CN108220693A

CN108220693A - 一种大稀土含量的高强高导耐热铝合金导线及其制备方法

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Publication number: CN108220693A
Application number: CN201711467726.6A
Authority: CN
Inventors: 高海燕; 王朦朦; 王俊; 尤伟任; 顾孙望; 李敏; 张驰
Original assignee: SHANGHAI ZHONGTIAN ALUMINIUM WIRE CO Ltd; Shanghai Jiaotong University
Current assignee: SHANGHAI ZHONGTIAN ALUMINIUM WIRE CO Ltd; Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2018-06-29
Anticipated expiration: 2037-12-28
Also published as: CN108220693B

Abstract

本发明提供一种大稀土含量的高强高导耐热铝合金导线及其制备方法，所述导线由下列重量百分含量的元素组成：锆Zr为0.1～2％，镧La为2～5％，铈Ce为2～6％，Y为2～6％，铁Fe为0.05～0.20％，硅Si为0.05～0.10％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝。本发明还提供上述导线的制备方法。本发明耐热铝合金导线的抗拉强度达到320MPa，导电率可达60％IACS，长期运行温度可达到300℃，且经得起280℃下加热1小时的考核运行，强度不降反升。400℃下加热1小时考核运行，强度残存率大于97％。

Description

一种大稀土含量的高强高导耐热铝合金导线及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金导线技术领域，具体地，涉及一种架空供电输变线路上所使用的高强度、高导电和耐热铝合金导线及其制造方法。

背景技术

随着我国国民经济的高速发展，输电线路向高压化、远距离化和大容量化方向发展。而目前我国城乡供电输变线路上所使用的耐热导线，一般由普通的耐热铝合金单线和普通镀锌钢丝绞合而成。这种普通耐热导线，一般长期运行温度不超过150℃，较普通导线只能提高载流量1.6倍，提高容量不大，且电导率在60％IACS以下，导电率低，线损较大。若想要增加输电容量而运行温度不变，必须新增输电线路或者加大导线截面积，这两种措施都会遇到增加投资，费用高昂，改造铁塔和扩大架线占用宝贵的土地资源等诸多困扰。

而作为加强元件的普通镀锌钢丝，预热后线膨胀系数大，输送电容量增加后，导线温度升高，弧垂增加，影响线路的安全运行。根据我国“西电东送”、“全国联网”的战略部署，远距离、大容量输电线路的建设势在必行，同时也对输电导线提出了更高的要求。

经检索，中国发明专利CN201210189763.6，公开了一种高强高导耐热铝合金导线及其制备方法，其导线由下列重量百分比的元素组成:锆Zr为0.15～0.60％，镧La为0.03～0.30％，铈Ce为0.03～0.30％，钇Y为0.01～0.30％，铁Fe为0.05～0.20％，硅Si为0.01～0.10％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝。该专利中报道的耐热铝合金是基于析出强化的，其强化效果来自于热处理后形成的L12结构的Al₃Zr弥散强化相。该弥散强化相与铝基体具有共格关系，钉扎在晶界处，起到抑制再结晶粗化的作用。Zr在铝中的扩散系数很低，从而保证了Al₃Zr弥散强化相的热稳定性与抗颗粒粗化的能力。但是，热处理所用的时间就会变长。另外，Zr具有较大的偏析系数，易产生无析出带，对材料的强度造成了一定有害影响。微量Y的加入起到了促进Al₃Zr形核析出的作用，微量La,Ce的加入在铝基体中形成了Al₁₁(La,Ce)₃颗粒相，起到增加耐热相的作用。Fe和Si属于不可避免的杂质含量。

然而，基于析出强化的铝合金，其要求合金元素在铝合金中有一定的固溶度，再通过后续的时效热处理析出弥散型共格强化相。但是，元素的固溶会导致电导率急剧下降。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种大稀土含量的高强高导耐热铝合金导线及其制造方法。

根据本发明的一个方面，提供一种大稀土含量的高强高导耐热铝合金导线，由下列重量百分含量的元素组成：锆Zr为0.1～2％，镧La为2～5％，铈Ce为2～6％，Y为2～6％，铁Fe为0.05～0.20％，硅Si为0.05～0.10％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝。

优选地，所述大稀土含量的高强高导耐热铝合金导线由下列重量百分含量的元素组成：锆Zr为0.2～1％，镧La为2～3％，铈Ce为2～3％，Y为2～4％，铁Fe为0.05～0.20％，硅Si为0.05～0.10％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝。

根据本发明的另一方面，提供一种上述大稀土含量的高强高导耐热铝合金导线的制备方法，即：配制原材料放入熔炼炉中、升温除气熔炼、造渣、除渣、连铸连轧成耐热铝合金杆材、热处理、拉丝机拉制成耐热铝合金单线。

具体地，所述方法包括如下步骤：

将工业纯铝锭放在熔炉中熔化得到铝熔体，铝熔体温度为720～750℃；

在铝熔体中加入铝锆、铝镧、铝铈和铝钇中间合金，使合金成分达到预设成分，充分搅拌、精炼除气、除渣静置，在750℃～800℃进入连铸连轧生产线，铸成铝合金铸条；

将铝合金铸条在轧机上热轧，通过铝连铸连轧生产线生产成耐热铝合金杆材；

对铝合金杆材进行热处理，将经过热处理的铝合金杆材，进行拉丝、绞线生产成高强高导耐热铝合金导线。

优选地，所述铝锆中间合金中锆的重量百分含量为5％。

优选地，所述铝镧、铝铈、铝钇中间合金中，其中镧、铈、钇的重量百分含量都为11％。

优选地，所述铝锭，其纯度为99.7％及以上。

优选地，所述将铝合金铸条在轧机上热轧，其进轧温度为500～530℃。

优选地，所述对铝合金杆材进行热处理，其中热处理温度为250℃～500℃，时间为6～10小时。

更优选地，所述热处理，是指对铝合金杆进行固溶与时效热处理，其中：固溶热处理的温度范围480℃～520℃之间，时间在1～3小时，时效热处理温度范围在250℃～285℃之间，时间在1～6小时。

本发明所述的铝合金导线，在包含的元素种类上与背景技术中的CN201210189763.6看似相同，但是实际上属于两种完全不同的合金设计思路：

首先，本发明中的稀土主要作为合金元素添加，而不仅仅是微量添加。

其次，本发明所述铝合金导线，铸态下组织组成物为枝晶状的α-Al基体以及沿晶界连续分布的网状共晶体，其中共晶体是由α-Al与Al₁₁(La,Ce,Y)₃组成的，因此该合金的高强度来源于共晶体中Al₁₁(La,Ce,Y)₃相的第二相强化，而不是通过纳米级弥散析出相的强化。

再次，由Al-RE(RE代表La，Ce，Y)二元相图可知，Al₁₁RE₃都是高熔点的金属间化合物，具有良好的耐热性，所以该合金即使不通过后续热处理也可以达到高强耐热的目标。这是目前为止报道的耐热铝所不具备的突出特点(包括上述的CN201210189763.6)。拉成丝后的导线通过进一步热处理可以进一步提升性能，而且，热处理所用的时间只需要6～10小时。

最后，本发明铝合金导线中，由于La、Ce、Y稀土在铝中的固溶度几乎可以忽略，所以不会降低合金的电导率，这是本发明的第二个突出特点，Zr的加入进一步提高了Al₁₁RE₃相的耐热性。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.本发明所述的耐热铝合金导线的成分有别于传统耐热铝，其特点在于加入了6～10wt.％的稀土元素。由于稀土元素(La，Ce，Y)与Al之间形成了高熔点的共晶稀土化合物，可以有效地钉扎晶界，抑制高温下的再结晶软化。经测试单线的抗拉强度达到230MPa，导电率达到60％IACS。

2.稀土的复合添加产生了一系列不可预期的组织与性能变化，其中La、Ce元素的加入细化了共晶相的层片间距以及增强了共晶相抗粗化的能力，Y的加入则主要提高了合金的延伸率。

3.现行6系耐热电工铝中，添加了Mg，Si等合金元素，Mg，Si在Al基体中具有一定的固溶度，而金属的电导率绝大程度上取决于元素在铝基体中的固溶度，第二相以及相界面对合金电导率的影响几乎可以忽略。少量的元素固溶会导致铝合金电导率的急剧下降。在本发明所述合金中，尽管添加了大量稀土元素，由于稀土元素在铝中具有极低的固溶度，在合金凝固的过程中，稀土元素会与Al反应生成高熔点的Al-RE金属间化合物，在基体中的固溶度却很小。因此大量的稀土添加，不仅提高了强度，也没有损失其电导率，可以减少钢芯的使用量，极大的减轻了绞线的重量，这在目前国内外中属于首次提出。

4.本发明耐热铝合金导线的抗拉强度达到320MPa，导电率可达60％IACS，长期运行温度可达到310℃，且经得起280℃下加热1小时的考核运行，强度不降反升。400℃下加热1小时考核运行，强度残存率大于95％，可以达到97％。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例制备的耐热铝合金导线，成分为：锆Zr为0.2％，镧La为2％，铈Ce为2％，钇Y为2％，铁Fe为0.10％，硅Si为0.10％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝Al。

上述耐热铝合金导线的制备方法，由以下步骤构成：

选择Al 99.7％工业纯铝置于熔炼炉中熔化成铝液，将铝液升温至720～750℃；

按配方Zr 0.2％，La 2％，Ce2％，Y2％，Fe0.1％，Si0.10％分别称取中间合金放入铝液中，待中间合金熔化后放入除气剂除气，并使用石墨棒缓慢充分搅拌；除气除渣静置后，得到铝合金液体，在750℃～800℃进入连铸连轧生产线，铸成铝合金铸条；

将铝合金铸条在轧机上热轧，进轧温度为500～530℃，通过铝连铸连轧生产线生产成耐热铝合金杆材；

对铝合金杆材进行固溶与时效热处理，固溶热处理温度为500℃，时间为4小时，时效热处理温度为280℃，时间为3小时。

本实施例所得的热铝合金导线，电导率测试结果表明电导率在60％IACS以上，经力学性能检测抗拉强度为250MPa，在280℃下加热1小时后，强度不降反升；在400℃加热1小时后，强度残存率高于95％。

实施例2：

本实施例制备的热铝合金导线，成分为：锆Zr为1％，镧La为2％，铈Ce为2％，钇Y为4％，铁Fe为0.10％，硅Si为0.10％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝。

选择Al 99.7％工业纯铝置于熔炼炉中熔化成铝液，将铝液升温至720℃～750℃；

按配方Zr 1％，La 2％，Ce2％，Y4％，Fe0.1％，Si0.1％分别称取中间合金放入铝液中；待中间合金熔化后放入除气剂除气，并使用石墨棒缓慢充分搅拌；除气除渣后，得到铝合金液体，在750℃～800℃进入连铸连轧生产线，铸成铝合金铸条；

对铝合金杆进行固溶与时效热处理，固溶热处理温度为500℃，时间为6小时，时效热处理温度为280℃时间为4小时。

本实施例所得的热铝合金导线，电导率测试结果表明电导率在60％IACS以上，经力学性能检测抗拉强度为320MPa，在280℃下加热1小时后，强度不降反升；在400℃加热1小时后，强度残存率高于97％。

实施例3：

本实施例制备的耐热铝合金导线，成分为：锆Zr为0.5％，镧La为2.5％，铈Ce为2.5％，钇Y为3.5％，铁Fe为0.15％，硅Si为0.05％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝。

制备方法参照上述实施例1。

本实施例得到的铝合金导线的成分有别于传统耐热铝，加入了6～10wt.％的稀土元素。由于稀土元素(La，Ce，Y)与Al之间形成了高熔点的共晶稀土化合物，可以有效地钉扎晶界，抑制高温下的再结晶软化。经测试单线的抗拉强度达到270MPa，导电率达到60％IACS。

实施例4：

本实施例制备的耐热铝合金导线，成分为：锆Zr为0.8％，镧La为3％，铈Ce为2.2％，钇Y为3.5％，铁Fe为0.05％，硅Si为0.05％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝。

制备方法参照上述实施例1。

本实施例得到的铝合金导线的成分有别于传统耐热铝，加入了6～10wt.％的稀土元素。由于稀土元素(La，Ce，Y)与Al之间形成了高熔点的共晶稀土化合物，可以有效地钉扎晶界，抑制高温下的再结晶软化。经测试单线的抗拉强度达到300MPa，导电率达到60％IACS。

实施例5：

本实施例制备的耐热铝合金导线，成分为：锆Zr为0.8％，镧La为5％，铈Ce为2.2％，钇Y为6％，铁Fe为0.05％，硅Si为0.05％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝。

制备方法参照上述实施例1。

本实施例得到的铝合金导线的成分有别于传统耐热铝，加入了大量的稀土元素，不仅提高了强度，也没有损失其电导率。由于稀土元素(La，Ce，Y)与Al之间形成了高熔点的共晶稀土化合物，可以有效地钉扎晶界，抑制高温下的再结晶软化。经测试单线的抗拉强度达到285MPa，导电率达到60％IACS。

实施例6：

本实施例制备的耐热铝合金导线，成分为：锆Zr为0.8％，镧La为3％，铈Ce为6％，钇Y为2％，铁Fe为0.05％，硅Si为0.05％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝。

制备方法参照上述实施例1。

本实施例得到的铝合金导线的成分有别于传统耐热铝，加入了大量的稀土元素，不仅提高了强度，也没有损失其电导率。由于稀土元素(La，Ce，Y)与Al之间形成了高熔点的共晶稀土化合物，可以有效地钉扎晶界，抑制高温下的再结晶软化。经测试单线的抗拉强度达到275MPa，导电率达到60％IACS。

对比实施例：

本实施例中制备的铝合金导线，成分为：锆Zr为0.2％，钇Y为4％，铁Fe为0.10％，硅Si为0.10％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝。

上述耐热铝合金导线的制备方法，按照以下步骤执行：

选择Al 99.7％工业纯铝置于熔炼炉中熔化成铝液，将铝液升温至720℃～750℃，按配方Zr 0.2％，Y4％，Fe0.1％，Si0.1％分别称取中间合金放入铝液中；

待中间合金熔化后放入除气剂除气，并使用石墨棒缓慢充分搅拌，除气除渣静置后，得到铝合金液体，在750℃～800℃进入连铸连轧生产线，铸成铝合金铸条；

将铝合金铸条在轧机上热轧，进轧温度为500℃～530℃，通过铝连铸连轧生产线生产成耐热铝合金杆材；

对铝合金杆材进行热处理，固溶热处理温度为500℃，时间为4小时，时效热处理温度为280℃时间为3小时。

本实施例所得的耐热铝合金导线，电导率测试结果表明电导率在60％IACS以上，经力学性能检测抗拉强度为180MPa，在280℃下加热1小时后，强度不降反升；在400℃加热1小时后，强度残存率高于90％。

通过上述实施例对比可以看出，本发明实施例所述的耐热铝合金导线的性能远远好于对比例中的性能，而且本发明中大量的稀土添加，不仅提高了强度，也没有损失其电导率，可以减少钢芯的使用量，极大的减轻了绞线的重量。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，变化本发明中的元素含量以及制备参数条件可以得到不同的实施例，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种大稀土含量的高强高导耐热铝合金导线，其特征在于，由下列重量百分含量的元素组成：锆Zr为0.1～2％，镧La为2～5％，铈Ce为2～6％，Y为2～6％，铁Fe为0.05～0.20％，硅Si为0.05～0.10％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝。

2.根据权利要求1所述的大稀土含量的高强高导耐热铝合金导线，其特征在于，由下列重量百分含量的元素组成：锆Zr为0.2～1％，镧La为2～3％，铈Ce为2～3％，Y为2～4％，铁Fe为0.05～0.20％，硅Si为0.05～0.10％，其他杂质元素含量≤0.10％，其余为铝。

3.根据权利要求1或2所述的大稀土含量的高强高导耐热铝合金导线，其特征在于，所述镧La、铈Ce和钇Y，与铝Al之间形成高熔点的共晶稀土化合物。

4.根据权利要求3所述的大稀土含量的高强高导耐热铝合金导线，其特征在于，所述铝合金导线，在铸态下组织组成物为枝晶状的α-Al基体以及沿晶界连续分布的网状共晶金属间化合物，其中共晶体是由α-Al与Al₁₁(La,Ce,Y)₃组成的，该合金的高强度来源于共晶体中Al₁₁(La,Ce,Y)₃相的第二相强化。

5.一种权利要求1-4任一项所述的大稀土含量的高强高导耐热铝合金导线的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的大稀土含量的高强高导耐热铝合金导线的制备方法，其特征在于，所述铝锆中间合金中锆的重量百分含量为5％；和/或，

所述铝镧、铝铈、铝钇中间合金中，其中镧、铈、钇的重量百分含量都为11％。

7.根据权利要求5所述的大稀土含量的高强高导耐热铝合金导线的制备方法，其特征在于，所述将铝合金铸条在轧机上热轧，其进轧温度为500～530℃。

8.根据权利要求5所述的大稀土含量的高强高导耐热铝合金导线的制备方法，其特征在于，所述对铝合金杆材进行热处理，其中热处理温度为250℃～500℃，时间为6～10小时。

9.根据权利要求8所述的大稀土含量的高强高导耐热铝合金导线的制备方法，其特征在于，所述热处理，是指对铝合金杆进行固溶热处理与时效热处理，其中：固溶热处理的温度范围480℃～520℃之间，时间在1～3小时，时效热处理温度范围在250℃～285℃之间，时间在1～6小时。

10.根据权利要求5-9任一项所述的大稀土含量的高强高导耐热铝合金导线的制备方法，其特征在于，所述铝锭，其纯度为99.7％及以上。