CN110284017A - 一种电缆用高导耐热铝合金导线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种电缆导线用高导耐热铝合金及铝合金导线，以质量百分比计的化学成分为：Fe：0.2～0.7％，Cu：0.05～0.25％，混合稀土REM：0.1～0.4％，Zr：0.05～0.12％，Sc：0.05～0.12％，Si：0.001～0.20％，B：0.001～0.03％，其余为Al和不可避免的其它杂质元素；所述电缆用高导耐热铝合金导线经熔炼、铸造制成铝棒，将铝棒进行挤压、拉拔工序制成。本发明中将微量的Zr和Sc两种元素同时加入铝合金中，在保证导电性能的情况下提高了合金的耐热性能；并通过对热挤压挤出棒材进行在线水冷处理，提升了合金的力学性能。

Description

一种电缆用高导耐热铝合金导线及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金导线技术领域，具体涉及一种电缆用高导耐热铝合金导线及其制造方法。
背景技术
电线电缆产品作为我国经济发展的主要配套行业，是我国国民经济的“血管”，关系着国家经济的发展。中国目前的电线电缆产量已达万亿元规模，在机械行业中仅次于汽车整车制造，并保持着强劲的发展势头。但随着我国国民经济的快速发展，城镇化进程加快，城乡电网改造的需求进一步增加，对电缆用铝合金的性能也有了更高的要求，尤其是城镇建设需求量较多的中低压电缆。因此，为满足电力的剧增需求，输电线路大容量方向的发展，保证高输电容量下铝合金导线的安全使用，需要在保证高导电率的同时，进一步提升合金的耐热性能。
经检索，公开号为CN106887266A的中国发明专利，该发明涉及一种高强耐热铝合金导线及其制备方法，其中：“质量百分比的成分组成：Fe 0.5～0.6％，Si 0.1～0.2％，Cu0.06～0.07％，Zr 0.05～0.07％，C 0.002～0.004％，REM 0.03～0.05％，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，其中所述REM的成分及质量百分比为：Pr25.2％，Nd 20.6％，Pm 21.3％，Sm 13.8％，Gd 19.1％。”该导线具有强度高、塑性好，耐热性能优良的特点，适用于城市电网增容改造和长距离大容量输电工程建设。该专利公开的合金中Zr的质量占比为0.05～0.07％，Zr在铝合金导线中可以析出细小弥散的Al3Zr相，Al3Zr相对位错和晶界具有钉扎作用，可阻碍晶内和晶界的滑移，用以提高合金的耐热性能。但Zr的加入会引起铝基体的晶体点阵畸变，增加电子散射作用，降低合金的导电率。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种较高耐热性能、抗拉强度，同时又能保证较高导电性能的电缆用高导耐热铝合金导线及其制备方法。
本发明所述的电缆用高导耐热铝合金导线，其化学成分及其质量百分比：Fe：0.2～0.7％，Cu：0.05～0.25％，混合稀土REM：0.1～0.4％，Zr：0.05～0.12％，Sc：0.05～0.12％，Si：0.001～0.20％，B：0.001～0.03％，其余为Al和不可避免的其它杂质元素。
进一步，不可避免的其它杂质元素(如Mg、Zn、Mn、Ti)中每种元素的含量均不超过0.03％，不可避免的其它杂质元素的总量不超过0.10％。
进一步，所述的混合稀土REM由下列元素组成：Ce：20～30％；La：70～80％。
依据本发明，优选的各组分的质量百分比为：Fe：0.3～0.6％，Cu：0.1～0.2％，混合稀土REM：0.2～0.3％，Zr：0.06～0.10％，Sc：0.06～0.10％，Si：0.05～0.10％，B：0.01～0.02％，其余为Al和不可避免的其它杂质元素。所述不可避免的其它杂质元素中每种元素的含量均不超过0.03％，不可避免的其它杂质元素的总量不超过0.10％。
本发明所述的电缆用高导耐热铝合金导线的制备方法，包括如下步骤：
一、熔炼：
1)将石墨坩埚置于电阻炉中，升温至340～360℃，加入纯铝；
2)将电阻炉升温至710～750℃，待纯铝全部熔化，通入氩气(Ar)，利用扒渣勺扒去熔体表面氧化渣；
3)将电阻炉升温至760～780℃，加入预热好的Al-Fe和Al-Si中间合金，并保温20～30分钟，每10～15分钟搅拌一次；之后加入预热好的Al-B和Al-REM中间合金，保温10～20分钟，每10～15分钟搅拌一次；扒去浮渣后加入预热好的Al-Zr、Al-Sc和Al-Cu中间合金，保温20分钟，每10～15分钟搅拌一次；
4)将铝熔体降温至710～750℃，向铝液中加入精炼剂，并通入氩气(Ar)对铝液进行精炼，并静置10～20分钟；
5)除去熔体表面的氧化物后，将熔体浇铸到预热好的金属模具中，自然冷却得到铝棒。
二、挤压与拉拔：
1)挤压前对铸态铝棒进行均匀化退火处理，在500～560℃温度下保温16～48h，空冷；
2)用立式挤压机对铸态铝棒进行挤压，挤压前直径为15～50mm；挤压后的直径为4～10mm，挤压温度为350～450℃，金属流出模孔速度为2～4m/min，制成棒材，对挤出棒材进行在线水冷处理；
3)利用拉丝机将挤出棒材拉制成直径为1.5～3mm的铝合金线，之后对铝合金线进行退火处理，制得铝合金导线。
进一步，所述的Al-Fe、Al-Si、Al-B、Al-REM、Al-Zr、Al-Sc以及Al-Cu中间合金分别为Al-20Fe、Al-20Si、Al-4B、Al-10REM、Al-4Zr、Al-2Sc、Al-50Cu中间合金，通过熔化合成法合成。
进一步，所述的熔炼步骤中预热处理为180～250℃下保温20～30min。
进一步，所述的精炼剂为六氯乙烷。
进一步，所述的在线水冷，是指在挤出棒材出口处放置带有水循环的水冷装置，使棒材挤出瞬间实现较快的冷却速度。
进一步，所述的退火处理为270～360℃下保温1～10h。
依据本发明，熔炼过程中最佳温度为：将石墨坩埚置于电阻炉中，升温至350℃，加入纯铝；将电阻炉升温至730℃，待纯铝全部熔化，通入氩气(Ar)，利用扒渣勺扒去熔体表面氧化渣；将电阻炉升温至770℃，加入预热好的Al-Fe和Al-Si中间合金，并保温20～30分钟，每10分钟搅拌一次；之后加入预热好的Al-B和Al-REM中间合金，保温10～20分钟，每10分钟搅拌一次；扒去浮渣后加入预热好的Al-Zr、Al-Sc和Al-Cu中间合金，保温20分钟，每10分钟搅拌一次；将铝熔体降温至730℃，向铝液中加入精炼剂，并通入氩气(Ar)对铝液进行精炼，并静置10～20分钟；除去熔体表面的氧化物后，将熔体浇铸到预热好的金属模具中，自然冷却得到铝棒。
本发明的有益效果是：
1、本发明中将微量的Zr和Sc两种元素同时加入铝合金中，使合金的耐热性能有所提高，比单独添加Zr元素更加有效，且相比于单独添加Zr元素的导电性能有一定的提升。Sc的添加会使合金中的沉淀相Al3Zr演变成Al3(Sc,Zr)复合粒子，Al3(Sc,Zr)相晶格常数与Al更加接近，可更加有效地抑制晶界迁移，且粗化速率相对较慢，热稳定性更高。此外，复合添加Sc、Zr会使析出的沉淀相变得更细小、弥散，同时考虑Al3(Sc,Zr)相晶格常数与Al更加接近，对合金的电子散射作用减弱，对导电性能的影响降低。因此，一定含量的Sc、Zr元素的加入对合金导电性能的影响较小，可以更好地发挥Zr、Sc元素对合金耐热性能的提升作用。
2、本发明对热挤压挤出棒材进行在线水冷处理，通过简单的水冷处理，可以细化退火后合金的再结晶晶粒，有效提升合金的力学性能。较快的冷却速度可以使挤出棒材在高温下停留时间变短，较少发生静态再结晶，更多停留在动态回复阶段，使合金内部具有更多的亚晶。在后续拉拔过程中具有更高的位错密度，退火后再结晶晶粒更加细小，力学性能得到提升。本发明旨在提高电缆导线用铝合金的导电率和耐热性，铝合金的导电率和耐热性有显著的提高。其抗拉强度会有一定的损失，该合金可以适用于对抗拉强度要求不高的(额定电压0.6/1kv)中低压电线电缆。
具体实施方式
实施例1：
一种电缆用高导耐热铝合金导线的制备方法：
由电缆导线用高导耐热铝合金制成，以下列化学成分及其质量百分比为例：Fe：0.5％，Cu：0.15％，REM：0.3％，Zr：0.08％，Sc：0.08％，Si：0.05％，B：0.03％，其余为Al和不可避免的其它杂质元素。
一、熔炼：
1)将石墨坩埚置于电阻炉中，升温至350℃，加入纯铝；
2)将电阻炉升温至730℃，待纯铝全部熔化，通入氩气，利用扒渣勺扒去熔体表面氧化渣；
3)将电阻炉升温至770℃，加入预热好的Al-20Fe和Al-20Si中间合金，并保温20～30分钟，每10分钟搅拌一次；之后加入预热好的Al-4B和Al-10REM中间合金，保温10～20分钟，每10分钟搅拌一次；扒去浮渣后加入预热好的Al-4Zr、Al-2Sc和Al-50Cu中间合金，保温20分钟，每10分钟搅拌一次；
4)将铝熔体降温至730℃，向铝液中加入精炼剂，并通入氩气对铝液进行精炼，并静置10～20分钟。
5)除去熔体表面的氧化物后，将熔体浇铸到预热好的金属模具中，自然冷却得到铝棒。
所述的熔炼步骤中预热处理为200℃下保温25min。所述的精炼剂为六氯乙烷。
二、挤压与拉拔：
1)挤压前对铸态铝棒进行均匀化退火处理，在520℃温度下保温24h，空冷；
2)用立式挤压机对铸态铝棒进行挤压，挤压前直径为27mm；挤压后的直径为8mm，挤压温度为400℃，金属流出模孔速度为3m/min，在线水冷，制成棒材；
3)利用拉丝机将挤出棒材拉制成直径为2.5mm的铝合金线，之后对铝合金线进行330℃×2h退火处理，制得铝合金单线。
实施例2：
一种电缆用高导耐热铝合金导线的制备方法：
由电缆导线用高导耐热铝合金制成，以下列化学成分及其质量百分比为例：Fe：0.6％，Cu：0.2％，REM：0.3％，Zr：0.1％，Sc：0.1％，Si：0.1％，B：0.02％，其余为Al和不可避免的其它杂质元素。
熔炼、挤压与拉拔步骤同实施例1，其中均匀化退火处理参数为：540℃均匀化20h，空冷；挤压工艺参数：挤压温度430℃，金属流出模孔速度为3.5m/min，在线水冷；退火处理参数为：350℃下保温4h。
实施例3：
一种电缆用高导耐热铝合金导线的制备方法：
由电缆导线用高导耐热铝合金制成，以下列化学成分及其质量百分比为例：Fe：0.3％，Cu：0.1％，REM：0.2％，Zr：0.06％，Sc：0.06％，Si：0.05％，B：0.01％，其余为Al和不可避免的其它杂质元素。
熔炼、挤压与拉拔步骤同实施例1，其中均匀化退火处理参数为：500℃均匀化30h，空冷；挤压工艺参数：挤压温度350℃，金属流出模孔速度为2.5m/min，在线水冷；退火处理参数为：300℃下保温6h。上述实施例的性能指标如下表：
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其它变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种电缆导线用高导耐热铝合金，其特征在于，以质量百分比计的化学成分为：Fe：0.2～0.7％，Cu：0.05～0.25％，混合稀土REM：0.1～0.4％，Zr：0.05～0.12％，Sc：0.05～0.12％，Si：0.001～0.20％，B：0.001～0.03％，其余为Al和不可避免的其它杂质元素。
2.如权利要求1所述的一种电缆导线用高导耐热铝合金，其特征在于，所述的混合稀土REM由下列元素组成：Ce：20～30％；La：70～80％。
3.如权利要求1或2所述的一种电缆导线用高导耐热铝合金，其特征在于，不可避免的其它杂质元素中每种元素的含量均不超过0.03％，不可避免的其它杂质元素的总量不超过0.10％。
4.如权利要求1或2所述的一种电缆导线用高导耐热铝合金，其特征在于，以质量百分比计的化学成分为：Fe：0.3～0.6％，Cu：0.1～0.2％，混合稀土REM：0.2～0.3％，Zr：0.06～0.10％，Sc：0.06～0.10％，Si：0.05～0.10％，B：0.01～0.02％，其余为Al和不可避免的其它杂质元素；所述不可避免的其它杂质元素中每种元素的含量均不超过0.03％，不可避免的其它杂质元素的总量不超过0.10％。
5.一种电缆用高导耐热铝合金导线，其特征在于，所述电缆用高导耐热铝合金导线由权利要求1-4中任一项所述的铝合金制成。
6.一种如权利要求5所述的电缆用高导耐热铝合金导线的制备方法，其特征在于，所述电缆用高导耐热铝合金导线经熔炼、铸造制成铝棒，将铝棒进行挤压、拉拔工序制成；
所述挤压工序包括挤压前均匀化退火步骤和挤压步骤，所述拉拔工序包括拉丝步骤和退火处理，退火处理后制得铝合金导线；
所述均匀化退火处理为：在500～560℃温度下保温16～48h，空冷；
所述挤压步骤为：用立式挤压机对铸态铝棒进行挤压，挤压前直径为15～50mm；挤压后的直径为4～10mm，挤压温度为350～450℃，金属流出模孔速度为2～4m/min，制成棒材，对挤出棒材进行在线水冷处理；
所述拉丝步骤为：利用拉丝机将挤出棒材拉制成直径为1.5～3mm的铝合金线；
所述退火处理为：所述的退火处理为270～360℃下保温1～10h。
7.如权利要求6所述的电缆用高导耐热铝合金导线的制备方法，其特征在于，所述的在线水冷，是指在挤出棒材出口处放置带有水循环的水冷装置，使棒材挤出瞬间实现较快的冷却速度。
8.如权利要求6或7所述的电缆用高导耐热铝合金导线的制备方法，其特征在于，所述熔炼、铸造包括以下步骤：
1)将石墨坩埚置于电阻炉中，升温至340～360℃，加入纯铝；
2)将电阻炉升温至710～750℃，待纯铝全部熔化，通入氩气，扒去熔体表面氧化渣；
3)将电阻炉升温至760～780℃，加入预热好的Al-Fe和Al-Si中间合金，并保温20～30分钟，每10～15分钟搅拌一次；之后加入预热好的Al-B和Al-REM中间合金，保温10～20分钟，每10～15分钟搅拌一次；扒去浮渣后加入预热好的Al-Zr、Al-Sc和Al-Cu中间合金，保温20分钟，每10～15分钟搅拌一次；
4)将铝熔体降温至710～750℃，向铝液中加入精炼剂，并通入氩气对铝液进行精炼，并静置10～20分钟；
5)除去熔体表面的氧化物后，将熔体浇铸到预热好的金属模具中，自然冷却得到铝棒。
9.如权利要求8所述的电缆用高导耐热铝合金导线的制备方法，其特征在于，
所述的Al-Fe、Al-Si、Al-B、Al-REM、Al-Zr、Al-Sc以及Al-Cu中间合金分别为Al-20Fe、Al-20Si、Al-4B、Al-10REM、Al-4Zr、Al-2Sc、Al-50Cu中间合金；
所述的精炼剂为六氯乙烷。
10.如权利要求8或9所述的电缆用高导耐热铝合金导线的制备方法，其特征在于，所述的熔炼步骤中预热处理为180～250℃下保温20～30min。
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