CN114657403B

CN114657403B - 一种高导耐热耐损伤铝合金导体材料的制备方法

Info

Publication number: CN114657403B
Application number: CN202210299626.1A
Authority: CN
Inventors: 李红英; 金胜; 吕中宾; 耿进峰; 叶中飞; 杨晓辉; 刘泽辉; 张博; 炊晓毅
Original assignee: Central South University; Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Co Ltd
Current assignee: Central South University; Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Co Ltd
Priority date: 2022-03-25
Filing date: 2022-03-25
Publication date: 2023-03-21
Anticipated expiration: 2042-03-25
Also published as: CN114657403A

Abstract

本发明提供一种高导耐热耐损伤铝合金导体材料的制备方法，取工业纯铝锭或电解铝原液，待完全熔化后加入中间合金，精炼后进行成分分析和调整，铸造得到铝合金锭坯；锭坯经均匀化热处理后进行热挤压，获得高导耐热耐损伤铝合金导体材料；所述铝合金以质量百分比计，有Fe：0.06～0.20％，Si：0.05～0.12％，Zr：0.05～0.15％，RE：0.05～0.30％，B含量不超过0.0001％，Ti、V、Cr、Mn等杂质元素总含量不高于0.01％，Fe和Si的质量比为1.2～5，余量为Al；所述铝合金导电材料适用于制备电线电缆及其配套连接金具。

Description

一种高导耐热耐损伤铝合金导体材料的制备方法

技术领域

本发明涉及冶金材料技术领域，特别涉及一种高导耐热耐损伤铝合金导体材料的制备方法。

背景技术

电力需求持续增长以及能源分布不均衡驱动了以特高压交直流输电线路为骨架的大容量、长距离输电的快速发展。大容量、长距离输电线路的服役温度较高，且由于其横跨多个区域，往往会面临各类复杂的气候环境，对导体材料的耐热性能、导电性能和机械性能提出了更高的要求。长距离输电线路的建设需要接续金具实现导线之间的有效连接，但是，电力金具在实际运行过程中，经常受到雨淋、大风、覆冰、日晒等天气干扰，还不可避免的受到化学物质的腐蚀。因此，电线电缆用导体材料及电力金具既要有足够的机械强度，又要有良好的电气性能，在恶劣服役环境下还要有良好的耐损伤性能。

压接是目前最常用的金具接续形式，在压接式接续金具中，一般用铝及铝合金管压接在两段铝导线上使其连接起来，铝及铝合金管的机械性能及电气性能直接决定了架空导线连接的可靠性和架空输电线路的安全性。当前压接式接续金具主要是采用1050A铝材，其室温抗拉强度在60～100MPa之间，导电率在60.5％IACS左右。输电导线和接续金具在长期服役过程中，由于化学腐蚀、磨损等原因导致的输电线路过热故障时有发生，且接续管在压接后存在较大的残余应力，在长期微风振动工况中可能导致接续管的疲劳断裂。因此，开发具有高导电率且耐热耐损伤的铝合金导体材料，成为业内亟待解决的技术难题。

公开号为CN107326233A的专利公开了一种用于制造电力电缆连接金具的铝合金材料及其制备方法，该技术方案公开的合金具有较好的强度和耐热性能，但由于添加的合金元素种类较多且含量较高，导致产品生产工艺复杂、生产成本提高且导电率较低。

公开号为CN111074112A的专利公开了一种预绞式导线连接金具用铝合金线材及其制备方法，该技术方案公开的线材导电率最高可达61.5％，抗拉强度可达365MPa，但该技术方案未涉及合金的耐热性能，且生产过程涉及电磁处理及超声波处理等操作，生产工艺较为复杂。

针对现有技术的不足，本发明从合金成分及制备工艺两方面着手，通过复合添加Fe、Zr、RE以及采用合适的热处理和变形制度，开发出一种具有高导电率且耐热耐损伤的铝合金导体材料，适合制备架空线缆、高温电缆，特别适合制造接续金具、耐张线夹、穿刺线夹等电力金具。

发明内容

为了解决现有技术中上述问题，本发明提供了一种高导耐热耐损伤铝合金导体材料的制备方法。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种高导耐热耐损伤铝合金导体材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

S1：取工业纯铝锭或电解铝原液进行熔炼，待完全熔化后进行硼化处理，然后依次加入Al-Fe、Al-Si、Al-Zr、Al-RE中间合金，精炼后进行成分分析和调整；

S2：铸造得到铝合金锭坯；

S3：将所述铝合金锭坯进行均匀化热处理和热挤压。

进一步的，所述铸造为普通铸造或半连续铸造，冷却速率大于等于20℃/s。

进一步的，所述均匀化热处理温度为450-550℃，保温时间为10～24h。

进一步的，所述热挤压是在均匀化处理后随炉冷却至挤压温度挤压，述热挤压温度为250-450℃，优选为300-400℃；所述挤压比λ大于等于10，挤压总变形量大于等于90％，优选地，挤压比还需小于等于20，挤压总变形量小于等于95％。

本发明所述铸造通过快速冷却抑制脱溶得到过饱和固溶体，为后续热处理析出细小弥散分布的第二相粒子提供驱动力，同时抑制铸态组织中出现分布不均匀的板状β-AlFeSi等粗大相，防止其恶化材料的综合性能。图1(a)是本发明铝合金导体材料铸态组织的扫描电镜照片，可见在快速冷却条件下合金铸态组织中仅存在部分晶界第二相和晶内球化相，未观察到粗大的初生相。

本发明所述均匀化热处理较高的温度能够提高原子扩散速度，为含Zr、RE的第二相提供充足的相变驱动力，从而达到消除枝晶偏析和铸造过程中形成的非平衡凝固组织的目的，较长的均匀化时间能够促进Fe、Si等杂质元素从过饱和固溶体中析出。

本发明所述热挤压通过在均匀化热处理后直接降温到挤压温度挤压，有效降低了合金制备过程的能耗，合适的挤压温度与挤压变形量能够降低合金的变形抗力，使晶粒和第二相沿挤压主变形方向备压扁和拉长形成图2所示的纤维组织，从而提高成品的强度和导电率。

本发明还提供一种上述制备方法获得的高导耐热耐损伤铝合金导体材料，所述铝合金以质量百分比计，包括如下组分：Fe：0.06～0.20％，Si：0.05～0.12％，Zr：0.05～0.15％，RE：0.05～0.30％，B含量不超过0.0001wt.％，Ti、V、Cr、Mn杂质元素总含量不高于0.01％，其他杂质总含量小于0.01％，余量为Al，所述Fe和Si的质量比大于1.2。

在本发明中，控制Fe的含量为0.06～0.20wt.％，优选为0.10～0.15wt.％，具体地，如0.10wt.％，0.11wt.％，0.12wt.％，0.13wt.％，0.14wt.％，0.15wt.％。Fe元素含量大于等于0.06wt.％，能够提高合金的室温强度和高温强度，而没有明显的导电率损失。但是，当Fe含量大于0.20wt.％时，Fe易与Al、Si形成Al₃Fe和α-AlFeSi，引起铝基体晶格畸变，导电性能显著降低。

在本发明中，控制Si的含量为0.05～0.12wt.％，优选为0.06～0.10wt.％，具体地，如0.06wt.％，0.07wt.％，0.08wt.％，0.09wt.％，0.10wt.％。Si元素含量大于等于0.05wt.％，能够改善合金铸造时的流动性，抑制缩孔、缩松等铸造缺陷的产生，提高铸造质量和合金硬度。但是，当Si含量大于0.12wt.％时，会形成游离硅，对强度、韧性及导电性能均产生不利影响。

在本发明中，控制Fe和Si的质量比大于1.2，优选的，Fe/Si还需小于5。在工业纯铝中，Al、Fe和Si元素之间发生反应形成汉字状α-AlFeSi和板状β-AlFeSi相，而β-AlFeSi的形貌及其脆性导致了其对合金力学性能、导电性能和可成形性能的危害远大于α-AlFeSi。通常，可以通过控制Fe/Si大于1.2达到改善合金性能的目的，这是因为当Fe/Si小于1.2时，合金更易形成β-AlFeSi，而当Fe/Si大于等于1.2时，主要形成α-AlFeSi，对合金力学性能和可成形性能的危害较小。但是，当Fe/Si大于5时，会形成大量的针状Al₃Fe相，对铝基体的割裂作用明显，严重影响合金的力学性能与可成形性能。

在本发明中，控制Zr的含量为0.05-0.15wt.％，优选为0.06-0.10wt.％，具体地，如0.06wt.％，0.07wt.％，0.08wt.％，0.09wt.％，0.10wt.％。Zr含量大于等于0.05wt.％，能够与Al形成亚稳Al₃Zr相，合金原子迁移和位错运动受阻，抑制铝合金的再结晶行为，提高合金的耐热性能；但是，当Zr含量超过0.15wt.％时，易生成粗大的初生Al₃Zr相，虽然能够提升合金的耐热性能，但会对导电性能产生较大的损害。

在本发明中，控制RE的含量为0.05-0.30wt.％，优选为0.10-0.20wt.％，具体地，如0.10wt.％，0.12wt.％，0.14wt.％，0.16wt.％，0.18wt.％，0.20wt.％。所述RE是La、Ce、Nd、Y、Sc、Er中的一种或两种，优选为La+Ce。RE含量大于等于0.05wt.％，能够减弱H对铝合金的危害，并与Al反应生成弥散分布的高熔点化合物，提高合金强度、韧性和抗疲劳性能；同时，RE能够降低Fe、Si等杂质原子在铝基体中的固溶度，在晶内及晶界处形成图1(a)所示的球状和长条状初生相，能谱分析结果分别如图1(b)和图1(c)所示，可以看出箭头所指球状初生相为AlFeLa相，La元素的变质作用减弱了其对基体的割裂作用；晶界处的长条状初生相La和Si含量较高，表明在RE(La)的作用下，Si元素向晶界富集，降低了Si在铝中的固溶度，有利于提高导电率。但是，当RE含量超过0.30wt.％时，会与铝形成图3所示的导电率远低于基体的粗大初生相，合金导电率反而降低。

本发明从合金成分及制备工艺两方面着手，开发出一种具有高导电率且耐热耐损伤的铝合金导体材料，适合于制造电线电缆以及接续金具、耐张线夹、穿刺线夹等电力金具。

相比传统1050A铝导体材料，本发明的铝合金在兼具较高耐热性能、导电率、强度、抗疲劳性能和断裂韧性的同时，还具有制备工艺简单和生产成本较低的优势。

本发明的技术方案有如下的有益效果：

1)本发明制备的铝合金导体材料的抗拉强度大于等于160MPa，导电率大于等于60.5％IACS，经230℃/1h退火后的抗拉强度残存率大于等于90％，疲劳极限应力大于等于75MPa且平面应变断裂韧度大于16.5MPa·m^1/2，能够满足恶劣环境下导线接续的要求，提升输电线路的安全稳定性和服役寿命。

2)在合金组分方面，同时加入适量Fe、Si元素提高合金的高温强度，并通过控制Fe、Si质量比使其主要以α-AlFeSi形式存在，降低杂质元素对合金导电性能和成形性能的危害；添加适量的RE，能够与Al、Fe产生交互作用，降低固溶态Fe、Si元素含量并析出AlFeRE相，提高合金的导电性能、抗疲劳性能和断裂韧性。

3)本发明的铸造冷却速度大于等于20℃/s，得到过饱和固溶体并抑制β-AlFeSi等粗大相的形成，提高合金的强度和导电率；通过均匀化热处理消除铸造过程中形成的非平衡凝固组织对性能的不利影响；通过均匀化后直接降温至挤压温度进行热挤压的方式，降低合金制备过程的能耗；通过热挤压完成导体材料的成形并提高成品的强度和导电率。

附图说明

图1(a)是本发明实施例2的铝合金导体材料铸态组织的扫描电镜照片；

图1(b)是本发明实施例2的铝合金导体材料铸态组织的球状初生相能谱分析结果；

图1(c)是本发明实施例2的铝合金导体材料铸态组织的长条状初生相能谱分析结果；

图2是本发明实施例2经热挤压后的金相照片；

图3是本发明对比例9的铸态组织SEM(BSE)照片；

图4(a)是本发明实施例3铸态组织中球状初生相SEM(SE)照片；

图4(b)是本发明实施例3铸态组织中球状初生相的能谱图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

本发明针对现有技术问题，提供了一种高导耐热耐损伤铝合金导体材料的制备方法。

表1列出了本技术方案实施例和对比例主要合金元素的质量百分数，实施例和对比例中的其它元素含量相同，其中Ti为0.0005％，Cr为0.0004％，V为0.0080％，Mn为0.0008％，余量为Al和其他不可避免的杂质，所述对比例16为传统的1050A接续金具材料。

表1合金元素成分配方(wt.％)

本发明采用纯度为99.7％的工业纯铝锭为原料，在750℃下将其完全熔化后进行硼化处理，然后依次加入Al-Fe、Al-Si、Al-Zr和Al-RE中间合金，待中间合金完全熔化后在720℃保温，充分搅拌，精炼并进行成分分析和调整，使合金元素含量满足表1的要求，待成分稳定后半连续铸造得到铝合金锭坯，铸造冷却速度为25℃/s，坯料在均匀化退火后随炉冷却至挤压温度，热挤压得到无缝圆管。表2列出了实施例和对比例的热处理及变形制度。

表2合金热处理及变形制度

表3为实施例和对比例的性能测试结果。电导率按照GB/T 12966-2008《铝合金电导率涡流测试方法》测试；常规拉伸性能按照GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》测试，耐热性能用230℃下保温1h后的抗拉强度残存率表征；疲劳极限按照GB/T 3075-2020《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》进行拉-拉疲劳试验；平面应变断裂韧度按照GB/T 4161-2007《金属材料平面应变断裂韧度K_IC试验方法》测试。

表3合金性能测试结果

表3显示，满足本发明所述成分及制备工艺的铝合金导体材料，抗拉强度均在160MPa以上，导电率大于等于60.5％IACS，经230℃/1h退火后的抗拉强度残存率大于等于90％，疲劳极限应力大于等于75MPa且平面应变断裂韧度大于16.5MPa·m^1/2。

由实施例1-3可知，在本发明成分范围内，随着RE含量的提升，图4(a)、4(b)所示的富含Fe、Si、RE的球状初生相增多，合金的导电性能、力学性能和耐热性能、抗疲劳性能和断裂韧性均出现不同程度的升高。当RE含量超过本发明成分范围时，如对比例9，合金导电率、抗拉强度、抗疲劳性能和断裂韧性均低于实施例1-3的对应性能指标。

由实施例3、7、8和对比例5、6可知，Zr含量对本发明所述铝合金导体材料的导电率和耐热性能会产生显著的影响，特别是当Zr含量超过本发明设计成分范围的上限或下限时，合金的导电率或耐热性能出现大幅度的降低。

由实施例1-10可知，Fe、Si、Zr、B、RE的含量在本发明设计成分范围内时，合金的各项性能指标协同提高。由对比例1-10可知，Fe、Si、Zr、B、RE中任一种元素的含量超出本发明设计成分范围的上限或下限时，均难以维持各性能指标的匹配。

由实施例11-16可知，热处理及变形制度的相关参数在本发明设计范围内时，合金的各项性能指标协同提高。由对比例9-15可知，任意热处理及变形制度的相关参数超出本发明设计范围内时，均难以维持各性能指标的匹配，无法满足相关服役要求。

本发明通过控制Fe/Si比大于等于1.2，同时添加适量的Zr和RE，并采用合适的热处理和变形制度，使合金在具有较高的耐热性能、抗疲劳性能和断裂韧性的同时，兼具较高的导电率和强度，满足特定条件下的使用要求。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高导耐热耐损伤铝合金导体材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

S2：铸造得到铝合金锭坯；

S3：对铝合金锭坯进行均匀化热处理和热挤压；

所述铝合金以质量百分比计，由如下组分组成：Fe：0.06～0.20％，Si：0.05～0.12％，Zr：0.05～0.15％，RE：0.05～0.30％，B含量不超过0.0001％，Ti、V、Cr、Mn杂质元素总含量不高于0.01％，其他杂质总含量小于0.01％，余量为Al，所述Fe和Si的质量比大于1.2且小于5，所述RE是La、Ce、Nd、Y、Sc、Er中的一种或两种；

所述铝合金的基体中分布有含Fe、Si、RE的球状复合相；

挤压比λ大于等于10，小于等于20；挤压总变形量大于等于90％，小于等于95％。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铸造为普通铸造或半连续铸造，冷却速率大于等于20℃/s。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述均匀化热处理温度为450-550℃，保温时间为10～24h。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热挤压是在均匀化处理后随炉冷却至挤压温度挤压；所述挤压温度为250-450℃。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述挤压温度为300-400℃。

6.根据权利要求1所述的高导耐热耐损伤铝合金导体材料的制备方法，其特征在于，所述Fe：0.10～0.15wt.％，Si：0.06～0.10wt.％，Zr：0.06-0.10wt.％，RE：0.10-0.20wt.％。

7.根据权利要求1所述的高导耐热耐损伤铝合金导体材料的制备方法，其特征在于，所得铝合金在20℃下的导电率大于等于60.5％IACS，抗拉强度大于等于160MPa，经230℃/1h退火后的抗拉强度残存率大于等于90％，疲劳极限应力大于等于75MPa且平面应变断裂韧度大于16.5MPa·m^1/2。

8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法获得的高导耐热耐损伤铝合金导体材料的应用，其特征在于，所述铝合金的应用包括电线电缆和电力金具。