CN109136662A - 电缆用Al-Cu-Mg-Si系铝合金 - Google Patents

电缆用Al-Cu-Mg-Si系铝合金 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种电缆用Al‑Cu‑Mg‑Si系铝合金，包括以下重量百分数的组分：Cu 0.03～0.09％、Si 0.04～0.08％、Mg 0.08～0.16％、改性石墨烯0.2～0.4％，余量为Al和杂质；所述改性石墨烯主要由纳米TiO2、Fe粉、氧化铈、锌粉与石墨烯粉体制备得到。该铝合金不仅电阻率低，而且抗蠕变性能好。

Description

电缆用Al-Cu-Mg-Si系铝合金
技术领域
本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种电缆用Al-Cu-Mg-Si系铝合金。
背景技术
目前，电缆行业是中国仅次于汽车行业的第二大行业，而在世界范围内，中国电缆的总产值已超过美国，成为世界上第一大电线电缆生产国。伴随着中国经济的持续快速增长以及电力工业、数据通信业、城市轨道交通业等行业规模的不断扩大，电缆的需求量也将迅速增长，未来电线电缆业还有巨大的发展潜力。
总所周知，我国的铜资源储量相对不足，很大程度上依赖进口，因此寻找铜线电缆的替代品在国际局势与资源愈发紧张的当下显得越来越重要。而铝合金电缆自从问世以来就以有成本低、重量轻、抗腐蚀性强、安全性能高等优点部分取代了传统铜电缆。虽然目前铜线线缆仍占大多数的市场份额，但这并不能掩盖铝合金电缆市场份额上升的趋势。
然而铝合金电缆依旧存在电阻率高、载流量小、发热温度高等不足。在同等截面积的情况下，铝合金的导电率是最常用基准材料铜IACS的61.8％，载流量是铜的79％。因此，进一步降低铝合金电缆的电阻率成为了当下之急。山东石大科技石化有限公司贾科在《科技技术应用》发表了题名为“铝合金电缆、铝电缆、铜电缆技术经济性比较”，记载了A公司的电阻值为0.8480，也就是说，此电缆通过在纯铝中添加铜、铁、镁等少量金属元素，牺牲了铝的导电性，换取其机械性能的提高。
发明内容
本发明提出一种电缆用Al-Cu-Mg-Si系铝合金，该铝合金电缆芯不仅电阻率低，而且抗蠕变性能好。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种电缆用Al-Cu-Mg-Si系铝合金，包括以下重量百分数的组分：
Cu 0.03～0.09％、Si 0.04～0.08％、Mg 0.08～0.16％、改性石墨烯0.2～0.4％，余量为Al和杂质；所述改性石墨烯主要由纳米TiO2、Fe粉、氧化铈、锌粉与石墨烯粉体制备得到。
优选地，所述改性石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
1)将纳米TiO2与Fe粉放入三维混料机中，常温下混合2～3小时得到混合粉料A；
2)将氧化铈与锌粉放入三维混料机中，常温下混合8～12小时后得到混合粉料B，备用；
3)将步骤1)的混合料A、步骤2)的混合料B、石墨烯粉体与聚丙烯酰胺按照80～85：5～10:1的质量比放入三维混料机中，常温下混合12～15小时后得到改性石墨烯。
优选地，所述纳米TiO2与Fe粉的质量之比为10～16:1。
优选地，所述氧化铈与锌粉的质量之比为1:4～8。
石墨烯属于二维材料，拥有优异的导电性。本发明将石墨烯粉体与纳米TiO2、Fe粉、氧化铈、锌粉进行混合，并在聚丙烯酰胺的参与下，在满足提高铝合金电缆导电率的前提下，改善铝合金电缆的抗蠕变性能与抗疲劳性能。Fe还能明显提高合金的高温抗蠕变性能，以及提高合金的抗疲劳性能；Cu也可以提高高温蠕变性能及抗疲劳性能，并且有一定的固溶强化效果，时效析出的CuAl2有着明显的时效强化效果；铝合金中加入少量的Mg，可实现细化铸造组织。纳米二氧化钛的参与还能起到提高合金抗疲劳弯曲性能的效果，延长了电缆的使用寿命。
选择在铝合金中添加少量的Si，Mg与Si作用，形成MgSi强化相，提高再结晶温度和改变时效行为，使制品的再结晶晶粒得以进一步细化，强度、韧性得以提高，塑性、耐蚀性得到改善，提高铝合金的屈服强度及延伸率，避免铝合金产品的再加工，提高生产效率，降低生产成本。同时，对Si的含量作了限定，因为过多的Si会导致拉伸性能降低，影响到铝合金电缆的加工性能，并且可能会降低导体的疲劳弯曲性能，且过多的Si还会降低电性能。
本发明电缆用Al-Cu-Mg-Si系铝合金的制备方法，包括如下步骤：
1)按比例加入本发明中提到的除去改性石墨烯以外的铝合金成分，在750～850℃条件下进行熔炼工艺，，利用氮气吹粉机将改性石墨烯粉末吹入熔融液中，然后在650～700℃条件下进行铸造，得到铸锭；
2)将步骤1)得到的铸锭在450～530℃范围内固溶处理2～6h，然后在30～60℃的冷却水中快速淬火；
3)将步骤2)得到的铸锭在160～230℃范围内时效处理6～10h，再升温至300～400℃，轧制成合金杆；
4)在280～300℃范围内，将步骤3)轧制成的合金杆进行拉制处理，使截面积缩小至步骤c中合金杆截面积的50～60％，得到铝合金线；
5)在形成铝合金核的温度条件下，将步骤4)得到的铝合金线再次进行拉制处理，使截面积缩小至步骤4)中铝合金线截面积的70～100％，得到铝合金导体单丝；
6)将若干根步骤5)得到的铝合金导体单丝绞合，在230～320℃条件下进行第一次热处理3～6h，然后在300～400℃条件下将再次热处理8～14h，得到铝合金导体线芯。
本发明的有益效果：
1、本发明电缆用Al-Cu-Mg-Si系铝合金采用电阻率低、导电性优异的改性石墨烯对铝合金进行改性，经测试后铝合金的抗疲劳性能与抗蠕变性能都有一定提高，同时电阻率有明显下降。本发明电缆用Al-Cu-Mg-Si系铝合金相对传统铝合金电缆更加适用于电力的传输。
2、本发明电缆用Al-Cu-Mg-Si系铝合金的电阻率小于等于0.02673Ω·mm2/m，断裂伸长率大于等于13％，温度120℃、120MPa压应力条件下，1～100小时的平均蠕变速度小于等于4.5×10-2(％/h)，90度疲劳弯折次数大于等于30次。
具体实施方式
实施例1
一种电缆用Al-Cu-Mg-Si系铝合金，包括以下重量百分数的组分：
Cu 0.05％、Si 0.06％、Mg 0.013％、改性石墨烯0.3％，余量为Al和杂质。
改性石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
1)将纳米TiO2与Fe粉放入三维混料机中，常温下混合2小时得到混合粉料A；所述纳米TiO2与Fe粉的质量之比为10:1。
2)将氧化铈与锌粉放入三维混料机中，常温下混合10小时后得到混合粉料B，备用；所述氧化铈与锌粉的质量之比为1:6。
3)将步骤1)的混合料A、步骤2)的混合料B、石墨烯粉体与聚丙烯酰胺按照80：8:1的质量比放入三维混料机中，常温下混合13小时后得到改性石墨烯。
实施例2
一种电缆用Al-Cu-Mg-Si系铝合金，包括以下重量百分数的组分：
Cu 0.03％、Si 0.04％、Mg 0.11％、改性石墨烯0.2％，余量为Al和杂质。
改性石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
1)将纳米TiO2与Fe粉放入三维混料机中，常温下混合3小时得到混合粉料A；所述纳米TiO2与Fe粉的质量之比为13:1。
2)将氧化铈与锌粉放入三维混料机中，常温下混合8小时后得到混合粉料B，备用；所述氧化铈与锌粉的质量之比为1:4。
3)将步骤1)的混合料A、步骤2)的混合料B、石墨烯粉体与聚丙烯酰胺按照83：5:1的质量比放入三维混料机中，常温下混合12小时后得到改性石墨烯。
实施例3
一种电缆用Al-Cu-Mg-Si系铝合金，包括以下重量百分数的组分：
Cu 0.09％、Si 0.08％、Mg 0.08％、改性石墨烯0.4％，余量为Al和杂质。
改性石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
1)将纳米TiO2与Fe粉放入三维混料机中，常温下混合2小时得到混合粉料A；所述纳米TiO2与Fe粉的质量之比为16:1。
2)将氧化铈与锌粉放入三维混料机中，常温下混合12小时后得到混合粉料B，备用；所述氧化铈与锌粉的质量之比为1:8。
3)将步骤1)的混合料A、步骤2)的混合料B、石墨烯粉体与聚丙烯酰胺按照85：6:1的质量比放入三维混料机中，常温下混合13小时后得到改性石墨烯。
实施例4
一种电缆用Al-Cu-Mg-Si系铝合金，包括以下重量百分数的组分：
Cu 0.04％、Si 0.05％、Mg 0.16％、改性石墨烯0.4％，余量为Al和杂质。
改性石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
1)将纳米TiO2与Fe粉放入三维混料机中，常温下混合3小时得到混合粉料A；所述纳米TiO2与Fe粉的质量之比为12:1。
2)将氧化铈与锌粉放入三维混料机中，常温下混合10小时后得到混合粉料B，备用；所述氧化铈与锌粉的质量之比为1:6。
3)将步骤1)的混合料A、步骤2)的混合料B、石墨烯粉体与聚丙烯酰胺按照80：10:1的质量比放入三维混料机中，常温下混合15小时后得到改性石墨烯。
试验例
将上述实施例1～4制备而得的电缆用Al-Cu-Mg-Si系铝合金依据GB/T 3956进行电阻率实验，根据GB/T228-2002进行断裂伸长实验，在温度120℃、120MPa压应力条件下进行蠕变实验(1～100小时)，90度疲劳弯折实验，400h耐腐蚀性能试验；按MT818.1规定的试验方法，将实施例1～48制备而得的电缆用Al-Cu-Mg-Si系铝合金进行9000次抗弯曲性能实验，结果参见表1。
表1铝合金性能参数表
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电缆用Al-Cu-Mg-Si系铝合金，其特征在于，包括以下重量百分数的组分：
Cu 0.03～0.09％、Si 0.04～0.08％、Mg 0.08～0.16％、改性石墨烯0.2～0.4％，余量为Al和杂质；所述改性石墨烯主要由纳米TiO2、Fe粉、氧化铈、锌粉与石墨烯粉体制备得到。
2.根据权利要求1所述的电缆用Al-Cu-Mg-Si系铝合金，其特征在于，所述改性石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
1)将纳米TiO2与Fe粉放入三维混料机中，常温下混合2～3小时得到混合粉料A；
2)将氧化铈与锌粉放入三维混料机中，常温下混合8～12小时后得到混合粉料B，备用；
3)将步骤1)的混合料A、步骤2)的混合料B、石墨烯粉体与聚丙烯酰胺按照80～85：5～10:1的质量比放入三维混料机中，常温下混合12～15小时后得到改性石墨烯。
3.根据权利要求2所述的电缆用Al-Cu-Mg-Si系铝合金，其特征在于，所述纳米TiO2与Fe粉的质量之比为10～16:1。
4.根据权利要求2所述的电缆用Al-Cu-Mg-Si系铝合金，其特征在于，所述氧化铈与锌粉的质量之比为1:4～8。
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