CN107043874A - 一种铝合金导线及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铝合金导线，各组分按重量百分比组成为：0.20‑0.60％的Fe，0.05‑0.15％的Cr，0.01‑0.10％的Zr，少于0.08％的Si，少于0.005％的Cu，少于0.001％的Mg，少于0.005％的Mn+Ti+V，少于0.10％的Zn，其余为铝及不可避免的杂质。所述铝合金导线的制备方法为：采用水平连铸工艺铸造铝合金线杆，经均匀化处理后通过交替拉伸工艺和成品退火处理工艺制备即得到本发明铝合金导线。本发明所制备的铝合金导线其单线抗拉强度为105‑120MPa，延伸率为20－35％，导电率为61.0－61.8％IACS，线束摇摆次数为500－700次，可用于替代铜芯汽车线束，具有十分明显的节约成本优势。
Description
所属技术领域
本发明属于金属材料塑性加工技术领域，具体涉及到一种铝合金导线及其制备方法，及导线产品应用于汽车线束。
背景技术
近年来，随着汽车和电子工业的快速发展，导电材料的需求量不断增加。众所周知，铜是重要的战略物资，也一直是生产铜导体的重要原材料。铜导体的广泛使用和对铜导体的过度依赖，致使我国电子工业和电力行业用铜量占到总用铜量的60％以上。对于电子工业和电力行业来说，最明显的材料替代就是用铝导体代替铜导体。铜的比重是8.9g/cm3，铝的比重是2.7g/cm3，铜比铝重。也就是说，在导体规格相同的情况下，铜导体的重量是铝导体的3.3倍。但是，铝的导电率只有铜的61％，即在传输电流相同的情况下，铝导体的截面要比铜导体大61％。所以，从导体重量方面来说，要使两种导体具有相同的载流量，所需要的铜导体的重量大约是铝导体的2倍。另外，铜和铝的价格比大约是3.5倍左右，因此，等效铜导体的成本是铝导体的7倍。
传统地，铝合金主要应用于架空导线。由于它的比重是铜的1/3导电率为铜的2/3，从有效利用能量来说，轻量化铝合金导体是极为有效的，这种优势在汽车和电子工业是可以预见的。据美国德尔福公司(Delphi Aluminum Cable Systems)介绍，“与铜相比，德尔福铝导线可将车身线束总重降低47％，对一般汽车而言，可减少约1.8公斤(4磅)的车重。”。在现有电子装备情况下，通常按每台汽车耗铜15～22kg计算，预计我国未来汽车行业汽车线束将耗铜约20万吨以上。
因此，本领域急需要开发生产可替代纯铜的汽车线束芯用铝合金导线和生产工艺方法，以减轻汽车重量、提高燃油经济性并减少二氧化碳排放和降低汽车制造成本；另一方面，可以部分解决传统的电子、电力电工材料中过渡依赖铜资源的状况问题。
目前，铝合金盘圆杆料的生产工艺有立式半连续铸造－挤压法、连铸连轧法和水平连铸连拉法三种方法。
立式半连续铸造－挤压法制备铝合金线坯的工艺流程：配料→熔化→精炼→立式半连续铸造→铸锭均匀化→铸锭加热→热挤压→线坯。但这种工艺路线设备投资较大，工序多，占地面积大，工模具消耗和能耗较高，生产过程中的几何废料也高，产品成品率相对较低，更为重要的是常规挤压产品组织性能十分不均匀，这将严重地影响到最终产品的性能均匀性。
连铸连轧工艺是电线电缆行业生产铝和软铝合金线坯的主要方法，国内主要还是生产电线电缆行业生产铝线坯，有少量企业在开发铝合金盘圆杆料。连铸连轧法制备铝合金盘圆杆料的工艺流程：配料→熔化→精炼→连续铸造(边长为40～50mm菱形截面的坯料)→热连轧(13道次)→Ф9.8mm左右的线坯。这种工艺路线设备投资适中，产品单重大、成材率高(90％以上)、质量相对稳定。但控制浇注过程中进入氧化夹杂物和轧制过程中氧化膜和润滑油的进入是相当有难度的，这将严重地影响到最终产品的加工性能和成品率。
水平连铸法制备铝及铝合金盘圆杆料的工艺流程：配料→熔化→精炼→水平连铸连拉(12个或24个结晶器并联)→Ф12mm左右的线坯。水平连铸法的特点是设备投资少，线材的成品率高(90％以上)。然而，水平连铸铝合金杆坯中不可避免的出现较常见比重偏析、枝晶偏析、晶界偏析和区域偏析，而这些偏析在后续拉拔工艺中难以消除它，通常可采用对水平连铸铝合金杆坯进行均匀化处理。目前，国内只能采用水平连铸技术生产纯铝盘圆杆料且连续生产的时间据报导最长也只有72小时。
水平连铸技术始于20世纪50年代，最早应用于有色金属生产。但由于开发初期铸机技术性能的局限性和某些技术难点的存在，其产量与效益均不明显，因而未能受到重视。随着科技的进步，对原材料的要求越来越高，发展合理的连铸工艺以确保铸坯的技术性能已成为必然。与传统的铸锭、开坯、轧制的生产方式相比，连铸技术在提高生产能力及金属收得率、简化工艺流程、降低能耗、保证产品质量等各方面都具有不可比拟的优势，更能适应现代生产大规模、高速化、连续化以及节约能源的要求。
水平连铸是将金属的熔体均匀地导入通水冷却的结晶器中，结晶器中的金属熔体将受到结晶器与底座的冷作用，熔体迅速凝固结晶，并形成一层较为坚固的凝固壳。等到结晶器中的金属熔体的水平达到某一特定高度时，铸锭机的牵引机构便会带动底座上的凝固壳同时以特定的速度不断连续向下移动。当前面已凝固的部分脱离结晶器时，会立即受结晶器下沿处的二次冷却水的直接冷却，铸锭的凝固层也会随之连续地向中心区域不断推进，并最终完全凝固结晶。金属熔体会不断地流入结晶器内，铸锭也会不断的形成，再由切割机切割到所需的长度，从而实现铸锭的连续生产。水平连铸过程中的结晶器相对于保温炉或中间包是固定不动的，铸锭拉出的方向会与地面平行。其主要工艺特点在于：
(1)水平连铸与半连续铸造和连铸连轧相比，结晶器直接固定在铸造炉侧壁上，构成一个由铸造炉到结晶器一个密封的铸造系统，在铸造过程中，熔体不与大气接触，可免除氧化生渣和气体混入铸锭。因此，水平连铸盘园杆氧化夹渣物少、含气量更低，有利于提高和保证铝合金导体的导电性能；
(2)水平连铸与半连续铸造和连铸连轧相比，结晶器短，凝固速度极高。因此，杆坯表面质量好，外观尺寸精度高，内部组织性能均匀，晶粒度细小，有利于提高铝合金导体的力学和导电性能。
但仅仅靠水平连铸还难以解决摇摆次数与电学性能以及强度之间矛盾；这就导致现有铝导线还很难真正意义上的用作工业化的汽车束线。
发明内容：
为了解决这一技术难题，本发明提供了一种铝合金导线及其制备方法和应用。
本发明一种铝合金导线，各组分按重量百分比计：
Fe 0.2％～0.6％；
Cr 0.01％～0.15％；
Zr 0.01％～0.10％；
Si<0.08％；
Mg<0.001％；
Mn<0.005％；
Ti<0.005％；
V<0.005％；
Cu<0.005％；
Zn<0.1％；
其余为铝及不可避免的杂质。
优选的，本发明一种铝合金导线，各组分按重量百分比计：
Fe 0.3％～0.52％、优选为0.31～0.45％、进一步优选为0.312％～0.432％；
Cr 0.05％～0.10％、优选为0.06～0.485％、进一步优选为0.064～0.081％；
Zr 0.05％～0.08％；
Si<0.062％；
Mg<0.003％；
Mn<0.005％；
Ti<0.005％；
V<0.005％；
Cu<0.003％；
Zn<0.05％；
其余为铝及不可避免的杂质。
本发明一种铝合金导线的制备方法，包括下述步骤：
步骤一：
按设计组分配各组元，将各组元置于熔炼炉内，经熔化、除气、除渣、精炼后采用水平连铸工艺铸造成圆线杆；
步骤二
对步骤一所得圆线杆进行均匀化处理后，进行交替拉伸至得到设定尺寸的半成品；半成品经退火处理，得到所述铝合金导线；
所述均匀化处理时，控制温度为580-630℃、保温时间为8-24小时；保温后出炉空冷；
所述交替拉伸为：沿A方向拉伸至变形量为B时，将拉伸方向切换成C，沿C方向拉伸至变形量为D时，将将拉伸方向切换成A，继续拉伸，按A、C拉伸方向循环拉伸直至得到设定尺寸的半成品；所述B小于40％、优选为小于等于36％、进一步优选为30-35％、所述D小于40％优选为小于等于36％、进一步优选为30-35％；
所述退火处理的温度为280-400℃、保温时间为2-8小时。保温后出炉空冷。
本发明通过控制单方向拉伸变形量小于40％，然后换方向再拉伸，如此交换直到所要的线径。作为进一步的优选方案，本发明中A方向与B方向呈180度。
作为优选，本发明一种铝合金导线的制备方法，步骤一中，按设计组分配取铝源、锆源、铬源、铁源；将配取的铝源、锆源、铬源、铁源置于熔炼炉内，经熔化、除气、除渣、精炼后采用水平连铸工艺铸造成圆线杆；所述铝源为纯铝和/或铝合金；所述锆源为铝锆合金、所述铬源为铝铬合金、所述铁源为铝铁合金；所述铝合金由铝锆合金、铝铬合金、铝铁合金组成。
工业上应用时，所述纯铝为纯度大于等于99.7％的工业级纯铝。所述铝锆合金为Al-5Zr中间合金、所述铝铬合金为Al-5Cr中间合金、所述铝铁合金Al-10Fe中间合金。
本发明一种铝合金导线的制备方法，所述步骤一中，水平连铸工艺的铸造温度为690－710℃,铸造速度为800－1200mm/分，所获得圆线杆直径为8－12mm。
本发明一种铝合金导线的制备方法，所述步骤二中，所述交替拉伸工艺为单道次拉伸变形量控制在5-20％。为了进一步的优化工艺，单方向多道次变形拉升时，第i道次的变形量大于第i+1次的变形量；最优选择为第i道次的变形量大于第i+1次的变形量的2-5倍。这样有利于提升铝合金导线的摇摆次数。
本发明一种铝合金导线的制备方法，所述步骤二中，所述通过交替拉伸工艺进行粗拉、中拉、细拉成规格为Ф0.22mm的铝合金线材。
本发明一种铝合金导线的制备方法，所制备的导线，其力学性能、导电性能和摇摆次数主要技术性能在于：
a)单线抗拉强度105-120MPa；
b)单线延伸率20－35％；
c)单线20℃导电率为61.0－61.8％IACS；
d)线束摇摆次数为500－700次。
本发明一种铝合金导线的制备方法的应用，包括其经绞线成线束后作为汽车线束。
本发明的有益效果：
研究发现：多晶体金属或合金塑性变形时，各个晶粒滑移的同时，也伴随着晶体取向相对于外力有规律的转动。尽管由于晶界的联系，这种转动受到一定的约束，但当变形量较大时，原来为任意取向的各个晶粒也会逐渐调整，引起多晶体中晶粒取向大体趋于一致的过程叫做“择优取向”。具有择优取向的晶体组织称为“变形织构”。塑性加工方式不同，可出现不同类型的织构。金属经拉拔变形后其特定晶向平行于最大主变形方向(即拉拔方向)。形成丝织构。发明人在研发过程中发现，经过拉丝后的铁、铝、钨等金属具有<110>丝织构。变形程度越大，变形状态越均匀，则织构表现的也越明显。因此，如果采用传统的铝及铝合金线材拉伸工艺，会在拉伸方向上产生明显的丝织构，而这种织构虽然有利于铝合金线材强度的提高，但大大降低了线材的塑性和韧性，从而影响到线束的摇摆次数。基于此，发明人通过组分调整以及相应熔炼工艺、均匀化处理工艺、交替拉伸工艺以及退火工艺的优化，通过组分与制备工艺的协同作用，得到了延伸率高、摇摆次数高、导电性能优良、抗拉强度适中的铝合金。该铝合金用作汽车线束时，其性能远远由于同类铝产品。
具体实施方案
实施例和对比例中：摇摆次数在ZY-817线束摇摆试验机上进行。
根据本发明设计的铝合金化学成份范围，采用99.7％Al锭、Al-10％Fe中间合金、Al-5％Cr中间合金和Al-5％Zr中间合金，按设计重量比例配制铝合金，在500Kg容量燃气熔炼炉内熔化，经除气除渣精炼后，采用光谱直读方法对溶体取样进行化学成分分析，实施过程的三种合金实测化学成分见表1。经保温过滤后采用带结晶器的水平连铸工艺铸造成直径为Ф10mm的圆线杆，浇注温度控制在705-710℃，水平连铸速度800mm/min。将直径为Ф10mm的圆线杆在90KW箱式电阻炉内加热至600℃保温12小时进行均匀化处理，然后采用交替拉伸工艺进行粗拉、中拉、细拉成规格为Ф0.22mm的铝合金线材,每道配模拉伸变形量平均为10％，单次同一方向总的拉伸变形量为30-32％。将线材在300℃保温4小时后对其进行力学性能和导电性能测试。同时，为了对比本发明的交替拉伸工艺对线材性能的影响，采用传统拉伸工艺，将直径9.5mm的工业纯铝线和实例1－3的铝合金连铸连轧杆，经过32道次同方向一直拉伸到直径0.22mm的铝合金线，对比结果见表2。最后将17根铝合金导线经绞线并制成线束，测量线束性能并与17根铜芯汽车线束进行比较，结果见表3。可以看出：本发明的铝合金线芯，其力学性能和导电性能与铜芯汽车线束相当，虽然摇摆次数有一定差距，但仍然满足了汽车线束摇摆次数大于500次的技术要求。
表1本发明铝合金的实测化学成份(重量百分比，％)
| 合金 | Fe | Si | Cu | Mg | Mn | Cr | Zn | Zr | Ti |
| 实例1 | 0.312 | 0.062 | 0.005 | 0.001 | 0.004 | 0.081 | 0.068 | 0.068 | 0.002 |
| 实例2 | 0.432 | 0.058 | 0.002 | 0.002 | 0.005 | 0.064 | 0.059 | 0.062 | 0.003 |
| 实例3 | 0.516 | 0.066 | 0.003 | 0.002 | 0.004 | 0.059 | 0.072 | 0.056 | 0.003 |
表2本发明铝合金单线性能检验结果
表3本发明17/0.22铝合金线束与17/0.16铜线束性能检验结果对比
(试验条件：吊重300g,吊距300mm，前后各摇摆45，摇摆频率25次/分)
Claims (10)
1.一种铝合金导线，其特征在于：各组分按重量百分比计：
Fe 0.2％～0.6％；
Cr 0.01％～0.15％；
Zr 0.01％～0.10％；
Si<0.08％；
Mg<0.001％；
Mn<0.005％；
Ti<0.005％；
V<0.005％；
Cu<0.005％；
Zn<0.1％；
其余为铝及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金导线，其特征在于：各组分按重量百分比计：
Fe 0.3％～0.52％；
Cr 0.05％～0.10％；
Zr 0.05％～0.08％；
Si<0.062％；；
Mg<0.003％；
Mn<0.005％；
Ti<0.005％；
V<0.005％；
Cu<0.003％；
Zn<0.05％；
其余为铝及不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的一种铝合金导线，其特征在于：各组分按重量百分比计：
Fe 0.31～0.45％；
Cr 0.06～0.485％；
Zr 0.05％～0.08％；
Si<0.062％；
Mg<0.003％；
Mn<0.005％；
Ti<0.005％；
V<0.005％；
Cu<0.003％；
Zn<0.05％；
其余为铝及不可避免的杂质。
4.根据权利要求3所述的一种铝合金导线，其特征在于：各组分按重量百分比计：
Fe 0.312％～0.432％；
Cr 0.064～0.081％；
Zr 0.05％～0.08％；
Si<0.062％；
Mg<0.003％；
Mn<0.005％；
Ti<0.005％；
V<0.005％；
Cu<0.003％；
Zn<0.05％；
其余为铝及不可避免的杂质。
5.一种制备如权利要求1-4任意一项所述铝合金导线的方法，其特征在于：包括下述步骤：
步骤一：
按设计组分配各组元，将各组元置于熔炼炉内，经熔化、除气、除渣、精炼后采用水平连铸工艺铸造成圆线杆；
步骤二
对步骤一所得圆线杆进行均匀化处理后，进行交替拉伸至得到设定尺寸的半成品；半成品经退火处理，得到所述铝合金导线；
所述均匀化处理时，控制温度为580-630℃、保温时间为8-24小时，保温后出炉空冷；
所述交替拉伸为：沿A方向拉伸至变形量为B时，将拉伸方向切换成C，沿C方向拉伸至变形量为D时，将将拉伸方向切换成A，继续拉伸，按A、C拉伸方向循环拉伸直至得到设定尺寸的半成品；所述B小于40％、所述D小于40％；
所述退火处理的温度为280-400℃、保温时间为2-8小时，保温后出炉后空冷。
6.根据权利要求5所述的一种铝合金导线的制备方法，其特征在于：步骤一中，按设计组分配取铝源、锆源、铬源、铁源；将配取的铝源、锆源、铬源、铁源置于熔炼炉内，经熔化、除气、除渣、精炼后采用水平连铸工艺铸造成圆线杆；所述铝源为纯铝和/或铝合金；所述锆源为铝锆合金、所述铬源为铝铬合金、所述铁源为铝铁合金；所述铝合金由铝锆合金、铝铬合金、铝铁合金组成。
7.根据权利要求6所述的一种铝合金导线的制备方法，其特征在于：所述纯铝为纯度大于等于99.7％的工业级纯铝；所述铝锆合金为Al-5Zr中间合金、所述铝铬合金为Al-5Cr中间合金、所述铝铁合金Al-10Fe中间合金。
8.根据权利要求6所述的一种铝合金导线的制备方法，其特征在于：
步骤一中，水平连铸工艺的铸造温度为690－710℃,铸造速度为800－1200mm/分，所获得圆线杆直径为8－12mm；
步骤二中，所述交替拉伸工艺为单道次拉伸变形量控制在5-20％；
通过交替拉伸工艺进行粗拉、中拉、细拉成规格为Ф0.22mm的铝合金线材。
9.根据权利要求8所述的一种铝合金导线的制备方法，其特征在于：所制备的导线的单线抗拉强度为105-120MPa、单线延伸率为20－35％、单线20℃的导电率为61.0－61.8％IACS；将所制备的铝合金导线经绞线并制成线束后，所述线束的摆次数为500－700次。
10.一种如权利要求1-4任意一项所述铝合金导线的应用，其特征在于：包括其经绞线并制成线束后作为汽车线束。
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