CN113674890A

CN113674890A - 一种高导电率耐热铝合金单丝及制备方法

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Publication number: CN113674890A
Application number: CN202110794420.1A
Authority: CN
Inventors: 朱元成; 徐中凯; 祝志祥; 陈保安; 丁一; 张强; 庞震; 杨长龙; 郑炜亮; 郑薇; 马洪峰; 张静媛; 赵丽丽; 潘学东; 段有重; 郭峰; 朱丽慧
Original assignee: Yingkou Electric Power Supply Co Of State Grid Liaoning Electric Power Supply Co ltd; State Grid Corp of China SGCC; Global Energy Interconnection Research Institute
Current assignee: Yingkou Electric Power Supply Co Of State Grid Liaoning Electric Power Supply Co ltd; State Grid Corp of China SGCC; Global Energy Interconnection Research Institute
Priority date: 2021-07-14
Filing date: 2021-07-14
Publication date: 2021-11-19
Anticipated expiration: 2041-07-14
Also published as: CN113674890B

Abstract

一种高导电率耐热铝合金单丝，成分组成包括Al、B、Zr、Dy、Y元素以及杂质元素Fe、Si、Cr、Mn、V、Ti，各成分组份的质量百分比为：B：0.002～0.03％，Zr：0.002～0.03％，Dy：0.005～0.05％，Y：0.005～0.03％，Si：0.001～0.06％，Fe：0.001～0.10％，(V+Ti+Cr+Mn)≤0.007％，余量为铝和不可避免的微量杂质。一种制备高导电率耐热铝合金单丝的方法，熔炼、精炼；浇铸：铝合金液经Al₂O₃泡沫陶瓷过滤装置过滤除杂后浇铸到高强度钢质模具内；制杆：将耐热铝合金锭在500～510℃保温1.5小时后，在轧机上轧制成；拉丝：拉丝温度为30～40℃，变形量为15～20％，拉丝模具为聚晶金刚石模具。本发明的优点：简化了高导电率耐热铝合金单丝材料的制备流程，导电率≥61.8％IACS，抗拉强度≥172MPa，延伸率≥2.0％，耐热温度为150℃。

Description

一种高导电率耐热铝合金单丝及制备方法

技术领域

本发明涉及电力行业架空输电线路用导线技术领域，导电率≥61.8％IACS，抗拉强度≥172MPa，延伸率≥2.0％，耐热温度为150℃的架空导线用高导电率耐热铝合金单丝材料，特别涉及一种高导电率耐热铝合金单丝及制备方法。

背景技术

能源资源与电力负荷分布严重失衡，对架空输电线路用导线的大容量、低损耗电能输送技术水平提出了更高的要求。随着全球能源互联网的逐步构建，大跨越、大高差区域将越来越多，迫切需要大量能输送大电流并在较高温度运行服役的架空输电导线。

现役架空输电线路用导线为普通钢芯铝绞线，其所用的硬铝导体材料20℃的导电率不小于61％IACS(International Annealing Copper Standard,国际退火铜标准)，但其耐热性较差(长期运行温度一般为90℃以下)、载流量低。耐热铝合金导线是一种性能良好的增容导线，可在不更换杆塔的条件下，直接采用更换耐热铝合金导线的方式提高线路输送容量，省去了征地、拆建塔程序，并大幅度缩短了工期。对于新建线路，耐热铝合金导线则具有降低铁塔排位、降低弧垂、增大挡距、减少铁塔数量且节省输电走廊的优点。此外，耐热铝合金导线可有效提升输电线路的短时过负荷(如N-1故障)承受能力，保障新能源送出架空输电线路的安全可靠运行。目前国内外市场中耐热铝合金导线产品以导电率为60％IACS、长期运行耐热温度为150℃的耐热铝合金导线为主，导电率水平较61％IACS普通钢芯铝绞线低1％IACS，每公里输电损耗增加约0.5～1.0万kW小时/年，较大限制了耐热铝合金导线的推广应用。近年来，利用纳米稀土添加剂对现有耐热铝合金导体材料进行掺杂改性，可在保证较高载流量的同时，进一步提高耐热铝合金材料的导电率，减少输电线损，成为目前耐热铝合金导体材料研究的热点。

发明内容

本发明目的在于开发出一种用于电力行业中架空输电导线用高导电率耐热铝合金单丝材料，解决常规60％IACS耐热铝合金导线导电率低输电线损大的技术难题。采用控制B、Zr、以及Dy、Y微合金化元素的添加量，开发出具有61.8％IACS(20℃)以上导电率，抗拉强度≥172MPa，延伸率≥2.0％，耐热温度为150℃，230℃加热1小时后强度残余率大于90％的高导电率耐热铝合金单丝材料。

本发明提供了一种高导电率耐热铝合金单丝，其中：所述的高导电率耐热铝合金单丝，成分组成包括Al、B、Zr、Dy、Y元素以及杂质元素Fe、Si、Cr、Mn、V、Ti，各成分组份的质量百分比为：B：0.002～0.03％，Zr：0.002～0.03％，Dy：0.005～0.05％，Y：0.005～0.03％，Si：0.001～0.06％，Fe：0.001～0.10％，V+Ti+Cr+Mn≤0.007％，余量为铝和不可避免的微量杂质；

本发明采用的各微合金化元素的作用及机理如下：

Dy：添加微量的稀土Dy对铝合金进行改性，可以显著提高铝合金的强度、耐热性，且能减少铝合金的枝晶偏析，细化铝合金的晶粒组织。Dy元素对晶粒的细化机理与其添加量有关，当Dy含量较低时，符合传统的稀土细化机理；当Dy含量较高时，由于在熔体中形成了初生Al₃Dy质点，在结晶形核时可以作为非均质形核核心，从而显著细化晶粒组织；Dy还可以与铝合金中的部分杂质元素Fe、Si反应，使杂质元素从原子态转变为析出态，从而提高铝合金的导电率。

Y：稀土Y的加入对铝合金导电性能的提高，是由于Y与铝中固溶杂质元素Fe、Si发生强烈的交互作用，Y与杂质原子形成的稀土化合物在晶界处析出，降低了Fe、Si杂质元素在基体中的固溶度。而杂质元素在铝中以固溶态存在时对铝导体电阻率的增大作用远大于析出态，Fe、Si杂质和Y反应生成化合物在晶界处析出，减少了固溶的Fe、Si对电子的散射作用，故加入适量Y能使铝合金的导电率提高。但过多的纳米Y会影响铝合金导电性能，且Y含量增加会增强晶粒细化作用，增加了对电子的散射，从而降低导电率。因此Y含量应控制在一定范围内以保证铝合金导体的导电性能。

Zr：要提高导电铝合金的耐热性能必须设法防止合金畸变能的减少，从而防止铝合金强度不至于因温度升高而下降。适量Zr的加入能明显改善铝合金的耐热性能，由于锆原子半径比铝原子半径略大，Zr在铝中以置换方式进行扩散，其扩散激活能高，向亚结晶晶粒边界析出细微的Al₃Zr相，它不易聚集长大，稳定性高，抑制再结晶的发生，在较高的温度下仍可有效的钉扎位错与晶界，阻碍变形与晶内及晶界滑移，使蠕变抗力得以提高，从而使铝合金的耐热性能得到了改善。同时，Zr的加入可以改善铝合金的抗蠕变性能，使铝合金在高温下也只有很小的蠕变伸长，因此，能够使架空输电线在输电塔杆之间的间距增大，并且保持铝合金导线较小的悬垂度。

B：铝导体中杂质元素如果以固溶态存在，对导电性能的影响很大，而硼化处理能有效降低杂质含量，即在电工铝中加入一定量的B元素后，能够和过渡族杂质元素Cr、Mn、V、Ti杂质元素发生反应，使之由固溶态转变为化合态并沉积于熔体底部而净化铝导体，从而提高铝合金的导电性能。与此同时，在铝导体加入适量的Zr能明显改善合金的耐热性能，但Zr的加入也会对合金的导电性产生不利影响。有研究表明在含Zr的铝合金中加入适量的B，能在保证合金耐热性的前提下保证其导电性。一般认为，合金中添加的B不过量时，即控制含Zr耐热铝合金材料中加入的B在Zr：B＝1：2的范围内，添加的B与合金中的Zr形成ZrB₂化合物，由于化合物弥散分布且颗粒较小，ZrB₂不能作为Al原子的形核中心，因此它不会对合金产生晶粒细化作用，不会增加晶界，从而降低了Zr元素对合金的导电性产生的负面影响。然而过量B的加入对含Zr铝合金有一定的晶粒细化效果，但它会使合金高温强度降低，使合金耐热性变差。

Si：硅来自铝矾土中的二氧化硅或硅酸盐，是纯铝中的一种杂质元素。Si能提高铝合金的铸造性能及焊接流动性，还能使铝合金具有较高的力学性能。但随着Si含量增加，铝合金的电阻率增加。这是由于Si是半导体，较铝基体的电阻率高得多，故Si含量的增加将减少铝基体的有效导电截面积，降低铝合金的导电率。因此，为降低硬铝材料的电阻率应尽量减少Si含量。

Fe：铝中含有一定量的铁，是纯铝中的一种杂质。因为熔炼与铸造使用的工具是钢质或铸铁，Fe元素就会因这些工具带入铝中，而且在重熔废料时，则可混入铁与铁屑。铁对铸造铝的力学性能是有害的，因为其通常以粗大的一次晶体出现，或以Al-Fe-Si化合物形式存在，它们一定程度上都提高了铝的硬度，但使铝的塑性降低。研究表明，铁可以提高铝导体强度，并不显著降低其导电性。但也不能过高，否则会使其电阻率显著升高，因此应严格控制铁的含量。

Cr、Mn、V、Ti：这四种元素均为电工纯铝中的杂质元素。铝导体中的Cr、Mn、V、Ti杂质元素以固溶态存在时，很容易吸收导体材料内的自由电子而填充它们不完整的电子层。这种传导电子数目的减少会导致铝导体电阻率的增加。研究表明，每1％(Cr+Mn+V+Ti)的有害作用为每1％Si对铝导体导电性能有害作用的5倍，因此严格控制Cr、Mn、V、Ti杂质元素的含量对于保证铝合金导体的导电性能具有重要作用。

所述的高导电率耐热铝合金单丝材料的导电率≥61.8％IACS，抗拉强度≥172MPa，延伸率≥2.0％，耐热温度为150℃，230℃加热1小时后强度残余率大于90％。

一种制备高导电率耐热铝合金单丝的方法，包括下述步骤：

熔炼：选取纯度为99.8％Al的工业纯铝锭置于中频感应炉中进行熔炼，熔炼温度为730～750℃；待纯铝完全熔化后在720～730℃加入Al-B中间合金，进行硼化处理；静置40分钟后，在710～720℃同时加入Al-Zr中间合金和Dy(纯度为99.99％)金属和Y金属(纯度为99.99％)，待完全熔化后对铝合金液进行搅拌，每隔15～20分钟搅拌一次，每次搅拌10分钟，共3次。

精炼：710～720℃下通入氮气15～20分钟后加入覆盖剂后静置30～40分钟后扒渣；覆盖剂加入量为炉料总量的0.02％～0.04％。

浇铸：于710～720℃将铝合金液经Al₂O₃泡沫陶瓷过滤装置过滤除杂后浇铸到高强度钢质模具内，制备出尺寸为30mm×30mm×400mm的耐热铝合金锭。

制杆：将耐热铝合金锭在500～510℃保温1.5小时后，在轧机上轧制成Ф9.5mm的耐热铝合金圆杆。

拉丝：将耐热铝合金圆杆以12～15m/s的速率在拉丝机上进行拉拔，拉丝温度为30～40℃，变形量为15～20％。采用聚晶金刚石拉丝模具经过14道次拉制，最终制得直径为3.08～3.10mm的耐热铝合金圆单丝。

由于在铝合金中添加了微量的B、Zr、Dy、Y元素，既能够降低铝合金杂质含量提高导电性能，又可形成高温强化相提高铝合金的热稳定性和高温抗蠕变性能，从而保证铝合金材料具有高导电率的同时具有良好的力学性能和耐热性能。其工艺特点在于：先进行冶炼，当工业纯铝锭完全熔化后依次放入Al-B、Al-Zr及金属Dy、金属Y，合金化温度为710～730℃；使用搅拌机对铝液进行搅拌，使合金元素充分均匀化；采用精炼剂对铝液进行除氢、除渣精炼，静置30～40分钟后进行扒渣及铝合金液过滤除杂和浇铸，采用高强度钢质模具浇铸成30mm×30mm×400mm的铝合金锭；采用热轧的方式将铝合金锭压制成Ф9.5mm的圆杆，然后进行拉丝，以12～15m/s的速度在拉丝机上拉丝，拉丝温度控制在30～40℃，使用聚晶金刚石拉丝模具经过14道次拉制，最终制得3.08～3.10mm的耐热铝合金单丝。

本发明提供的耐热铝合金单丝材料制备方法无需对圆杆或单丝进行热处理，从而简化了高导电率耐热铝合金单丝材料的制备流程，有助于降低制造成本，由此制备出的架空导线用耐热铝合金单丝材料的导电率≥61.8％IACS，抗拉强度≥172MPa，延伸率≥2.0％，耐热温度为150℃，230℃加热1小时后强度残余率大于90％。

本发明的优点：

简化了高导电率耐热铝合金单丝材料的制备流程，有助于降低制造成本，由此制备出的架空导线用耐热铝合金单丝材料的导电率≥61.8％IACS，抗拉强度≥172MPa，延伸率≥2.0％，耐热温度为150℃，230℃加热1小时后强度残余率大于90％。

具体实施方式

实施例1

一种架空导线用高导电率耐热铝合金单丝材料，组分及其质量百分比为：

在纯度为99.7％的工业纯铝锭中加入各合金化元素，使它们的最终含量如上所示。合化金元素B、Zr以Al-B、Al-Zr中间合金的形式加入，合金化元素Dy、Y以纯金属Dy、纯金属Y形式加入。过滤除杂后经高强度钢质模具浇铸形成铝合金锭；通过轧机对铝合金锭进行热轧，将轧制成的铝合金圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行14道次拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.08mm，导电率为61.81％IACS，抗拉强度为176.6MPa，延伸率为2.3％，耐热性93.2％。

实施例2

在纯度为99.7％的工业纯铝锭中加入各合金化元素，使它们的最终含量如上所示。合化金元素B、Zr以Al-B、Al-Zr中间合金的形式加入，合金化元素Dy、Y以纯金属Dy、纯金属Y形式加入。过滤除杂后经高强度钢质模具浇铸形成铝合金锭；通过轧机对铝合金锭进行热轧，将轧制成的铝合金圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行14道次拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.09mm，导电率为61.85％IACS，抗拉强度为173.2MPa，延伸率为2.2％，耐热性94.2％。

实施例3

在纯度为99.7％的工业纯铝锭中加入各合金化元素，使它们的最终含量如上所示。合化金元素B、Zr以Al-B、Al-Zr中间合金的形式加入，合金化元素Dy、Y以纯金属Dy、纯金属Y形式加入。过滤除杂后经高强度钢质模具浇铸形成铝合金锭；通过轧机对铝合金锭进行热轧，将轧制成的铝合金圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行14道次拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.08mm，导电率为62.08％IACS，抗拉强度为172.0MPa，延伸率为2.0％，耐热性95.0％。

实施例4

在纯度为99.7％的工业纯铝锭中加入各合金化元素，使它们的最终含量如上所示。合化金元素B、Zr以Al-B、Al-Zr中间合金的形式加入，合金化元素Dy、Y以纯金属Dy、纯金属Y形式加入。过滤除杂后经高强度钢质模具浇铸形成铝合金锭；通过轧机对铝合金锭进行热轧，将轧制成的铝合金圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行14道次拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.09mm，导电率为61.80％IACS，抗拉强度为175.1MPa，延伸率为2.1％，耐热性93.7％。

实施例5

在纯度为99.7％的工业纯铝锭中加入各合金化元素，使它们的最终含量如上所示。合化金元素B、Zr以Al-B、Al-Zr中间合金的形式加入，合金化元素Dy、Y以纯金属Dy、纯金属Y形式加入。过滤除杂后经高强度钢质模具浇铸形成铝合金锭；通过轧机对铝合金锭进行热轧，将轧制成的铝合金圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行14道次拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.10mm，导电率为61.82％IACS，抗拉强度为174.3MPa，延伸率为2.2％，耐热性93.9％。

表1实施例制备的铝合金成分表(wt％)

组别	B	Zr	Dy	Y	Cr+Mn+V+Ti	Fe	Si
								实施例1	0.01	0.015	0.02	0.03	0.007	0.10	0.06
实施例2	0.018	0.022	0.025	0.025	0.006	0.098	0.048
								实施例3	0.021	0.026	0.03	0.02	0.006	0.095	0.04
实施例4	0.022	0.028	0.04	0.015	0.007	0.09	0.036
								实施例5	0.03	0.03	0.05	0.01	0.006	0.083	0.033

表2实施例及对比例制备的铝合金单丝的性能测试结果

通过表2可知，本发明的架空导线用高导电率耐热铝合金单丝材料从综合性能上有明显的优势，特别是导电率≥61.8％IACS，抗拉强度≥172MPa，延伸率≥2.0％，耐热温度为150℃，230℃加热1小时后强度残余率大于90％。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种高导电率耐热铝合金单丝，其特征在于：所述的高导电率耐热铝合金单丝，成分组成包括Al、B、Zr、Dy、Y元素以及杂质元素Fe、Si、Cr、Mn、V、Ti，各成分组份的质量百分比为：B：0.002～0.03％，Zr：0.002～0.03％，Dy：0.005～0.05％，Y：0.005～0.03％，Si：0.001～0.06％，Fe：0.001～0.10％，V+Ti+Cr+Mn≤0.007％，余量为铝和不可避免的微量杂质。

2.根据权利要求1所述的高导电率耐热铝合金单丝，其特征在于：所述的高导电率耐热铝合金单丝，组分及其质量百分比为：

3.根据权利要求1所述的高导电率耐热铝合金单丝，其特征在于：所述的高导电率耐热铝合金单丝，组分及其质量百分比为：

4.根据权利要求1所述的高导电率耐热铝合金单丝，其特征在于：所述的高导电率耐热铝合金单丝，组分及其质量百分比为：

5.根据权利要求1所述的高导电率耐热铝合金单丝，其特征在于：所述的高导电率耐热铝合金单丝，组分及其质量百分比为：

6.根据权利要求1所述的高导电率耐热铝合金单丝，其特征在于：所述的高导电率耐热铝合金单丝，组分及其质量百分比为：

7.一种制备高导电率耐热铝合金单丝的方法，其特征在于：包括下述步骤：

熔炼：选取纯度为99.8％Al的工业纯铝锭置于中频感应炉中进行熔炼，熔炼温度为730～750℃；待纯铝完全熔化后在720～730℃加入Al-B中间合金，进行硼化处理；静置40分钟后，在710～720℃同时加入Al-Zr中间合金和Dy，纯度为99.99％金属和Y金属，纯度为99.99％，待完全熔化后对铝合金液进行搅拌，每隔15～20分钟搅拌一次，每次搅拌10分钟，共3次；

精炼：710～720℃下通入氮气15～20分钟后加入覆盖剂后静置30～40分钟后扒渣；覆盖剂加入量为炉料总量的0.02％～0.04％；

浇铸：于710～720℃将铝合金液经Al₂O₃泡沫陶瓷过滤装置过滤除杂后浇铸到高强度钢质模具内，制备出尺寸为30mm×30mm×400mm的耐热铝合金锭；

制杆：将耐热铝合金锭在500～510℃保温1.5小时后，在轧机上轧制成Ф9.5mm的耐热铝合金圆杆；

拉丝：将耐热铝合金圆杆以12～15m/s的速率在拉丝机上进行拉拔，拉丝温度为30～40℃，变形量为15～20％；采用聚晶金刚石拉丝模具经过14道次拉制，最终制得直径为3.08～3.10mm的耐热铝合金圆单丝。