CN108796403A - 一种高强高导工业纯铝导线制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强高导工业纯铝导线制备方法，包括铝导线微观组织结构设计、铝杆微观组织结构控制和导线拉丝加工；其中，通过铝导线微观组织结构设计来实现铝导线内部“晶粒细长化”+“织构<111>化”，通过铝杆微观组织结构控制来确定铝导线的力学性能和导电性能，拉丝加工包括多道次拉丝变形，通过多道次拉丝变形使铝导线的总变形量控制在60～100％，本发明的优点：通过铝导线微观组织结构设计来实现铝导线内部“晶粒细长化”+“织构<111>化”，从而使铝导线满足强度要求，同时显著提升铝导线的导电率，通过铝杆微观组织结构控制来确定铝导线的力学性能和导电性能。

Description

一种高强高导工业纯铝导线制备方法
技术领域
本发明涉及一种制备方法，尤其涉及一种高强高导工业纯铝导线制备方法。
背景技术
架空导线是由发电端向受电端输送电能的重要载体，在国民经济发展中发挥重要作用。在金、银、铜、铝四种金属结构材料中，铝是最适合作导线用的导体材料，它具有高比强度、低成本、良好的力学性能和导电性能，因而在架空输电线路中获得应用广泛。钢芯铝绞线是世界上应用历史最悠久的架空导线。美国于1908年率先提出了钢芯铝绞线结构。上世纪20年代，美国、瑞士和德国率先将铝和铝合金导线应用到高压输电线。20世纪50年代开始，日本和美国的输电线路50％以上采用铝和铝合金导线，法国更是高达80％。我国在上世纪70年代开始大规模使用钢芯铝绞线。随着国民经济的发展，铝及铝合金导线在架空导线上的应用与日俱增。铝导线通常应用在长距离输电线路用钢芯铝绞线上作为外层导体材料，它的主要功能是输送电流，在实际服役时需要承受各种载荷的作用，如风载、冰载以及自身载荷。因此，高强和高导是导体材料领域关注的重要科学和技术问题，高强高导铝导线的制备是线缆行业的核心技术。
制约高强高导铝导线制备技术发展的根源在于，大多数金属材料强度和导电率通常相互制约。传统的铝导线制备是采用原始铝杆经多道次拉丝加工制备成指定规格的铝导线。根据国家标准要求，铝导线抗拉强度≧160MPa，导电率≧61.0％IACS。传统铝导线生产技术的问题在于，其采用的指导思想是“试错法”，只要能生产出满足国家标准要求指标的铝导线就可以。传统生产技术缺乏对铝导线的微观组织结构设计，但微观组织结构设计是制备出高强高导工业纯铝导线的基础。由于传统制备技术中缺乏微观组织结构和制备工艺的科学设计，制备出的铝导线存在两点问题：其一，性能不稳定，波动性比较大；其二，不能保证生产出来的铝导线具有高强高导特性。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是提供一种高强高导工业纯铝导线制备方法，解决现有生产技术导致铝导线性能不稳定的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种高强高导工业纯铝导线制备方法，包括铝导线微观组织结构设计、铝杆微观组织结构控制和导线拉丝加工；其中，通过铝导线微观组织结构设计来实现铝导线内部“晶粒细长化”+“织构<111>化”，通过铝杆微观组织结构控制来确定铝导线的力学性能和导电性能，拉丝加工包括多道次拉丝变形，通过多道次拉丝变形使铝导线的总变形量控制在60～120％。
优选的，所述铝杆中Al的含量为99.0～100.0wt.％。
优选的，铝导线微观组织结构设计包括晶粒长度的设计、晶粒厚度的设计和织构强度的设计，通过晶粒厚度和织构强度来保证铝导线的强度，通过晶粒长度来保证铝导线的导电率。
优选的，铝杆微观组织结构控制包括控制铝杆的平均晶粒尺寸，通过铝杆的平均晶粒尺寸来决定铝导线的晶粒形状和尺寸。
优选的，所述铝导线的变形量通过(初始铝杆横截面积-终道次铝导线的横截面积)/初始铝杆的横截面积来计算。
综上所述，本发明的优点：1.通过铝导线微观组织结构设计来实现铝导线内部“晶粒细长化”+“织构<111>化”，从而使铝导线满足强度要求，同时显著提升铝导线的导电率，通过铝杆微观组织结构控制来确定铝导线的力学性能和导电性能，由于晶粒在铝导线径向截面上的尺寸，即晶粒的粗细，决定了铝导线的强度，晶粒在铝导线轴线方向上的尺寸决定了铝导线的导电率，对强度影响很小，因此“晶粒细长化”可以打破铝导线强度-导电率制约关系，实现工业纯铝导线高强高导，晶粒的取向对强度影响较大，它可归因于材料性能的各向异性，晶粒取向对导电率影响很小。因此，“织构<111>化”进一步打破铝导线强度-导电率制约关系，进一步实现工业纯铝高强高导，铝导线内部“晶粒细长化”+“织构<111>化”可以使制备出的工业纯铝导线性能达到最优，同时使不同批次产品性能稳定，不会产生因为制造批次不同性能出现巨大差异的问题，利用本发明的制备方法制备的高强高导铝导线在架空输电线路上应用可以有效降低线路损耗，推动节能减排。该制备方法具有操作简单，成本低等一系列优点，便于推广，应用前景十分广阔；
2.晶粒粗细、长短、取向与工业纯铝杆的平均初始晶粒度和铝导线变形量有关，本质上“晶粒细长化”和“织构<111>化”两种机制并不冲突；
3.通过拉丝加工中的多道次拉丝变形使总变形量控制在60～100％，能根据不同规格的铝导线来设置拉丝变形的道次，实用性能好。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为采用本发明和传统工艺制备的工业纯铝导线中晶粒尺寸的示意图；
图2为采用本发明和传统工艺制备工业纯铝导线的强度和导电率的数据图。
具体实施方式
一种高强高导工业纯铝导线制备方法，包括铝导线微观组织结构设计、铝杆微观组织结构控制和导线拉丝加工；其中，通过铝导线微观组织结构设计来实现铝导线内部“晶粒细长化”+“织构<111>化”，通过铝杆微观组织结构控制来确定铝导线的力学性能和导电性能，通过导线拉丝加工使铝导线的总变形量控制在60～100％。
由于晶粒在铝导线径向截面上的尺寸，即晶粒的粗细，决定了铝导线的强度，晶粒在铝导线轴线方向上的尺寸决定了铝导线的导电率，对强度影响很小，因此“晶粒细长化”可以打破铝导线强度-导电率制约关系，实现工业纯铝导线高强高导，晶粒的取向对强度影响较大，它可归因于材料性能的各向异性，晶粒取向对导电率影响很小。因此，“织构<111>化”进一步打破铝导线强度-导电率制约关系，进一步实现工业纯铝高强高导，最后通过拉丝加工中的多道次拉丝变形使总变形量控制在60～120％，能根据不同规格的铝导线来设置拉丝变形的道次。
另外，本实施例中的铝杆包括：99.6wt.％的Al，0.11wt.％的Si，0.25wt.％的Fe，0.01wt.％的Cu以及0.03wt.％的其他化学成分，初始铝杆半径为12.5mm。终道次工业纯铝导线规格要求为线径3.0mm，力学性能要求屈服强度≧160MP。
根据以下公式来计算初始铝杆平均晶粒尺寸和屈服强度：
公式1：σt＝0.004·ε2-18；
公式2：σHP＝34.57+91.26·d-1/2；
公式3：σYS＝σΔHP+σt；
公式4：d0＝(1-0.01·ει)-1/2·di；
其中，σt为变形量(断面收缩率)为ε时织构强化带来的屈服强度提升；ε为断面收缩率×100，终道次铝导线的径向截面积与初始铝杆径向截面积比值；σHP为采用初始铝杆的晶粒尺寸计算出其屈服强度；σYS为终道次铝导线的屈服强度；σΔHP为铝导线径向截面晶粒细化带来的屈服强度提升；do为初始铝杆平均晶粒尺寸；di为初始铝杆平均晶粒尺寸为终道次工业纯铝导线径向截面平均晶粒尺寸值(用半径表示)。
计算过程如下：
(1)初始铝杆半径为12.5mm，终道次工业纯铝导线规格要求为线径3.0mm，终道次铝线屈服强度由两部分构成，晶粒细化带来的强度和织构演化带来的强度。
首先，计算由初始铝杆加工成终道次铝线，铝线的变形量(横截面收缩率)。
经计算，得出加工成3.0mm直径铝线的横截面收缩率为：
由上述公式算出，实际横截面收缩率为0.9424。
采用公式1计算，由变形引起的织构强化带来的屈服强度值为：
σt＝0.004·ε2-18＝0.004×94.242-18＝17.52。
计算可得由织构强化带来的屈服强度为17.52MPa。
终道次铝线的屈服强度由初始铝杆的屈服强度加上由横截面晶粒细化和铝线加工过程中形成的织构强化引起的屈服强度的之和。由横截面晶粒细化引起的屈服强度可采用下列公式计算。令σYS＝160MPa，即最终道次铝线的屈服强度为160MPa，由公式3：σYS＝σΔHP+σt；
可得：σHP＝σYS-σt
σHP＝160-17.52＝142.48；
经过计算，由横截面晶粒细化引起的屈服强度为142.48MPa。
根据Hall-Petch关系，可以计算终道次铝线的横截面晶粒尺寸：
由公式2：σHP＝34.57+91.26·di -1/2
可得：di＝[91.26/(σHP-34.57)]2＝[91.26/(142.48-34.57)]2＝0.72；
经计算，终道次铝线横截面晶粒尺寸为0.72μm。
终道次铝线的直径由初始铝杆直径和变形量(横截面收缩率)决定，由公式4：d0＝(1-0.01·ει)-1/2·di
可得：d0＝(1-0.01·ει)-1/2·di＝(1-0.01×94.24)-1/2×0.72＝3.0；
这样就计算得出，初始铝杆的晶粒尺寸为3.0μm。
然后由公式2得到初始铝杆的屈服强度为：
σHP＝34.57+91.26·d0 -1/2＝34.57+91.26×3.0-1/2＝87.26；
计算结果表明，初始铝杆屈服强度应为87.26MPa。
经过上述计算：ε＝94；σt＝17.52MPa；σΔHP＝142.48MPa；di＝0.72μm；d0＝3.0μm；σ0＝87.26MPa；初始铝杆的屈服强度约为87.26MPa，所以初始铝杆的屈服强度应控制在80～90MPa之间。
根据上述计算结果，制备初始屈服强度约为80～90MPa的铝杆。
最后经过10道次拉丝加工，制备出直径为3.0mm的工业纯铝导线。
对各道次铝导线晶粒径向截面晶粒尺寸进行测试，如图1、图2所示，其中：图1中的T1、T2代表采用传统工艺制备的工业纯铝导线的平均晶粒尺寸，图1中的V1、V2代表采用本发明制备的工业纯铝导线的平均晶粒尺寸，图2中的V2表示本发明制备的直径为3.0mm的铝导线，图2中的T2表示传统工艺制备的直径为3.0mm的铝导线，如图1的V2所示，本发明制备出来的直径为3.0mm的铝导线的径向截面平均晶粒尺寸为0.65μm，与理论计算结果非常相近，如图2的V2所示，本发明制备出来的直径为3.0mm的铝导线的抗拉强度170.1MPs，屈服强度为160MPa，导电率为63.20％IACS。
除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明做出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。

Claims (5)

1.一种高强高导工业纯铝导线制备方法，其特征在于：包括铝导线微观组织结构设计、铝杆微观组织结构控制和拉丝加工；其中，通过铝导线微观组织结构设计来实现铝导线内部“晶粒细长化”+“织构<111>化”，通过铝杆微观组织结构控制来确定铝导线的力学性能和导电性能，拉丝加工包括多道次拉丝变形，通过多道次拉丝变形使铝导线的总变形量控制在60～120％。
2.根据权利要求1所述的一种高强高导工业纯铝导线制备方法，其特征在于：所述铝杆中Al的含量为99.0～100.0wt.％。
3.根据权利要求1所述的一种高强高导工业纯铝导线制备方法，其特征在于：铝导线微观组织结构设计包括晶粒长度的设计、晶粒厚度的设计和织构强度的设计，通过晶粒厚度和织构强度来保证铝导线的强度，通过晶粒长度来保证铝导线的导电率。
4.根据权利要求1所述的一种高强高导工业纯铝导线制备方法，其特征在于：铝杆微观组织结构控制包括控制铝杆的平均晶粒尺寸，通过铝杆的平均晶粒尺寸来决定铝导线的晶粒形状和尺寸。
5.根据权利要求1所述的一种高强高导工业纯铝导线制备方法，其特征在于：所述铝导线的变形量通过(初始铝杆横截面积-终道次铝导线的横截面积)/初始铝杆的横截面积来计算。
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