CN114086033B - 一种超耐热铝合金导线及其制备方法 - Google Patents

一种超耐热铝合金导线及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于合金材料领域，具体涉及一种超耐热铝合金导线及其制备方法。该超耐热铝合金导线由以下重量百分比的组分组成：Si：0.18‑0.22％，Mg：0.21‑0.23％，Fe：0.10‑0.15％，Zr：0.48‑0.52％，Y：0.04‑0.08％，以及总量小于0.005％的Cr、Mn、V和Ti，余量为Al和其他不可避免的杂质。将铝杆再经过双级热处理、冷拉拔和时效处理后得到最终的成品超耐热铝合金导线。制备得到的超耐热铝合金导线成品抗拉强度高，导电率高，耐热性能优良，具有很高的商业应用价值。

Description

一种超耐热铝合金导线及其制备方法
技术领域
本发明属于合金材料领域，具体涉及一种超耐热铝合金导线及其制备方法。
背景技术
随着经济的快速发展和生活水平的提高，电力的需求急剧增长，输电线路逐渐向大容量方向发展，这就导致需要增大导线的输电容量。耐热铝合金作为一种性能优良的特种导线，在城网增容改造、变电站建设以及线路上具有优势。耐热导线即适当提高导线允许温度，可以增大系统事故稳定载流量，用来增加线路的输送能力。通过研究发现在铝材中适当添加金属锆(Zr)元素能提高铝材的耐热性能，该项发现直接影响并导致产生了钢芯耐热铝合金绞线。该导线具有耐高温、输送容量大等技术特点。但也存在高温运行时线路的损耗加大、弧垂增加，导线造价高等不足，从而影响了它在远距离输电线路上的应用。
超耐热铝合金导线可以在210℃下长期运行，短期温度可达到240℃，极大的提高了载流量，很大程度的降低了电力传输过程中的损耗，得到了很大的发展，但是目前大多数的超耐热铝合金导线只能做到在保证耐热性的前提下单丝的导电率在60.0-60.5％IACS之间，抗拉强度在160-170MPa之间，耐热性在91％-95％之间。强度低，架空导线截面积大，弧垂大，导线跨越距离受限，导电性能不够好，能耗高，电损失高，Zr元素易偏析，析出不均匀，经过热处理晶粒粗大，且因Zr元素易分布不均匀再次晶粒长大的速率不同，再次晶粒大小不均匀。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明旨在提供一种超耐热铝合金导线及其制备方法。其导电率≥61.5％，抗拉强度≥250MPa。
本发明提供一种超耐热铝合金导线，由以下重量百分比的组分组成：Si：0.18-0.22％，Mg： 0.21-0.23％，Fe：0.10-0.15％，Zr：0.48-0.52％，Y：0.04-0.08％，以及总量小于0.005％的Cr、 Mn、V和Ti，余量为Al和其他不可避免的杂质。
本发明还提供一种权利要求1所述超耐热铝合金导线的制备方法，包括如下步骤：
(1)将铝合金熔化，加入AlB3反应，加入除钠精炼剂(金联星，GFLUX-J185)，精炼，得到铝液A；
(2)向所述铝液A中加入AlSi20、AlFe20、Mg、AlY10和AlZr10，搅拌30-35min，加入除钠精炼剂，二次精炼，除杂，得到铝液B；
(3)对所述铝液B进行浇铸，轧制，双级热处理，得到超耐热铝合金杆；
(4)对所述超耐热铝合金杆冷拉拔，时效处理后得到所述超耐热铝合金导线。
优选的，所述步骤(1)中，铝合金纯度不小于99.85％。
优选的，所述步骤(1)中，熔化的温度为780-800℃；铝合金和AlB3质量比为1000：1-5。所述精炼是通入保护气氛静置40-50min，温度780-800℃。
优选的，所述步骤(2)中，AlSi20、AlFe20、Mg、AlY10和AlZr10按每吨铝合金分别加入7-9kg、1-2kg、2-3kg、5-7kg和40-60kg。
优选的，所述步骤(2)中，二次精炼是闷炉20-30min，静置30-40min，温度为780-800℃。
优选的，所述步骤(3)中，浇铸温度为670-680℃，浇铸速度为7.0-7.5t/h，冷却水温为 25-35℃，出坯温度为520-550℃。
优选的，所述步骤(3)中，轧制过程中，进轧温度为510-540℃，终轧温度为200-300℃。
进一步地，所述双级热处理为降温至室温(25±5℃)，7-8h升温至590-620℃，保温15-20h；降温至440-470℃，保温40-60h，以9-11℃/s的降温速率快速降温至室温(25±5℃)。
进一步地，所述步骤(4)中，冷拉拔每次变形量为20-40％，经过8-12道次拉拔至2.8-3.6mm。
进一步地，所述时效处理是1-2h升温至180-200℃，保温10-30h。
通过时效处理，促使Mg，Si元素析出，从而降低电阻；同时形成Mg2Si相，实现提高强度的目的。
本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：
1、钠元素易形成低熔点的共晶物，在高温退火过程中易熔化出现组织缺陷，影响材料性能，因此本发明中引入除钠精炼剂除去成份中的钠。
2、通过低温浇铸，提高结晶过程中的过冷度来达到细化晶粒的目的。
3、通过使用热处理后析出Al3Zr，可以达到在降低电阻的情况下提高强度，Mg，Si元素可以形成Mg2Si相来提高基体强度，同时Si元素可以促进Zr元素的析出，减少偏析的出现， Fe元素可以提高材料的抗蠕变性能，稀土元素Y可以净化基体，减少气孔和杂质，细化晶粒，促进各元素的析出。
4、通过双级退火，590-620℃热处理，可以使Si，Mg，Zr元素充分固溶金基体中，同时促使组织均匀，之后经过440-470热处理后，可以把固溶在基体中的Zr元素进行析出降低，通过快速降温防止Si，Mg元素析出。
5、通过单丝时效处理，可以降低电阻，提升强度。成品抗拉强度高，导电率高，耐热性能优良。
具体实施方式
实施例1
将纯度99.85％的铝合金加入熔炼炉中加热熔化，在780℃下保温，按每吨铝水3kg的AlB3中间加入熔炉中进行硼化，用氩气吹入除钠精炼剂(金联星，GFLUX-J185)，精炼，静置 40min后得到第一铝液。
在保温炉中向第一铝液中加入中间合金，搅拌30min，得到第二铝液；其中，保温炉的温度为800℃，中间合金为AlSi20、AlFe20、纯Mg锭、AlY10和AlZr10，分别按8kg/t、1.25kg/t、 2.2kg/t、6kg/t和50kg/t加入。第二铝液的成分检验合格后，吹入除钠精炼剂，用氩气进行二次精炼，静置后进行扒渣，静置后得到第三铝液；其中，二次精炼时，吹入除钠精炼剂后闷炉20min，精炼温度为780℃，静置时间30min。第三铝液通过保温炉倾倒，之后通过除气箱和过滤箱进行除气和双级过滤，得到第四铝液，对第四铝液进行连续低温浇铸；其中，浇铸温度为670℃，浇铸速度为7.0t/h，冷却水温为25℃，出坯温度为520℃。然后对连续浇铸得到的铸坯进行轧制，进轧温度为510℃，终轧温度为200℃，得到铝杆。
将收线后的铝杆降温至室温后进行双级热处理，7h升温至590℃，保温15h，之后降温至440℃，保温40h后快速降温至室温得超耐热铝合金杆。将所得铝杆进行冷拉拔。每次变形量30％，经过10道次拉拔至3.2mm，得到超耐热铝合金单丝。对得到的超耐热铝合金单丝进行时效处理，在1h内升温至180℃，保温10h得到超耐热铝合金导线。
实施例2
将纯度99.85％的铝合金加入熔炼炉中加热熔化，在780℃下保温，按每吨铝水3kg的AlB3中间加入熔炉中进行硼化，用氩气吹入除钠精炼剂(金联星，GFLUX-J185)，精炼，静置 40min后得到第一铝液。
在保温炉中向第一铝液中加入中间合金，搅拌30min，得到第二铝液；其中，保温炉的温度为780℃，中间合金为AlFe20、纯Mg锭、AlY10和AlZr10，分别按1.25kg/t、2.2kg/t、6kg/t和50kg/t加入。第二铝液的成分检验合格后，吹入除钠精炼剂，用氩气进行二次精炼，静置后进行扒渣，静置后得到第三铝液；其中，二次精炼时，吹入除钠精炼剂后闷炉30min，精炼温度为780℃，静置时间30min。第三铝液通过保温炉倾倒，之后通过除气箱和过滤箱进行除气和双级过滤，得到第四铝液，对第四铝液进行连续低温浇铸；其中，浇铸温度为670℃，浇铸速度为7.0t/h，冷却水温为25℃，出坯温度为520℃。然后对连续浇铸得到的铸坯进行轧制，进轧温度为510℃，终轧温度为200℃，得到铝杆。
将收线后的铝杆降温至室温后进行双级热处理，7h升温至590℃，保温15h，之后降温至440℃，保温40h后快速降温至室温得超耐热铝合金杆。将所得铝杆进行冷拉拔。每次变形量30％，经过10道次拉拔至3.2mm，得到超耐热铝合金单丝。对得到的超耐热铝合金单丝进行时效处理，在1h内升温至180℃，保温10h得到超耐热铝合金导线。
实施例3
将纯度99.85％的铝合金加入熔炼炉中加热熔化，在780℃下保温，按每吨铝水3kg的AlB3中间加入熔炉中进行硼化，用氩气吹入除钠精炼剂(金联星，GFLUX-J185)，精炼，静置 40min后得到第一铝液。
在保温炉中向第一铝液中加入中间合金，搅拌30min，得到第二铝液；其中，保温炉的温度为800℃，中间合金为AlSi20、AlFe20、AlY10和AlZr10，分别按8kg/t、1.25kg/t、6kg/t 和50kg/t加入。第二铝液的成分检验合格后，吹入除钠精炼剂，用氩气进行二次精炼，静置后进行扒渣，静置后得到第三铝液；其中，二次精炼时，吹入除钠精炼剂后闷炉20min，精炼温度为780℃，静置时间30min。第三铝液通过保温炉倾倒，之后通过除气箱和过滤箱进行除气和双级过滤，得到第四铝液，对第四铝液进行连续低温浇铸；其中，浇铸温度为670℃，浇铸速度为7.0t/h，冷却水温为25℃，出坯温度为520℃。然后对连续浇铸得到的铸坯进行轧制，进轧温度为510℃，终轧温度为200℃，得到铝杆。
将收线后的铝杆降温至室温后进行双级热处理，7h升温至590℃，保温15h，之后降温至440℃，保温40h后快速降温至室温得超耐热铝合金杆。将所得铝杆进行冷拉拔。每次变形量30％，经过10道次拉拔至3.2mm，得到超耐热铝合金单丝。对得到的超耐热铝合金单丝进行时效处理，在1h内升温至180℃，保温10h得到超耐热铝合金导线。
实施例4
将纯度99.85％的铝合金加入熔炼炉中加热熔化，在780℃下保温，按每吨铝水3kg的AlB3中间加入熔炉中进行硼化，用氩气吹入除钠精炼剂(金联星，GFLUX-J185)，精炼，静置 40min后得到第一铝液。
在保温炉中向第一铝液中加入中间合金，搅拌30min，得到第二铝液；其中，保温炉的温度为800℃，中间合金为AlSi20、AlFe20、纯Mg锭和AlZr10，分别按8kg/t、1.25kg/t、2.2kg/t 和50kg/t加入。第二铝液的成分检验合格后，吹入除钠精炼剂，用氩气进行二次精炼，静置后进行扒渣，静置后得到第三铝液；其中，二次精炼时，吹入除钠精炼剂后闷炉20min，精炼温度为780℃，静置时间30min。第三铝液通过保温炉倾倒，之后通过除气箱和过滤箱进行除气和双级过滤，得到第四铝液，对第四铝液进行连续低温浇铸；其中，浇铸温度为670℃，浇铸速度为7.0t/h，冷却水温为25℃，出坯温度为520℃。然后对连续浇铸得到的铸坯进行轧制，进轧温度为510℃，终轧温度为200℃，得到铝杆。
将收线后的铝杆降温至室温后进行双级热处理，7h升温至590℃，保温15h，之后降温至440℃，保温40h后快速降温至室温得超耐热铝合金杆。将所得铝杆进行冷拉拔。每次变形量30％，经过10道次拉拔至3.2mm，得到超耐热铝合金单丝。对得到的超耐热铝合金单丝进行时效处理，在1h内升温至180℃，保温10h得到超耐热铝合金导线。
实施例5
将纯度99.85％的铝合金加入熔炼炉中加热熔化，在780℃下保温，按每吨铝水3kg的AlB3中间加入熔炉中进行硼化，用氩气吹入除钠精炼剂(金联星，GFLUX-J185)，精炼，静置 40min后得到第一铝液。
在保温炉中向第一铝液中加入中间合金，搅拌30min，得到第二铝液；其中，保温炉的温度为800℃，中间合金为AlSi20、AlFe20、纯Mg锭和AlY10，分别按8kg/t、1.25kg/t、2.2kg/t 和6kg/t加入。第二铝液的成分检验合格后，吹入除钠精炼剂，用氩气进行二次精炼，静置后进行扒渣，静置后得到第三铝液；其中，二次精炼时，吹入除钠精炼剂后闷炉20min，精炼温度为780℃，静置时间30min。第三铝液通过保温炉倾倒，之后通过除气箱和过滤箱进行除气和双级过滤，得到第四铝液，对第四铝液进行连续低温浇铸；其中，浇铸温度为670℃，浇铸速度为7.0t/h，冷却水温为25℃，出坯温度为520℃。然后对连续浇铸得到的铸坯进行轧制，进轧温度为510℃，终轧温度为200℃，得到铝杆。
将收线后的铝杆降温至室温后进行双级热处理，7h升温至590℃，保温15h，之后降温至440℃，保温40h后快速降温至室温得超耐热铝合金杆。将所得铝杆进行冷拉拔。每次变形量30％，经过10道次拉拔至3.2mm，得到超耐热铝合金单丝。对得到的超耐热铝合金单丝进行时效处理，在1h内升温至180℃，保温10h得到超耐热铝合金导线。
实施例6
将纯度99.85％的铝合金加入熔炼炉中加热熔化，在780℃下保温，按每吨铝水3kg的AlB3中间加入熔炉中进行硼化，用氩气吹入除钠精炼剂(金联星，GFLUX-J185)，精炼，静置 40min后得到第一铝液。
在保温炉中向第一铝液中加入中间合金，搅拌30min，得到第二铝液；其中，保温炉的温度为800℃，中间合金为AlFe20、AlY10和AlZr10，分别按1.25kg/t、6kg/t和50kg/t加入。第二铝液的成分检验合格后，吹入除钠精炼剂，用氩气进行二次精炼，静置后进行扒渣，静置后得到第三铝液；其中，二次精炼时，吹入除钠精炼剂后闷炉20min，精炼温度为780℃，静置时间30min。第三铝液通过保温炉倾倒，之后通过除气箱和过滤箱进行除气和双级过滤，得到第四铝液，对第四铝液进行连续低温浇铸；其中，浇铸温度为670℃，浇铸速度为7.0t/h，冷却水温为25℃，出坯温度为520℃。然后对连续浇铸得到的铸坯进行轧制，进轧温度为 510℃，终轧温度为200℃，得到铝杆。
将收线后的铝杆降温至室温后进行双级热处理，7h升温至590℃，保温15h，之后降温至440℃，保温40h后快速降温至室温得超耐热铝合金杆。将所得铝杆进行冷拉拔。每次变形量30％，经过10道次拉拔至3.2mm，得到超耐热铝合金单丝。对得到的超耐热铝合金单丝进行时效处理，在1h内升温至180℃，保温10h得到超耐热铝合金导线。
实施例7
将纯度99.85％的铝合金加入熔炼炉中加热熔化，在780℃下保温，按每吨铝水3kg的AlB3中间加入熔炉中进行硼化，用氩气吹入除钠精炼剂(金联星，GFLUX-J185)，精炼，静置 40min后得到第一铝液。
在保温炉中向第一铝液中加入中间合金，搅拌30min，得到第二铝液；其中，保温炉的温度为800℃，中间合金为AlSi20、纯Mg锭和AlZr10，分别按8kg/t、2.2kg/t和50kg/t加入。第二铝液的成分检验合格后，吹入除钠精炼剂，用氩气进行二次精炼，静置后进行扒渣，静置后得到第三铝液；其中，二次精炼时，吹入除钠精炼剂后闷炉20min，精炼温度为780℃，静置时间30min。第三铝液通过保温炉倾倒，之后通过除气箱和过滤箱进行除气和双级过滤，得到第四铝液，对第四铝液进行连续低温浇铸；其中，浇铸温度为670℃，浇铸速度为7.0t/h，冷却水温为25℃，出坯温度为520℃。然后对连续浇铸得到的铸坯进行轧制，进轧温度为 510℃，终轧温度为200℃，得到铝杆。
将收线后的铝杆降温至室温后进行双级热处理，7h升温至590℃，保温15h，之后降温至440℃，保温40h后快速降温至室温得超耐热铝合金杆。将所得铝杆进行冷拉拔。每次变形量30％，经过10道次拉拔至3.2mm，得到超耐热铝合金单丝。对得到的超耐热铝合金单丝进行时效处理，在1h内升温至180℃，保温10h得到超耐热铝合金导线。
实施例8
制备步骤同实施例1，区别在于不加铝杆高温退火。
实施例9
制备步骤同实施例1，区别在于不加铝杆低温退火。
实施例10
制备步骤同实施例1，区别在于不加单丝退火。
实施例11
制备步骤同实施例1，区别在于铝杆先低温再高温退火。
效果评价1
对实施例1的导电率、抗拉强度和耐热性等性能进行测试，测试结果如表1所示。
对实施例2-12的导电率、抗拉强度和耐热性等性能进行测试，测试结果如表2所示。
Zr元素可以很好的提高材料的耐热性能，但是固溶在基体中的Zr对电阻率的影响大，通过热处理后析出Al3Zr，可以达到在降低电阻的情况下提高强度，Mg，Si元素可以形成Mg2Si 相来提高基体强度，同时Si元素可以促进Zr元素的析出，减少偏析的出现，Fe元素可以提高材料的抗蠕变性能，稀土元素Y可以净化基体，减少气孔和杂质，细化晶粒，促进各元素的析出。成品抗拉强度高，导电率高，伸长率：5-6％，耐热性能优良。经过耐热性能测试，240℃保温400h后抗拉强度残余95％以上，280保温1h抗拉强度残余率在96.5-98.3％。
表1 本发明实施例1制备得到超耐热铝合金导线性能情况
Figure BDA0003375493030000071
表2 本发明对比制备得到超耐热铝合金导线性能情况
Figure BDA0003375493030000072
Figure BDA0003375493030000081
使用除钠精炼剂除去成份中的钠元素，钠元素易形成低熔点的共晶物，在高温退火过程中易熔化出现组织缺陷，影响材料性能。
通过双级退火，590-620℃热处理，可以使Si，Mg，Zr元素充分固溶金基体中，同时促使组织均匀，之后经过440-470热处理后，可以把固溶在基体中的Zr元素进行析出降低，通过快速降温防止Si，Mg元素析出。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种超耐热铝合金导线的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将铝合金熔化，加入AlB3反应，加入除钠精炼剂，精炼，得到铝液A；
（2）向所述铝液A中加入AlSi20、AlFe20、Mg、AlY10和AlZr10，加入除钠精炼剂，二次精炼，除杂，得到铝液B；
（3）对所述铝液B进行浇铸，轧制，双级热处理，得到超耐热铝合金杆；
（4）对所述超耐热铝合金杆冷拉拔，时效处理后得到所述超耐热铝合金导线；
所述双级热处理的具体操作为：将浇铸，轧制后的铝液B降温至室温，7-8h升温至590-620℃，保温15-20h；降温至440-470℃，保温40-60h，以9-11℃/s的降温速率降温至室温；
所述时效处理是1-2h升温至180-200℃，保温10-30h；
所述超耐热铝合金导线由以下重量百分比的组分组成：
Si：0.18-0.22%，Mg：0.21-0.23%，Fe：0.10-0.15%，Zr：0.48-0.52%，Y：0.04-0.08%以及总量小于0.005% 的Cr、Mn、V和Ti，余量为Al和其他不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，铝合金纯度不小于99.85%。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，铝合金和AlB3质量比为1000：1-5。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，AlSi20、AlFe20、Mg、AlY10和AlZr10按每吨铝合金分别加入7-9kg、1-2kg、2-3kg、5-7kg和40-60kg。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，二次精炼的温度为780-800℃，时间为20-30min。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，浇铸的温度为670-680℃，浇铸速度为7.0-7.5t/h，出坯温度为520-550℃。
7.据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，轧制的过程中，进轧温度为510-540℃，终轧温度为200-300℃。
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Pledgee: Bank of China Limited Suzhou Yangtze River Delta integration Demonstration Zone Branch

Pledgor: JIANGSU HENGTONG ELECTRIC POWER SPECIAL WIRE Co.,Ltd.

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