CN107881374B - 一种纳米碳合金材料及基于该材料制备的电力金具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纳米碳合金材料及基于该材料制备的电力金具，所述纳米碳合金材料成分及质量百分比为：Si 0.5～1.0％，Mg 0.2～0.8％，碳纳米管0.5～2.5％，Cu 0.15～0.4％，Fe 0.2～0.7％，Cr 0.1～0.3％，余量为Al，控制微量元素含量Mn<0.1％，Zn<0.1％，Ti<0.1％。本发明提供的纳米碳合金材料在生产工艺、产品性能、节能环保等方面具有很大优势，可替代传统铁制金具进行广泛使用，且比常规铝合金强度更高，更能满足线路安全稳定性能需求，采用纳米碳合金制备电力金具，可以减小金具尺寸和减轻重量，降低电力金具制造成本，促进电力金具产品技术升级。

Description

一种纳米碳合金材料及基于该材料制备的电力金具
技术领域
本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种纳米碳合金材料及基于该材料制备的电力金具。
背景技术
电力金具在输变电工程中起到连接和组合电力系统中各类装置、传递机械、电气负荷等重要作用。传统电力金具一般由铝材料或铁材料制备，铝制电力金具强度较低，为满足使用要求需增加尺寸，导致其制造成本较高；铁质电力金具虽具有强度高、成本低的优势，但由于铁制电力金具质量较大、不节能，在输配电线路中应用起来有很大的局限性。目前在输配电线路中，仍有大量的电力金具采KTH330-08可锻铸铁材料来制备，如碗头挂板、NX型楔形线夹、NLD螺栓型耐张线夹等。可锻铸铁的抗拉强度为330MPa，延伸率为8％。这类金具外观粗大笨重，安装运输不方便，已不能适应电网现代化建设的需要，因此需要研发一种轻质、抗拉强度高、延伸率良好的电力金具用材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种轻质、抗拉强度高、延伸率良好的纳米碳合金材料以及基于该合金材料制备的电力金具。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
提供一种纳米碳合金材料，其成分及质量百分比为：Si 0.5～1.0％，Mg0.2～0.8％，碳纳米管0.5～2.5％，Cu 0.15～0.4％，Fe 0.2～0.7％，Cr 0.1～0.3％，余量为Al，控制微量元素含量Mn<0.1％，Zn<0.1％，Ti<0.1％。
本发明还提供上述纳米碳合金材料的制备方法，其步骤如下：
1)配料：以Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Cr中间合金、纯Mg块、碳纳米管、铝锭为原料，按元素比例配料备用；
2)制备纳米碳合金材料：将铝锭置于中频感应炉中，加热至熔化后添加中间合金并搅拌均匀，然后用钟罩将纯Mg块压入铝液底部充分熔化，再添加碳纳米管，随后充分搅拌，再用结晶器浇铸得到纳米碳合金材料。
按上述方案，步骤2)结晶器浇铸过程设置结晶器台面温度为660～740℃。
本发明还包括根据上述纳米碳合金材料制备得到的电力金具，如NW型、NWS型碗头挂板。
上述电力金具的制备方法包括以下步骤：
1)将纳米碳合金材料进行热挤压，挤压温度400～480℃，得到棒材；
2)将步骤1)所得棒材加热至380～450℃后进行锻压、切边、机加工，随后热处理，最后进行表面抛丸处理得到电力金具。
按上述方案，步骤2)所述热处理工艺条件为：加热至480～560℃固溶1～8h，水淬，随后于160～220℃保温8～20h并空冷。
碳纳米管(Carbon nanotubes，碳纳米管)是一种新型的自组装单分子材料，它是由单层或多层碳六边形平面网卷曲而成的无缝纳米级管状材料，具有类似于石墨的层状结构，因此它必然具有石墨极优良的本征特性，如耐热、耐腐蚀、耐热冲击、传热和导电性好、本征阻尼高、有自润滑性等一系列综合性能。组成碳纳米管的C-C共价键是自然界最稳定的化学键，理论计算表明，碳纳米管应具有极高的强度和极大的韧性。由于碳纳米管中碳原子间距短、单层碳纳米管的管径小，使得结构中的缺陷不易存在，单层碳纳米管的杨氏模量据估计可高达5TPa，其刚度约为钢的100倍，而密度却只有钢的1/6。因此，碳纳米管被认为是强化相的终级形式，预期将在复合材料中有十分广阔的应用前景。将碳纳米管作为增强相加入铝合金基体中制备的纳米碳合金较传统铝合金强度更高，其强化机制主要有细晶强化、载荷传递、位错强化、第二相强化等。
本发明的有益效果在于：本发明提供的纳米碳合金材料较传统的电力金具材料可锻铸铁金具在生产工艺、产品性能、节能环保等方面具有很大优势，可替代传统铁制金具进行广泛使用，且比常规铝合金强度更高，更能满足线路安全稳定性能需求，采用纳米碳合金制备电力金具，可以减小金具尺寸和减轻重量，降低电力金具制造成本，促进电力金具产品技术升级，以本发明纳米碳合金材料为原料制备的碗头挂板等效抗拉强度达400MPa以上，与传统可锻铸铁碗头挂板相比抗拉强度提升30％以上，而本体重量仅为可锻铸铁碗头的1/3，减小运输与安装成本，并且通过锻压制备，工艺简单，不需镀锌及其它防腐处理，环保节能。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的NW型碗头挂板的结构示意图；
图2为本发明实施例1所制备的NWS型碗头挂板的结构示意图；
图3为实施例2制备的碗头挂板断口SEM照片。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
制备一种纳米碳合金材料的碗头挂板电力金具，具体步骤如下：
1)以Al-Si中间合金(Si占比10.4％)、Al-Cu中间合金(Cu占比50％)、Al-Fe中间合金(Fe占比20％)、Al-Cr中间合金(Cr占比3％)、纯Mg块、碳纳米管、铝锭为原料，按以下元素质量比称取原料：Si 0.5％，Mg 0.8％，碳纳米管0.5％，Cu 0.15％，Fe 0.25％，Cr 0.15％，余量为Al，控制微量元素Mn<0.1％，Zn<0.1％，Ti<0.1％，将铝锭锭置于中频感应炉中，加热至熔化后添加中间合金搅拌均匀，然后用钟罩将纯Mg块压入铝液底部充分熔化，再添加碳纳米管，随后机械搅拌30min，再用结晶器浇铸(结晶器浇铸过程设置结晶器台面温度700℃左右)得到直径254mm的坯锭，即纳米碳合金材料；
2)将步骤1)所得纳米碳合金材料进行热挤压，挤压温度450℃，将坯锭挤成直径50mm的圆棒；
3)将步骤2)所得直径50mm、长100mm的圆棒加热至400℃，随后进行锻压、切边、机加工，再在520℃固溶5h，水淬，随后175℃保温12h空冷，最后进行表面抛丸处理得到NW型、NWS型碗头挂板，结构示意图如图1和图2所示。
对本实施例制备的两种碗头挂板进行性能测试，测试结果见表1。
实施例2
制备一种纳米碳合金材料的碗头挂板电力金具，制备方法与实施例1相似，不同之处在于碳纳米管的添加量为1.0％。
如图2所示为本实施例制备的碗头挂板断口SEM照片，由图可见断口几乎布满了大量微小的韧窝，韧窝之间还有孔洞存在，呈现出微孔聚集型剪切断裂的特征，属于韧性断裂。韧窝边缘和韧窝中间分布着一些碳纳米管，并且碳管没有被完全拔出，说明碳纳米管和基体之间结合良好。
对本实施例制备的NWS型碗头挂板进行性能测试，测试结果见表1。
实施例3
制备一种纳米碳合金材料的碗头挂板电力金具，制备方法与实施例1相似，不同之处在于碳纳米管的添加量为1.5％。
对本实施例制备的NWS型碗头挂板进行性能测试，测试结果见表1。
实施例4
制备一种纳米碳合金材料的碗头挂板电力金具，制备方法与实施例1相似，不同之处在于碳纳米管的添加量为2.0％。
对本实施例制备的NWS型碗头挂板进行性能测试，测试结果见表1。
实施例5
制备一种纳米碳合金材料的碗头挂板电力金具，制备方法与实施例1相似，不同之处在于碳纳米管的添加量为2.5％。
对本实施例制备的NWS型碗头挂板进行性能测试，测试结果见表1。
实施例6
制备一种纳米碳合金材料的碗头挂板电力金具，制备方法与实施例1相似，不同之处在于合金中Si含量为0.75％。
对本实施例制备的NWS型碗头挂板进行性能测试，测试结果见表1。
实施例7
制备一种纳米碳合金材料的碗头挂板电力金具，制备方法与实施例1相似，不同之处在于合金中Si含量为1.0％。
对本实施例制备的NWS型碗头挂板进行性能测试，测试结果见表1。
实施例8
制备一种纳米碳合金材料的碗头挂板电力金具，制备方法与实施例1相似，不同之处在于合金中Mg含量为0.2％。
对本实施例制备的NWS型碗头挂板进行性能测试，测试结果见表1。
实施例9
制备一种纳米碳合金材料的碗头挂板电力金具，制备方法与实施例1相似，不同之处在于合金中Mg含量为0.5％。
对本实施例制备的NWS型碗头挂板进行性能测试，测试结果见表1。
实施例10
制备一种纳米碳合金材料的碗头挂板电力金具，制备方法与实施例1相似，不同之处在于合金中Cu含量为0.4％。
对本实施例制备的NWS型碗头挂板进行性能测试，测试结果见表1。
实施例11
制备一种纳米碳合金材料的碗头挂板电力金具，制备方法与实施例1相似，不同之处在于合金中Fe含量为0.7％。
对本实施例制备的NWS型碗头挂板进行性能测试，测试结果见表1。
实施例12
制备一种纳米碳合金材料的碗头挂板电力金具，制备方法与实施例1相似，不同之处在于合金中Cr含量为0.3％。
对本实施例制备的NWS型碗头挂板进行性能测试，测试结果见表1。
实施例13
制备一种纳米碳合金材料的碗头挂板电力金具，制备方法与实施例1相似，不同之处在于步骤2)挤压温度为400℃。
对本实施例制备的NWS型碗头挂板进行性能测试，测试结果见表1。
实施例14
制备一种纳米碳合金材料的碗头挂板电力金具，制备方法与实施例1相似，不同之处在于步骤2)挤压温度为480℃。
对本实施例制备的NWS型碗头挂板进行性能测试，测试结果见表1。
实施例15
制备一种纳米碳合金材料的碗头挂板电力金具，制备方法与实施例1相似，不同之处在于步骤3)锻压温度为380℃。
对本实施例制备的NWS型碗头挂板进行性能测试，测试结果见表1。
实施例16
制备一种纳米碳合金材料的碗头挂板电力金具，制备方法与实施例1相似，不同之处在于步骤3)固溶温度为560℃。
对本实施例制备的NWS型碗头挂板进行性能测试，测试结果见表1。
实施例17
制备一种纳米碳合金材料的碗头挂板电力金具，制备方法与实施例1相似，不同之处在于步骤3)固溶时间为2h。
对本实施例制备的NWS型碗头挂板进行性能测试，测试结果见表1。
表1
由表1可看出，本发明实施例提供的纳米碳合金材料的碗头挂板抗拉强度明显高于传统可锻铸铁制备的碗头挂板，此外，相对传统可锻铸铁碗头挂板，纳米碳合金碗头挂板本体重量减轻了2/3，磁滞涡流损耗低(传统铁质金具是铁磁材料，而纳米碳合金为非铁磁材料)，以铝为基体从而具有高韧性和良好的耐磨性，耐腐蚀性能也更好，节能环保。

Claims (6)

1.一种纳米碳合金材料，其成分及质量百分比为：Si 0.5～1.0％，Mg 0.2～0.8％，碳纳米管0.5～2.5％，Cu 0.15～0.4％，Fe 0.2～0.7％，Cr 0.1～0.3％，余量为Al，控制微量元素含量Mn<0.1％，Zn<0.1％，Ti<0.1％。
2.一种权利要求1所述的纳米碳合金材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
1)配料：以Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Cr中间合金、纯Mg块、碳纳米管、铝锭为原料，按元素比例配料备用；
2)制备纳米碳合金材料：将铝锭置于中频感应炉中，加热至熔化后添加中间合金并搅拌均匀，然后用钟罩将纯Mg块压入铝液底部充分熔化，再添加碳纳米管，随后充分搅拌，再用结晶器浇铸得到纳米碳合金材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2)结晶器浇铸过程设置结晶器台面温度为660～740℃。
4.一种根据权利要求1所述的纳米碳合金材料制备得到的电力金具。
5.根据权利要求4所述的电力金具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将纳米碳合金材料进行热挤压，挤压温度400～480℃，得到棒材；
2)将步骤1)所得棒材加热至380～450℃后进行锻压、切边、机加工，随后热处理，最后进行表面抛丸处理得到电力金具。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于步骤2)所述热处理工艺条件为：加热至480～560℃固溶1～8h，水淬，随后于160～220℃保温8～20h并空冷。
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