨大型卧式挤压机。
7.根据权利要求1所述的铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S3的挤压参数为：挤压筒内径为242mm，挤压比为50~65，挤压温度为360~380℃，模具温度360~370℃，金属流出模孔速度为3~5m/min，出口温度410~420℃。
8.根据权利要求2所述的铝合金电缆连接件用高强高导抗压蠕变铝合金的应用，其特征在于，将铝合金直接通过摩擦焊与T2铜连接，头部墩平、切边制备成铜铝合金过渡端子，或将铝合金直接冲压成孔或者铣孔制备成铝合金连接管。
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