CN107974581A - 一种电缆用高导电抗蠕变铝合金导线及其制备方法 - Google Patents

一种电缆用高导电抗蠕变铝合金导线及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电缆用高导电抗蠕变铝合金导线，包含组分及质量比重如下：Fe：0.2～0.8%，Cu：0.1～0.3%，Si：0.001～0.10%，B：0.001～0.04%，混合稀土RE：0.05～0.30%，Zr：0.05～0.15%，其余为Al和不可避免的其它杂质元素；所述混合稀土RE包含组分及质量含量如下：Ce：20～30%；La：70～80%。本申请的铝合金导线的电阻率低、抗蠕变性能好。

Description

一种电缆用高导电抗蠕变铝合金导线及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金导线，尤其涉及一种电缆用高导电抗蠕变铝合金导线及其制备方法。
背景技术
目前随着铜资源匮乏以及铜价的进一步飙升，电缆工业“以铝节铜”是国际性趋向，随着科技的发展、人们生活的改善，“以铝节铜”的发展空间十分广阔。我国城市化规模的不断发展，对配电网的供电质量和可靠性的要求也越来越高，高性能电缆用铝导线的研制显得日益重要。
对于纯导体材料，弯曲时易开裂和折断，长期使用容易发生较大的蠕变，从而产生氧化及电化学腐蚀等问题，这些问题容易导致线路的短路、断路或过载，最终引发事故。目前，广泛使用的电缆用铝合金材料为8000系列铝合金，相比于纯铝导体材料，由于加入了铁、铜、镁、硼等元素并采用了特殊的加工工艺，抗拉强度以及伸长率都有了明显提升，抗蠕变性能也提高了300%，但相比于铜导体材料，抗蠕变性能仍然较弱。
经检索，公开号为102912193A的中国发明专利，该发明涉及一种高导电抗蠕变铝合金导线及其制造方法，其中：“其化学成分及其质量百分比：Cu:0.05～0.30%，Fe：0.25～1.00%，Mg：0.001～0.22%，Si：0.001～0.15%，Zn：0.001～0.10%，B:0.001～0.04%，其余为Al和不可避免的其它杂质元素，所述不可避免的其它杂质元素中每种元素的含量均不超过0.03%，不可避免的其它杂质元素的总量不超过0.10%。”该导线的制备方法为：“纯铝锭高温熔化、铝溶液‘硼化’处理、铝溶液的精炼、铝溶液的合金化处理和二次精炼、铝合金杆的连铸连轧、拉制铝合金单线、铝合金单线的稳定化退火处理。”该导线能在长期运行及长时间过载时，具备一定的抗压蠕变性能，保证电气连接稳定。该专利公开的合金中Mg含量在0.001～0.22%（质量百分比）之间，研究表明，Mg 原子半径与铝相差较大，在铝固溶体中容易引起晶格畸变，导致电导率明显下降；同时少量 Mg 的添加会影响 Al3Fe 初生相的形貌，Mg会在初生 Al3Fe相周围富集，降低 Fe 原子在铝液中的扩散速度，使Al3Fe相周围出现成分过冷，改变 Al3Fe 长大的择优取向，抑制 Al3Fe在择优取向的长大，使得针片状 Al3Fe相变为细小的短棒状或者块状，降低铝合金的抗蠕变性能。
发明内容
为了解决本领域存在的问题，本发明提供了一种较高的稳态蠕变性能、抗拉强度和较高的延伸率，同时又能保证较高导电性的电缆用高导电抗蠕变铝合金导线及其制备方法。
本发明的目的是通过以下方案实现：
一种电缆用高导电抗蠕变铝合金导线，其特征在于，包含组分及质量比重如下：Fe：0.2～0.8%，Cu：0.1～0.3%，Si：0.001～0.10%，B：0.001～0.04%，混合稀土RE：0.05～0.30%，Zr：0.05～0.15%，其余为Al和不可避免的其它杂质元素；所述混合稀土RE包含组分及质量含量如下：Ce：20～30%；La：70～80%。
进一步，不可避免的其它杂质元素（如Mg、Zn、Mn、Ti）中每种元素的含量均不超过0.05%，不可避免的其它杂质元素的总量不超过0.15%。
依据本发明，优选的各组分的质量百分比为：Fe：0.3～0.7%，Cu：0.15～0.25%，Si：0.04～0.08%，B：0.001～0.03%，混合稀土RE：0.10～0.25%，Zr：0.05～0.15%，其余为Al和不可避免的其它杂质元素。
依据本发明，优选的各组分的质量百分比为：Fe：0.4～0.7%，Cu：0.2～0.25%，Si：0.04～0.08%，B：0.005～0.03%，混合稀土RE：0.15～0.25%，Zr：0.1～0.15%，其余为Al和不可避免的其它杂质元素。
依据本发明，优选的各组分的质量百分比为：Fe：0.4～0.6%，Cu：0.2～0.25%，Si：0.05～0.08%，B：0.01～0.03%，混合稀土RE：0.2～0.25%，Zr：0.05～0.15%，其余为Al和不可避免的其它杂质元素。
进一步的，所述不可避免的其它杂质元素包括Mg、Zn、Mn、Ti，每种元素的含量均不超过0.05%，不可避免的其它杂质元素的总量不超过0.15%。
一种电缆用高导电抗蠕变铝合金导线的制备方法，包括如下步骤：
一、熔炼：
①将石墨坩埚置于电阻炉中，升温至390～410℃，加入纯铝；
②将电阻炉升温至700～740℃，待纯铝全部熔化，通入氩气（Ar），利用扒渣勺扒去熔体表面氧化渣；
③将电阻炉升温至750～770℃，加入预热好的Al-Fe和Al-Si中间合金，并保温20～30分钟，每10分钟搅拌一次；之后加入预热好的Al-B和Al-RE中间合金，保温10～20分钟，每10分钟搅拌一次；扒去浮渣后加入预热好的Al-Zr和Al-Cu中间合金，保温20分钟，每10分钟搅拌一次；
④将铝熔体降温至700～740℃，向铝液中加入精炼剂，并通入氩气（Ar）对铝液进行精炼，并静置10～20分钟。
⑤除去熔体表面的氧化物后，将熔体浇铸到预热好的金属模具中，自然冷却得到铝棒。
二、挤压与拉拔：
①挤压前对铸态铝棒进行双极均匀化处理；
②用立式挤压机对铸态铝棒进行挤压，挤压前直径为27mm；挤压后的直径为8mm，挤压温度为400～450℃，金属流出模孔速度为1.5～3m／min，制成棒材；
③利用拉丝机将棒材拉制成直径为2.5mm的铝合金线，之后对铝合金线进行退火处理，制得铝合金导线。
进一步，所述的Al-Fe、Al-Si、Al-B、Al-RE、Al-Zr以及Al-Cu中间合金分别为Al-20Fe、Al-20Si、Al-4B、Al-10RE、Al-4Zr、Al-50Cu中间合金，熔化合成法合成。
进一步，所述的熔炼步骤中预热处理为200～280℃下保温20～30min。
进一步，所述的精炼剂为六氯乙烷。
进一步，所述的双极均匀化处理，是将铸态铝棒经过300～420℃均匀化2～6h，500～550℃均匀化10～20h，空冷。
进一步，所述的退火处理为250～350℃下保温1～15h。
依据本发明，所述熔炼过程中的最佳温度为：将石墨坩埚置于电阻炉中，升温至400℃，加入纯铝；将电阻炉升温至720℃，待纯铝全部熔化，通入氩气（Ar），利用扒渣勺扒去熔体表面氧化渣；将电阻炉升温至760℃，加入预热好的Al-Fe和Al-Si中间合金，并保温20～30分钟，每10分钟搅拌一次；之后加入预热好的Al-B和Al-RE中间合金，保温10～20分钟，每10分钟搅拌一次；扒去浮渣后加入预热好的Al-Zr和Al-Cu中间合金，保温20分钟，每10分钟搅拌一次；将铝熔体降温至720℃，向铝液中加入精炼剂，并通入氩气（Ar）对铝液进行精炼，并静置10～20分钟。除去熔体表面的氧化物后，将熔体浇铸到预热好的金属模具中，自然冷却得到铝棒。
本发明的有益效果为：本发明中RE元素的加入，净化基体，细化晶粒，提高其铝合金的力学性能以及导电性能。利用RE元素与杂质元素的相互作用，减少杂质元素的含量，实现熔体净化。RE元素的加入，和B元素共同作用，使得Fe元素在随后的铝合金退火过程中得到更多的消耗，并且向B和RE元素核心聚集形成弥散的高熔点化合物，其硬质点能够弥散在晶界，提高其铝合金的强度和蠕变性能，同时避免了Fe在铝中固溶引起整个导体的电阻率的下降，进而提高铝合金的电阻率。本发明在铝合金基体中同时加入了Zr元素，Zr元素与Al有很强的亲和性，在均匀化过程中产生出细小弥散的Al3Zr析出相，弥散的Al3Zr粒子尺寸小，密集度高，对位错及晶界具有强烈的钉扎效应，阻碍再结晶形核。与熔炼浇铸过程中产生的Al3Fe和Al7Cu2Fe初生相共同作用，大幅提高铝合金导线的抗蠕变性能。本发明在对铸态铝棒挤压前进行双极均匀化处理，能够使得Al3Zr相在较低的温度下先行析出，然后在较高温度均匀铸态组织，由于Al3Zr相具有高温稳定性，高温加热时不会长大。双极均匀化能够使得Al3Zr强化相更好析出，并且均匀分布在基体中。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进行详细的解释。
实施例1
一种电缆用高导电抗蠕变铝合金导线的制备方法：
以下列化学成分及其质量百分比为例：Fe：0.5%，Cu：0.25%，Si：0.08%，B：0.03%，混合稀土RE：0.1%，Zr：0.1%，其余为Al和不可避免的其它杂质元素。混合稀土RE中包含组分及质量含量如下：Ce：20%；La：80%。
一、熔炼：
1.将石墨坩埚置于电阻炉中，升温至400℃，加入纯铝；
2.将电阻炉升温至720℃，待纯铝全部熔化，通入氩气（Ar），利用扒渣勺扒去熔体表面氧化渣；
3.将电阻炉升温至760℃，加入预热好的Al-20Fe和Al-20Si中间合金，并保温20分钟，每10分钟搅拌一次；之后加入预热好的Al-4B和Al-10RE中间合金，保温20分钟，每10分钟搅拌一次；扒去浮渣后加入预热好的Al-4Zr和Al-50Cu中间合金，保温20分钟，每10分钟搅拌一次；
4.将铝熔体降温至720℃，向铝液中加入适量的精炼剂，所述精炼剂为六氯乙烷，并通入氩气（Ar）对铝液进行精炼，并静置20分钟。
5.除去熔体表面的氧化物后，将熔体浇铸到预热好的金属模具中，自然冷却得到铝棒。
二、挤压与拉拔：
挤压前对铸态铝棒进行双极均匀化处理（380℃均匀化4h，520℃均匀化15h，空冷）；
1.用立式挤压机对铸态铝棒进行挤压，挤压前直径为27mm；挤压后的直径为8mm，挤压温度为430℃，金属流出模孔速度为2.5m／min，制成棒材；
2.利用拉丝机将棒材拉制成直径为2.5mm的铝合金线，之后对铝合金线进行退火处理(330℃下保温5h)，制得铝合金导线。
实施例2:
一种电缆用高导电抗蠕变铝合金导线的制备方法：
以下列化学成分及其质量百分比为例：Fe：0.7%，Cu：0.20%，Si：0.04%，B：0.02%，混合稀土RE：0.25%，Zr：0.05%，其余为Al和不可避免的其它杂质元素。混合稀土RE中包含组分及质量含量如下：Ce：30%；La：70%。
熔炼、挤压拉拔步骤同实施例1，其中双极均匀化处理参数为：350℃均匀化5h，540℃均匀化12h，空冷；挤压工艺参数：挤压温度440℃，金属流出模孔速度为2m／min；退火处理参数为：300℃下保温8h。
实施例3:
一种电缆用高导电抗蠕变铝合金导线的制备方法：
以下列化学成分及其质量百分比为例：Fe：0.3%，Cu：0.22%，Si：0.1%，B：0.03%，混合稀土RE：0.2%，Zr：0.15%，其余为Al和不可避免的其它杂质元素。混合稀土RE中包含组分及质量含量如下：Ce：25%；La：75%。
熔炼、挤压拉拔步骤同实施例1，其中双极均匀化处理参数为：400℃均匀化3h，510℃均匀化15h，空冷；挤压工艺参数：挤压温度420℃，金属流出模孔速度为1.8m／min；退火处理参数为：280℃下保温10h。
实施例4
一种电缆用高导电抗蠕变铝合金导线的制备方法：
以下列化学成分及其质量百分比为例：Fe：0.4%，Cu：0.15%，Si：0.001%，B：0.01%，混合稀土RE：0.15%，Zr：0.15%，其余为Al和不可避免的其它杂质元素。混合稀土RE中包含组分及质量含量如下：Ce：22%；La：78%。
一、熔炼：
1.将石墨坩埚置于电阻炉中，升温至390℃，加入纯铝；
2.将电阻炉升温至715℃，待纯铝全部熔化，通入氩气（Ar），利用扒渣勺扒去熔体表面氧化渣；
3.将电阻炉升温至750℃，加入预热好的Al-20Fe和Al-20Si中间合金，并保温30分钟，每10分钟搅拌一次；之后加入预热好的Al-4B和Al-10RE中间合金，保温20分钟，每10分钟搅拌一次；扒去浮渣后加入预热好的Al-4Zr和Al-50Cu中间合金，保温20分钟，每10分钟搅拌一次；
4.将铝熔体降温至720℃，向铝液中加入适量的精炼剂六氯乙烷，并通入氩气（Ar）对铝液进行精炼，并静置20分钟。
5.除去熔体表面的氧化物后，将熔体浇铸到预热好的金属模具中，自然冷却得到铝棒。
二、挤压与拉拔，其中双极均匀化处理参数为：420℃均匀化6h，500℃均匀化15h，空冷；挤压工艺参数：挤压温度450℃，金属流出模孔速度为1.5m／min；退火处理参数为：300℃下保温8h。
实施例5
一种电缆用高导电抗蠕变铝合金导线的制备方法：
以下列化学成分及其质量百分比为例：Fe：0.6%，Cu：0.2%，Si：0.05%，B：0.005%，混合稀土RE：0.05%，Zr：0.05%，其余为Al和不可避免的其它杂质元素。混合稀土RE中包含组分及质量含量如下：Ce：27%；La：73%。
一、熔炼：
1.将石墨坩埚置于电阻炉中，升温至395℃，加入纯铝；
2.将电阻炉升温至700℃，待纯铝全部熔化，通入氩气（Ar），利用扒渣勺扒去熔体表面氧化渣；
3.将电阻炉升温至770℃，加入预热好的Al-20Fe和Al-20Si中间合金，并保温20分钟，每10分钟搅拌一次；之后加入预热好的Al-4B和Al-10RE中间合金，保温20分钟，每10分钟搅拌一次；扒去浮渣后加入预热好的Al-4Zr和Al-50Cu中间合金，保温20分钟，每10分钟搅拌一次；
4.将铝熔体降温至720℃，向铝液中加入适量的精炼剂六氯乙烷，并通入氩气（Ar）对铝液进行精炼，并静置20分钟。
5.除去熔体表面的氧化物后，将熔体浇铸到预热好的金属模具中，自然冷却得到铝棒。
二、挤压与拉拔，其中双极均匀化处理参数为：400℃均匀化3h，510℃均匀化15h，空冷；挤压工艺参数：挤压温度420℃，金属流出模孔速度为3m／min；退火处理参数为：260℃下保温12h。
实施例6
一种电缆用高导电抗蠕变铝合金导线的制备方法：
以下列化学成分及其质量百分比为例：Fe：0.2%，Cu：0.3%，Si：0.04%，B：0.001%，混合稀土RE：0.3%，Zr：0.1%，其余为Al和不可避免的其它杂质元素。混合稀土RE中包含组分及质量含量如下：Ce：26%；La：74%。
一、熔炼：
1.将石墨坩埚置于电阻炉中，升温至410℃，加入纯铝；
2.将电阻炉升温至730℃，待纯铝全部熔化，通入氩气（Ar），利用扒渣勺扒去熔体表面氧化渣；
3.将电阻炉升温至765℃，加入预热好的Al-20Fe和Al-20Si中间合金，并保温20分钟，每10分钟搅拌一次；之后加入预热好的Al-4B和Al-10RE中间合金，保温20分钟，每10分钟搅拌一次；扒去浮渣后加入预热好的Al-4Zr和Al-50Cu中间合金，保温20分钟，每10分钟搅拌一次；
4.将铝熔体降温至720℃，向铝液中加入适量的精炼剂六氯乙烷，并通入氩气（Ar）对铝液进行精炼，并静置20分钟。
5.除去熔体表面的氧化物后，将熔体浇铸到预热好的金属模具中，自然冷却得到铝棒。
二、挤压与拉拔，其中双极均匀化处理参数为：380℃均匀化3.5h，500℃均匀化18h，空冷；挤压工艺参数：挤压温度430℃，金属流出模孔速度为2.5m／min；退火处理参数为：250℃下保温15h。
实施例7
一种电缆用高导电抗蠕变铝合金导线的制备方法：
以下列化学成分及其质量百分比为例：Fe：0.8%，Cu：0.1%，Si：0.06%，B：0.04%，混合稀土RE：0.2%，Zr：0.15%，其余为Al和不可避免的其它杂质元素。混合稀土RE中包含组分及质量含量如下：Ce：24%；La：76%。
一、熔炼：
1.将石墨坩埚置于电阻炉中，升温至405℃，加入纯铝；
2.将电阻炉升温至740℃，待纯铝全部熔化，通入氩气（Ar），利用扒渣勺扒去熔体表面氧化渣；
3.将电阻炉升温至755℃，加入预热好的Al-20Fe和Al-20Si中间合金，并保温30分钟，每10分钟搅拌一次；之后加入预热好的Al-4B和Al-10RE中间合金，保温20分钟，每10分钟搅拌一次；扒去浮渣后加入预热好的Al-4Zr和Al-50Cu中间合金，保温20分钟，每10分钟搅拌一次；
4.将铝熔体降温至720℃，向铝液中加入适量的精炼剂六氯乙烷，并通入氩气（Ar）对铝液进行精炼，并静置20分钟。
5.除去熔体表面的氧化物后，将熔体浇铸到预热好的金属模具中，自然冷却得到铝棒。
二、挤压与拉拔，其其中双极均匀化处理参数为：360℃均匀化35，540℃均匀化18h，空冷；挤压工艺参数：挤压温度400℃，金属流出模孔速度为2.3m／min；退火处理参数为：350℃下保温1h。
实施例1-7的产品性能如下：
成品来源 导电率%IACS 抗拉强度MPa 伸长率% 120℃和35MPa下稳态蠕变速率s-1
实施例1 61.9 137 31 1.2×10-7
实施例2 61.2 140 27 9.7×10-8
实施例3 62.2 132 28 1.1×10-7
实施例4 62.3 130 27 1.0×10-7
实施例5 61.4 138 29 9.5×10-8
实施例6 62.5 132 30 9.3×10-8
实施例7 61.2 142 28 1.1×10-7
从实验数据及结果来看，实施例1的产品效果为最优，在具有较高抗蠕变性能的同时还能保证其较高的导电性，Fe和Zr元素的加入，与铝基体产生的Al3Fe和Al7Cu2Fe初生相共同作用，对位错及晶界具有强烈的钉扎效应，阻碍再结晶形核，大幅提高铝合金导线的抗蠕变性能，同时混合稀土RE的添加，避免了Fe在铝中固溶引起整个导体的电阻率的下降，使得产品具有高导电性能和良好的抗蠕变性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电缆用高导电抗蠕变铝合金导线，其特征在于，包含组分及质量比重如下：Fe：0.2～0.8%，Cu：0.1～0.3%，Si：0.001～0.10%，B：0.001～0.04%，混合稀土RE：0.05～0.30%，Zr：0.05～0.15%，其余为Al和不可避免的其它杂质元素；所述混合稀土RE包含组分及质量含量如下：Ce：20～30%；La：70～80%。
2.根据权利要求1所述的电缆用高导电抗蠕变铝合金导线，其特征在于，所述铝合金导线包含组分及质量比重如下：Fe：0.3～0.7%，Cu：0.15～0.25%，Si：0.04～0.08%，B：0.001～0.03%，混合稀土RE：0.10～0.25%，Zr：0.05～0.15%。
3.根据权利要求1所述的电缆用高导电抗蠕变铝合金导线，其特征在于，所述铝合金导线包含组分及质量比重如下：Fe：0.4～0.7%，Cu：0.2～0.25%，Si：0.04～0.08%，B：0.005～0.03%，混合稀土RE：0.15～0.25%，Zr：0.1～0.15%；所述混合稀土RE包含组分及质量含量如下：Ce：20～30%；La：70～80%。
4.根据权利要求1所述的电缆用高导电抗蠕变铝合金导线，其特征在于，所述铝合金导线包含组分及质量比重如下：Fe：0.4～0.6%，Cu：0.2～0.25%，Si：0.05～0.08%，B：0.01～0.03%，混合稀土RE：0.2～0.25%，Zr：0.05～0.15%。
5.根据权利要求1所述的电缆用高导电抗蠕变铝合金导线，其特征在于，所述不可避免的其它杂质元素包括Mg、Zn、Mn、Ti，每种元素的含量均不超过0.05%，不可避免的其它杂质元素的总量不超过0.15%。
6.一种电缆用高导电抗蠕变铝合金导线的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：熔炼—双极均匀化处理—挤压—拉拔；
所述熔炼是指将纯铝熔化后依次加入Al-Fe和Al-Si中间合金、Al-B和Al-RE中间合金、Al-Zr和Al-Cu中间合金后向混合铝液中加入精炼剂通入氩气对混合铝液精炼，静置10～20分钟，除去熔体表面的氧化物，将熔体浇铸到预热好的金属模具中，自然冷却得到铸态铝棒；
所述双极均匀化处理，是将铸态铝棒经300～420℃均匀化2～6h，500～550℃均匀化10～20h，空冷；
所述挤压是指用立式挤压机对铸态铝棒挤压至直径为8mm，挤压温度为400～450℃，金属流出模孔速度为1.5～3m／min，制成棒材；
所述拉拔是指利用拉丝机将棒材拉制成直径为2.5mm的铝合金线，后对铝合金线进行退火处理，制得铝合金导线。
7.根据权利要求6所述的电缆用高导电抗蠕变铝合金导线的制备方法，其特征在于，所述熔炼中纯铝熔化是指石墨坩埚置于电阻炉中，升温至390～410℃，加入纯铝；将电阻炉升温至700～740℃，待纯铝全部熔化后通入氩气，用扒渣勺扒去熔体表面氧化渣。
8.根据权利要求6所述的电缆用高导电抗蠕变铝合金导线的制备方法，其特征在于，所述熔炼中Al-Fe和Al-Si中间合金为Al-20Fe、Al-20Si中间合金，采用熔化合成法合成；加入Al-Fe和Al-Si中间合金时的温度为750～770℃，加入后保温20～30分钟，每10分钟搅拌一次；
所述熔炼中Al-B和Al-RE中间合金为Al-4B、Al-10RE，采用熔化合成法合成；加入后保温20～30分钟，每10分钟搅拌一次；
所述熔炼中Al-Zr和Al-Cu中间合金为Al-4Zr、Al-50Cu中间合金，采用熔化合成法合成；加入后保温20～30分钟，每10分钟搅拌一次。
9.根据权利要求6所述的电缆用高导电抗蠕变铝合金导线的制备方法，其特征在于，所述熔炼中预热处理为200～280℃下保温20～30min；所述精炼剂为六氯乙烷。
10.根据权利要求6所述的电缆用高导电抗蠕变铝合金导线的制备方法，其特征在于，所述挤压中铸态铝棒挤压前的直径为27mm；所述拉拔中退火处理为250～350℃下保温1～15h。
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