CN108198646B - 一种铝包铝合金线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝包铝合金线及其制备方法，属于双金属复合线技术领域。将铸造工业纯铝圆筒与铸造铝合金圆柱进行过盈装配制备铝包铝合金坯锭，然后经过锻造、轧制和冷拉拔等步骤制备铝包铝合金线。利用该方法制备的铝包铝合金线界面可以实现原子级的冶金结合，从而避免了双金属复合线界面结合性差的问题。在设计上，这种铝包铝合金线利用了“集肤效应”原理，结合了纯铝的高导电率特性和铝合金的高强度特性实现高强高导，这种线主要用于长距离高压交流输电线路。

Description

一种铝包铝合金线及其制备方法
技术领域
本发明涉及双金属复合线技术领域，具体涉及一种铝包铝合金线及其制备方法。
背景技术
电力是工业发展的能源基础。因此，电力需求随着工业的发展而日益增长。由于我国几大发电厂位置较为偏远，这就导致了难以避免的远距离输送电力，同时也造成难以估计的电能损耗。因此，节能导体材料在近几十年来得到了广泛关注。工业纯铝和铝镁硅合金具有良好的导电性和高比强度，被广泛用作节能导电材料。例如，钢芯铝绞线，铝合金芯铝绞线和全铝合金绞线广泛应用于架空输电线[F.Kiessling,P.Nefzger,J.F.Nolasco,U.Kaintzyk,Overhead power lines:planning,design,construction,Springer2014.]。
强度和导电率是架空输电线最为重要的两个性能指标。高的强度可以保证导线在服役过程中的安全可靠性，高的导电率可以降低电能传输过程中的线路损耗。强化金属材料的几种方法有：位错强化、细晶强化、固溶强化、析出相强化。但是，在导电过程中，位错、晶界、固溶原子和析出相均会对电子产生散射，减小了电子传输的平均自由程，从而导致导电率的下降。因此，强度和导电率在金属材料中通常相互制约。例如：纯铝有相对高的导电率和低的强度，铝合金具有更高的强度和低的导电率。如何打破强度和导电率的制约关系从而制备高强高导电的导线是非常重要的科学难题和工业问题[J.P.Hou,Q.Wang,H.J.Yang,X.M.Wu,C.H.Li,X.W.Li,Z.F.Zhang,Microstructure evolution andstrengthening mechanisms of cold-drawn commercially pure aluminum wire,Mater.Sci.Eng.A 639(2015)103-106.]。
在高压电力输送线路中，有很大部分是采用交流电输送电力。交流电流传输过程中具有“集肤效应”特性，即在交流电传输过程中电流会集中在导体表层部分，这就为制备高强度高导电导线提供了理论支持。利用高导电率金属作为外层金属并利用高强度金属作为芯部材料来制备复合金属线，这种复合金属线成功地利用了“集肤效应”原理，利用结构设计打破强度和导电率制约关系，提高导体材料强度和导电率，从而达到降低线路电能损耗和节能的目的。
铜包铝导线就是一种典型的基于“集肤效应”原理制备的双金属复合线。铜包铝线是通过包覆焊接制造技术制备的一种典型双金属复合线，将高品质铜带同心地包覆在铝杆的外表面，并使铜层和铝芯线之间形成牢固的原子间的冶金结合，从而使得两种不同的金属材料结合成为不可分割的整体。外层纯铜承载电子传输，芯部铝代替铜实现了轻量化和廉价的目的。
铜包铝线的优点是导电率更高，但由于铜的价格较高，并且大部分依赖进口，因而铜包铝线的价格明显高于铝导线，这就限制了其在架空输电线领域的应用。铜的密度显著高于铝，因而铜包铝线的比强度会提高。此外，铜包铝线的制备也受到一些关键问题的制约，铜包铝线在热处理环节会在铜铝界面处会析出金属间化合物Cu-Al相，这种金属间化合物的产生严重影响铜铝复合界面的力学性能和导电性能。这里需要指出，作为高压输电线路用的裸导线在服役过程中会受到较大的载荷作用，包括风载、冰载以及自身重量等，这会极大地考验复合线的界面性能[T.T.Sasaki,M.Barkey,G.B.Thompson,Y.Syarif,D.Fox,Microstructural evolution of copper clad steel bimetallic wire,Mater.Sci.Eng.A 528(2011)2974-2981.]。因此，在复合线设计和制备过程中，如何获得良好的界面性能是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术中存在的双金属复合线的强度和导电率相互制约，以及制备过程中双金属复合线的界面处会析出金属间化合物影响界面性能的问题，本发明的目的在于提供一种铝包铝合金线及其制备方法，利用高压过盈装配的方法制备铝包铝合金坯锭，并进一步制备出具有良好冶金结合界面的铝包铝合金线，同时该复合线材结合外层纯铝的高导电和芯部铝合金的高强度特性，打破铝导线强度和导电率制约关系。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种铝包铝合金线，该铝包铝合金线为双金属复合导线，由外层的工业纯铝和铝合金芯部材料组成，外层工业纯铝与铝合金之间的界面为冶金结合。
该铝包铝合金线中工业纯铝的体积分数为50-70％；铝合金芯部材料的强度为240-320MPa，导电率为52.6-56.0％IACS。
该铝包铝合金线中，外层工业纯铝与铝合金之间为无缺陷的原子级结合界面。
该铝包铝合金线的强度为210-260MPa，导电率为58.0-60.0％IACS。
所述铝合金芯部材料为Al-Mg-Si系铝合金。
所述铝包铝合金线的制备方法，是以铸造工业纯铝圆筒和铸造铝合金圆柱为原材料，首先采用高压过盈装配制坯法制备铝包铝合金坯锭，然后依次经过锻造、轧制和冷拉拔处理后，获得所述铝包铝合金线。该方法具体包括如下步骤：
(a)铸锭熔炼：采用真空熔炼炉制备圆筒状纯铝铸锭和圆柱状铝合金铸锭；
(b)铸锭车削：采用机加工设备除去圆柱状铝合金铸锭表面的金属氧化皮，并制备成带有倒角的实心铝合金圆柱；采用机加工设备除去圆筒状纯铝铸锭内表面的金属氧化皮得到空心纯铝圆筒；
(c)高压过盈装配制坯：采用大吨位压缩机将实心铝合金圆柱压入空心纯铝圆筒内，即获得铝包铝合金坯锭；在高压过盈装配过程中，纯铝筒内壁与铝合金圆柱外壁相互接触摩擦破除氧化膜层，使界面达到冶金结合，再经后续锻造、轧制和拉拔处理后，在双金属线中获得无缺陷的原子级结合界面；
(d)锻造：采用锻造机对铝包铝合金坯进行锭锻，获得直径为的铝包铝合金棒料；
(e)轧制：采用轧制机对铝包铝合金棒料进行轧制，获得直径的铝包铝合金杆；
(f)拉拔：将所述铝包铝合金杆经过拉拔机拉拔得到铝包铝合金线。
上述步骤(b)中，经铸锭车削处理后，所述铝合金圆柱直径尺寸比空心纯铝圆筒内径尺寸大0.05-2.0mm。
上述步骤(d)中，锻造温度为450℃，锻造后水冷；步骤(e)中，轧制温度为390～420℃，轧制后水冷。
本发明的铝包铝合金线用于高压交流输电线路作为架空导线使用。
本发明设计原理及有益效果如下：
1、当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导线内部实际上电流较小，这一现象称为集肤效应。本发明设计了双金属复合线，双金属复合材料可以结合两种金属的各自优势性能。同时，考虑到交流电传输电力时存在集肤效应，即外层金属具有高导电性质，芯部金属具有高强度特性，设计了外部纯铝、芯部为铝合金的双金属线，让外层纯铝承担主要传输电流的任务，让内层高强度的铝合金承担支撑作用达到安全的目的，同时心部电流很小，达到降低交流电传输过程中的线路损耗，有效利用单线内部结构设计实现节能。这种双金属复合线结合了纯铝的高导电率特性和铝合金的高强度特性同时提高强度和导电率，主要用于长距离高压交流输电线路。
2、本发明将铸造工业纯铝圆筒与铸造铝合金圆柱进行过盈装配制备铝包铝合金坯锭，然后经过锻造、轧制和冷拉拔等步骤制备铝包铝合金线。利用该方法制备的铝包铝合金线以工业纯铝作为导线外层、铝合金作为芯部材料，制备时在高压过盈装配过程中，在机械作用下纯铝与铝合金界面相互接触摩擦破除氧化膜层，实现了双金属线中界面冶金结合提升了界面的结合力，后续加工过程中结合热变形和冷变形加工使界面实现原子级的冶金结合，从而避免了双金属复合线界面结合性差的问题。本发明中采用的高压过盈装配的方法非常适用于双金属复合材料的制备，并对其它复合材料的制备有指导和借鉴意义。
附图说明
图1为本发明制备铝包铝合金线工艺流程示意图。
图2为本发明铝包铝合金导线集肤效应原理示意图。
图3为实施例1制备的空心纯铝圆筒实物照片；其中：(a)横截面；(b)纵截面。
图4为实施例1中铝包铝合金坯锭加工过程；其中：(a)铝包铝合金坯锭加工现场；(b)铝包铝合金坯锭实体照片。
图5为实施例1制备的铝包铝合金线横截面金相照片。
图6为纯铝和铝合金界面横截面观察；其中：(a)500倍；(b)1000倍；(c)2000倍；(d)6000倍。
图7为纯铝和铝合金界面纵截面观察；其中：(a)500倍；(b)1000倍；(c)2000倍；(d)7000倍。
图8为纯铝和铝合金界面EBSD观察；其中：(a)和(b)为横截面；(c)和(d)为纵截面。
图9为纯铝和铝合金界面TEM观察。
图10为铝包铝合金线性能。
具体实施方式：
下面结合具体实施例来对本发明做进一步阐述，应理解，以下实施例仅限用于说明本发明，而不用于限制本发明的保护范围。
图1为本发明制备铝包铝合金线的工艺流程示意图。首先，通过真空熔炼炉制备纯铝圆柱筒和圆柱铝合金锭，铝合金圆柱的直径比空心纯铝圆筒内径尺寸大0.1-0.5mm。利用压缩机将铝合金圆柱压入到空心纯铝圆筒中实现过盈装配，获得了铝包铝合金铸锭。再经过锻造、轧制和拉拔工艺制备出铝包铝合金线。
本发明铝包铝合金线用于交流电传输过程中集肤效应原理示意图如图2所示，根据集肤效应，铝包铝合金线在传输交流电时，电流集中在导体的表层部分，越靠近导体表面，电流密度越大。
本发明高压过盈装配方法制备铝包铝合金线的主要目的包括：a.获得具有原子级结合界面的双金属复合线。b.结合纯铝的高导电特性和芯部铝合金高强度特性。c.根据集肤效应，作为交流电运输载体时提高铝导线导电率，实现节能。d.增加铝导体材料的科技含量，增加铝导体材料的科技附加值。
实施例1：
本实施例制备了铝包铝合金线，外层为A6工业纯铝，芯部材料为铝镁硅合金线；其中：工业纯铝成分为(wt.％)：Si 0.03％，Fe 0.10％，Mg 0.01％，Cu 0.01％，铝余量。铝合金成分为(wt.％)：Si 0.57％，Fe 0.15％，Mg 0.72％，La-Ce混合稀土0.15％，Ti 0.12％，Cu 0.01％，铝余量。
本实施例铝包铝合金线的制备过程如下：
步骤1：真空熔炼制备A6工业纯铝圆筒铸锭和铝镁硅合金圆柱铸锭。
步骤2：采用机床车削加工获得内径为50.0mm的空心纯铝圆筒(图3)和直径为50.5mm的实心铝合金圆柱。
步骤3：将空心纯铝圆筒内壁和实心铝合金圆柱外表面利用无水酒精清洗干净，并利用压缩机将铝合金圆柱缓慢地压入空心纯铝圆筒，获得铝包铝合金坯锭。加工现场如图4。
步骤4：铝包铝合金坯锭在450℃条件下进行锻造，锻造后水冷，获得直径为40mm的铝棒。
步骤5：铝棒进行轧制，轧制温度在390～420℃，轧制后水冷，获得直径为9.5mm的铝杆。
步骤6：铝杆经过10道次的冷拉拔获得直径为3.15mm的铝包铝合金线。铝包铝合金线横截面金相照片如图5所示。测试了成分与铝包铝合金线外层纯铝相同的纯铝线、成分与铝包铝合金线内层铝合金相同的铝合金线以及铝包铝合金线的强度和导电率。此外，基于混合定律计算了铝包铝合金线性能的理论值，结果列于表1。
表1铝线性能测试结果
本实施例制备的铝包铝合金线具体性能说明如下：
一、本实施例采用高压过盈装配制坯法制备出的铝包铝合金线获得了良好的界面性能。采用高压过盈装配制坯法制备的铝包铝合金线，外层采用工业纯铝，芯部为Al-Mg-Si铝合金。结果表明纯铝和铝合金的界面结合良好。如图6和图7所示，从扫描电镜的二次电子模式下观察的结果可以看出，无论是横截面还是纵截面，在低倍下能够看到界面，但是放大观察后界面消失(图6(d)和图7(d))，并且没有观察到任何缺陷，表明界面结合良好。此外，电子背散射衍射(EBSD)用于进一步分析纯铝和铝合金界面。如图8所示，可以看到在横截面和纵截面均有完整的晶粒穿过界面，说明在界面处已经达到了原子级结合。图9是在透射电子显微镜(TEM)下观察到的界面组织，同样看到了完整的晶粒穿过界面，并且存在位错与界面的交互作用。
二、采用高压过盈装配制坯法制备出的铝包铝合金线结合了铝合金的高强度和纯铝的高导电特性。对工业纯铝线、铝合金线和铝包铝合金线进行了导电率和强度测试，并对比了混合定律计算值。混合定律计算得到的强度和导电率分别采用下面公式进行计算：
σACAW＝σPA·fPA+σAA·fAA (公式1)
wACAW＝wPA·fPA+wAA·fAA (公式2)
式中，σACAW，混合定律计算得到的铝包铝合金线强度，MPa；σPA，实测纯铝线强度，MPa；fPA，铝包铝合金线中纯铝体积分数；σAA，混实测铝合金线强度，MPa；fAA，铝包铝合金线中铝合金体积分数；wACAW，混合定律计算得到的铝包铝合金线导电率，％IACS；wPA，实测纯铝线导电率，％IACS；wAA，实测铝合金线导电率，％IACS。
实测值和计算值如图10所示，铝包铝合金线的实际强度符合理论计算值，但是铝包铝合金线实际导电率高于理论计算值，这是因为导电时电阻小的区域更多的承载了电子传输。导电率提高0.6％IACS对于架空输电线会带来很显著的节能效果。因此，高压过盈装配方法制备的铝包铝合金线可以有效地结合铝合金高强度和纯铝高导电特性。
三、高压过盈装配方法制备铝包铝合金线，可以有效地结合铝合金高强度和纯铝高导电特性，能够降低电力传输过程中的电能线损，给社会带来了巨大的经济效益，同时有利于实现节能减排。高压过盈装配方法是一种通过机械加工结合锻造、轧制和拉拔变形制备铝包铝合金线的技术，同时可以应用于其它双金属线的制备。该工艺制备的铝包铝合金线有效地结合了铝合金高强度和纯铝高导电特性，既能保证铝线服役时的安全可靠性，又能降低电能传输过程中的电能线路损耗，有利于实现节能减排。这给企业和社会带来了巨大的经济效益。高压过盈装配方法实施比较简单，工艺不复杂，有利于推广。
上述实施例和对比例仅示例性说明本发明的原理及性能，并非全部内容，人们还可以根据本实施例在无需创造性劳动前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (8)

1.一种铝包铝合金线，其特征在于：该铝包铝合金线为双金属复合导线，由外层的工业纯铝和铝合金芯部材料组成，外层工业纯铝与铝合金之间的界面为冶金结合；
所述铝包铝合金线的制备方法是以铸造工业纯铝圆筒和铸造铝合金圆柱为原材料，首先采用高压过盈装配制坯法制备铝包铝合金坯锭，然后依次经过锻造、轧制和冷拉拔处理后，获得所述铝包铝合金线；该方法具体包括如下步骤：
(a)铸锭熔炼：采用真空熔炼炉制备圆筒状纯铝铸锭和圆柱状铝合金铸锭；
(b)铸锭车削：采用机加工设备除去圆柱状铝合金铸锭表面的金属氧化皮，并制备成带有倒角的实心铝合金圆柱；采用机加工设备除去圆筒状纯铝铸锭内表面的金属氧化皮得到空心纯铝圆筒；
(c)高压过盈装配制坯：采用大吨位压缩机将实心铝合金圆柱压入空心纯铝圆筒内，即获得铝包铝合金坯锭；在高压过盈装配过程中，纯铝筒内壁与铝合金圆柱外壁相互接触摩擦破除氧化膜层，使界面达到冶金结合，再经后续锻造、轧制和拉拔处理后，在双金属线中获得无缺陷的原子级结合界面；
(d)锻造：采用锻造机对铝包铝合金坯进行锭锻，获得直径为的铝包铝合金棒料；
(e)轧制：采用轧制机对铝包铝合金棒料进行轧制，获得直径的铝包铝合金杆；
(f)拉拔：将所述铝包铝合金杆经过拉拔机拉拔得到铝包铝合金线。
2.根据权利要求1所述的铝包铝合金线，其特征在于：该铝包铝合金线中工业纯铝的体积分数为50-70％；铝合金芯部材料的抗拉强度为240-320MPa，导电率为52.6-56.0％IACS。
3.根据权利要求1所述的铝包铝合金线，其特征在于：该铝包铝合金线中，外层工业纯铝与铝合金之间为无缺陷的原子级结合界面。
4.根据权利要求1所述的铝包铝合金线，其特征在于：该铝包铝合金线的抗拉强度为210-260MPa，导电率为58.0-60.0％IACS。
5.根据权利要求1所述的铝包铝合金线，其特征在于：所述铝合金芯部材料为Al-Mg-Si系铝合金。
6.根据权利要求1所述的铝包铝合金线，其特征在于：步骤(b)中，经铸锭车削处理后，所述铝合金圆柱直径尺寸比空心纯铝圆筒内径尺寸大0.05-2.0mm。
7.根据权利要求1所述的铝包铝合金线，其特征在于：步骤(d)中，锻造温度为450℃，锻造后水冷；步骤(e)中，轧制温度为390～420℃，轧制后水冷。
8.根据权利要求1所述的铝包铝合金线，其特征在于：所述铝包铝合金线用于高压交流输电线路作为架空导线使用。
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