CN109082563A - 一种新型铝基合金接地材料 - Google Patents

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孙道明
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李培春
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Abstract

本发明公开了一种新型铝基合金接地材料，其成分组成质量百分比为：C5％～10％、Zn2％～6％；Cu1％～5％；Mg1％～5％；硅＜1.5％；稀土0.05％～0.1％；其余为Al。本发明所述的新型铝基合金接地材料，除了结合Al和Zn较好的耐腐蚀性和Cu良好的导电性外，引入了碳颗粒的增强效应，使得其具有优异的土壤耐蚀性，同时大幅提高了材料强度，极大地满足了接地材料使用要求。

Description

一种新型铝基合金接地材料
技术领域
本发明属电工材料技术领域，是用于电力系统埋地接地网(体)的接地材料，具体涉及一种新型铝基合金抗腐蚀接地材料。
背景技术
电力系统接地装置一般由水平接地网格、垂直接地极和接地引下线组成，是保证电力系统设备和人身安全的必要设施。接地材料作为电力系统接地装置中的关键部分，除了对土壤的耐蚀性具有很高的要求外，根据接地方式的不同对材料的强度要求与所不同，比如水平接地网和接地引下线在开挖的沟槽中敷设埋下，对强度要求不高；垂直接地极是用锤击方式打入深层地中的，因而对材料强度要求较高。目前使用的接地材料主要有镀锌钢、纯铜，以及铜包钢等。
镀锌钢接地材料由于较差的土壤抗腐蚀能力，在运行5～10年后大多因腐蚀严重而失效，这导致接地电阻升高，使得其散流能力减弱，尤其是在遭受雷电或短路时易引发事故，降低了电网运行的安全可靠性能。
纯铜因其具有较强的导通和散流等性能被作为良好的接地体材料，而且其优异的耐土壤腐蚀性能可保证接地网可靠运行30年以上。然而由于铜属于重金属，大量的使用容易对土壤环境造成严重的污染，因此，在我国标准《土壤环境质量》(GB15618)中已被限制使用(规定土壤中铜离子含量应低于400mg/kg)。此外，使用纯铜作为接地材料成本较高，其接地网造价是镀锌钢的5～6倍。
铝合金是接地材料的一种。在自然环境条件下，铝容易在表面形成致密的氧化膜阻止阳极反应，使其不发生腐蚀。然而，在酸碱性土壤中，铝的氧化膜容易被腐蚀，致使铝合金接地引线因腐蚀溶解而变细，甚至断开。因此提高铝合金接地材料耐腐蚀性，是电力系统安全经济生产所迫切需要解决的问题。中国CN101580909B发明专利公开了一种接地网用铝铜合金材料，该种材料结合了铜的导电性、铝的防腐性以及稀土元素细化晶粒特点，一定程度上提高了其抗腐蚀性和使用寿命，但是由于铜与铝的电位差大，铝基体发生非均匀腐蚀的倾向仍然较大。
中国CN 106086534 A发明专利申请公开了一种高强度耐腐蚀的铝碳铜合金接地材料，该接地材料由于碳颗粒成分的加入，显著提高了其硬度和强度，可以直接以棒材形式打入深层土壤之中做垂直接地极使用，然而在耐土壤腐蚀性能方面提高有限。
发明内容
本发明的创新性在于提供了一种同时兼具高强度和高耐土壤腐蚀性的新型铝基合金接地材料，极大地满足了接地材料使用要求和适用范围。
本发明采用的技术方案如下：
一种新型铝基合金抗腐蚀接地材料，其特征在于，其成分组成质量百分比为：C5％～10％、Zn 2％～6％；Cu 1％～5％；Mg 1％～5％；硅＜1.5％；稀土0.05％～0.1％；其余为Al。所述的稀土元素为镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)钇(Y)中的至少一种。
一种新型铝基合金接地材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将上述一定质量的铝锭投入至熔炼炉中，加热至熔炼炉内温度690-720℃，保温2h至熔化；
(2)按比例加入其它各原材料至铝母合金中，升高炉温至720-800℃，保温2h，使熔池里的其他金属等充分熔化，进行搅拌扒渣；
(3)然后取样检测调整成分后精炼；
(4)最后出炉浇注成新型铝基合金铸锭；
(5)将新型铝基合金铸锭加工成适用于接地网要求的产品形状。
所述的制备方法中步骤(4)中二次升温至熔炼炉内温度为720～800℃；而步骤(5)中所述的加工工艺为正向热挤压工艺，其加热温度为450～500℃。
本发明的新型铝合金接地材料中包含C 5％～10％、Zn 2％～6％；Cu 1％～5％；Mg 1％～5％；Si＜1.5％；稀土0.05％～0.1％；其余为Al。铝和锌均为易钝化金属，能够生成均匀的氧化锌和氧化铝膜，具有较好的耐腐蚀性能；铜可以有效提高整体的导电性能；适量镁的加入可以降低应力腐蚀；另外少量稀土元素的加入，既可利于合金制备，又可有效细化晶粒，净化晶界，进一步提高材料的耐腐蚀性能；碳粉颗粒的引入对于合金整体而言具有增强效应，极大地提高了合金材料的强度。本发明的新型铝基合金接地材料同时兼具高强度和高耐土壤腐蚀性能，极大地满足了接地材料使用要求和适用范围。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下：
实施例1
一种新型铝基合金接地材料，其各组分质量百分比为：C 5％、Zn 6％；Cu 5％；Mg5％；Si＜1.5％；稀土0.05％～0.1％；其余为Al。熔炼新型铝基合金铸锭：将铝锭放入熔炼设备的坩埚中，升温加热至700℃并保温2h，待铝锭完全熔化后，按上述各组分质量百分比例加入母合金中，升温至790℃，保温2h，使熔池里的其他金属等充分熔化，进行扒渣搅拌，然后取样检测调整成分后精炼，降温至浇注温度750℃后，最后出炉浇注成新型铝基合金铸锭。将新型铝基合金铸锭加热至480℃，采用正向热挤压工艺加工成直径50mm，长度为1m的棒材。将制备成的新型铝基合金棒材，与相同尺寸的纯铝、纯铜接地材料加工成D30mm×4mm的试样，在实验室一起埋入碱性土壤进行加速腐蚀试验。土壤温度为65.0℃，土壤含水量保持为30％时，土壤总含盐量为20％，土壤pH＝8.5～9.5。经过720小时的高温、高含水量实验室加速试验，动态测量三种接地材料试样与土壤的接触电阻。在经过360小时后，纯铜试样与土壤的接触电阻为37.3Ω，新型铝基合金试样与土壤的接触电阻为37.5Ω，纯铝试样与土壤的接触电阻为220.6Ω。称重计算三种材料试样的腐蚀失重。纯铜材料腐蚀失重为285.7mg，纯铝材料腐蚀失重为89.5mg，本发明新型铝基合金材料的腐蚀失重为115.5mg。对本发明新型铝基合金材料棒材取样在万能实验机上进行拉伸试验，三组5倍试样测得的屈服强度平均为σ0.2＝420MPa。
实施例2
一种新型铝基合金接地材料，其各组分质量百分比为：C 10％、Zn 2％；Cu 3％；Mg2％；Si＜1.5％；稀土0.05％～0.1％；其余为Al。熔炼新型铝基合金铸锭：将铝锭放入熔炼设备的坩埚中，升温加热至700℃并保温2h，待铝锭完全熔化后，按上述各组分质量百分比例加入母合金中，升温至790℃，保温2h，使熔池里的其他金属等充分熔化，进行扒渣搅拌，然后取样检测调整成分后精炼，降温至浇注温度750℃后，最后出炉浇注成新型铝基合金铸锭。将新型铝基合金铸锭加热至480℃，采用正向热挤压工艺加工成直径50mm，长度为1m的棒材。将制备成的新型铝基合金棒材，与相同尺寸的纯铝、纯铜接地材料加工成D30mm×4mm的试样，在实验室一起埋入碱性土壤进行加速腐蚀试验。土壤温度为65.0℃，土壤含水量保持为30％时，土壤总含盐量为20％，土壤pH＝8.5～9.5。经过720小时的高温、高含水量实验室加速试验，动态测量三种接地材料试样与土壤的接触电阻。在经过360小时后，纯铜试样与土壤的接触电阻为37.3Ω，新型铝基合金试样与土壤的接触电阻为38.5Ω，纯铝试样与土壤的接触电阻为220.6Ω。称重计算三种材料试样的腐蚀失重。纯铜材料腐蚀失重为285.7mg，纯铝材料腐蚀失重为89.5mg，本发明新型铝基合金材料的腐蚀失重为113.5mg。对本发明新型铝基合金材料棒材取样在万能实验机上进行拉伸试验，三组5倍试样测得的屈服强度平均为σ0.2＝407MPa。
实施例3
一种新型铝基合金接地材料，其各组分质量百分比为：C 8％、Zn 4％；Cu 5％；Mg1％～5％；Si＜1.5％；稀土0.05％～0.1％；其余为Al。熔炼新型铝基合金铸锭：将铝锭放入熔炼设备的坩埚中，升温加热至700℃并保温2h，待铝锭完全熔化后，按上述各组分质量百分比例加入母合金中，升温至790℃，保温2h，使熔池里的其他金属等充分熔化，进行扒渣搅拌，然后取样检测调整成分后精炼，降温至浇注温度750℃后，最后出炉浇注成新型铝基合金铸锭。将新型铝基合金铸锭加热至480℃，采用正向热挤压工艺加工成直径50mm，长度为1m的棒材。将制备成的新型铝基合金棒材，与相同尺寸的纯铝、纯铜接地材料加工成D30mm×4mm的试样，在实验室一起埋入碱性土壤进行加速腐蚀试验。土壤温度为65.0℃，土壤含水量保持为30％时，土壤总含盐量为20％，土壤pH＝8.5～9.5。经过720小时的高温、高含水量实验室加速试验，动态测量三种接地材料试样与土壤的接触电阻。在经过360小时后，纯铜试样与土壤的接触电阻为37.3Ω，新型铝基合金试样与土壤的接触电阻为38.1Ω，纯铝试样与土壤的接触电阻为220.6Ω。称重计算三种材料试样的腐蚀失重。纯铜材料腐蚀失重为285.7mg，纯铝材料腐蚀失重为89.5mg，本发明新型铝基合金材料的腐蚀失重为110.5mg。对本发明新型铝基合金材料棒材取样在万能实验机上进行拉伸试验，三组5倍试样测得的屈服强度平均为σ0.2＝418MPa。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (6)

1.一种新型铝基合金抗腐蚀接地材料，其特征在于，其成分组成质量百分比为：C 5％～10％、Zn 2％～6％；Cu 1％～5％；Mg 1％～5％；硅＜1.5％；稀土 0.05％～0.1％；其余为Al。
2.按照权利要求1所述的新型铝基合金抗腐蚀接地材料，其特征在于，其所述的稀土元素为镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)钇(Y)中的至少一种。
3.权利要求1-2任一项所述的一种新型铝基合金抗腐蚀接地材料的制备方法，其特征在于，所述的一种新型铝基合金抗腐蚀接地材料的制备方法包括以下步骤：
(1)按照质量百分比分别将C 5％～10％、Zn 2％～6％；Cu 1％～5％；Mg 1％～5％；硅＜1.5％；稀土 0.05％～0.1％；其余为Al，将上述一定质量的铝锭投入至熔炼炉中，加热至熔炼炉内温度690-720℃，保温2h至熔化；
(2)按比例加入其它各原材料至Al母合金，升高炉温至720-800℃，保温2h，使熔池里的其他金属等充分熔化，进行搅拌扒渣；
(3)然后取样检测调整成分后精炼；
(4)最后出炉浇注成新型铝基合金铸锭；
(5)将新型铝基合金铸锭加工成适用于接地网要求的产品形状。
4.根据权利要求3所述的一种新型铝基合金抗腐蚀接地材料的制备方法，其特征在于，所述的制备方法中步骤(2)中二次升温至熔炼炉内温度为720～800℃。
5.按照权利要求3所述的一种新型铝基合金抗腐蚀接地材料的制备方法，其特征是，所述的浇注温度为720～800℃。
6.按照权利要求3所述的一种新型铝基合金抗腐蚀接地材料的制备方法，其特征是，所述的加工工艺为正向热挤压工艺，其加热温度为450～500℃。
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