CN108165838A - 具有耐腐蚀性能铜包铝线用Ba-Pt-Cr铝合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有耐腐蚀性能铜包铝线用Ba‑Pt‑Cr铝合金及其加工工艺。按照重量百分比，该合金的成分为：Ba:0.5‑0.8wt.%,Pt:0.2‑0.4wt.%；Cr:0.5‑0.6wt.%,Sn:0.2‑0.4wt.%，Y:0.8‑1.2wt.%,Th:0.1‑0.3wt.%,余量为铝。该铝钡合金具有传统铜包铝线用铝合金不具备的优秀的力学性能和耐腐蚀性能。在电器制造工业、电线电缆工业和无线电工业中有广泛的用途。

Description

具有耐腐蚀性能铜包铝线用Ba-Pt-Cr铝合金

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种铝钡合金。

背景技术

随着国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，对电力的需求急剧增长，输电线路日益向大容量方向发展，这就要求增大导线的输电容量。铝合金导线早在1921年就开始用于架空线。随着输变电技术的提高和输变电线路的发展，铝合金导线愈来愈显示其优越性，国际上五十年代开始采用至今，西欧、北欧、美国、加拿大、日本等国已广泛采用，法国的输电线路几乎90%以上使用铝合金导线，日本也已达50%以上。

铝的强度和耐腐蚀性能比铜差得多，六七十年代因铜资源缺乏，曾推广以铝代铜制电线，但是几年以后缺点不断暴露，如电线的接头部分，由于日久氧化电接触不好引起打火等故障，铝电线从此失去市场。考虑到铜储量的有限性以及价格昂贵，采用铜包铝线来作为铝线的升级产品可以有效地解决这些难题。

铜包铝线特别适合作变电站、发电厂等大电流输送用母线，可节约工程投资。在城网线路扩容改造工程中，尤其在线路走廊狭窄地区，只需更换相近截面规格的导线，基本上不需要更换铁塔，即能满足强度和导线对地驰度的要求。在双回路线路中，还可短时承载另一回路的载流量，便于一个回路发生事故时的抢修和维护。在新线路上，采用铜包铝导线使线路结构简化，金具及零部件数量减少，对线路的安全运行有很大好处。

铜包铝线的生产主要有3种方法:铜管铸铝成锭-热轧成型法，铜、铝冷配合成锭-热轧成型法，以及铜铝冷配合-冷压-拉制法。可见，铜包铝线质量的优劣取决于铜与铝的冶金结合。此外，随着铝芯电缆的应用越来越广泛，对某些特种铝电缆除要求满足电能外，希望外径更小，并且能够承受一定的机械力和良好的弯曲性能，这对作为电缆铝导体原材料的铝线的机械性能提出了较高的要求。

随着我国经济的飞速发展，电力行业对电缆材料的要求越来越高。人们不断追求导电性能，强度和其它特性能达到最佳组合的新型合金来满足日益提升的要求。我国高速电气化所用优质电缆材料主要从德国、瑞典等发达国家进口。国外己经开发的新型铜包铝用铝合金材料的耐腐蚀性能和常温力学性能还不能令人满意，不能完全满足现代工业的要求。

开发具备特殊性能电缆用合金有两种方法，一种是加入合金元素通过固溶强化来强化基体，另一种是通过加入第二相强化相形成铝基复合材料。钡作为合金化元素加入铝合金中可以大大提高合金的弹性性能和其它性能。开发新型铝基电缆材料已成为必然。但是，作为一种电缆材料，只具有优良的导电能力是远远不能满足高速发展的电力行业要求，更重要的是最终的铝合金产品还要同时拥有令人满意的力学强度和耐腐蚀性能。因而如何在铝合金中平衡各种合金元素的含量，制备出具备优异的耐腐蚀性能和力学性能的铝基电缆材料是当前铝合金的一个亟待解决的问题。

铝钡合金最大的特点是在冶炼过程中熔体容易氧化烧，生成疏松的氧化膜和氮化膜。这种不致密的熔体表面化合物膜不能阻止氧气和氮气向熔体表面的扩散，导致了钡在合金熔体在熔炼过程中的不断氧化和消耗。因此，铝钡合金的冶炼中一般采用氩气保护的方法来进行合金制备。该方法不同程度地存在着成本偏高，铸件易产生熔剂夹杂、设备复杂等缺点。因此使铝钡合金的研制、开发与应用受到了限制。因而在急需大规模使用铝钡合金的工业和国防领域，一直存在着现有产量少，工艺繁琐，成本高等急需克服的现状。

通过合金化的方法达到防止在冶炼过程中铝钡合金熔体的氧化，是解决该合金冶炼问题的发展方向之一。合金化阻燃和防止钡在熔炼过程中挥发的机理是在合金中添加合金元素来影响合金氧化的热力学与动力学过程，在合金表面形成具有保护作用的致密氧化膜和氮化膜，达到阻止合金剧烈氧化的目的。与氩气保护相比，合金化阻燃可以消除熔剂夹杂，提高合金的力学性能。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以在750-800度大气条件下进行熔炼的具有耐腐蚀性能铜包铝线用Ba-Pt-Cr铝合金及其加工工艺。且在此温度区间熔炼的合金最终产品不仅具备优异的力学性能,其耐腐蚀性能也远远高于现有的铜包铝线用铝合金。该方法还具有生产成本低，便于大规模生产的特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有耐腐蚀性能铜包铝线用Ba-Pt-Cr铝合金。按重量百分比计，合金的组成为：Ba: 0.5-0.8wt.%,Pt:0.2-0.4wt.%；Cr:0.5-0.6wt.%,Sn:0.2-0.4wt.%，Y:0.8-1.2wt.%,Th:0.1-0.3wt.%,余量为铝。该铝钡合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.0-3.0wt.%左右。

上述具有耐腐蚀性能铜包铝线用Ba-Pt-Cr铝合金的制备方法，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到750-800度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在750-800度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为10-14m/min。该铸锭可以当做挤压原料用于挤压制备各种直径的铝线。并可以配合后续的传统热轧方法和铜管进行复合来制备铜包铝线；这些铜包铝线的最后热处理工序为：真空时效处理165度，2.0小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明专利针对目前铜包铝线用铝合金的常温力学性能和耐腐蚀性能还不能完全满足现有需求的现状提供了一种新颖的材料学解决方案。该合金具有极其优异的阻燃性能，可以达到在750-800温度范围内在大气环境下静置5个小时而没有明显的燃烧。在对液态合金进行搅拌、吹气等熔体处理过程中，当其表面膜因剧烈搅拌被破坏后，能快速再生，成功阻碍合金的燃烧。且该铝钡合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量小于3.0wt.%左右。

（2）铝钡合金有很高的强度，其强度不会因为钡含量的增加而发生明显变化，而且可以通过添加铜、镁、锌等元素进一步提高合金的强度。 该铝钡合金且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。具有低的液固相凝固温度范围，可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显制品成品率低等技术难题。

（3）在室温下, 该铝钡合金的抗拉强度维持在280-320MPa。而传统铜包铝材料用常温抗拉强度在160-200MPa左右。在配合传统热轧方法和铜管进行复合来制备铜包铝线后，所得产品的铜铝材料界面过渡层的厚度可以达到80-100微米，而传统材料只有10-20微米。这种理想的界面结合强度可以使得铜包铝导线在实际使用过程中可以用于更大距离的电力传送。在海洋性气氛下，该材料的腐蚀速度为4.3×10^-4mm/年。因而在海洋性气候下，该材料可以安全使用20年以上没有明显的腐蚀现象发生。

具体实施方式

实施例1

一种在750度熔炼具有耐腐蚀性能铜包铝线用Ba-Pt-Cr铝合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Ba: 0.6wt.%,Pt:0.2wt.%；Cr:0.5wt.%,Sn:0.3wt.%，Y:0.9wt.%, Th:0.2wt.%,余量为铝。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到750度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在750度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为12m/min。该铸锭可以当做挤压原料用于挤压制备各种直径的铝线。并可以配合后续的传统热轧方法和铜管进行复合来制备铜包铝线；这些铜包铝线的最后热处理工序为：真空时效处理165度，2.0小时。

在室温下, 该铝钡合金的抗拉强度维持在294MPa。而传统铜包铝材料用常温抗拉强度在160-200MPa左右。在配合传统热轧方法和铜管进行复合来制备铜包铝线后，所得产品的铜铝材料界面过渡层的厚度可以达到92微米，而传统材料只有10-20微米。这种理想的界面结合强度可以使得铜包铝导线在实际使用过程中可以用于更大距离的电力传送。在海洋性气氛下，该材料的腐蚀速度为4.3×10^-4mm/年。因而在海洋性气候下，该材料可以安全使用20年以上没有明显的腐蚀现象发生。该铝钡合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.5wt.%左右。

实施例2

一种在770度熔炼具有耐腐蚀性能铜包铝线用Ba-Pt-Cr铝合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Ba: 0.5wt.%,Pt:0.3wt.%；Cr: 0.6wt.%,Sn:0.3wt.%，Y:0.9wt.%, Th:0.3wt.%,余量为铝。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到770度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在770度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为14m/min。该铸锭可以当做挤压原料用于挤压制备各种直径的铝线。并可以配合后续的传统热轧方法和铜管进行复合来制备铜包铝线；这些铜包铝线的最后热处理工序为：真空时效处理165度，2.0小时。

在室温下, 该铝钡合金的抗拉强度维持在309MPa。而传统铜包铝材料用常温抗拉强度在160-200MPa左右。在配合传统热轧方法和铜管进行复合来制备铜包铝线后，所得产品的铜铝材料界面过渡层的厚度可以达到95微米，而传统材料只有10-20微米。这种理想的界面结合强度可以使得铜包铝导线在实际使用过程中可以用于更大距离的电力传送。在海洋性气氛下，该材料的腐蚀速度为4.3×10^-4mm/年。因而在海洋性气候下，该材料可以安全使用20年以上没有明显的腐蚀现象发生。该铝钡合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在2.4wt.%左右。

实施例3

一种在790度熔炼具有耐腐蚀性能铜包铝线用Ba-Pt-Cr铝合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Ba: 0.7wt.%,Pt:0.3wt.%；Cr:0.5wt.%,Sn:0.3wt.%，Y:1.1wt.%, Th:0.2wt.%,余量为铝。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到790度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在790度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为12m/min。该铸锭可以当做挤压原料用于挤压制备各种直径的铝线。并可以配合后续的传统热轧方法和铜管进行复合来制备铜包铝线；这些铜包铝线的最后热处理工序为：真空时效处理165度，2.0小时。

在室温下, 该铝钡合金的抗拉强度维持在312MPa。而传统铜包铝材料用常温抗拉强度在160-200MPa左右。在配合传统热轧方法和铜管进行复合来制备铜包铝线后，所得产品的铜铝材料界面过渡层的厚度可以达到92微米，而传统材料只有10-20微米。这种理想的界面结合强度可以使得铜包铝导线在实际使用过程中可以用于更大距离的电力传送。在海洋性气氛下，该材料的腐蚀速度为4.3×10^-4mm/年。因而在海洋性气候下，该材料可以安全使用20年以上没有明显的腐蚀现象发生。该铝钡合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.6wt.%左右。

Claims (3)

1.一种具有耐腐蚀性能铜包铝线用Ba-Pt-Cr铝合金；按照重量百分比，该合金的成分为：Ba: 0.5-0.8wt.%,Pt:0.2-0.4wt.%；Cr:0.5-0.6wt.%,Sn:0.2-0.4wt.%，Y:0.8-1.2wt.%, Th:0.1-0.3wt.%,余量为铝。

2.根据权利要求1所述具有耐腐蚀性能铜包铝线用Ba-Pt-Cr铝合金，其特征在于包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到750-800度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在750-800度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的圆锭，铸锭下移速度为10-14m/min。

3.根据权利要求1所述具有耐腐蚀性能铜包铝线用Ba-Pt-Cr铝合金，其特征在于包含如下加工步骤：该铸锭可以当做挤压原料用于挤压制备各种直径的铝线；并可以配合后续的传统热轧方法和铜管进行复合来制备铜包铝线；这些铜包铝线的最后热处理工序为：真空时效处理165度，2.0小时。