CN109161730A - 母线槽用铝合金导体材料及其制备方法 - Google Patents

母线槽用铝合金导体材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种母线槽用铝合金导体材料及其制备方法，属电工新材料技术领域。该铝合金导体材料包括下述质量百分比的元素。Si：0.08％～0.28％、Fe：0.17％～0.47％、Mg：0.06％～0.25％、Ni：0.17％～0.47％、Zn：0.03％‑0.40％、B：0.01％～0.05％，Fe/Ni质量比为0.96～1.03；剩余部分为铝及不可避免的其他杂质。使用该铝合金导体材料制成矩形截面母线排，其抗拉强度大于120MPa，伸长率大于12％，20℃导电率大于60.0％IACS，且该铝合金母线排在100℃，45MPa及90℃，60MPa下的抗压蠕变性能与软态铜母线TMR相当。本发明提高了铝及铝合金母线排的弯曲加工性及运行安全性，可替代铜母线排。

Description

母线槽用铝合金导体材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电工新材料技术领域，尤其涉及一种母线槽用铝合金母线排的配方及其制备方法。
背景技术
母线槽用铝合金母线排不仅需要伸长率高，使其具有较好的弯曲加工性能，而且还要具有一定的强度，尤其是良好的抗压蠕变性能，以及高的导电性能。1350、1060等工业纯铝挤压态母线排虽然具有优异的弯曲加工性，但其抗拉强度难以满足母线的强度要求。通常，1060、1350挤压母线排的抗拉强度不小于60MPa，屈服强度不小于30MPa。在100℃，17.2MPa的条件下，1060、1350在10年内会产生1％的蠕变变形，该蠕变严重影响母线的使用安全性。现常用的H111态6101母线排，其抗拉强度≥85MPa，屈服强度≥55MPa，导电率约59％IACS，该母线排具有较好的弯曲加工性，但强度较低，抗压蠕变性能较差，导电率亦低。国家标准GB/T5585.2-2005要求硬态铝及铝合金母线的导电率不小于59.5％IACS，抗拉强度不小于118MPa，伸长率不小于3％，但由于硬态铝及铝合金母线的伸长率低，在弯曲时很容易出现裂纹而满足不了弯曲性能要求。6101T6态母线排尽管抗拉强度优异，但导电性和弯曲加工性变差。在弯曲加工时会产生裂纹，使成品率降低。6101T6母线排导电率低，使母线在使用过程中温升高，线损大。本发明就是为了一同解决母线排的弯曲加工性差、压蠕变抗力小以及导电率低的问题。开发出一种弯曲加工性好，强度高，抗压蠕变性能好，导电率高的软态铝合金母线排。
CN ZL201710666334.6和CN ZL201710666331.2分别公开了1xxx系的Al-Si-Fe-RE-B和Al-Si-Fe-Mg-Cu铝合金母线，该发明要解决的问题是提高母线的杨氏模量而非母线的抗拉强度，提高杨氏模量不能解决铝合金母线的压蠕变性能低的问题。CNZL2014106531841公开了一种铝及铝合金母线制备方法，该母线排处于硬态时，虽然抗拉强度大于120MPa，解决了母线的抗压蠕变问题，但伸长率仅大于4％，无法解决铝合金母线的弯曲加工性差问题。当其处于软态时，伸长率大于25％，解决了母线排的弯曲加工性问题，但由于抗拉强度仅大于75MPa，无法解决母线排的抗压蠕变问题。CN ZL2015800047015公开了一种母线用铝合金板材的化学成分及其制造方法，该板材的抗拉强度≥170MPa，导电率≥55％IACS，该铝合金母线排的弯曲加工性和导电率不能满足要求。
发明内容
本发明的目的是解决现有软态铝及铝合金母线排因强度低，压蠕变抗力低而引起的母线排在使用中的安全问题；解决硬态铝母线和高强度铝合金母线排因强度高，伸长率低而产生的弯曲加工性差和导电率低问题。提供一种具有较高强度，较高导电率和伸长率的具有良好弯曲加工性和高压蠕变抗力的铝合金母线排的配方及其制备方法。
本发明的具体技术方案是：一种母线槽用铝合金导体材料，包括下述质量百分比的元素：
Si：0.08％～0.28％
Fe：0.17％～0.47％
Mg：0.06％～0.25％
Ni：0.17％～0.47％
Zn：0.03％-0.40％
B：0.01％～0.05％，
剩余部分为铝及不可避免的其他杂质，其中，
Cu：0.01以下，Cr+Mn：0.01％以下，V+Ti：0.03％以下。
进一步，所述铁与镍的质量比为0.96～1.03。
进一步，所述各元素的质量百分比为Si：0.15％、Fe：0.45％、Mg：0.12％、Ni：0.45％、Zn：0.35％、B：0.01％、Cu：0.01％、Cr+Mn：0.01％，V+Ti：0.02％，剩余部分为铝及不可避免的其他杂质元素。
进一步，在线加入Al-Ti-B细化剂，控制铝合金中Ti量≤0.02。
该配方中Fe和Ni在含量范围内，同时按比例加入和较快的铸锭冷却速度下，改变了富铁相的成分和形态，且在退火时进一步产生析出强化，提高铝合金的强度和压蠕变抗力。固溶的镁、硅和锌元素及析出的弥散MgSi相进一步提高强度和压蠕变抗力。一定的硼含量和低的Cr、Mn、V、Ti杂质含量提高铝合金的导电率。低的合金元素含量和退火工艺保证铝合金获得高的伸长率及高的弯曲加工性以及高的导电率。由于铝合金中的杂质元素Cu过量时会使板材在弯曲加工时促进剪切带形成。当存在剪切带时，弯曲加工时产生的微小开裂更易扩展，导致板材易发生开裂，因此采用Al99.70工业纯铝。严控了铝合金中的铜杂质元素。
该铝合金导体材料按以下工艺步骤进行制备：
(1)所用原料为Al99.70的铝锭或电解铝液、Al-18Si、Al-10Fe、Al-10Ni、Al-3B等中间合金，以及Mg9990镁锭和Zn99.5锌锭；
(2)将原料铝在竖炉中熔化后导入保温炉，并根据化学成分要求加入所需元素及镁、锌锭进行合金化，合金化温度730～780℃；
(3)对上述铝合金液进行精炼，精炼温度750～780℃，精炼剂加入量为0.1％～0.15％；精炼时间25～30min；
(4)取样进行成分分析，根据分析结果进一步调整化学成分，并搅拌均匀静置30～45min；
(5)采用在线净化装置净化铝液并进行在线细化处理，控制铝液中氢含量不大于0.20ml/100g铝液，控制铝锭中Ti含量为0.01～0.02％；采用30～40ppi的泡沫陶瓷过滤板过滤夹杂物。
一种母线槽用矩形铝合金母线排的制备方法，其特征在于，使用权利要求1所述母线槽用铝合金导体材料铸造铝合金DC锭，经热挤压制成铝合金排，并对所述铝合金排进行整形拉伸和退火处理。
进一步，所述铸造时的浇注温度为690～710℃，铸造速度90～120mm/min。
进一步，所述铝合金DC锭加热至420～480℃，挤压温度420～530℃，挤压后整形拉伸变形量1～5％，退火温度150～300℃，保温时间4～10h。
一种母线槽用矩形铝合金母线排的制备方法，其特征在于，使用权利要求1所述母线槽用铝合金导体材料制成的连铸连轧杆或水平连铸杆在conform连续挤压机上直接挤压成排，并对铝合金排进行整形拉伸和退火处理。
所述铝合金导体材料挤压成排的出口温度为400～500℃，所述整形拉伸变形量为1～5％，所述退火温度为180～300℃，保温时间4～10h。
本发明铝合金母线排的抗拉强度、导电率和伸长率优于6101H111母线排。其抗拉强度≥120MPa，导电率≥60.0％IACS。伸长率≥12％。而且具有高的压蠕变抗力。该铝合金母线排在100℃，45MPa及90℃，60MPa下的抗压蠕变性能与软态铜母线TMR相当。可替代铜母线排。本发明不仅具有优异的导电性，而且具有优异的弯曲加工性，并且消除了母线在使用过程中因蠕变导致的连接处发热而产生安全隐患问题。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步详细说明。
实施例1
选用母线槽用铝合金的化学成分质量百分比为：Zn：0.35％、Fe：0.45％、Ni：0.45％、B：0.01％、Si：0.18％、Mg：0.14％、Cu：0.01％、Cr+Mn：0.01％，V+Ti：0.015％，剩余部分为铝及不可避免的其他杂质元素。按以下工艺步骤制备铝合金DC锭：
(1)所用原料为Al99.70的铝锭或电解铝液、Al-18Si、Al-10Fe、Al-10Ni、Al-3B等中间合金，以及Mg9990镁锭和Zn99.5锌锭。根据上述化学成分质量百分比计算出各合金原料的加入量。(2)将铝液导入保温炉，并根据化学成分要求加入中间合金锭及镁和锌锭进行合金化，合金化温度760℃；(3)对上述铝合金液进行精炼，精炼温度760℃，精炼剂加入量为0.1％；精炼时间25min，(4)取样进行成分分析，根据分析结果进一步调整化学成分，并搅拌均匀后静置30min；(5)采用在线净化装置净化铝液并进行在线细化处理，控制铝液中氢含量0.18ml/100g铝液，控制铝锭中Ti含量为0.01％。采用30ppi的泡沫陶瓷过滤板过滤夹杂物，(6)铸造直径为200mm铝合金锭时，控制浇注温度为690℃，铸造速度110mm/min制成DC铸锭。
将DC铸锭热挤压成铝合金排。热挤压时，铝合金锭加热温度450℃，挤压出口温度480℃，挤压后风冷，铝合金排整形拉伸变形量1％，裁成6m长，进退火炉，退火温度280℃，保温时间6h。
该母线排的性能为：抗拉强度122MPa，导电率60.8％IACS。伸长率14.5％。该铝合金母线排在100℃，45MPa及90℃，60MPa下的蠕变速率分别为：1.68×10-5/h和1.82×10-5/h，其抗压蠕变性能与软态铜母线TMR相当。
实施例2
选用母线槽用铝合金的化学成分质量百分比为：Zn：0.35％、Fe：0.45％、Ni：0.45％、B：0.01％、Si：0.10％、Mg：0.06％、Cu：0.01％、Cr+Mn：0.01％，V+Ti：0.02％，剩余部分为铝及不可避免的其他杂质元素。按以下工艺步骤制备铝合金杆：
(1)所用原料为Al99.70的铝锭或电解铝液、Al-18Si、Al-10Fe、Al-10Ni、Al-3B等中间合金，以及Mg9990镁锭和Zn99.5锌锭。根据上述化学成分质量百分比计算出各合金原料的加入量。(2)将铝液导入保温炉，并根据化学成分要求加入中间合金锭及镁和锌锭进行合金化，合金化温度760℃；(3)对上述铝合金液进行精炼，精炼温度760℃，精炼剂加入量为0.1％；精炼时间30min，(4)取样进行成分分析，根据分析结果进一步调整化学成分，并搅拌均匀并静置40min；(5)采用在线净化装置净化铝液并进行在线细化处理，控制铝液中氢含量0.15ml/100g铝液，控制铝锭中Ti含量为0.015％。采用40ppi的泡沫陶瓷过滤板过滤夹杂物；(6)采用多头结晶器水平连续铸造成直径为12mm的铝合金杆，控制浇注温度为690℃，铸造速度1000mm/min，用收杆机收杆。在LJ-300连续挤压机上直接挤压成排，连续挤压时，挤压速度345mm/sec，铝合金排出口温度为420℃。整形变形量为1％，退火温度为200℃，保温时间6h。
该母线排的性能为：抗拉强度130MPa，导电率60.6％IACS。伸长率18.0％。该铝合金母线排在100℃，45MPa及90℃，60MPa下的1.53×10-5/h和1.67×10-5/h，其抗压蠕变性能与软态铜母线TMR相当。
上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种母线槽用铝合金导体材料，其特征在于，包括下述质量百分比的元素：
Si：0.08％～0.28％
Fe：0.17％～0.47％
Mg：0.06％～0.25％
Ni：0.17％～0.47％
Zn：0.03％-0.40％
B：0.01％～0.05％，
剩余部分为铝及不可避免的其他杂质，其中，
Cu：0.01以下，Cr+Mn：0.01％以下，V+Ti：0.03％以下。
2.根据权利要求1中所述的铝合金导体材料，其特征在于，所述铁与镍的质量比为0.96～1.03。
3.根据权利要求1或2所述的铝合金导体材料，其特征在于，所述各元素的质量百分比为Si：0.15％、Fe：0.45％、Mg：0.12％、Ni：0.45％、Zn：0.35％、B：0.01％、Cu：0.01％、Cr+Mn：0.01％，V+Ti：0.02％，剩余部分为铝及不可避免的其他杂质元素。
4.根据权利要求1或2所述的铝合金导体材料，其特征在于，在线加入Al-Ti-B细化剂，控制铝合金中Ti量≤0.02。
5.一种权利要求1所述母线槽用铝合金导体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)所用原料为Al99.70的铝锭或电解铝液、Al-18Si、Al-10Fe、Al-10Ni、Al-3B中间合金，以及Mg9990镁锭和Zn99.5锌锭；
(2)将原料铝在竖炉中熔化后导入保温炉，并根据化学成分要求加入所需元素及镁、锌锭进行合金化，合金化温度730～780℃；
(3)对上述铝合金液进行精炼，精炼温度750～780℃，精炼剂加入量为0.1％～0.15％；精炼时间25～30min；
(4)取样进行成分分析，根据分析结果进一步调整化学成分，并搅拌均匀静置30～45min；
(5)采用在线净化装置净化铝液并进行在线细化处理，控制铝液中氢含量不大于0.20ml/100g铝液，控制铝锭中Ti含量为0.01～0.02％；采用30～40ppi的泡沫陶瓷过滤板过滤夹杂物。
6.一种母线槽用矩形铝合金母线排的制备方法，其特征在于，使用权利要求1所述母线槽用铝合金导体材料铸造铝合金DC锭，热挤压成铝合金排，并对所述铝合金排进行整形拉伸和退火处理。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述铸造时的浇注温度为690～710℃，铸造速度90～120mm/min。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述铝合金DC锭加热至420～480℃，挤压温度420～530℃，挤压后整形拉伸变形量1～5％，退火温度150～300℃，保温时间4～10h。
9.一种母线槽用矩形铝合金母线排的制备方法，其特征在于，使用权利要求1所述母线槽用铝合金导体材料制成的连铸连轧杆或水平连铸杆，在conform连续挤压机上直接挤压成排，并对铝合金排进行整形拉伸和退火处理。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述铝合金导体材料挤压成排的出口温度为400～500℃，所述整形拉伸变形量为1～5％，所述退火温度为180～300℃，保温时间4～10h。
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