CN109295353B

CN109295353B - 一种高强度高导电铝合金导线的制备方法

Info

Publication number: CN109295353B
Application number: CN201811445500.0A
Authority: CN
Inventors: 周天国; 彭程
Original assignee: Yangtze Normal University
Current assignee: Chongqing Nanfu Aluminium Co ltd
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2038-11-29
Also published as: CN109295353A

Abstract

本发明公开一种高强度高导电铝合金导线的制备方法，第一步、将纯度大于99.7%的工业纯铝（Wt，Fe≤0.13%，Si≤0.08%）在熔炼炉中加热熔化，熔化后的铝液经与保温炉相连接的流槽流入保温炉中；然后向保温炉的铝液中加入中间合金Al‑Si、Mg，合金中各成分所占的质量分数为：Si 0.9%～1.4%，Mg 0.9%～1.5%，B 0.06%，余量为AL，杂质含量低于0.02%；然后硼化处理；第二步、净化处理；第三步、熔体从保温炉中出来后经流槽流过接在后边的在线浇入连铸机中；第四步、将连铸成形的铝合金线锭在ECAE成形机上连续ECAE成形铝合金线杆；第五步、将经过4～7个道次ECAE成形铝合金线材；第六步、人工时效。

Description

一种高强度高导电铝合金导线的制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金制备领域，具体涉及一种高强度高导电铝合金导线的制备方法。

背景技术

随着我国经济的不断发展，各个行业对用电的需求逐年增加，由于我国资源与发展的东西差距，发达工业主要分布在沿海和东部地区，而电力资源则主要分布在西部地区，发达地区对电力的需求越来越大，因此架空输电导线作为输送电能的载体，在“西电东送、南北互供”整个电力输送路线中的位置举足轻重。高性能铝合金导线是电力行业急需的输电材料，Al-Mg-Si系铝合金导线因热处理后具有质量轻、抗拉强度大、弧垂特性好、导电率高等优点可以实现架空导线中大跨越、远距离和全铝合金输电而成了国家远距离送电项目的首选导电材料。目前全铝合金架空导线的生产工艺包括合金化、铸造、连轧、固溶处理、淬火、拉线、时效处理和绞制等工序，每个工序都是必须的，但工序可以合并。Al-Mg-Si系铝合金导线原料杆目前国内采用连铸连轧工艺生产，为降低成本和提高产品质量，目前全铝合金架空导线的主要生产工艺有比利时Lemetrif公司的CHAT技术（强度300MPa，55.0%IACS），美国SCR公司T4合金杆轧制技术（52.5%IACS）。该合金为时效热处理强化合金，固溶处理后在室温停放超过4h即产生停放效应，降低合金最终热处理成品合金导线的强度，影响成品导线性能的均匀性。不同时间产品的性能差异很大，造成合金杆生产企业的铝合金杆产品自产自用的局面，大大地限制了合金导线的使用；价值合金导线最终人工时效合金强化相元素析出带有方向性，时效形成针状Mg₂Si强化相，与铝基体形成半共轭或非共轭关系，抗过时效性能差（达到峰值时效后，继续延长时效时间，强度显著下降），合金导线存在强度升高、导电率下降，为提高合金的导电性能必须以牺牲合金的强度为代价，反之，亦然；目前，世界上普遍采用Al-0.6%Mg-0.6Si%以内的化学成分为生产导线导电率为53.5-55.0%IACS铝合金导线，甚至生产Mg、Si含量不超过0.35%的中强度铝合金导线（230MPa，56.5%IACS）。

因此，急需设计一种新的高强度高导电铝合金导线的生产方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度高导电铝合金导线的制备方法，该制备方法形成独特的剪切大变形，使合金晶粒得到细化的同时，合金强化相Mg₂Si快速析出或完全析出，并发生动态形核与球化，合金杆导电性和强度均得到提高。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种高强度高导电铝合金导线的制备方法，所述方法包括如下步骤：

第一步、将纯度大于99.7%的工业纯铝（Wt, Fe≤0.13%，Si≤0.08%）在熔炼炉中加热熔化，熔化后的铝液经与保温炉相连接的流槽流入保温炉中；然后向保温炉的铝液中加入中间合金Al-Si、Mg，合金中各成分所占的质量分数为：Si0.9%～1.4%，Mg 0.9%～1.5%，B0.06%，余量为AL，杂质含量低于0.02%；加入中间合金后对熔体进行搅拌，然后加入Al-B中间合金对熔体进行硼化处理，以除去熔体中严重降低铝合金导电性能的Cr、Mn、V、Ti四素，硼化处理时间为10～60min；

第二步、对熔体进行除气、除杂、扒渣、覆盖等净化处理；硼化处理后熔体温度达到740℃后用氮气对熔体喷粉精炼15～25Min，所用混合粉为1号工业溶剂；氮气/氩气纯度为99.995%、压力为0.3～0.5MPa，所述氮气流量为190～240NL/Min；精炼后对熔体进行扒渣处理后，用覆盖剂均匀覆盖，并在保温炉内保温静置15～60min；

第三步、完成保温静置后的熔体，借助与保温炉连接的流槽从保温炉进行放流，熔体从保温炉中出来后经流槽流过接在后边的在线除气和陶瓷过滤装置实现炉外净化，然后经与陶瓷过滤装置相连的流槽依次流过由上浇包、中间浇包、下浇包以及与下浇包相连的水平浇注流槽构成的水平浇注系统平稳的浇入连铸机中；熔体流入转动速度为9～17PRM的连铸机结晶铜轮槽与钢带构成的型腔中，在冷却系统的内冷却水、外冷却水、内侧冷却水、外侧冷却水的冷却作用下，不断的连续凝固成温度为480～520℃，横截面积为180m²～750m²的铝合金线锭，凝固的铝合金线锭随后穿过高压冷却水包，以大于95℃/min的冷却速度冷却到80～140℃，然后通过吹干装置除去表面残留水分，成为连续ECAE成形用铝合金导体坯料；

第四步、将连铸成形的铝合金线锭在ECAE成形机上连续ECAE成形为直径为6.0～9.5mm的铝合金线杆，铝合金线杆在线冷却后用吹干装置除去表面残留水分，被卷取成连续拉伸用铝合金线杆；其中ECAE成形轮的转速为16～60m/min，靴座冷却水流量20～45L/min，ECAE成形轮冷却水流量为20～60L/min，在100～340℃ 温度下ECAE成形的道次为4～7个道次；

第五步、将经过4～7个道次ECAE成形的直径为6.0～9.5mm铝合金线杆用多模具水箱拉伸机上拉制成直径为2.0～4.0 mm的铝合金线材，拉丝机出线速度为720～1200m/min，从拉伸水箱出来的铝合金线材被自动卷取机绕成卷；

第六步、将成卷的铝合金线材放入时效炉中进行人工时效，人工时效的温度为170～210℃，时效时间为4～9小时，即得高强度高导电铝合金导线。

进一步，所述第一步中，熔炼炉的加热温度和熔体的温度均为740～760℃。所述第三步中熔体浇入连铸机的入口温度为690～730℃。所述第四步中每道次ECAE成形铝合金线杆的挤出温度为120～340℃。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、将连续铸造和连续ECAE结合起来，借助ECAE独特的剪切大变形和剧烈的搅拌作用，使合金晶粒得到细化的同时，对合金中随着变形析出的合金相强化相元素进行剧烈的搅拌，使其在铝基体中弥散析出，抑制其选择性析出，并对已有选择性析出、长大的合金相重复剪切与细化。ECAE成形过程的大剪切大变形，提供大的畸变能，促进合金强化相快速析出或完全析出，大大提供强化相动态形核与球化长率，在铝基体中弥散分布和长大，同时限制了强化相的长大趋势，形成过时效球状强化相；避免了常规固溶时效热处理合金中强化相选择性长大成针状相的不足，铝合金线材具有良好的抗过时效性能，使铝合金导杆综合力学性能和导电性能和导线性能的均匀性得到较大提高。

2、采用连续铸造和连续ECAE动态时效成形方法制备高强度高导电铝合金线杆，通过连续ECAE动态时效成形替代传统的连轧成形和人工时效，有效了避免了连铸连轧易出现的缺陷，提高了铝合金导线的质量和性能。

3、采用连续ECAE动态时效，将铸造好的铝合金胚料经过4-7道次的ECAE变形，ECAE变形形成独特的剪切大变形，在细化铝合金晶粒的同时，也加速了Mg元素和Si元素形成的合金强化相Mg₂Si快速析出或完全析出，并发生动态形核与球化，使得铝合金导线的导电性和强度均得到大幅度提高。本发明制备的铝合金导线的拉伸强度、伸长率和等效导电率分别为：310～350Mpa、2.0～4.0%和55.5～58.5%IACS。

附图说明

图1为本发明一种高强度高导电铝合金导线的制备工艺流程图。

图2为铝合金线锭经过ECAE连续动态时效成形为铝合金线杆的示意图。

图3为实施例1中ECAE连续动态时效成形铝合金线杆的强化相微观组织（a）第一道次；（b）第二道次；（c）第三道次；（d）第四道次。

图中：1、铝合金线锭；2、工作辊冷却装置；3、工作辊；4、导向轮；5、槽封瓦；6、靴座；7、靴座冷却装置；8、挤出模具；9、挡料块；10、在线冷却装置；11、在线吹干装置；12、收线装置。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明进行详细说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1，本发明的工艺方法主要为：将电工铝锭在熔炼炉中进行熔化、合金化，然后对合金化的熔体硼化处理，在熔炼炉内对铝合金熔体除气、除杂、扒渣、覆盖剂覆盖、保温静置等净化处理，保温静置后的熔体从熔炼炉出来后经放流流槽流过接在后边的在线除气装置和陶瓷过滤装置，然后经与陶瓷过滤装置相连的流槽依次流过由上浇包、中间浇包、下浇包、水平浇铸流槽构成的水平浇注系统平稳的浇入连续铸造机中。熔体流入连铸机铜轮槽口与钢带构成的型腔中，在连续铸造机冷却系统的冷却作用下不断的连续凝固成铝合金线锭，凝固的线锭随后穿过高压冷却水包快速冷却。

连续ECAE动态时效成形的主要工艺为：

以1个道次连续ECAE成形为例，如图2所示，以连续铸造成形的铝合金线锭1为连续ECAE成形用铝合金导体坯料，铝合金线锭1通过导向轮4进入ECAE工作辊3的环形沟槽、槽封瓦5与靴座6形成的孔槽内，工作辊3按顺时针方向旋转的同时在ECAE工作辊冷却装置2和靴座冷却装置7的冷却控制下，将铝合金导体坯料带入挤出模具8的变形区，在挡料块9的作用下，经过剪切变形后从挤出模具8出口连续挤出得到铝合金线杆，然后铝合金线杆通过在线冷却装置10，用在线吹干装置11将铝合金线杆表面残留的水分除去，然后被收线装置12卷取成为连续拉伸用铝合金线杆。以第一道次连续ECAE成形的铝合金线杆为第二道次连续ECAE成形的原料杆进行第二道次连续ECAE成形；依次类推，以N道次ECAE成形杆为原料，进行N+1道次连续ECAE成形，制备铝合金电工杆；以N+1道次制备铝合金线杆在水箱拉丝机拉制成的铝合金线材，将拉丝的线材放入时效炉中进行人工时效制得高强度高导电铝合金导线。

实施例1：

制备一种高强度高导电铝合金导线的制备方法具体步骤如下：

第一步：配制Al-0.9%Mg-0.9%Si铝合金成分。将1885.82kg纯度大于99.7%的工业纯铝（Wt, Fe≤0.13%，Si≤0.08%）在熔炼炉中加热熔化，在温度为740℃时，向熔化的纯铝中加入Al-20%Si中间合金92.46kg、Mg18.676kg。加入的合金元素熔化后对铝合金熔体进行搅拌，然后加入Al-3%B中间合金40.02kg对熔体进行硼化处理，硼化处理时间为10min。

第二步，对熔体进行除气、除杂、扒渣、覆盖等净化处理；硼化处理后熔体温度达到740℃时用氮气向铝合金熔体喷入熔体质量分数为1%的精炼剂精炼，精炼后的熔体扒渣之后用覆盖剂均匀覆盖，在熔炼炉内保温静置15min。

所述喷粉精炼采用精炼剂混合粉末组分为：铝一号溶剂。所述喷粉精炼时间为15min，氮气纯度为99.99%、压力为0.3MPa，所述氮气流量为190NL/Min。

第三步，通过保温静置后的熔体，借助放流流槽从熔炼进行放流，熔体从熔炼炉出来后经流槽流过接在后边的在线除气和陶瓷过滤系统，然后经与陶瓷过滤系统相连的流槽依次流过上浇包、中间浇包、下浇包，最后由与下浇包相连的水平浇注流槽平稳的浇入连铸机中，铝液浇入连铸机入口温度为690℃。熔体流入转动速度为17RPM的连铸机铜轮槽口与钢带构成的型腔中，在冷却系统的内冷却水、外冷却水、内侧冷却水、外侧冷却水的冷却作用下，不断的连续凝固成温度为480℃，横截面积为180mm²的铝合金线锭，凝固的线锭随后穿过高压冷却水包，以100℃/min的冷却速度冷却到140℃，然后经吹干装置除去表面残留水分，成为连续ECAE成形用铝合金导体坯料。

第四步，将连铸成形的铝合金线锭在ECAE成形机上4连续ECAE成形为直径6.0mm的铝合金线杆，铝合金线杆经在线冷却后由吹干装置除去表面残留水分，被卷取成连续拉伸工艺用铝合金线杆，每道次ECAE成形铝合金线杆的挤出温度为120℃，ECAE成形轮的转速为60m/min，靴座冷却水流量为25L/Min，ECAE成形轮冷却水流量为25L/Min。

第五步，将经过4道次连续ECAE成形的直径为6.0mm 的铝合金线杆用10模具水箱拉伸机拉制成直径为2.0 mm的铝合金线材，拉伸机出线速度为1200m/min，从拉伸水箱出来的铝合金线材被自动卷取机绕成卷。

第六步，将成卷的铝合金线材放入时效炉中进行人工时效，人工时效的温度为170℃，时效时间为6小时。时效处理后合金导线的拉伸强度、伸长率和等效导电率分别为：320Mpa、4.0%和58.5%IACS。经过1-4道次连续ECAE成形机成形后的铝合金线杆中合金强化相Mg₂Si的形貌如图3所示。

实施例2：

第一步：配制Al-1.2%Mg-1.15%Si铝合金成分.将1820.788kg纯度大于99.7%的工业纯铝（Wt,Fe≤0.13%，Si≤0.08%）在熔炼炉中加热熔化，在温度为750℃时，向熔化的纯铝中加入Al-20%Si中间合金120.6kg、Mg 24.36kg。加入的合金元素熔化后对铝合金熔体进行搅拌，然后加入Al-3%B中间合金40.2kg对熔体进行硼化处理，硼化处理时间为15min。

第二步，对熔体进行除气、除杂、扒渣、覆盖等净化处理；硼化处理后熔体温度达到740℃时用氮气向铝合金熔体喷入熔体质量分数为1%的精炼剂精炼，精炼后的熔体扒渣之后用覆盖剂均匀覆盖，在熔炼炉内保温静置30min。

所述喷粉精炼采用精炼剂混合粉末组分为：铝一号溶剂，所述喷粉精炼时间为20min，氮气纯度为99.99%、压力为0.4MPa，所述氮气流量为220NL/min。

第三步，通过保温静置后的熔体，借助放流流槽从熔炼炉进行放流，熔体从加热炉出来后经流槽流过接在后边的在线除气和陶瓷过滤系统，然后经与陶瓷过滤系统相连的流槽依次流过上浇包、中间浇包、下浇包，最后由与下浇包相连的水平浇注流槽平稳的浇入连铸机中，铝液浇入连铸机入口温度为710℃。熔体流入转动速度为12RPM的连铸机铜轮槽口与钢带构成的型腔中，在冷却系统的内冷却水、外冷却水、内侧冷却水、外侧冷却水的冷却作用下，不断的连续凝固成温度为500℃，横截面积为400mm²的铝合金线锭，凝固的线锭随后穿过高压冷却水包，以110℃/min的冷却速度冷却到120℃，然后经吹干装置除去表面残留水分，成为连续ECAE成形用铝合金导体坯料。

第四步，将连铸成形的铝合金线锭在ECAE成形机上5道次连续ECAE成形为直径7.5mm的铝合金线杆，铝合金线杆经在线冷却后由吹干装置除去表面残留水分，被卷取成连续拉伸工艺用铝合金线杆，第一道次到第五道次ECAE成形铝合金线杆的挤出温度为100-330℃，ECAE成形轮的转速为26-42m/min，靴座冷却水流量为16-32L/Min，ECAE成形轮冷却水流量为20-45L/Min。

第五步，将经过5道次连续ECAE成形的直径为7.5mm 的铝合金线杆用10模具水箱拉伸机拉制成直径为3.0 mm的铝合金线材，拉伸机出线速度为840m/Min，从拉伸水箱出来的铝合金线材被自动卷取机绕成卷。

第六步，将成卷的铝合金线材放入时效炉中进行人工时效，人工时效的温度为180℃，时效时间为9小时。时效处理后合金导线的拉伸强度、伸长率和等效导电率分别为：336MPa、3.2%和56.5%IACS。

实施例3：

第一步：配制Al-1.5%Mg-1.4%Si铝合金成分。将1826.11kg纯度大于99.7%的工业纯铝（Wt,Fe≤0.13%，Si≤0.08%）在熔炼炉中加热熔化，在温度为760℃时，向熔化的纯铝中加入Al-20%Si中间合金140.7kg、Mg 30.45kg。加入的合金元素熔化后对铝合金熔体进行搅拌，然后加入Al-3%B中间合金40.02kg对熔体进行硼化处理，硼化处理时间为20 Min。

第二步，对熔体进行除气、除杂、扒渣、覆盖等净化处理；硼化处理后熔体温度达到740℃时用氮气向铝合金熔体喷入熔体质量分数为1%的精炼剂精炼，精炼后的熔体扒渣之后用覆盖剂均匀覆盖，在熔炼炉内保温静置45 Min。

所述喷粉精炼采用精炼剂混合粉末组分为：铝一号溶剂，所述喷粉精炼时间为25Min，氮气纯度为99.99%、压力为0.5MPa，所述氮气流量为240NL/Min。

第三步，通过保温静置后的熔体，借助放流流槽从熔炼炉进行放流，熔体从加热炉出来后经流槽流过接在后边的在线除气和陶瓷过滤系统，然后经与陶瓷过滤系统相连的流槽依次流过上浇包、中间浇包、下浇包，最后由与下浇包相连的水平浇注流槽平稳的浇入连铸机中，铝液浇入连铸机入口温度为730℃。熔体流入转动速度为9RPM的连铸机铜轮槽口与钢带构成的型腔中，在冷却系统的内冷却水、外冷却水、内侧冷却水、外侧冷却水的冷却作用下，不断的连续凝固成温度为520℃，横截面积为750mm²的铝合金线锭，凝固的线锭随后穿过高压冷却水包，以130℃/min的冷却速度冷却到80℃，然后经吹干装置除去表面残留水分，成为连续ECAE成形用铝合金导体坯料。

第四步，将连铸成形的铝合金线锭在ECAE成形机上6道次连续ECAE成形为直径9.5mm的铝合金线杆，铝合金线杆经在线冷却后由吹干装置除去表面残留水分，被卷取成连续拉伸工艺用铝合金线杆，第一道次到第六道次ECAE成形铝合金线杆的挤出温度为100℃--340℃，ECAE成形轮的转速为16-24m/min，靴座冷却水流量为20-40L/min，ECAE成形轮冷却水流量为40-60L/min。

第五步，将经过6道次连续ECAE成形的直径为9.5mm 的铝合金线杆用10模具水箱拉伸机拉制成直径为4.0 mm的铝合金线材，拉伸机出线速度为720m/Min，从拉伸水箱出来的铝合金线材被自动卷取机绕成卷。

第六步，将成卷的铝合金线材放入时效炉中进行人工时效，人工时效的温度为210℃，时效时间为9h。时效处理后合金导线的拉伸强度、伸长率和等效导电率分别为：347MPa、3.0%和55.5%IACS。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种高强度高导电铝合金导线的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

第一步、将纯度大于99.7%的工业纯铝在熔炼炉中加热熔化，熔化后的铝液经与保温炉相连接的流槽流入保温炉中，其中，熔炼炉的加热温度和熔体的温度均为740～760℃；然后向保温炉的铝液中加入中间合金Al-Si、Mg；加入中间合金后对熔体进行搅拌，然后加入Al-B中间合金对熔体进行硼化处理，以除去熔体中严重降低铝合金导电性能的Cr、Mn、V、Ti四素，硼化处理时间为10～60min；其中，所述工业纯铝中Fe、Si所占的质量分数为：Fe≤0.13%，Si≤0.08%；合金中各成分所占的质量分数为：Si 0.9%～1.4%，Mg 0.9%～1.5%，B0.06%，余量为Al ，杂质含量低于0.02%；

第二步、对熔体进行除气、除杂、扒渣、覆盖净化处理；硼化处理后熔体温度达到740℃后用氮气对熔体喷粉精炼15～25Min，所用混合粉为1号工业溶剂；氮气纯度为99.995%、压力为0.3～0.5MPa，所述氮气流量为190～240NL/min ；精炼后对熔体进行扒渣处理后，用覆盖剂均匀覆盖，并在保温炉内保温静置15～60min；

第三步、完成保温静置后的熔体，借助与保温炉连接的流槽从保温炉进行放流，熔体从保温炉中出来后经流槽流过接在后边的在线除气和陶瓷过滤装置实现炉外净化，然后经与陶瓷过滤装置相连的流槽依次流过由上浇包、中间浇包、下浇包以及与下浇包相连的水平浇注流槽构成的水平浇注系统平稳的浇入连铸机中；熔体流入转动速度为9～17PRM的连铸机结晶铜轮槽与钢带构成的型腔中，在冷却系统的内冷却水、外冷却水、内侧冷却水、外侧冷却水的冷却作用下，不断的连续凝固成温度为480～520℃，横截面积为180m²～750 m²的铝合金线锭，凝固的铝合金线锭随后穿过高压冷却水包，以大于95℃/min的冷却速度冷却到80～140℃，然后通过吹干装置除去表面残留水分，成为连续ECAE成形用铝合金导体坯料；

第四步、将连铸成形的铝合金线锭在ECAE成形机上连续ECAE成形为直径为6.0～9.5mm的铝合金线杆，铝合金线杆在线冷却后用吹干装置除去表面残留水分，被卷取成连续拉伸用铝合金线杆；其中ECAE成形轮的转速为16～60m/min，靴座冷却水流量20～45L/min，ECAE成形轮冷却水流量为20～60L/min，在120～340℃温度下ECAE成形的道次为4～7个道次；

2.根据权利要求1所述的高强度高导电铝合金导线的制备方法，其特征在于：所述第三步中熔体浇入连铸机的入口温度为690～730℃。