CN107557621A

CN107557621A - 一种适用于架空输电线路的铝合金导线及其制备方法

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Publication number: CN107557621A
Application number: CN201710768373.7A
Authority: CN
Inventors: 杨红伟; 封少兵; 白清文; 李尧; 刘建军; 张益铭
Original assignee: State Grid Henan Electric Power Company Xixia County Power Supply Co
Current assignee: State Grid Henan Electric Power Company Xixia County Power Supply Co
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2018-01-09

Abstract

本发明涉及一种适用于架空输电线路的铝合金导线，属于铝合金导线技术领域，其由下述质量百分数的成分制成：Mg2.0~3.2%；Si3.5~4.5%；Mn0.2~0.3%；Cr：0.1~0.2%；Zr0.18~0.25%；Ti0.35~0.40%；Yb0.15~0.3%；余量为Al及含量≤0.05%的杂质。本发明一种铝合金导线，在增强铝合金导线电导率的同时，能够提高铝合金导线的强度和耐腐蚀性能，以适应恶劣环境的需要。

Description

一种适用于架空输电线路的铝合金导线及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金导线技术领域，具体涉及一种适用于架空输电线路的铝合金导线及其制备方法。

背景技术

目前架空输电线路中使用最为广泛的仍是钢芯铝绞线(ACSR)，该种导线量大面广，生产和应用较为成熟。但随着技术进步及电力行业发展的需要，世界上许多国家的输电线路上已广泛使用各类铝合金导线，主要有全铝合金绞线(AAAC)、铝合金芯铝绞线(ACAR)、钢芯铝合金绞线(AACSR)等几类。

高强度铝合金线经过多年的发展及应用，各国标准普遍趋于一致，其技术指标与IEC60104:1987“架空绞线用铝－镁－硅合金圆线”大同小异。国标GB/T23308-2009就是等同采用IEC标准制定的。高强度铝合金线的抗拉强度约300MPa，导电率约为53.0%IACS。

全铝合金绞线是高强度铝合金线的另外一种应用形式，它同样具有很好的综合性能。与钢芯铝绞线相比，其抗拉强度大、弧垂性能好、导线表面硬度高、耐磨耐压、施工压接简单易行，而且因无钢芯，导线在交流电压作用下，不存在磁滞损耗和涡流损耗，技术经济效果更佳。全铝合金绞线不仅适用于改造线路，而且对新建线路，尤其是城区线路更具有良好的使用前景。

公开号为CN106834811A的专利公开了一种高强度耐腐蚀适用于架空输电线路的铝合金导线及其制备方法，该高强度耐腐蚀铝合金导线按质量百分比计含有如下元素：0.05%~0.50%Pr、0.5%~1.5%Fe、0.005%~0.010%B、0.03%~0.05%Mo、0.02%~0.05%Si、0.1%~0.2%Ru，余量为Al及不可避免的杂质。该发明通过添加稀土元素Pr，协调其他合金元素的性能，使本合金导线在具有较高的导电率的前提下，极大程度的优化了合金导线的力学性能和耐腐蚀性能，能够满足大跨越输电线路的需求。但是该发明铝合金导线的强度有待进一步提高，不能很好地适应架空线路的强度需求。

公开号为CN106148781A的专利一种铝合金导线，其组成按重量百分比为，1.0~1.1%的铜、0.1~0.3%的钼、0.3~0.5%的镁、0.01~0.03%的钴、0.03~0.05%的铁、0.03~0.05%的锶，0.01~0.03%的钇，0.001~0.0015%的碳、0.003~0.005%的钛、0.003~0.005%的钒、0.1~0.3%的镍、0.01~0.03%的钨，余量为铝及不可避免的杂质。通过该技术方案，在提高铝合金导线强度的同时，对导线的导电率影响很小，并且提高了铝合金导线的韧性。但是该铝合金导线电导率低，电阻损耗大，同时耐腐蚀性能有待提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种铝合金导线，在增强铝合金导线电导率的同时，提高铝合金导线的强度和耐腐蚀性能，以适应恶劣环境的需要。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种适用于架空输电线路的铝合金导线，由下述质量百分数的成分制成：

Mg：2.0~3.2%；

Si：3.5~4.5%；

Mn：0.2~0.3%；

Cr：0.1~0.2%；

Zr：0.18~0.25%；

Ti：0.35~0.40%；

Yb：0.15~0.3%；

余量为Al及含量≤0.05%的杂质。

优选地，所述铝合金导线由下述质量百分数的成分制成：

Mg：2.2~2.8%；

Si：3.6~4.2%；

Mn：0.23~0.28%；

Cr：0.12~0.16%；

Zr：0.20~0.23%；

Ti：0.36~0.38%；

Yb：0.18~0.25%；

余量为Al及含量≤0.05%的杂质。

优选地，所述铝合金导线由下述质量百分数的成分制成：

Mg：2.5%；

Si：3.8%；

Mn：0.25%；

Cr：0.14%；

Zr：0.21%；

Ti：0.36%；

Yb：0.23%；

余量为Al及含量≤0.05%的杂质。

优选地，所述铝合金导线的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1：按上述成分配比进行合金熔炼，所述合金熔炼温度为720℃-750℃，保温10~12分钟，得到合金熔液一；

步骤S2：在所得合金熔液一中加入精炼剂进行精炼，所述精炼的温度为730~740℃，时间为10~15分钟，得到合金熔液二；

步骤S3：将所述合金熔液二冷却，挤压，得到铸锭；

步骤S4：将所述铸锭以0.72℃/min的速度升温至450℃，在450℃温度下保温10~12小时，进行均匀化处理；

步骤S5：将均匀化处理后的铸锭在360℃条件下保温1~1.2小时，升温至420℃进行热轧，热轧温度不低于370℃；

步骤S6：将热轧后的合金材料加热到485~500℃，保温5~7h，然后水淬至室温；

步骤S7：对步骤S6处理后的合金材料进行时效处理，得到铝合金材料。

优选地，所述精炼剂由下述重量份的原料制成：六氯化二碳50~60份、氯化钾10~20份、膨润土20~30份。

优选地，所述时效处理的温度为165~180℃，时间为6~10h。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明针对作业要求及作业环境等的需要，研发了一种高强耐腐蚀的铝合金导线。其中，本发明铝合金中各成分的作用分析：

Mg：铝合金中加入适量Mg能够增强铝合金的耐蚀性，也使得铝合金更加易于成型，但是也会导致铝合金的热脆性增加，申请人经研究发现，本发明Mg在2.0~3.2%之间时，铝合金的耐蚀性能优异，同时强度提高明显，超过3.2%耐蚀性下降，热脆性增加；

Si：铝合金中加入适量Si能够改善铝合金的抗拉强度、硬度以及切削性，但是对塑性性能不利。申请人经研究发现，本发明中Mg在3.5~4.5%之间时，利于铝合金的塑性加工，同时铝合金的耐蚀性能优异，同时强度提高明显，超过4.5%对铝合金强度的增加不利；

Mn：铝合金中加入适量Mn能够改善高温强度、细化晶粒，但是超过一定限度则易降低合金导热性能，因此，本发明控制Mn含量为0.2~0.3%；

Cr：对铝合金具有一定的强化作用，还能改善铝合金的韧性、降低应力腐蚀开裂敏感性，但会增加铝合金的淬火敏感性，本发明控制Cr含量为0.1~0.2%；

Zr：能够细化晶粒，提高铝合金的综合性能，并能在一定程度上降低杂质Fe对铝合金的危害，本发明控制Zr的含量为0.18~0.25%；

Ti：对合金析出相有抑制作用，能有效地阻碍再结晶、细化晶粒尺寸，从而增强材料的抗腐蚀性能，本发明控制Ti的含量为0.35~0.40%；

Yb：与元素Zr配合能够细化晶粒，增强铝合金的机械强度，本发明控制Yb的含量为0.15~0.3%；

通过上述各元素及其含量的协同配合，铝合金材料的机械性能及耐腐蚀性能优异，特别适用于制作架空线路用铝合金导线，以适应恶劣环境的需要。

具体实施方式

下面结合一些具体实施方式，对本发明进一步说明。

实施例1

Mg：2.5%；

Si：3.8%；

Mn：0.25%；

Cr：0.14%；

Zr：0.21%；

Ti：0.36%；

Yb：0.23%；

余量为Al及含量≤0.05%的杂质。

所述杂质为本领域技术人员熟知的不可避免的杂质，通常包括Fe，V，Ni等杂质元素。

所述铝合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1：按上述成分配比进行合金熔炼，所述合金熔炼温度为730℃，保温10分钟，得到合金熔液一；

步骤S2：在所得合金熔液一中加入精炼剂进行精炼，所述精炼的温度为735℃，时间为12分钟，得到合金熔液二；

步骤S3：将所述合金熔液二进行冷却，挤压，得到铸锭；

步骤S4：将所述铸锭以0.72℃/min的速度升温至450℃，在450℃温度下保温10小时，进行均匀化处理；

步骤S5：将均匀化处理后的铸锭在360℃条件下保温1小时，升温至420℃进行热轧，热轧温度不低于370℃；

步骤S6：将热轧后的合金材料加热到490℃，保温6h，然后水淬至室温；

所述精炼剂由下述重量份的原料制成：六氯化二碳55份、氯化钾15份、膨润土25份。精炼剂的用量为铝合金总质量的0.45%~0.50%，本实施例为0.48%。

所述时效处理的温度为172℃，时间为8h。

本发明所得铝合金材料经过拉线机的常规拉制即可制得铝合金导线。

实施例2

Mg：2.8%；

Si：4.2%；

Mn：0.28%；

Cr：0.16%；

Zr：0.23%；

Ti：0.38%；

Yb：0.25%；

余量为Al及含量≤0.05%的杂质。

所述铝合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1：按上述成分配比进行合金熔炼，所述合金熔炼温度为735℃，保温10分钟，得到合金熔液一；

步骤S3：将所述合金熔液二进行冷却，挤压，得到铸锭；

步骤S6：将热轧后的合金材料加热到495℃，保温6h，然后水淬至室温；

所述精炼剂由下述重量份的原料制成：六氯化二碳53份、氯化钾18份、膨润土26份。精炼剂的用量为铝合金总质量的0.45%。

所述时效处理的温度为175℃，时间为9h。

实施例3

Mg：2.2%；

Si：3.6%；

Mn：0.23%；

Cr：0.12%；

Zr：0.20%；

Ti：0.36%；

Yb：0.18%；

余量为Al及含量≤0.05%的杂质。

所述铝合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1：按上述成分配比进行合金熔炼，所述合金熔炼温度为725℃，保温12分钟，得到合金熔液一；

步骤S2：在所得合金熔液一中加入精炼剂进行精炼，所述精炼的温度为732℃，时间为15分钟，得到合金熔液二；

步骤S3：将所述合金熔液二进行冷却，挤压，得到铸锭；

步骤S5：将均匀化处理后的铸锭在360℃条件下保温1.2小时，升温至420℃进行热轧，热轧温度不低于370℃；

步骤S6：将热轧后的合金材料加热到490℃，保温5h，然后水淬至室温；

所述精炼剂由下述重量份的原料制成：六氯化二碳58份、氯化钾12份、膨润土28份。精炼剂的用量为铝合金总质量的0.50%。

所述时效处理的温度为170℃，时间为7h。

实施例4

Mg：3.0%；

Si：4.3%；

Mn：0.28%；

Cr：0.18%；

Zr：0.24%；

Ti：0.39%；

Yb：0.28%；

余量为Al及含量≤0.05%的杂质。

所述铝合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1：按上述成分配比进行合金熔炼，所述合金熔炼温度为720℃，保温12分钟，得到合金熔液一；

步骤S2：在所得合金熔液一中加入精炼剂进行精炼，所述精炼的温度为730℃，时间为15分钟，得到合金熔液二；

步骤S3：将所述合金熔液二进行冷却，挤压，得到铸锭；

所述精炼剂由下述重量份的原料制成：六氯化二碳52份、氯化钾18份、膨润土23份。

所述时效处理的温度为172℃，时间为8h。

实施例5

Mg：2.1%；

Si：3.7%；

Mn：0.21%；

Cr：0.11%；

Zr：0.20%；

Ti：0.37%；

Yb：0.20%；

余量为Al及含量≤0.05%的杂质。

所述铝合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1：按上述成分配比进行合金熔炼，所述合金熔炼温度为740℃，保温10分钟，得到合金熔液一；

步骤S3：将所述合金熔液二进行冷却，挤压，得到铸锭；

步骤S6：将热轧后的合金材料加热到485℃，保温7h，然后水淬至室温；

所述精炼剂由下述重量份的原料制成：六氯化二碳50份、氯化钾20份、膨润土20份。

所述时效处理的温度为180℃，时间为6h。

实施例6

Mg：2.0%；

Si：3.5%；

Mn：0.2%；

Cr：0.1%；

Zr：0.18%；

Ti：0.35%；

Yb：0.15%；

余量为Al及含量≤0.05%的杂质。

所述铝合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤S2：在所得合金熔液一中加入精炼剂进行精炼，所述精炼的温度为740℃，时间为10分钟，得到合金熔液二；

步骤S3：将所述合金熔液二进行冷却，挤压，得到铸锭；

步骤S6：将热轧后的合金材料加热到500℃，保温5h，然后水淬至室温；

所述精炼剂由下述重量份的原料制成：六氯化二碳60份、氯化钾10份、膨润土30份。

所述时效处理的温度为165℃，时间为10h。

实施例7

Mg：3.2%；

Si：4.5%；

Mn：0.3%；

Cr：0.2%；

Zr：0.25%；

Ti：0.40%；

Yb：0.30%；

余量为Al及含量≤0.05%的杂质。

所述铝合金的制备方法参阅实施例4。

对比实验例1：省略成分Yb

一种铝合金导线，由下述质量百分数的成分制成：

Mg：2.5%；

Si：3.8%；

Mn：0.25%；

Cr：0.14%；

Zr：0.21%；

Ti：0.36%；

余量为Al及含量≤0.05%的杂质。

对比实验例2：改变各成分的质量百分数

一种铝合金导线，由下述质量百分数的成分制成：

Mg：3.5%；

Si：2.0%；

Mn：0.4%；

Cr：0.3%；

Zr：0.15%；

Ti：0.2%；

Yb：0.1%；

余量为Al及含量≤0.05%的杂质。

对比实验例3：改变各成分的质量百分数

一种铝合金导线，由下述质量百分数的成分制成：

Mg：1.5%；

Si：3.0%；

Mn：0.5%；

Cr：0.25%；

Zr：0.3%；

Ti：0.5%；

Yb：0.35%；

余量为Al及含量≤0.05%的杂质。

对比实验例4：省略成分Zr和Yb

一种铝合金导线，由下述质量百分数的成分制成：

Mg：2.5%；

Si：3.8%；

Mn：0.25%；

Cr：0.14%；

Ti：0.36%；

余量为Al及含量≤0.05%的杂质。

对比实验例5：增加6.0wt.%Zn

一种铝合金导线，由下述质量百分数的成分制成：

Zn：6.0%；

Mg：2.5%；

Si：3.8%；

Mn：0.25%；

Cr：0.14%；

Zr：0.21%；

Ti：0.36%；

Yb：0.23%；

余量为Al及含量≤0.05%的杂质。

对比实验例6：增加6.0wt.%Zn和2.0wt.%Cu

一种铝合金导线，由下述质量百分数的成分制成：

Zn：6.0%；

Cu：2.0%；

Mg：2.5%；

Si：3.8%；

Mn：0.25%；

Cr：0.14%；

Zr：0.21%；

Ti：0.36%；

Yb：0.23%；

余量为Al及含量≤0.05%的杂质。

对比实验例7

一种铝合金导线与实施例1基本相同，所不同的是，所述铝合金导线的制备方法中：

步骤S2替换为：在所得合金熔液一中加入精炼剂进行精炼，所述精炼的温度为720℃，时间为25分钟，得到合金熔液二；

其中，所述精炼剂为六氯化二碳，其用量为铝合金总质量的0.50%。

对比实验例8

步骤S2替换为：在所得合金熔液一中加入精炼剂进行精炼，所述精炼的温度为730℃，时间为20分钟，得到合金熔液二；

其中，所述精炼剂由六氯化二碳和氯化钾以质量比3：1组成的混合物，用量为铝合金总质量的0.45%。

对比实验例9

步骤S2替换为：在所得合金熔液一中加入精炼剂进行精炼，所述精炼的温度为740℃，时间为18分钟，得到合金熔液二；

其中，所述精炼剂由六氯化二碳、氯化钾和膨润土以质量比1：1：1组成的混合物，用量为铝合金总质量的0.48%。

对比实验例10

步骤S4替换为：将所述铸锭以0.60℃/min的速度升温至450℃，在450℃温度下保温24小时，进行均匀化处理。

产品效果及性能评价：

将本发明实施例1~3及对比实验例1~10所得铝合金材料进行如下性能测试：

拉伸力学性能实验：在室温25℃下，采用新三思CMT-5105微机控制电子万能试验机，拉伸试样标准件按照国标GB/T228-2002制备，拉伸试样标距为50mm，标距内直径为5mm，试验采用匀速单向位移拉伸，拉伸速率为3mm/s，GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法，测定结果见表1。

试样的布氏硬度由Wilson威尔逊布氏硬度计测量，压球直径、压力以及持续时间分别为5mm、750kgf和20s，参照GB/T231.1-2009金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法，测定结果见表1。

失重腐蚀速率测试：采用GB10124-88金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法：线切割制备3个平行腐蚀样品，样品高度4mm、直径Φ12mm，打磨抛光后采用超声清洗，用分析天平分别称重为M₀，将平行腐蚀样品置于恒温25℃下，3.5wt%的NaCl溶液中分别腐蚀240h、360h、480h、540h，腐蚀后试样用清水冲洗干净，然后用CrO₃、H₃PO₄和纯水混合溶液于80℃保温清洗5分钟，去除样品表面的腐蚀产物。将清洗后的样品用超纯水冲洗干净，吹干后用分析天平分别称出腐蚀后的重量M，测定结果见表2。失重腐蚀速率的计算公式：

R_{corrosionrate}=8.76×10⁷×（M-M₀）/（S×T×D），

R_{corrosion rate}-腐蚀速率，mm/a；

M₀-试验前的试样质量，g；M-试验后的试验质量，g；S-试样的总面积，cm²；T-试验时间，h；D-材料密度，kg/m³。

电导率测定：根据GB/T 12966-2008 铝合金电导率涡流测试方法进行测定，见表3。

表1铝合金的机械性能测定结果

。

表1结果显示，本发明所得铝合金的抗拉强度在410Mpa以上，屈服强度在310Mpa以上，延伸率为15.1~16.3%，硬度在390以上。1）对比实验例1、对比实验例4所得铝合金的性能与本发明相比，可以看到：添加0.15~0.3wt.%Yb和/或0.18~0.25wt.%Zr对本发明铝合金的机械性能有重要的影响，Yb和/或Zr与各成分协同，起到了增强抗拉的显著效果；2）对比实验例2~3所得铝合金的性能与本发明相比，可以看到：本发明铝合金各成分含量配比适当，对本发明获得优异机械性能的铝合金具有显著的作用；3）对比实验例5~6所得铝合金的性能与本发明相比，可以看到：本发明铝合金各成分搭配适当，对本发明获得优异机械性能的铝合金具有显著的作用；4）对比实验例7~9所得铝合金的性能与本发明相比，可以看到：本发明铝合金制备所采用的精炼剂协同，适用于本发明铝合金的精炼制备；4）对比实验例10所得铝合金的性能与本发明相比，可以看到：本发明铝合金制备所采用的均匀化处理步骤中升温速度及保温时间，对获得性能优异的铝合金具有重要的作用。

表23.5wt%NaCl溶液不同腐蚀时长下铝合金的腐蚀速率

。

表2结果显示：本发明所得铝合金在3.5wt%NaCl溶液中进行腐蚀，240h时腐蚀速率在0.05mm/a以下，随着时间的延长腐蚀速率降低，同时在360h以后出现基本稳定在0.02mm/a。比较对比实验例1~10可以看到，240h时的腐蚀速率有不同程度的增加，虽然随着时间的延长腐蚀速率均在降低，但是直到480h以后腐蚀速率值才逐渐趋于平稳，而且依然保持在0.03mm/a以上。上述结果表明，本发明铝合金的耐腐蚀性能优异，而且各成分及含量搭配合适，协同增效作用显著。

表3铝合金导线的电导率

。

表3结果显示：本发明所得铝合金导线经电导率测试，电导率为58~59%IACS。比较对比实验例1~10可以看出，电导率有不同程度的降低，尽管降低幅度在10%IACS以内，但是由此导致的电阻损耗以及带来的能损费用却不容忽视。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims

1.一种适用于架空输电线路的铝合金导线，其特征在于，由下述质量百分数的成分制成：

Mg：2.0~3.2%；

Si：3.5~4.5%；

Mn：0.2~0.3%；

Cr：0.1~0.2%；

Zr：0.18~0.25%；

Ti：0.35~0.40%；

Yb：0.15~0.3%；

余量为Al及含量≤0.05%的杂质。

2.根据权利要求1所述的适用于架空输电线路的铝合金导线，其特征在于：

Mg：2.2~2.8%；

Si：3.6~4.2%；

Mn：0.23~0.28%；

Cr：0.12~0.16%；

Zr：0.20~0.23%；

Ti：0.36~0.38%；

Yb：0.18~0.25%；

余量为Al及含量≤0.05%的杂质。

3.根据权利要求1所述的适用于架空输电线路的铝合金导线，其特征在于：

Mg：2.5%；

Si：3.8%；

Mn：0.25%；

Cr：0.14%；

Zr：0.21%；

Ti：0.36%；

Yb：0.23%；

余量为Al及含量≤0.05%的杂质。

4.根据权利要求1~3任一项所述的适用于架空输电线路的铝合金导线的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：按成分配比进行合金熔炼，所述合金熔炼温度为720℃-750℃，保温10~12分钟，得到合金熔液一；

步骤S3：将所述合金熔液二冷却，挤压，得到铸锭；

5.根据权利要求4所述的适用于架空输电线路的铝合金导线的制备方法，其特征在于：所述精炼剂由下述重量份的原料制成：六氯化二碳50~60份、氯化钾10~20份、膨润土20~30份。

6.根据权利要求5所述的适用于架空输电线路的铝合金导线的制备方法，其特征在于：所述时效处理的温度为165~180℃，时间为6~10h。