CN111834045B - 金属复合线及其制备方法、导线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种金属复合线制备方法，将包覆型金属线材依次通过加热时效处理、表面处理得到断后伸长率达2.0％以上、表层硬度达50HV以上的所述金属复合线。本发明成型的金属复合线通过加热时效处理提高断后伸长率，且以表面处理改善表面硬度，确保金属复合线与导电单元的断后伸长率匹配性好，且抗拉强度和表面硬度高，以使绞合过程避免芯材暴露和明显的压伤。本发明还提供应用金属复合线制成的导线，其断后伸长率高，使用寿命长，安全稳定性高。

Description

金属复合线及其制备方法、导线
技术领域
本发明涉及复合材料加工技术领域，特别是指一种金属复合线及其制备方法、导线。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
电工铝包钢线是由金属钢芯和铝杆基于连续挤压包覆技术复合而成的双金属材料，它具有强度高、耐腐蚀、低损耗和比重轻等特性，在光纤架空复合地线和架空电力输配线路中发挥不可替代的作用。
GB/T 3428-2012《架空绞线用镀锌钢线》规定镀锌钢线(相当于铝杆)伸长率不低于2％，而GB/T 17937-2009《电工用铝包钢线》规定铝包钢线(相当于金属钢芯)的断后伸长率不低于1％，由于金属钢芯和铝杆的断后伸长率不匹配，导线受到强烈载荷时，金属钢芯优先断裂，外层铝杆滞后断裂，导线整体拉断力受影响，制约了铝包钢线在架空导线领域的广泛应用。为了提升铝包钢线的伸长率，国内外厂家主要通过降低盘条含碳量、采用多道次小压缩率拉拔工艺以及调整热处理工艺等方法来实现。其中采用降低盘条的含碳量来提升铝包钢的伸长率，成品铝包钢线的抗拉强度和1％伸长应力会大幅度降低，降低导线的拉断力，达不到线路的设计要求。采用多道次小压缩率工艺来提升铝包钢的伸长率，一方面不能保证钢和铝的结合强度，另一方面受制于拉丝设备，需要改造设备增加拉拔道次，增加生产成本。通过调整热处理工艺来提升伸长率，后道的双金属同步拉拔又会造成新的加工硬化，降低铝包钢线的伸长率。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种金属复合线制备方法，提高成型的金属复合线与架空线路用导线中导体层的铝线或铝合金线的断后伸长率的匹配度，确保其制备工艺步骤少，易于连续生产作业。
本发明提供的技术方案为：一种金属复合线制备方法，包括以下步骤：
准备包含同轴包覆的表层和芯材的包覆型金属线材；
将所述包覆型金属线材在预设温度条件下保持预设时长来进行时效处理，得到预处理金属复合线；
将所述预处理金属复合线进行表面处理，以使所述表层的厚度变薄致表面硬度提高，且所述芯材的线径不变，从而得到断后伸长率达2.0％以上、表层硬度达50HV以上的所述金属复合线。
进一步地，所述将所述预处理金属复合线进行表面处理的步骤包括：
将所述预处理金属复合线从拉拔机的模孔拉拔出，来实现所述表层硬化。
进一步地，所述拉拔速度为2-5m/s。
进一步地，所述模孔的出口孔径比所述预处理金属复合线的线径小0.01-0.03mm。
进一步地，所述预设温度范围为150-300℃，所述预设时长范围为3-12h。
本发明还提供一种金属复合线，包括同轴包覆的表层和芯材，采用所述的金属复合线制备方法成型得到，所述表层的材料包括铜、铝、铝合金中的一种；所述芯材的材料包括碳素钢或殷钢。
当所述表层的材料为铜时，所述金属复合线的表层硬度为65HV以上。
当所述芯材的材料为含碳量小于0.9％的碳素钢时，所述金属复合线的断后伸长率为3.0％-4.5％。
本发明另涉及一种导线，包括多根所述的金属复合线，以及若干光纤单元和/或若干导电单元；其中多根所述金属复合线与若干所述光纤单元和/或若干所述导电单元并排排布成端面大体为圆形的线束以整体绞合得到所述导线。
进一步地，所述光纤单元包括光纤、外包层和填充在所述光纤与所述外包层空隙间的纤膏。
进一步地，所述导电单元包括硬质铝、铝合金中的一种。
本发明还涉及另一种导线，包括多根所述的金属复合线和多根导电单元，其中多根所述改性复合线并排排布且预先绞合成端面大体为圆形的线芯，多根所述导电单元以所述线芯为中心并排排布以整体绞合得到所述导线。
进一步地，所述导电单元包括硬质铝、铝合金中的一种。
与现有技术相比，本发明提供的一种金属复合线制备方法，将复合线材依次通过加热时效处理、表面处理得到的断后伸长率达2.0％以上、表层硬度达50HV以上的所述金属复合线。本发明的金属复合线通过加热时效处理提高其断后伸长率，且以表面处理改善表面硬度，确保金属复合线与导电单元的断后伸长率匹配性好，且抗拉强度和表面硬度高，以使绞合过程避免芯材暴露和明显的压伤。制成的导线断后伸长率高，使用寿命长，安全稳定性高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一较佳实施方式中金属复合线的制备流程图。
图2为本发明一较佳实施方式中金属复合线的制备过程产品尺寸变化示意图。
图3为本发明一较佳实施方式中导线的端面结构示意图。
图4为本发明另一较佳实施方式中导线的端面结构示意图。
图5为本发明又一较佳实施方式中导线的端面结构示意图。
附图标记说明:
包覆型金属线材 10
芯材 1
表层 2
预处理金属复合线 20
预处理金属复合线的线径 D
金属复合线 30
模孔 200
模孔出口孔径 d
导线 500
光纤单元 50
外包层 51
光纤 52
纤膏 53
导电单元 70
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明实施例。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明实施例的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明实施例，所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明实施例保护的范围。
本文中“位错”指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列(晶体学缺陷)，属于一种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线，其存在对材料的物理性能，尤其是力学性能，具有极大的影响。
本文中“位错密度”为单位体积晶体中所含的位错线的总长度，单位是1/平方厘米。
本文中“压接比率”，用于导线压接过程中，是指导线压接后破断力与绞合后计算的拉断力的比值。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明实施例的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明实施例。
请参阅图1，为本发明一较佳实施方式中金属复合线30的制备流程。该流程步骤不可颠倒，需依次进行，主要包括以下步骤：
步骤S1：准备包含同轴包覆的表层2和芯材1的包覆型金属线材10。
步骤S2：将所述包覆型金属线材在预设温度条件下保持预设时长来进行时效处理，得到预处理金属复合线。
在本实施方式中，所述预设温度范围为150-300℃，所述预设时长范围为3-12h。
步骤S3：将所述预处理金属复合线进行表面处理，以使所述表层的厚度变薄致表面硬度提高，且所述芯材的线径不变，从而得到断后伸长率达2.0％以上、表层硬度达50HV以上的所述金属复合线。
在本实施方式中，所述将所述预处理金属复合线进行表面处理的步骤包括：将所述预处理金属复合线从拉拔机的模孔拉拔出，来实现所述表层硬化。其中，所述模孔出口孔径d比所述预处理金属复合线20的线径D小0.01-0.03mm。所述拉拔速度为2-5m/s。
下面通过具体实施例对本发明的金属复合线30制备流程及得到的产品性能和应用产品结构进行举例说明。
实施例1
步骤S1：选用铝包钢线材LB14-2.80，即包覆型金属线材10，包括含碳量为0.78％-0.85％的碳素钢芯材1和包覆于碳素钢外的铝(即表层2)，测得其抗拉强度为1720MPa、断后伸长率为1.2％，扭转39圈，表面硬度均值为51HV。
步骤S2：将铝包钢线材在270℃下保持7h来进行时效处理得到预处理铝包钢线(即预处理金属复合线20)。经实验结果显示，预处理铝包钢线的抗拉强度为1672MPa，断后伸长率为3.2％，扭转38圈，表面硬度为44HV；本步骤之后测得产品的抗拉强度和表面硬度有所下降，但显著提高了原铝包钢线材的断后伸长率。
步骤S3：将预处理铝包钢线从拉拔机的模孔200进行拉拔出，其中金属拉丝机内置硬质合金模孔200，该模孔(如图2所示)的出口孔径d比预处理铝包钢线的线径D小0.01mm，拉拔速度为5m/s，最终得到断后伸长率为2.8％，抗拉强度为1700MPa，扭转37圈，表面铝的硬度为66HV的铝包钢线。由此可以看出，经过本步骤的表面处理之后，最终产品的抗拉强度和表面硬度相较于预处理铝包钢线的有所增大，改善了综合性能。进而，得到的改性后的铝包钢线与导电单元70(如硬铝线)匹配度更佳，导线压接比率可提升3％左右。
本发明上述方法中时效处理及表面处理的功效原理在于：包覆型金属线材10多为经过多道次的冷拉拔后成型的，相比于单一的钢线或铝线，包覆型金属线材10成型过程中位错强化或冷加工硬化，使得其抗拉强度升高，但其塑性(断后伸长率)下降。本发明中当包覆型金属线材10经过加热时效处理后，得到的预处理金属复合线20中的位错密度开始下降，如铝包碳素钢线经加热时效处理能促进纳米晶型的Fe3C的形成，位错减少，材料的断后伸长率大大提高，远超出导电单元70(如硬铝线)设计要求(≥2％)，两者匹配时，改性铝包碳素钢不至于先断裂；但同时表面硬度和抗拉强度会有所下降，尤其是表面硬度，可能造成绞合成导线500时存在芯材暴露和明显压伤的现象，影响使用安全性。为此，表面处理的设计初衷在于仅减小表层2(如铝)的厚度，而不减小芯材1的线径，即使得表层加工硬化，避免后续绞合中造成压伤和芯材暴露的问题，保证导线的使用安全和使用寿命。可以理解，表面处理方式还可以是辊压处理。
如图3所示，将6根制备的φ2.8mm的LB14-2.8规格的铝包钢线、1根φ2.7mm的光纤单元50、9根φ4.20mm的铝包钢线和36根φ4.20mm的硬铝线并排排布成端面大体为圆形的线束，然后将该线束整体绞合成OPPC-24B1-630/45光纤复合架空相线(图3为端面结构，不包括最外层的包层)。其中，1根φ2.8的铝包钢线为线束中心，该线束中心外排布有5根φ2.8mm的铝包钢线和1根φ2.7mm的光纤单元50，相互围成一圈，形成第一结构层；第一结构层外排布有9根φ4.20mm的铝包钢线，相互围成一圈，形成第二结构层；第二结构层外排布有36根φ4.20mm的硬铝线，相互围成两圈，由内至外分别为第三结构层和第四结构层，其中第三结构层含15根φ4.20mm的硬铝线。其中光纤单元50的内部具体结构参见图5，包括光纤52、外包层51和填充光纤52和外包层51缝隙间的纤膏53。该架空相线(即导线500)的拉断力达到164.9KN，较普通复合金属导线的拉断力提高3％以上，且10年蠕变率0.0812％，30年蠕变率0.0886％。
实施例2
步骤S1：选用铝包钢线材LB20-2.10，即包覆型金属线材10，包括含碳量为0.68-0.75％的碳素钢芯材1和包覆于碳素钢外的铝(即表面2)，测得包覆型金属线材10抗拉强度为1446MPa、断后伸长率为1.4％，扭转54圈，表面硬度均值为51HV；
步骤S2：将铝包钢线材在270℃下保持6h来进行时效处理得到预处理铝包钢线(即预处理金属复合线20)，测得预处理铝包钢线的抗拉强度为1424MPa，断后伸长率为4.8％，扭转42圈，表面硬度为45HV。
步骤S3：将预处理铝包钢线从拉拔机的模孔200进行拉拔出，其中模孔200的出口孔径d比预处理铝包钢线的线径D小0.02mm，拉拔速度为2.5m/s，最终得到断后伸长率为3.2％，抗拉强度为1438MPa，扭转39圈，表面铝的硬度为62.7HV的铝包钢线。
如图4所示，将7根φ2.1mm的LB20-2.10规格的铝包钢线并排排布且预先绞合成端面大体为圆形的线芯；再在该线芯外将9根φ3.15mm的铝包钢线排布成一圈；接着将15根φ3.15mm的硬铝线排布在外层，且形成一圈，然后将排布好的线芯和其他线材整体绞合制成JL/LB20-185/25-24/7导线，该导线的拉断力达到59.35KN，比普通铝包钢芯铝绞线的拉断力提高2％左右，且压接比率提高2％以上。
在其他实施方式中，还进行了材质不同的表层2和芯材1以及工艺参数的相关试验，具体参数和性能如下表1、表2、表3所示。
表1
Figure BDA0002029846950000091
表2
Figure BDA0002029846950000092
表3
Figure BDA0002029846950000101
可以理解，模孔的出口孔径d小于预处理金属复合线的线径D可以为0.01-0.03mm中任意值，不限定为上述实施例；在其他实施方式中，拉拔速度控制在2-5m/s，不限定在上述实施例；在其他实施方式中，表层材料还可以是铜或者铝合金；在其他实施方式中，所述导电单元70还可以是铝合金线材；在其他实施方式中，所述导线500的构成、形状不限定为上述实施方式，比如可以为图5示出的结构，由光纤单元50和金属复合线30组合而成等，改进后的产品性能与常规导线相比性能更优越，满足应用要求。
综上，本发明一方面利用加热时效的方法处理包覆型金属线材，消除位错堆叠和加工硬化，使金属内部组织达到或接近平衡状态，且通过控制时效温度和时间获得高断后伸长率(＞2.0％，较优时达4.0％)的产品；另一方面，后续对加热时效处理的金属复合线材进行表面处理，以提升线材表面硬度，防止在绞制过程中出现刮伤、压痕等缺陷；最终获得断后伸长率与导体层材质匹配良好的金属复合线，提升导线的整体拉断力，延长导线的使用寿命，确保成品率和产品的使用安全，进一步拓宽了铝包钢线的应用，且制备工艺简单，高效，易于量化生产。
以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种金属复合线制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
准备包含同轴包覆的表层和芯材的包覆型金属线材；所述包覆型金属线材为铝包钢线材，所述芯材为碳素钢，所述表层为铝或铝合金；
将所述包覆型金属线材在预设温度条件下保持预设时长来进行时效处理，以消除位错堆叠和加工硬化，得到预处理金属复合线；所述预设温度范围为150-300℃，所述预设时长范围为3-12h，以促进纳米晶型的Fe3C的形成；
将所述预处理金属复合线进行表面处理，以使所述表层的厚度变薄致表面硬度提高，且所述芯材的线径不变，从而得到断后伸长率达2.0％以上、表层硬度达50HV以上的所述金属复合线。
2.根据权利要求1所述的金属复合线制备方法，其特征在于，所述将所述预处理金属复合线进行表面处理的步骤包括：
将所述预处理金属复合线从拉拔机的模孔拉拔出，来实现所述表层硬化。
3.根据权利要求2所述的金属复合线制备方法，其特征在于：所述拉拔速度为2-5m/s。
4.根据权利要求3所述的金属复合线制备方法，其特征在于：所述模孔的出口孔径比所述预处理金属复合线的线径小0.01-0.03mm。
5.一种金属复合线，包括同轴包覆的表层和芯材，其特征在于：采用权利要求1-4中任一项所述的金属复合线制备方法成型得到。
6.一种导线，其特征在于：包括多根如权利要求5所述的金属复合线，以及若干光纤单元和/或若干导电单元；其中多根所述金属复合线与若干所述光纤单元和/或若干所述导电单元并排排布成端面为圆形的线束以整体绞合得到所述导线。
7.根据权利要求6所述的导线，其特征在于：所述光纤单元包括光纤、外包层和填充在所述光纤与所述外包层空隙间的纤膏。
8.一种导线，其特征在于：包括多根如权利要求5所述的金属复合线和多根导电单元，其中多根所述金属复合线并排排布且预先绞合成端面为圆形的线芯，多根所述导电单元以所述线芯为中心并排排布以整体绞合得到所述导线。
9.根据权利要求8所述的导线，其特征在于：所述导电单元包括硬质铝、铝合金中的一种。
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Denomination of invention: Metal composite wire and its preparation method, wire

Granted publication date: 20210924

Pledgee: Rudong sub branch of Bank of China Ltd.

Pledgor: ZHONGTIAN POWER OPTICAL CABLE Co.,Ltd.

Registration number: Y2024980000801