CN108326313B

CN108326313B - 一种制备合金导线的连续挤压装置

Info

Publication number: CN108326313B
Application number: CN201711423245.5A
Authority: CN
Inventors: 卢科伟; 杨新伟; 王杰丰; 王成军; 钟小勇
Original assignee: Xinjiang Xijin Graphene Technology Co ltd
Current assignee: Xinjiang Xijin Graphene Technology Co ltd
Priority date: 2017-12-25
Filing date: 2017-12-25
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2037-12-25
Also published as: CN108326313A

Abstract

本发明提供了一种制备合金导线的连续挤压装置，该连续挤压装置包括挤压模块和粉末脱气模块。本发明提供的技术方案制备的石墨烯铝导线同时兼备铝合金的强度和纯铝的导电性；组织均匀性好，性能稳定性好；材料利用率高，一般可达95％；利用摩擦产生的热量升温，无需加热，节省能源；工序少，生产效率高，产品成品率高；可实现产品的连续生产，无间隔时间；既适合大批量生产，也适于小批量多品种生产；产品性能好，尺寸精度高，光洁度好。

Description

一种制备合金导线的连续挤压装置

技术领域

本发明涉及一种线材制备装置，具体讲涉及一种制备合金导线的连续挤压装置。

背景技术

随着输变电技术的提高和输变电线路的发展，越来越多的大跨越需要使用既能输送大电流，又能承受大张力的导线。铝合金导线在这方面愈来愈显示其优越性，在长距离、大跨越、超高压输电中，独占优势。目前，铝合金导线的材料包括纯铝和铝镁硅合金，但是二者的力学性能和电气性能的匹配性都较低。纯铝的导电性好，但强度较低；铝镁硅合金中由于Mg、Si等合金元素的添加，在提升材料强度的同时，却带来了导电性的降低。近年来，随着高架输电线的悬挂跨度越来越大，对铝导线电缆的性能提出了更高的要求。为此，开发一种强度高、导电性好的新型铝导线电缆就显得十分必要。

石墨烯是一种由碳原子构成的二维纳米材料，呈单层片状结构(厚度仅为几个纳米)。由于其独特的二维蜂窝晶体结构和极高的键强度，石墨烯是目前已知的世界上比强度最高、最坚硬的纳米材料，其强度达130GPa，杨氏模量约为1100GPa，断裂强度约为125GPa。更重要的是，石墨烯还是世上电阻率最低的材料(电阻率仅约10nΩ·m)，导电率达200％IACS。因此，利用石墨烯的高强度和良好的导电性，并将其与纯铝或铝复合材料复合，制备成石墨烯/铝复合材料，可望用来改善铝电缆的强度和导电性，使铝导线的力学性能和电气性能得到更好的匹配，从而满足高架输电线对强度高、导电性好的新型铝导线电缆的迫切需求。

石墨烯铝导线的制备方法包括熔融铸造法和粉末冶金法。采用传统熔融铸造法，由于二者密度差异大、界面不润湿，石墨烯很难在铝液内部均匀分散，此外，二者在材料制备过程中还有可能发生高温界面反应，生成Al₄C₃脆性相，恶化材料性能。采用传统的粉末冶金法存在的一个缺点是生产的不连续性，导线长度受到限制，前后坯料的挤压之间需要进行分离压余、填充坯料等一系列辅助操作，影响了铝导线的生产效率。因此，为实现石墨烯铝导线的工程化应用并适应铝导线电缆产品的规模化生产，就需突破现有工艺水平，创造出一条低成本且可连续生产的批生产工艺。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明将传统粉末冶金法和连续挤压法有机地结合在一起，提供了一种连续挤压方法制备石墨烯/铝复合材料，创造性地实现了石墨烯铝导线的连续生产。以石墨烯/铝混合粉末为坯料，连续挤压时粉末与工具表面的摩擦发热较为显著，巧妙地利用了粉末与工具之间的摩擦力。因此，石墨烯铝粉末不需进行外部加热即可使变形区的温度上升400～500℃，压力达到1000MPa，从而实现石墨烯铝导线的高致密低孔隙制备。

本发明的目的是采用以下技术方案实现的：

一种制备合金导线的连续挤压装置，该装置包括挤压模块和粉末脱气模块；挤压模块包括挤压轮1和位于进料口3末端和挤压轮1一侧的横截面与其吻合的弧形靴座2，进料口3设于挤压轮1上方，挤压轮1和进料口3间设有粉末加热脱气装置，弧长小于所述挤压轮1的半圆的弧长，挤压轮1和靴座2接触部分的末端间沿弧依次设有挤压模5和挡块4；

粉末脱气模块用粉末预处理包括以下步骤：

(1)用酒精乳化石墨烯；

(2)超声分散酒精乳化的石墨烯0.5～1.0h，得到石墨烯和酒精混合溶液；

(3)于石墨烯和酒精混合溶液中分批加入-200～400目的合金粉末，在100～500r/min转速，40～60℃温度下，混合1～2h，得到半固态糊状的石墨烯/合金混合粉体；

(4)将石墨烯/合金混合粉体进行真空脱气和连续挤压；

按质量百分比计合金含下述组份：Si≤0.1％，Fe，0.3～0.8％，Cu，0.15～0.3％，Mg≤0.05％，Zn≤0.05％，B，0.001～0.04％，其余为Al。

一种制备合金导线的连续挤压装置的第一优选方案，步骤(1)中，石墨烯占复合材料总质量的0.5～1.0％。

一种制备合金导线的连续挤压装置的第二优选方案，步骤(2)中，所述超声分散采用超声细胞粉碎仪，得到10层以下的石墨烯占60-70％。

一种制备合金导线的连续挤压装置的第三优选方案，按100～150g/10min的速度加入合金粉末。

一种制备合金导线的连续挤压装置的第四优选方案，于1.0～5.0L/min流速、300～400℃温度和2.0～5.0×10-3Pa真空度下进行真空脱气。

一种制备合金导线的连续挤压装置的第五优选方案，于300～400℃温度，挤压轮5～15r/min转速，20～30挤压比下进行连续挤压。

一种制备合金导线的连续挤压装置的第六优选方案，挤压轮1外壁设有与挤压轮轴心垂直的沟槽。

一种制备合金导线的连续挤压装置的第七优选方案，按质量百分比计，挤压轮由含下述组分的材料制得：C 0.32～0.45％，Si 0.8～1.2％，Mn 0.2～0.5％，Cr 4.75～5.5％，Mo 1.1～1.75％，V 0.8～1.2％，P≤0.03％，S≤0.03％，其余为Fe。

和最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

(1)所制备的石墨烯铝导线同时兼备铝合金的强度和纯铝的导电性。强度(240MPa～260MPa)与传统铝合金导线相当，电阻率(28.5nΩ·m)与纯铝导线相当；

(2)组织均匀性好，性能稳定性好；

(3)材料利用率高，一般可达95％；

(4)利用摩擦所产生的热量升温，无需加热，从而节省能源；

(5)工序少，生产效率高，产品成品率高；

(6)可实现产品的连续生产，无间隔时间；

(7)既适合大批量生产，也适于小批量多品种生产；

(8)产品性能好，尺寸精度高，光洁度好。

附图说明

图1为连续挤压设备示意图；

其中：1.挤压轮；2.靴座；3.进料口；4.挡块；5.挤压模。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图作进一步详细说明，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种石墨烯/铝复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)称取石墨烯和-200～400目的铝合金粉末，石墨烯占总质量的0.5％；

(2)石墨烯在酒精溶液中超声分散0.5h，得到石墨烯/酒精混合溶液；

(3)将铝合金粉末分批加入石墨烯/酒精混合溶液中，转速100r/min，温度40℃下，混合2h，得到半固态糊状的石墨烯/铝合金混合粉体；

(4)将混合均匀的石墨烯/铝粉体置于连续挤压设备入料处；

(5)打开进料阀，在石墨烯/铝混合粉末向下流动的过程中，进行动态真空脱气，流速1.0L/min，加热温度300℃，真空度2.0×10^-3Pa；

(6)将真空脱气后的石墨烯/铝粉末进行连续挤压，得到石墨烯铝导线。挤压温度300℃，挤压轮转速5r/min，挤压比20。

实施例2：

一种石墨烯/铝复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)称取石墨烯和-200～400目的铝合金粉末，石墨烯占总质量的1.0％；

(2)石墨烯在酒精溶液中超声分散1.0h，得到石墨烯/酒精混合溶液；

(3)将铝合金粉末分批加入石墨烯/酒精混合溶液中，转速500r/min，温度60℃下，混合1h，得到半固态糊状的石墨烯/铝合金混合粉体；

(4)将混合均匀的石墨烯/铝粉体置于连续挤压设备入料处；

(5)打开进料阀，在石墨烯/铝混合粉末向下流动的过程中，进行动态真空脱气，流速5.0L/min，加热温度400℃，真空度5.0×10^-3Pa；

(6)将真空脱气后的石墨烯/铝粉末进行连续挤压，得到石墨烯铝导线。挤压温度400℃，挤压轮转速15r/min，挤压比30。

实施例3：

一种石墨烯/铝复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)称取石墨烯和-200～400目的铝合金粉末，石墨烯占总质量的0.7％；

(2)石墨烯在酒精溶液中超声分散1.5h，得到石墨烯/酒精混合溶液；

(3)将铝合金粉末分批加入石墨烯/酒精混合溶液中，转速250r/min，温度50℃下，混合1.5h，得到半固态糊状的石墨烯/铝合金混合粉体；

(4)将混合均匀的石墨烯/铝粉体置于连续挤压设备入料处；

(5)打开进料阀，在石墨烯/铝混合粉末向下流动的过程中，进行动态真空脱气，流速3.5L/min，加热温度350℃，真空度3.5×10^-3Pa；

(6)将真空脱气后的石墨烯/铝粉末进行连续挤压，得到石墨烯铝导线。挤压温度350℃，挤压轮转速10r/min，挤压比25。

上述实施例使用的合金，按质量百分比计含下述组份：Si≤0.1％，Fe，0.3～0.8％，Cu，0.15～0.3％，Mg≤0.05％，Zn≤0.05％，B，0.001～0.04％，其余为Al

如附图1所示，由旋转的挤压轮上的矩形断面沟槽和固定靴座所组成的环形通道起到普通挤压法中挤压筒的作用，当挤压轮旋转时，借助于槽壁上的摩擦力不断地将石墨烯/铝混合粉末送入而实现连续挤压，获得长度不受限制的石墨烯铝导线。

按质量百分比计，挤压轮由含下述组分的材料制得：C 0.32～0.45％，Si 0.8～1.2％，Mn 0.2～0.5％，Cr 4.75～5.5％，Mo 1.1～1.75％，V 0.8～1.2％，P≤0.03％，S≤0.03％，其余为Fe。

对以上实施例制得的产品进行性能分析，所得结果如下表1所示：

表1本发明制备的铝导线与传统铝导线性能对比

与传统铝合金导线相比，本发明制备的石墨烯/铝复合导线可满足240MPa～260MPa的抗拉强度，同时电阻率可低至28.0～28.5nΩ·m，伸长率比中强度铝合金线材有所提高，力学性能和电气性能的匹配度较好。可实现显著降低中低压高架导线的电力路损，减少中低压高架导线的铜材用量，具有广阔的应用前景，显著的经济效益和社会效益。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种石墨烯/铝合金复合材料的制备方法，所述制备方法采用的连续挤压装置包括挤压模块和粉末脱气模块；所述挤压模块包括挤压轮(1)和弧形靴座(2)；所述弧形靴座(2)位于进料口(3)末端；挤压轮(1)一侧的外表面与所述弧形靴座(2)吻合；进料口(3)设于所述挤压轮(1)上方，所述挤压轮(1)和进料口(3)间设有粉末加热脱气装置，所述弧形靴座(2)与所述挤压轮(1)接触的弧长小于所述挤压轮(1)的半圆的弧长，所述挤压轮(1)和所述弧形靴座(2)接触部分的末端间沿弧依次设有挤压模(5)和挡块(4)；

所述石墨烯/铝合金复合材料的制备方法包括以下步骤：

(1)用酒精乳化石墨烯；

(3)于所述石墨烯和酒精混合溶液中分批加入-200～400目的铝合金粉末，在100～500r/min转速，40～60℃温度下，混合1～2h，得到半固态糊状的石墨烯/铝合金混合粉体；

(4)将所述石墨烯/铝合金混合粉体进行真空脱气和连续挤压；

按质量百分比计所述铝合金含下述组份：Si≤0.1％，Fe 0.3～0.8％，Cu 0.15～0.3％，Mg≤0.05％，Zn≤0.05％，B 0.001～0.04％，其余为Al；

所述步骤(4)中，石墨烯占复合材料总质量的0.5～1.0％；

所述步骤(2)中，所述超声分散采用超声细胞粉碎仪，得到10层以下的石墨烯占60-70％；

所述步骤(3)中，按100～150g/10min的速度加入所述铝合金粉末；

所述步骤(4)中，于1.0～5.0L/min流速、300～400℃温度和2.0～5.0×10-3Pa真空度下进行所述真空脱气；

所述步骤(4)中，于300～400℃温度，挤压轮5～15r/min转速，20～30挤压比下进行所述连续挤压；

所述挤压轮(1)外壁设有与所述挤压轮轴心线垂直的沟槽。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/铝合金复合材料的制备方法，其特征在于，按质量百分比计，所述挤压轮由含下述组分的材料制得：C 0.32～0.45％，Si 0.8～1.2％，Mn0.2～0.5％，Cr 4.75～5.5％，Mo 1.1～1.75％，V 0.8～1.2％，P≤0.03％，S≤0.03％，其余为Fe。