CN114000014B - 一种稀土La强化的铝基复合材料导线及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种稀土La强化的铝基复合材料导线及其制造方法,稀土La强化的铝基复合材料,包括质量百分含量如下的各元素:Ti1‑4%;B 0.5‑2%;Mg0.5‑0.6%;Si0.5‑0.6%;Fe 0.1‑0.3%;La0‑1%;杂质≤0.1%;余量为Al。本发明还公开了稀土La强化的铝基复合材料单线的制备方法和采用稀土La强化的铝基复合材料单线绞合而成的稀土La强化的铝基复合材料导线。本发明稀土La强化的铝基复合材料导线在提高导电率的同时,还能保证导线的力学性能满足使用要求,在远距离输电过程中具备低弧垂、大跨越、导电性良好的特性。

Description

一种稀土La强化的铝基复合材料导线及其制造方法
技术领域
本发明涉及材料技术,尤其涉及一种稀土La强化的铝基复合材料导线及其制造方法。
背景技术
随着国民经济的快速增长,电力的需求在不断增加,尤其是人口稠密的大城市对电能的需求更大,因此对电能输送过程中的导线要求也越来越高。
铝的导电性和导热性能仅次于银、铜,但是铝的密度小,数英里长度的电缆质量可减轻数吨,而且铝的价格相对较低。目前已经出现了用铝代替铜制造电线电缆的趋势。
导线在应用过程中不仅要有良好的导电率,而且还需要具有较好的力学性能来承受自重和环境载荷。与铝合金相比,铝基复合材料比强度和比刚度更高,热膨胀系数更低,耐疲劳和耐磨性也优于一般的铝合金。因此铝基复合材料导线具有广阔的市场前景。
稀土元素化学性质活泼,几乎能和所有的元素相互作用。因其具有有效、稳定的变质作用,被深入应用到现代科学技术诸多领域,被誉为现代材料发展的“工业维生素”。
内部组织缺陷、固溶杂质元素种类及数量、元素存在形态是影响铝基复合材料的主要因素。在铝基复合材料中添加适量稀土元素,不仅可以达到晶粒细化的效果,还可以消除铝基复合材料中杂质的影响,使得复合材料得到净化,改善改善复合材料的电化学性能,提高耐腐蚀性能、导热性能、耐高温性能及降低热膨胀系数等。
发明内容
本发明的目的在于,针对目前铝合金导线和铝基复合材料导线力学性能和导电率相互制约的问题,提出一种稀土La强化的铝基复合材料单线,采用该单线制成的稀土La强化的铝基复合材料导线在提高导电率的同时,还能保证导线的力学性能满足使用要求。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种稀土La强化的铝基复合材料,包括质量百分含量如下的各元素:
Figure GDA0003529542800000021
余量为Al。
进一步地,所述稀土La强化的铝基复合材料,包括质量百分含量如下的各元素:
Figure GDA0003529542800000022
余量为Al。
本发明的另一个目的还公开了一种稀土La强化的铝基复合材料单线,采用上述稀土La强化的铝基复合材料,其直径为2.0mm~4.2mm。
本发明的另一个目的还公开了一种稀土La强化的铝基复合材料单线的制备方法,包括以下步骤:
步骤一、根据设计比例定量称取所需的原料,所述原料包括Al-Ti-B中间合金、Al-B合金、Al-Mg合金、Al-Si合金和Al-La合金中的一种或多种;将原料放入坩埚置于电阻炉中加热至750-780℃,保温20-40分钟,优选为30分钟;
步骤二、对步骤一熔体进行除气处理,除气2-6min(优选为5min),之后对熔体进行2-4min(优选为3min)超声处理,完成后(使用打渣勺)除去熔体表面残渣,保温5-10min并适当搅拌后,将坩埚从电阻炉中取出,冷却至710-730℃(优选为720℃)浇注于金属模具中;
步骤三、将步骤二所制备的材料在560~570℃的条件下进行均匀化处理12-24h,随炉冷却至250-300℃后采用空冷的方式进行后续的冷却;
步骤四、在挤压温度350℃-400℃,挤压速度为20-50mm/min的条件下对步骤三制备的材料进行挤压;
步骤五、对步骤四所得单线进行固溶处理,固溶温度为550-570℃,固溶时间30-60min,然后迅速淬火;
步骤六、在拉拔温度300-310℃,拉拔速度50~100m/min的条件下对步骤五所制备的材料进行拉拔获得的单线直径为2.0mm~4.2mm,在150-190℃的条件下,保温时间为2~4小时,制备得到稀土La强化的铝基复合材料单线。
本发明稀土La强化的铝基复合材料单线中组分的选择依据:稀土La元素的加入,一方面可以起到除气、净化作用;另一方面La元素吸附在晶界上,限制了铝晶粒长大,细化合金组织,并促进固溶杂质元素以第二相形式析出,减少杂质对传导电子的散射,导电性能提升。但过量的La对导电性不利。
本发明工艺处理:通过人工时效、热加工处理等改善合金的内部组织,减小固溶度较大元素对导电率的损害,使材料达到最佳的力学与导电性能。
本发明的另一个目的还公开了一种稀土La强化的铝基复合材料导线,包括第一导电层、第二导电层、第三导电层、单线和绝缘层;所述的第一导电层、第二导电层、第三导电层均由稀土La强化的铝基复合材料导线采用相邻层相反的方向进行绞合制成,所述稀土La强化的铝基复合材料导线的最外层为绝缘层,所述单线为稀土La强化的铝基复合材料单线。进一步地,所述绝缘层采用树脂、塑料、硅橡胶或PVC,对绞线进行包裹,防止绞线与外界接触。
本发明稀土La强化的铝基复合材料导线其制备方法,与现有技术相比较具有以下优点:
1)、本发明通过稀土处理、硼化处理、工艺处理三者的协同最用最大限度地提高铝基复合材料导线的导电率、增强力学性能,降低热膨胀系数。
2)、本发明利用超声处理来有效细化晶粒,使La和TiB2颗粒在基体中分布更加弥散,生成颗粒更为细小,同时减少AlB2与A3Ti中间相的生成,使材料的抗拉强度与屈服强度得到大幅提升,降低弧垂,延长线路使用寿命。
3)、本发明与普通铝合金导线相比,具有本发明具有更好的韧性塑性,材料中少量B可增强显著Ti的晶粒细化效果,在提高力学性能的同时也能基本维持基体的电导率。
综上,本发明通过添加适量的稀土La、设计合适的B、Ti原子比和工艺参数的控制,在保证了复合材料的综合性能和微观组织结构的同时,保证了本发明在远距离输电过程中具备低弧垂、大跨越、导电性良好的特性。
附图说明
图1为本发明一种新型的稀土La强化的铝基复合材料导线的结构示意图;
图2为本发明一种新型的稀土La强化的铝基复合材料导线的横截面示意图。
图3为稀土La强化的铝基复合材料的导电率;
图4为稀土La强化的铝基复合材料的金相图,其中(a)为不含稀土La的铝基复合材料的光镜图像;图(b)为La含量为0.1%的稀土La增强的铝基复合材料的光镜图像。(c)为La含量为0.2%的稀土La增强的铝基复合材料的光镜图像。(d)为La含量为0.3%的稀土La增强的铝基复合材料的光镜图像。(d)为La含量为0.4%的稀土La增强的铝基复合材料的光镜图像。
图5为La含量0.4%的稀土La增强的铝基复合材料的元素分布图,其中(a)为样品背散射电子像,(b)为Al元素分布,(c)为B元素分布,(d)为Ti元素分布,(e)为Si元素分布,(f)为La元素分布,(g)为Mg元素分布(h)为Fe元素分布。
图6为不含La的铝基复合材料和La含量为0.4wt%的铝基复合材料的XRD谱线图。
附图中:1、绝缘层;2、第一导电层;3、第一稀土La强化铝基复合材料单线;4、第二导电层;5、第二稀土La强化铝基复合材料单线;6、第三导电层;7第三稀土La强化铝基复合材料单线;8、第四稀土La强化铝基复合材料单线。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进一步说明:
实施例1-4
对照例1、本实施例1-4公开了五种稀土La强化的铝基复合材料导线,包括质量百分比如下的各元素:
Ti:2.67%;B:1.33%;Mg:0.55%;Si:0.55%;La含量如表1所示。
如无特殊说明本发明中%均为重量百分数。
表1为不同La含量的铝基复合材料电导率
Figure GDA0003529542800000051
由表1和图3可见随着La含量的增加,材料的电导率呈现出先增高后降低的趋势。当La含量在0.3wt%左右时,材料的电导率达到最大。
图4表明稀土La和TiB2的加入起到了一定的晶粒细化的作用,同时反应生成的TiB2颗粒在凝固过程中受固液界面作用推进至晶界处并沿晶界形成网状结构。
图5和图6分别是区域分析测试结果和XRD谱线图,结果表明La与Al、Si、Fe等其它元素和形成了Al1.75LaSi0.25等稳定的金属间化合物,降低了杂质元素在铝基体中的固溶度,提高了材料的电导率。
实施例5
本实施例公开了一种稀土La强化的铝基复合材料导线,结构如图1-2所示,包括第四稀土La强化铝基复合材料导线8和依次绞合于第三稀土La强化的铝基复合材料导线8外侧的第三稀土La强化铝基复合材料导线7、第二稀土La强化铝基复合材料导线5和第一稀土La强化铝基复合材料导线3;所述第一导电层2、第二导电层4、第三导电层6均由稀土La强化的铝基复合材料导线制成。所述稀土La强化的铝基复合材料导线最外层包覆绝缘层1。
所述稀土La强化的铝基复合材料导线的导线采用相邻层相反的方向进行绞合,采用树脂、塑料、硅橡胶、PVC等绝缘材料作为绝缘层1对绞线进行包裹,防止绞线与外界接触。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种稀土La强化的铝基复合材料,其特征在于,各元素的质量百分含量为:
Ti 1-4%;
B 0.5-2%;
Mg 0.5-0.6%;
Si 0.5-0.6%;
Fe 0.1-0.3%;
La 0.1-0.4%;
杂质 ≤0.1%;
余量为Al。
2.一种稀土La强化的铝基复合材料单线,其特征在于,采用权利要求1所述稀土La强化的铝基复合材料,其直径为2.0mm~4.2mm。
3.一种权利要求2所述稀土La强化的铝基复合材料单线的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、根据设计比例定量称取所需的原料,所述原料包括Al-Ti-B中间合金、Al-B合金、Al-Mg合金、Al-Si合金和Al-La合金;将原料放入坩埚置于电阻炉中加热至750~780℃,保温20~40分钟;
步骤二、对步骤一熔体进行除气处理,之后对熔体进行2~4min超声处理,完成后除去熔体表面残渣,保温5~10min并适当搅拌后,将坩埚从电阻炉中取出,冷却至710~730℃浇注于金属模具中;
步骤三、将步骤二所制备的材料均匀化处理,随炉冷却至250~300℃后采用空冷的方式进行后续的冷却;
步骤四、对步骤三制备的材料进行挤压;
步骤五、对步骤四所得单线进行固溶处理,然后迅速淬火;
步骤六、对步骤五所制备的材料进行拉拔获得的单线,在150-190℃的条件下,保温时间为2~4小时,制备得到稀土La强化的铝基复合材料单线。
4.根据权利要求3所述稀土La强化的铝基复合材料单线的制备方法,其特征在于,步骤二除气时间为2~6min。
5.根据权利要求3所述稀土La强化的铝基复合材料单线的制备方法,其特征在于,所述均匀化处理温度为560~570℃,处理时间为12~24 h。
6.根据权利要求3所述稀土La强化的铝基复合材料单线的制备方法,其特征在于,所述挤压温度350℃~400℃,挤压速度为20~50mm/min。
7.根据权利要求3所述稀土La强化的铝基复合材料单线的制备方法,其特征在于,所述固溶处理温度为550~570℃,固溶时间30~60 min,然后迅速淬火。
8.根据权利要求3所述稀土La强化的铝基复合材料单线的制备方法,其特征在于,所述拉拔温度为300-310℃,拉拔速度为50~100 m/min。
9.一种稀土La强化的铝基复合材料导线,其特征在于,包括第一导电层、第二导电层、第三导电层、单线和绝缘层;所述的第一导电层、第二导电层、第三导电层均由权利要求2所述稀土La强化的铝基复合材料单线采用相邻层相反的方向进行绞合制成,所述稀土La强化的铝基复合材料导线的最外层为绝缘层,所述单线为权利要求2所述稀土La强化的铝基复合材料单线。
10.根据权利要求9所述稀土La强化的铝基复合材料导线,其特征在于,所述绝缘层采用树脂、塑料、硅橡胶或PVC,对绞线进行包裹,防止绞线与外界接触。
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